Угол Бюрги – Дюница

Бюрги-Дуница и Флиппина-Лоджа , Углы траектории сближения нуклеофила $\alpha _{BD}$ и $\alpha _{FL}$ , аналогичный параметрам высоты и азимута в небесной (горизонтальной) системе координат . Как в этой небесной системе координат, так и в системе описания нуклеофила, приближающегося к планарному электрофилу, проблема состоит в том, чтобы однозначно описать расположение точки вне плоскости относительно конкретной точки на плоскости. Следовательно, в обоих случаях проблему можно решить, используя два угла: угол высотного типа и угол азимутального типа. Обратите внимание: хотя высоту в небесных приложениях легче всего измерить по показанной конкретной высоте, высоту нуклеофила, $\alpha _{BD}$ , легче всего измерить как дополнительный угол Nu-CO, поэтому его значения чаще всего > 90 ° (см. текст и следующее изображение).

Угол Бюрги-Дюница (угол BD) — один из двух углов, которые полностью определяют геометрию «атаки» (приближения через столкновение) нуклеофила на тригональный ненасыщенный центр в молекуле , первоначально карбонильный центр в органическом кетоне , но теперь распространяется на альдегидные , сложноэфирные и амидные карбонилы, а на алкены (олефины). также ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}^{[ 3 ]} Угол был назван в честь кристаллографов Ханса-Бита Бюрги и Джека Д. Дуница , его первых старших исследователей.

Практически говоря, углы Бюрги-Дюница и Флиппина-Лоджа сыграли центральную роль в развитии понимания хирального химического синтеза и, в частности, явления асимметричной индукции во время нуклеофильной атаки на затрудненные карбонильные центры (см. Крам-Фелькин-Ань и Нгуен ^{[ нужны разъяснения ]} модели). ^{[ 4 ]}^{[ 5 ]}

Кроме того, стереоэлектронные принципы, лежащие в основе нуклеофилов, принимающих запрещенный диапазон углов Бюрги-Дюница, могут способствовать конформационной стабильности белков. ^{[ 6 ]}^{[ 7 ]} и призваны объяснить стабильность определенных конформаций молекул в одной гипотезе химического происхождения жизни . ^{[ 8 ]}

Определение

При добавлении атаки нуклеофила (Nu) к карбонилу угол BD определяется как угол связи Nu-CO. Угол BD, принимаемый при сближении нуклеофила с тригональным ненасыщенным электрофилом, зависит в первую очередь от формы молекулярных орбиталей (МО) и заполненности ненасыщенного углеродного центра (например, карбонильного центра) и лишь во вторую очередь от молекулярных орбиталей нуклеофила. ^{[ 1 ]}

Из двух углов, которые определяют геометрию нуклеофильной «атаки», второй описывает «смещение» подхода нуклеофила к одному из двух заместителей, присоединенных к карбонильному углероду или другому электрофильному центру, и был назван углом Флиппина-Лоджа ( угол FL) Клейтона Хиткока по мотивам его соавторов Ли А. Флиппина и Эрика П. Лоджа. ^{[ 4 ]}

Эти углы обычно истолковываются как означающие угол, измеренный или рассчитанный для данной системы, а не исторически наблюдаемый диапазон значений для исходных аминокетонов Бюрги-Дуница или идеализированное значение, рассчитанное для конкретной системы (например, присоединения гидрида к формальдегиду ). слева). То есть углы BD и FL системы гидрид-формальдегид дают заданную пару значений, в то время как углы, наблюдаемые для других систем, могут варьироваться по сравнению с этой простейшей химической системой. ^{[ 1 ]}^{[ 3 ]}^{[ 9 ]}

Измерение

Первоначальные измерения Бюрги-Дуница касались серии внутримолекулярных карбонильных взаимодействий амина и кетона в кристаллах соединений, несущих обе функциональные группы, например метадона и протопина . Это дало узкий диапазон значений угла BD (105 ± 5°); соответствующие вычисления — расчеты молекулярных орбиталей типа SCF-LCAO — описывающие подход s-орбитали гидрид-аниона (H ⁻) к пи-системе простейшего альдегида – формальдегида (H ₂ C=O) – дал значение угла BD 107°. ^{[ 2 ]}^{[ нужен неосновной источник ]}

