Эффекты релаксации геометрической и электронной структуры в механизме внутри- и межмолекулярного взаимодействия тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

На правах рукописи

ИСАЕВ АЛЕКСАНДР НИКОЛАЕВИЧ

ЭФФЕКТЫ РЕЛАКСАЦИИ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ И ЭЛЕКТРОННОЙ СТРУКТУРЫ В МЕХАНИЗМЕ ВНУТРИ- И МЕЖМОЛЕКУЛЯРНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

02.00.04 - Физическая химия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора химических наук

Москва - 2006

Работа выполнена в лаборатории спектроскопии и квантовой химии Института органической химии им. Н.Д.Зелинского РАН

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: доктор химических наук, профессор доктор физико-математических наук, профессор

доктор химических наук, профессор

Миняев Руслан Михайлович

Жидомиров Георгий Михайлович Михейкин Игорь Дмитриевич

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ: Институт общей и неорганической химии

им. Н.С.КурнаковаРАН

Защита состоится "17" ноября 2006 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.208.14 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук при Научно-исследовательском институте физической и органической химии Ростовского государственного университета по адресу: 344090, г. Ростов-на-Дону, пр. Стачки, 194/2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИ ФОХ РГУ Автореферат разослан "13" октября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

д.х.н., профессор С^Я^&б И.Д.Садеков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность

Познание закономерностей взаимного влияния атомных групп, с которым связана специфика физических и химических свойств многоатомных (сложных) молекул, является важнейшей проблемой теоретической химии. Исследования многочисленных органических соединений продемонстрировали сложность всей картины внутримолекулярных взаимодействий.

Взаимодействие между активными центрами сложной молекулы отражается на энергии и структуре молекулярных орбиталей (МО), на порядках химических связей и межатомных расстояниях, на распределении электронной плотности, а также на энергии электронного и колебательного возбуждения. С сопряжением и другими формами взаимного влияния атомных групп прямо или косвенно связаны почти все наиболее важные особенности физических, химических и технических свойств органических соединений.

Большинство химических реакций осуществляется в конденсированных средах (водных или неводных) или на межфазных поверхностях. Влияние окружающей среды на свойства и реакционную способность молекулы является результатом взаимодействий в системе сольват-сольвент. Физико-химические свойства сольватированной молекулы определяются изменением ее геометрической и электронной структуры в растворе. Появляется все больше данных, указывающих на то, что именно кооперативные взаимодействия между фрагментами молекулярной системы определяют свойства поверхности потенциальной энергии и механизм реакций, протекающих в сложных биохимических системах и связанных с переносом заряда и энергии.

Установление механизмов переноса заряда между активными центрами молекулярной системы, в частности в системах Д-цепь-А (Д и А - донор и акцептор, соответственно), связано с решением ряда практических задач. К их числу относится создание приборов нелинейной оптики, элементов микроэлектроники, разработка подходов к управлению реакционной способностью, синтез соединений с заданными свойствами на основе систем с сопряженными связями. Актуальность исследования систем Д-цепь-А с переносом протона связана с установлением природы каталитической эффективности ферментов. Накопленные в последние годы экспериментальные данные свидетельствуют об определяющей роли водородных (Н-) связей в механизме ферментативного катализа. Однако в литературе отсутствует единое мнение о природе Н-связи в биохимических системах и роли электростатического и донорно-акцепторного взаимодействия в процессах переноса протона.

В данной диссертационной работе изложены результаты квантово-химического исследования природы кооперативных взаимодействий и структурной подвижности молекулярных систем, связанной с переносом заряда между донорной и акцепторной группами, роль которых в системах Д-М-А (М-иптерфейс) до последнего времени оставалась неизученной.

Цель работы

Цель работы состояла, во-первых, в изучении с использованием квантово-химических методов механизмов внутримолекулярного взаимодействия активных центров в системах с сопряженными связями. Для ее достижения были поставлены следующие задачи:

1. Методами квантовой химии провести анализ геометрической и электронной структуры молекул аллильных соединений (АС), относительной стабильности конформеров и механизма, контролирующего перенос заряда между активными центрами при конформационном переходе молекулы. Выявить основные закономерности взаимодействия активных центров на основе особенностей электронных спектров в зависимости от положения гетероатома в Периодической системе элементов, его валентного состояния и типа лигандов при гетероатоме.

