Угол Bürgi-Dunitz (угол BD) , является одним из двух углов , которые полностью определяют геометрию «атака» (подход через столкновение) от нуклеофила на тригональный ненасыщенный центре в молекуле , первоначально карбонил центр в органическом кетоне , но теперь распространяется на карбонилы альдегидов , сложных эфиров и амидов , а также на алкены (олефины). [2] [3] [4]А именно, в случае нуклеофильной атаки на карбонил, он определяется как угол связи Nu-CO, где Nu используется здесь для идентификации атома нуклеофила, который образует связь с атомом углерода C. Угол был назван после кристаллографов Ханса-Бит Бюрджи и Джека Д. Дуница , его первых старших исследователей. Второй угол , определяющий геометрию описывает «смещение» подхода нуклеофила по направлению к одному из двух заместителей , присоединенных к атому углерода карбонильной или другого электрофильного центра, и был назван угол Флиппин-Lodge по Клейтон Хиткок после того, как его вносящих вклад соавторов Ли А. Флиппин и Эрик П. Лодж. [5] Эти углы обычно означают угол, измеренный или вычисленный для данной системы, а не исторически наблюдаемый диапазон значений для исходных аминокетонов Бюрги-Дуница или идеализированное значение, вычисленное для конкретной системы (например, добавление гидрида к формальдегид , изображение слева). То есть углы BD и FL гидрид-формальдегидной системы дают заданную пару значений, в то время как углы, наблюдаемые для других систем, могут отличаться по сравнению с этой простейшей химической системой. [2] [4] [6]
Угол BD, принятый во время приближения нуклеофила к тригональному ненасыщенному электрофилу, зависит в первую очередь от формы молекулярных орбиталей (МО) и степени заполнения ненасыщенного углеродного центра (например, карбонильного центра) и только во вторую очередь от молекулярных орбиталей нуклеофила. [2] Первоначальные измерения Bürgi-Dunitz были из ряда внутримолекулярной амина - кетон карбонильных взаимодействий, в кристаллах соединений , имеющих как функциональные возможности , например, метадон и протопин (изображения слева и справа). Это давало узкий диапазон значений угла BD (105 ± 5 °); соответствующие вычисления - расчеты молекулярных орбиталей типа SCF- LCAO - описывающие приближение s-орбитали гидрид-аниона (H - ) к пи-системе простейшего альдегида, формальдегида (H 2 C = O), дали значение угла BD 107 °. [3] [ необходим непервичный источник ] Таким образом, Бурджи, Дуниц и многие другие отметили, что кристаллографические измерения аминокетонов и вычислительная оценка простейшей системы нуклеофил-электрофил были довольно близки к теоретическому идеалу, тетраэдрическому углу (внутренние углы тетраэдра 109,5 °) и, таким образом, согласуются с геометрией, которая, как считается, важна для развития переходных состояний при нуклеофильных атаках на тригональные центры. [ необходима цитата ]
Схождение наблюдаемых углов BD можно рассматривать как результат необходимости максимального перекрытия между высшей занятой молекулярной орбиталью ( ВЗМО ) нуклеофила и самой низкой незанятой молекулярной орбиталью ( НСМО ) ненасыщенного тригонального центра электрофила. [2] (См. Для сравнения родственную концепцию неорганической химии модели углового перекрытия. [7] [8] [9] [ необходима страница ] ) В случае присоединения к карбонилу HOMO часто является p- тип орбитали, как показано на рисунке (например, на аминовом азоте или галогенид- анионе ), и LUMO обычно понимается как разрыхляющая молекулярная орбиталь π *, перпендикулярная плоскости, содержащей кетонную связь C = O и ее заместители (см. рисунок справа вверху). Считается, что угол BD, наблюдаемый для нуклеофильной атаки, приближается к углу, который обеспечил бы оптимальное перекрытие между HOMO и LUMO (на основе принципа снижения результирующих новых энергий МО после такого смешивания орбиталей одинаковой энергии и симметрии из участвующих реагентов) . В то же время нуклеофил избегает перекрытия с другими орбиталями электрофильной группы, которые неблагоприятны для образования связи (не видно на изображении справа выше из-за простоты R = R '= H в формальдегиде). [ необходима цитата ]