Таким образом, Бюрги, Дуниц и впоследствии многие другие отметили, что кристаллографические измерения аминокетонов и расчетная оценка простейшей системы нуклеофил-электрофил были весьма близки к теоретическому идеалу - тетраэдрическому углу (внутренние углы тетраэдра 109,5 °). и, таким образом, соответствует геометрии, которая считается важной для развития переходных состояний при нуклеофильных атаках на тригональные центры. ^{[ нужна ссылка ]}

Структура L - метадона , ключевой молекулы, кристаллы которой изучались при разработке концепции угла BD.
Структура протопина , алкалоида , кристаллы которого также изучались при разработке концепции угла BD.
Взаимодействие амина с карбонилом n→π* в протопине с необычно коротким расстоянием N···C 2,555 Å и углом Бюрги–Дюница 102°. ^{[ 10 ]}

В структуре L -метадона (вверху слева) обратите внимание на третичный амин , выступающий внизу справа, и карбонильную (C=O) группу в центре, которые вступают во внутримолекулярное взаимодействие в кристаллической структуре (после вращения вокруг одинарные связи, соединяющие их в процессе кристаллизации ).

Аналогично в структуре протопина (вверху, в центре) обратите внимание на третичный амин в центре молекулы, часть десятичленного кольца, и противоположную ему группу C=O в кольце; они участвуют во внутримолекулярном взаимодействии, допускаемом изменениями углов закручивания атомов кольца.

Теория

Гидридное присоединение к формальдегиду

Предполагаемый Бюрги-Дуниц (

\alpha _{BD}

) угол для этого простейшего H ^(–) → H ₂ C=O нуклеофильное присоединение .

В основе взаимодействия HOMO-LUMO

\alpha _{BD}

угол в простых системах.

(Слева) Показана нуклеофильная атака заряженного нуклеофила (Nu), гидрид-аниона, на ненасыщенный тригональный центр альдегидного электрофила, формальдегида (R,R'=H). Указано значение, рассчитанное как оптимальное для этой системы, 107 °, и оно представляет тупые значения, наблюдаемые в большинстве экспериментальных химических систем.
(Справа) Карикатура, изображающая высшую занятую молекулярную орбиталь (ВЗМО) p-типа нуклеофила, такого как хлорид-ион (зеленая сфера), и низшую незанятую молекулярную орбиталь (LUMO) тригонального центра электрофильного карбонила формальдегида. (черная сфера углерода, красная сфера кислорода, белые сферы водорода). Вид почти сбоку, а развивающееся неплоское искажение карбонильного атома углерода для простоты опущено.

Сближение наблюдаемых углов BD можно рассматривать как возникающее из-за необходимости максимального перекрытия между самой высокой занятой молекулярной орбиталью ( ВЗМО ) нуклеофила и самой низкой незанятой молекулярной орбиталью ( НСМО ) ненасыщенного тригонального центра электрофила. ^{[ 1 ]} (См. для сравнения связанную с неорганической химией концепцию модели углового перекрытия. ^{[ 11 ]}^{[ 12 ]}^{[ 13 ]}^{[ нужна страница ]})

В случае присоединения к карбонилу ВЗМО часто представляет собой орбиталь p-типа (например, у аминного азота или галогенид- аниона ), а под НСМО обычно понимают разрыхляющую π * -молекулярную орбиталь, перпендикулярную плоскости, содержащей кетоновая связь C=O и ее заместители (см. рисунок справа вверху). Считается, что угол BD, наблюдаемый при нуклеофильной атаке, приближается к углу, который обеспечивает оптимальное перекрытие между ВЗМО и НСМО (основано на принципе снижения получаемых в результате энергий новых молекулярных орбиталей после такого смешивания орбиталей одинаковой энергии и симметрии 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). ^{[ нужна ссылка ]}

Осложнения

Электростатические и Ван-дер-Ваальсовые взаимодействия.

Чтобы понять случаи реальных химических реакций, HOMO-LUMO-центрированная точка зрения модифицируется за счет 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. к тому или иному заместителю (см. рисунок выше). ^{[ 14 ]}^{[ нужен неосновной источник ]}

Линейная и вращательная динамика

Теория углов BD была разработана на основе «замороженных» взаимодействий в кристаллах, где влияние динамики, действующей в системе (например, легко изменяющиеся углы скручивания ), может быть незначительным. Однако большая часть химии, представляющей общий интерес и использование, происходит посредством столкновений молекул, падающих в растворе ; соответственно, в таких случаях учитывается динамика.