2. Изучить механизм перераспределения электронной плотности в цепи сопряженных связей, определяющий физико-химические проявления сопряжения в системах Д-цепь-А в условиях активного взаимодействия донорной и акцепторной групп.

Во-вторых, целью работы было квантово-химическое исследование влияния кооперативных взаимодействий Н-связей на механизм переноса протона, в особенности в биохимических системах, а также на структуру и физико-химические свойства комплексов сольват-сольвент. Ставилась задача изучить влияние структурной подвижности Н-связанного молекулярного комплекса и реорганизации молекул растворителя сольватной оболочки на свойства поверхности потенциальной энергии (ППЭ), геометрическую и электронную структуру интермедиатов и переходных состояний, исследовать на примере модельных систем роль трансляционной подвижности молекул воды протонного канала в системах Д-цепь-А в процессах переноса протона от донора к акцептору, роль донорно-акцепторного и электростатического взаимодействий в механизме контроля протонной проводимости.

Научная новизна и практическая ценность

Предложена квантово-химическая методология разделения взаимодействия активных центров молекулы через валентную связь и через пространство с целью исследования механизмов внутримолекулярного взаимодействия. Анализ аллильных соединений СН2=СН-СН2-Х11В с использованием данного подхода позволил выявить роль каждого из каналов взаимодействия в процессах переноса заряда между активными центрами и в проявлениях сопряжения, наблюдаемых в эксперименте при переходе от плоской к неплоской конформации молекулы. Для широкого круга гетероатомов X охарактеризовано влияние природы гетероатома на геометрическую и электронную структуру молекулы и спектрохимические признаки сопряжения. При этом показано, что отклонения от аддитивности в свойствах аллильных соединений усиливаются с увеличением валентности гетероатома X и ростом главного квантового числа валентных электронов. На основе анализа

взаимодействий Д-цепь-А в сопряженных системах раскрыта роль интерфейса в контроле взаимодействий донор-акцептор.

Для учета структурных эффектов, связанных с переносом заряда, предложена модель молекулярного комплекса, с использованием которой установлено, что структурная релаксация является механизмом термодинамической стабилизации сложных сопряженных систем, интермедиатов и переходных состояний реакций. Выявлена релаксационная природа энергии ст,п-сопряжения в ст-аллильных соединениях и роль структурной релаксации в механизме нуклеофильных реакций в газовой фазе и растворе.

Показано, что структурная подвижность системы с переносом протона определяет энергетическую предпочтительность переноса протона по обменному механизму через молекулы воды, соединяющие донор и акцептор.

Установлена линейная корреляция между величиной барьера переноса протона в Н-связанном комплексе и разностью электростатических потенциалов на доноре и акцепторе в переходном состоянии реакции. Введен параметр "квазинапряженности" электростатического поля, характеризующий чувствительность барьера переноса протона к зарядовому распределению в молекулярном комплексе. Полученные результаты, устанавливающие связь донорно-акцепторного и электростатического взаимодействий, положены в основу разработанной модели "электростатического мотора", управляющего переносом протонов в биохимических системах. Впервые на основе квантово-химических расчетов выявлен концертный механизм переноса протона по цепи Н-связей в активном центре фермента карбоангидразы. Установлена волновая природа механизма протонной проводимости в системах Д-цепь-А. Впервые показано, что перенос протона от донора к акцептору в таких системах представляет движение вдоль цепи протонной волны.

Апробация работы

Основные результаты диссертации опубликованы в 40 научных статьях.

Результаты представленных в диссертации исследований докладывались на IX и X Всесоюзных совещаниях по квантовой химии (Иваново, 1985 г. и Казань, 1991 г.), на Конференции по квантовой химии, строению и реакционной способности молекул (СБ РГУ "Лиманчик", 1994 г.), Международном Симпозиуме по использованию компьютеров в химических исследованиях (САСЯ-96) (Москва, 1996 г.), Симпозиуме по современным достижениям в теории функционала плотности в рамках 213-го Совещания американского химического общества (Сан-Франциско, США, 1997 г.), Симпозиуме по переносу протона, 217-ое Совещание американского химического общества (Вашингтон, 2000 г.), ХУП Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Казань, 2003 г.).