Чтобы понять случаи реальных химических реакций, взгляд, ориентированный на HOMO-LUMO, модифицируется путем понимания дальнейших сложных, специфичных для электрофилов отталкивающих и притягивающих электростатических и ван-дер-ваальсовых взаимодействий, которые изменяют высотный угол BD и смещают азимутальный угол Флиппина-Лоджа. по направлению к одному заместителю или другому (см. рисунок выше). [10] [ требуется не первичный источник ] Кроме того, в реальных случаях учитывается любая динамика, имеющая место в системе (например, легко изменяемые крутильные углы ). (Напомним, теория углов BD была разработана на основе «замороженных» взаимодействий в кристаллах; большая часть химии, представляющей общий интерес и использующаяся, происходит через столкновения молекул, падающих в раствор.) Более того, в условиях ограниченной реакционной среды, такой как связывание ферментов и наноматериалов На первых порах данные свидетельствуют о том, что углы BD для реактивности могут быть совершенно разными, поскольку концепции реактивности, предполагающие перекрытие орбит во время случайных столкновений, не применимы напрямую. [11] [6] Например, значение BD, определенное для ферментативного расщепления амида сериновой протеазой ( субтилизином ), составляло 88 °, что существенно отличается от гидридно-формальдегидного значения 107 °; кроме того, компиляция литературных кристаллографических значений угла BD для одной и той же реакции, опосредованной различными белковыми катализаторами, сгруппированными под углом 89 ± 7 ° (т.е. лишь слегка смещенными непосредственно выше или ниже углерода карбонила). В то же время, значение FL субтилизина составляло 8 °, а значения угла FL, полученные при тщательной компиляции, сгруппированы на уровне 4 ± 6 ° (т. Е. Лишь слегка смещены непосредственно за карбонилом; см. Статью об угле Флиппина-Лоджа ). [6] [ требуется неосновной источник ]
С практической точки зрения, углы Бюрги-Дуница и Флиппина-Лоджа сыграли центральную роль в развитии понимания хирального химического синтеза и, в частности, феномена асимметричной индукции во время нуклеофильной атаки на заторможенные карбонильные центры (см. Модели Крэма-Фелкина-Аня и Нгуена). ). [5] [12] Кроме того, стереоэлектронные принципы, лежащие в основе нуклеофилов, принимающих запрещенный диапазон углов Бюрги-Дуница, могут способствовать конформационной стабильности белков [13] [14] и используются для объяснения стабильности определенных конформаций молекул. в одной гипотезе химического происхождения жизни. [15]
Смотрите также
- Угол Флиппина – Лоджа
Рекомендации
- ^ Холл, SR; Ахмед, FR (1968). «Кристаллическая структура протопина, C 20 H 19 O 5 N». Acta Crystallogr. B . 24 (3): 337–346. DOI : 10.1107 / S0567740868002347 .
- ^ a b c d Флеминг, I. (2010) Молекулярные орбитали и органические химические реакции: справочное издание , John Wiley & Sons, стр. 214–215.
- ^ а б Bürgi, H.-B .; Dunitz, JD; Лен. J.-M .; Випфф, Г. (1974). «Стереохимия реакционных путей на карбонильных центрах». Тетраэдр . 30 (12): 1563–1572. DOI : 10.1016 / S0040-4020 (01) 90678-7 .
- ^ a b Cieplak, AS (2008) Органические реакции присоединения и элиминирования: пути превращения карбонильных производных In Structure Correlation, Vol. 1 (H.-B. Bürgi & JD Dunitz, ред.), Нью-Йорк: John Wiley & Sons, стр. 205–302, особенно. 216-218. [DOI: 10.1002 / 9783527616091.ch06; ISBN 9783527616091 ]
- ^ a b Heathcock, CH (1990) Понимание и контроль диастереофациальной селективности в реакциях образования углерод-углеродных связей, Aldrichimica Acta 23 (4): 94-111, особенно. п. 101, см. [1] , по состоянию на 9 июня 2014 г.
- ^ a b c Radisky, ES и Koshland, DE (2002), Механизм засорения желоба для ингибиторов протеазы, Proc. Natl. Акад. Sci. USA , 99 (16): 10316-10321, см. [2] , по состоянию на 28 ноября 2014 г.
- ^ Hoggard, PE (2004) Параметры модели углового перекрытия, Struct. Связь. 106 , 37.
- ^ Burdett, JK (1978) Новый взгляд на структуру и связь в комплексах переходных металлов, Adv. Неорг. Chem. 21 , 113.
- Перейти ↑ Purcell, KF & Kotz, JC (1979) Inorganic Chemistry , Philadelphia, PA: Saunders Company. [ требуется страница ]
- ^ Lodge, EP & Heathcock, CH (1987) Стерические эффекты, а также сигма * -орбитальные энергии важны для дифференциации диастероидов в дополнение к хиральным альдегидам, J. Am. Chem. Soc. , 109 : 3353-3361.
- ^ См., Например, Light, SH; Минасов, Г .; Дубан, М.-Э. И Андерсон, В.Ф. (2014) Приверженность стереохимическим принципам Бюрги-Дуница требует значительных структурных перестроек в образовании шиффовых оснований: выводы из трансальдолазных комплексов, Acta Crystallogr. D 70 (Pt 2): 544-52, DOI: 10.1107 / S1399004713030666, см. [3] , по состоянию на 10 июня 2014 г.
- ^ Gawley, RE & Aube, J. 1996 Принципы асимметрического синтеза (Tetrahedron органической химии серии, Vo. 14), стр. 121-130, особ. стр. 127f.
- ^ Bartlett, GJ; Choudhary, A .; Рейнс, RT; Вулфсон, Д. Н. (2010). « n → π * взаимодействия в белках» . Nat. Chem. Биол . 6 (8): 615–620. DOI : 10.1038 / nchembio.406 . PMC 2921280 . PMID 20622857 .
- ^ Фуфезан, К. (2010). «Роль взаимодействий Buergi-Dunitz в структурной стабильности белков». Белки . 78 (13): 2831–2838. DOI : 10.1002 / prot.22800 . PMID 20635415 . S2CID 41838636 .
- ^ Choudhary, A .; Камер, KJ; Владелец, МВт; Сазерленд, JD; Рейнс, RT (2010). «Стереоэлектронный эффект в синтезе пребиотических нуклеотидов» . ACS Chem. Биол . 5 (7): 655–657. DOI : 10.1021 / cb100093g . PMC 2912435 . PMID 20499895 .