Ограниченная среда в ферментах и наноматериалах

Более того, в ограниченных реакционных средах, таких как места связывания ферментов и наноматериалов, ранние данные свидетельствуют о том, что углы BD для реактивности могут быть совершенно разными, поскольку концепции реактивности, предполагающие перекрытие орбиталей во время случайного столкновения, не применимы напрямую. ^{[ 15 ]}^{[ 9 ]}

Например, значение BD, определенное для ферментативного расщепления амида сериновой протеазой ( субтилизин ), составляло 88°, что совершенно отличалось от гидридно-формальдегидного значения, равного 107°; более того, компиляция литературных значений кристаллографических углов BD для одной и той же реакции, опосредованной различными белковыми катализаторами, сгруппированными под углом 89 ± 7 ° (т.е. лишь слегка смещенными относительно непосредственно над или под карбонильным углеродом). В то же время значение FL субтилизина составляло 8°, а значения угла FL из тщательной компиляции группировались на уровне 4 ± 6° (т.е. лишь немного смещены от точки непосредственно за карбонилом; см. статью об угле Флиппина-Лоджа ). ^{[ 9 ]}^{[ нужен неосновной источник ]}

См. также

Угол Флиппина – Лоджа

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Флеминг И. (2010) Молекулярные орбитали и органические химические реакции: справочное издание , John Wiley & Sons, стр. 214–215.
^ Перейти обратно: ^а ^б Бюрги, Х.-Б.; Дуниц, доктор медицинских наук; Лен. Ж.-М.; Випфф, Г. (1974). «Стереохимия путей реакций в карбонильных центрах». Тетраэдр . 30 (12): 1563–1572. дои : 10.1016/S0040-4020(01)90678-7 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Цеплак, А.С. (2008)Органические реакции присоединения и отщепления: пути превращения карбонильных производных в книге «Структурная корреляция», Vol. 1 (Х.-Б. Бюрги и Дж. Д. Дуниц, ред.), Нью-Йорк: John Wiley & Sons, стр. 205–302, особенно. 216-218. [doi:10.1002/9783527616091.ch06; ISBN 9783527616091 ]
^ Перейти обратно: ^а ^б Хиткок, 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.
^ Гоули, Р.Э. и Об, Дж. 1996, Принципы асимметричного синтеза (Серия органической химии тетраэдра, том 14), стр. 121-130, особенно. стр. 127ф.
^ Бартлетт, Дж.Дж.; Чоудхари, А.; Рейнс, RT; Вульфсон, Д.Н. (2010). « n → π *-взаимодействия в белках» . Нат. хим. Биол . 6 (8): 615–620. дои : 10.1038/nchembio.406 . ПМЦ 2921280 . ПМИД 20622857 .
^ Фуфезан, К. (2010). «Роль взаимодействий Бюрджи-Дюница в структурной стабильности белков». Белки . 78 (13): 2831–2838. дои : 10.1002/прот.22800 . ПМИД 20635415 . S2CID 41838636 .
^ Чоудхари, А.; Камер, К.Дж.; Владелец, МВт; Сазерленд, доктор юридических наук; Рейнс, RT (2010). «Стереоэлектронный эффект в синтезе пребиотических нуклеотидов» . АКС хим. Биол . 5 (7): 655–657. дои : 10.1021/cb100093g . ПМЦ 2912435 . ПМИД 20499895 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Радиски, Э.С. и Кошланд, Д.Э. (2002), Механизм засорения желоба для ингибиторов протеазы, Proc. Натл. акад. наук. USA , 99 (16):10316-10321, см. [2] , по состоянию на 28 ноября 2014 г.
^ Холл, СР; Ахмед, Франция (1968). «Кристаллическая структура протопина C ₂₀ H ₁₉ O ₅ N». Акта Кристаллогр. Б. 24 (3): 337–346. дои : 10.1107/S0567740868002347 .
^ Хоггард, PE (2004) Параметры модели углового перекрытия, Struct. Связь. 106 , 37.
^ Бердетт, Дж. К. (1978) Новый взгляд на структуру и связи в комплексах переходных металлов, Adv. Неорг. хим. 21 , 113.
^ Перселл, К.Ф. и Коц, Дж.К. (1979) Неорганическая химия , Филадельфия, Пенсильвания: Saunders Company. ^{[ нужна страница ]}
^ Лодж, EP и Heathcock, CH (1987) Стерические эффекты, а также сигма *-орбитальные энергии важны для дифференциации диастереолица в дополнение к хиральным альдегидам, J. Am. хим. Соц. , 109 :3353-3361.
^ См., например, Light, SH; Минасов Г.; Дубан, М.-Э. и Андерсон, В.Ф. (2014) Соблюдение стереохимических принципов Бюрги-Дуница требует значительных структурных перестроек при образовании Шиффового основания: данные трансальдолазных комплексов, Acta Crystallogr. D 70 (Pt 2):544-52, DOI: 10.1107/S1399004713030666, см. [3] , по состоянию на 10 июня 2014 г.