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, библиографии (467 наименований) и содержит 60 рисунков и 64 таблицы; общий объем 361 страница.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулирована актуальность поставленной задачи исследования механизмов внутри- и межмолекулярных взаимодействий, процессов переноса заряда между активными центрами молекулярной системы и перечислен круг рассмотренных в диссертации вопросов.

В первой главе изложено развитие представлений о сверхсопряжении и известные к настоящему времени данные, полученные экспериментальными и теоретическими методами, о влиянии сверхсопряжения на геометрию и физико-химические свойства молекул, включая реакционную способность и спектроскопические показатели. Изложены результаты квантово-химического исследования влияния взаимодействия фрагментов молекул аллильных соединений через валентную связь и через пространство на спектрохимические проявления сверхсопряжения.

1.1 Природа гетероатома и межорбитальные взаимодействия в молекулах аллильных соединений

Предложен подход к исследованию механизмов внутримолекулярного взаимодействия активных центров в сложной молекуле, в основе которого включение в фокиан расчетной схемы ЦДДП матричных элементов, учитывающих разные формы межорбитального взаимодействия. Для анализа взаимодействия фрагментов молекул аллильных соединений с различными гетероатомами X использован метод МПДГТ. В методе МПДП матричный элемент взаимодействия между орбиталями и фх, принадлежащими соответственно атомам А и В, имеет следующий вид:

АВ

F^x = - 1/2I2:Pw(h.V,A,O), ver

где pjj. - одноэлекгронный двухцентровый резонансный интеграл, Р^ - элемент матрицы порядков связей, (jiv.Xc) - двухцентровый кулоновский интеграл. Принимая за нуль соответствующие величины р^. и элементы матрицы порядков связей для орбиталей срм и щ, в молекуле АС можно исключить непосредственное взаимодействие между валентными орбиталями гетероатома и атомов Ср и Су или взаимодействие между орбиталями атомов Са и Ср.

\

Н—Ср

_. .........Cct

Н/ \

Н XRn

В первом варианте остается и учитывается только взаимодействие винильного фрагмента с фрагментом -Х-СНг через валентную связь Са-Ср, во втором -только взаимодействие винильного фрагмента с гетероатомом через пространство. Мы рассчитали методом МПДП геометрию и электронную структуру гош-конформеров аллильных соединений 1л, Ве, В и Hg для обоих вариантов.

Проведенный анализ молекулы аллиллития показал, что в случае учета взаимодействия фрагментов только через валентную связь изменение геометрии и электронной структуры молекулы при конформационном переходе транс —> гош незначительно (табл.1). Взаимодействие через пространство 2э-АО 1л с валентными орбиталями атомов Ср и Су в гош-конформере намного сильнее. Показано, что стабилизация гош-конформации о-струюуры аллиллития происходит в результате перекрывания 2б-АО 1л с 2б- и 2р/-АО атомов Ср и Сг (атомы С аллильного фрагмента лежат в плоскости ху).

Таблица 1. Влияние взаимодействия орбиталей через пространство и через мостиковую группу на геометрию и электронную структуру гипотетического гош-конформера аллиллития. Расчет методом МПДП

Взаимодействие Длина валентной связи, Á Валентный угол, град Эффективный заряд на атоме, а.е. ДН, ккал/ моль

Х-Са 1 Са-Ср Ср-С, ХСаСр CaCfiC, X 1 Са | Cg | С,

I П Ш 1.80 1.50 1.35 1.81 1.48 1.37 1.80 1.50 1.34 104.9 130.0 75.1 125.4 105.1 129.3 0.50 -0.39 -0.03 -0.12 0.54 -0.41 -0.01 -0.26 0.50 -0.39 -0.03 -0.11 2.1 6.8 -1.1

Примечание. ДН - разность между теплотами образования транс- и гош-конформеров, рассчитанными для каждого типа взаимодействия: I - взаимодействие через валентную связь; П - взаимодействие через пространство; П1 - взаимодействия нет.

В о-аллильных соединениях взаимодействию через пространство благоприятствует диффузность валентных орбиталей гетероатома. Расчеты показывают, что сжатие 2s-AO атома Li при увеличении слейтеровской экспоненты от 0.702 (стандартная величина) до 1.00 делает я-комплекс аллиллития менее стабильным, чем гош-конформер а-аллильной структуры. С уменьшением диффузности валентных АО гетероатома сглаживаются различия геометрической и электронной структуры между гош- и транс-конформерами. Энергия связи через пространство в гош-конформерах аллиллития и аллилбериллия составляет соответственно 11 и 3.1 ккал/моль, а у аллилртути только 0.2 ккал/моль. Энергетическая предпочтительность гош-конформера по сравнению с транс-конформером в аллильных соединениях В и Hg обусловлена усилением взаимодействия фрагментов -CH2-XRn и -СН=СНг через валентную связь.

Проведенные расчеты позволяют оценить и сопоставить величины энергии ст,7с-сопряжения (Ес,ж) в рассмотренном ряду АС как разность между теплотами образования гош-конформера, рассчитанными без и с учетом перекрывания 2pz-AO атомов Са и Ср. Полученные таким способом значения энергии сопряжения для гош-конформеров аллильных соединений Li, Be, В и Hg составляют 3.2, 3.5, 3.6 и 3.9 ккал/моль. Таким образом, величина En>Jc практически не зависит от природы гетероатома АС.

Путем проведения квантово-химических расчетов аллильных соединений серы и фосфора низшей (S11^111) и высшей (S ,PV) валентностей без и с учетом поляризационных d-функций выявлена роль d-орбиталей в относительной стабильности конформеров, их геометрической и электронной структуре.

Учет d-орбиталей атома S принципиально меняет результаты расчетов конформеров AC S^. Диффузные d-AO атома S^ могут заметно перекрываться с р-АО атомов двойной связи, обеспечивая взаимодействие фрагментов молекулы через пространство. Как следствие, переход от плоской к неплоской конформации приводит к заметной стабилизации молекулы: понижение полной энергии молекулы по данным расчетов аЪ initio составляет 8 ккал/моль. Неэмпирический расчет без учета d-функций, также как и полуэмпирические методы, не показывает заметного изменения геометрии и полной энергии молекулы при переходе транс —> гош.

Для молекул аллилфосфинов расчеты предсказывают сходное с аллильными соединениями Sn и S изменение геометрической и электронной структуры, а также относительной стабильности конформеров с увеличением валентности атома фосфора. Результаты неэмпирического расчета свидетельствуют об усилении взаимодействия между фрагментами молекулы аллилфосфина при переходе к AC Pv. Наблюдаемые изменения расчетной структуры АС серы и фосфора связаны с переносом заряда между фрагментами молекулы в результате их взаимодействия через пространство.

Данные, полученные для молекулы аллиллития, выявляют зависимость перераспределения электронной плотности при переходе от плоской а-структуры к гош-конформеру и далее к я-комплексу от условий перекрывания взаимодействующих орбиталей фрагментов. Сравнение интегралов перекрывания 2s-AO Li с орбиталями атомов С аллильного фрагмента показывает, что в сг-АС заряд с атома Li должен переходить в основном на о-орбитали аллильного фрагмента (включая все связи С-Н), поскольку 2s-AO лучше перекрывается с орбиталями s-типа и значительно хуже — с образующими я-связь р-орбиталями атомов С. В я-комплексе перекрывание 2s-АО Li с р-орбиталями атомов углерода увеличивается и усиливается перенос заряда на я-орбиталь.

Расчеты аЪ initio молекулы аллилкремния SiH3-CH2-CH=CH2 в основном и первом электронно-возбужденном триплетном состоянии с учетом электронной корреляции по теории возмущений Меллера-Плессета второго порядка (MII2) показывают, что при электронном возбуждении молекулы взаимодействие

орбиталей фрагментов через пространство и перенос заряда в гош-конформации заметно усиливаются.