[Fleming10_214f-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Флеминг И. (2010) Молекулярные орбитали и органические химические реакции: справочное издание , John Wiley & Sons, стр. 214–215.

[BurgiDunitzTet74-2] Перейти обратно: ^а ^б Бюрги, Х.-Б.; Дуниц, доктор медицинских наук; Лен. Ж.-М.; Випфф, Г. (1974). «Стереохимия путей реакций в карбонильных центрах». Тетраэдр . 30 (12): 1563–1572. дои : 10.1016/S0040-4020(01)90678-7 .

[A.S._Cieplak_2008_pp._205_-_302-3] Перейти обратно: ^а ^б Цеплак, А.С. (2008)Органические реакции присоединения и отщепления: пути превращения карбонильных производных в книге «Структурная корреляция», Vol. 1 (Х.-Б. Бюрги и Дж. Д. Дуниц, ред.), Нью-Йорк: John Wiley & Sons, стр. 205–302, особенно. 216-218. [doi:10.1002/9783527616091.ch06; ISBN 9783527616091 ]

[Heathcock1990-4] Перейти обратно: ^а ^б Хиткок, 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.

[5] Гоули, Р.Э. и Об, Дж. 1996, Принципы асимметричного синтеза (Серия органической химии тетраэдра, том 14), стр. 121-130, особенно. стр. 127ф.

[6] Бартлетт, Дж.Дж.; Чоудхари, А.; Рейнс, RT; Вульфсон, Д.Н. (2010). « n → π *-взаимодействия в белках» . Нат. хим. Биол . 6 (8): 615–620. дои : 10.1038/nchembio.406 . ПМЦ 2921280 . ПМИД 20622857 .

[7] Фуфезан, К. (2010). «Роль взаимодействий Бюрджи-Дюница в структурной стабильности белков». Белки . 78 (13): 2831–2838. дои : 10.1002/прот.22800 . ПМИД 20635415 . S2CID 41838636 .

[8] Чоудхари, А.; Камер, К.Дж.; Владелец, МВт; Сазерленд, доктор юридических наук; Рейнс, RT (2010). «Стереоэлектронный эффект в синтезе пребиотических нуклеотидов» . АКС хим. Биол . 5 (7): 655–657. дои : 10.1021/cb100093g . ПМЦ 2912435 . ПМИД 20499895 .

[RadiskyKoshlandGutter02-9] Перейти обратно: ^а ^б ^с Радиски, Э.С. и Кошланд, Д.Э. (2002), Механизм засорения желоба для ингибиторов протеазы, Proc. Натл. акад. наук. USA , 99 (16):10316-10321, см. [2] , по состоянию на 28 ноября 2014 г.

[10] Холл, СР; Ахмед, Франция (1968). «Кристаллическая структура протопина C ₂₀ H ₁₉ O ₅ N». Акта Кристаллогр. Б. 24 (3): 337–346. дои : 10.1107/S0567740868002347 .

[11] Хоггард, PE (2004) Параметры модели углового перекрытия, Struct. Связь. 106 , 37.

[12] Бердетт, Дж. К. (1978) Новый взгляд на структуру и связи в комплексах переходных металлов, Adv. Неорг. хим. 21 , 113.

[13] Перселл, К.Ф. и Коц, Дж.К. (1979) Неорганическая химия , Филадельфия, Пенсильвания: Saunders Company. ^{[ нужна страница ]}

[14] Лодж, EP и Heathcock, CH (1987) Стерические эффекты, а также сигма *-орбитальные энергии важны для дифференциации диастереолица в дополнение к хиральным альдегидам, J. Am. хим. Соц. , 109 :3353-3361.

[15] См., например, Light, SH; Минасов Г.; Дубан, М.-Э. и Андерсон, В.Ф. (2014) Соблюдение стереохимических принципов Бюрги-Дуница требует значительных структурных перестроек при образовании Шиффового основания: данные трансальдолазных комплексов, Acta Crystallogr. D 70 (Pt 2):544-52, DOI: 10.1107/S1399004713030666, см. [3] , по состоянию на 10 июня 2014 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]