1.2 Признаки ст,л-сопряжения в электронных спектрах поглощения аллильных соединений

На основе анализа известных экспериментальных данных и результатов квантово-химических расчетов систем МО молекул аллильных соединений элементов IV группы сделан вывод, что усиление спектральных признаков сопряжения связано не с увеличением квантового числа (и "размеров") АО, а прежде всего со сближением взаимодействующих орбиталей фрагментов на шкале энергии. При этом в ряду соединений с возрастающей атомной массой гетероатома в пределах одпой группы Периодической системы увеличивается вклад АО гетероатома в НВМО и, далее, в ВЗМО; таким образом, у гош-конформеров в начале ряда интенсивное длинноволновое поглощение определяется локализованным электронным переходом я —>я*, затем -переходом с вкладом переноса заряда между фрагментами молекулы (тс —>ст*), а у соединений наиболее тяжелых элементов — переходом с более существенной локализацией в зоне гетероатома (ближе к типу ст —>ст*). В основе этой тенденции - сближение по энергии орбиталей а и а*.

Рассмотрены особенности систем МО и УФ-спекгров аллильных соединений, существующих в форме о-структуры и ^-комплекса, на примере соединений Li, Hg и Ni (рис. 1,2). У гипотетических а-аллильных структур аллиллития ВЗМО (типа а) должна быть локализована преимущественно на связи Li-C, а у аллилртути и л-комплекса диаллилникеля она является я-орбиталью аллильного фрагмента. Аллиллитий отличается более высокими значениями энергии а-, я- и я*-МО, что связано с малой электроотрицателыгостью лития; существенный перенос электронной плотности на аллильный фрагмент благоприятствует повышению энергии я-орбиталей.

Длинноволновая полоса поглощения у рассматриваемых соединений также имеет разное происхождение. У аллилртути она относится к электронному переходу я —> ст*; ее положение на спектре зависит от энергетической щели между граничными МО, которая уменьшается при переходе от транс- к гош-конформеру за счет сопряжения. Результаты расчетов ab initio молекулы аллиллития (X™« = 300 нм, сила осциллятора 0,35) свидетельствуют о том, что электронный переход локализован в основном на аллильном фрагменте молекулы и должен быть отнесен к типу я —> я*, что согласуется с данными эксперимента о положении длинноволновой полосы в аллильных соединениях щелочных металлов.

Из рис.2 видно, что я-диаллилникель имеет более сложную систему МО в связи с наличием двух аллильных групп и соответствующим расщеплением орбиталей (по которому можно судить о степени связи между двумя аллильными фрагментами); длинноволновый электронный переход (d —> d*) в значительной степени локализован на атоме металла.

1М

Рис. 1. Рис. 2.

Рис.1. МО ашшллития: 1- транс-конформер; 2 - цис-конформер; 3 - гош-конформер; 4 - я-комплекс

Рис.2. Энергия верхних занятых и нижних вакантных МО: 1 - транс-AllHgH; 2 - гош-AllHgH; 3 - я-комплекс AllHgH; 4 - я-комплекс r^j-AlbNi (All -аллильный фрагмент)

В расчетах аллилышх соединений серы и фосфора полуэмпирическими и неэмпирическими методами ССП МО ИКАО показано, что изменение валентного состояния гетероатома заметным образом влияет на электронные спектры поглощения. В обоих случаях при переходе к АС с гипервалентным гетероатомом наблюдается инверсия на шкале энергии верхних занятых МО со сменой слабого по спектрохимическим проявлениям сопряжения п,л-типа (АС S^) сильным л,ст-сопряжением (AC S^P7), которому отвечает заметное увеличение относительной стабильности гош-конформации молекулы. Отклонения от аддитивности для УФ-спектров и дипольных моментов соединений Pv должны быть выражены сильнее при наличии в них аксиальной связи Р-С.

Во второй главе рассматриваются механизмы перераспределения электронной плотности в сопряженных системах, связанные с деформацией атомных орбиталей, поляризацией атомов и переносом заряда между активными центрами, теоретические и экспериментальные методы, используемые для анализа взаимодействия донор-акцептор, влияние взаимодействия между донором и акцептором, а также влияние структуры промежуточной цепи на спекгрохимические показатели молекулы, перенос заряда и энергии по цепи. Отдельно обсуждается роль релятивистских

эффектов, обусловливающих сжатие электронной оболочки атома, в проявлениях ст,я-сопряжения в аллильных соединениях с тяжелым гетероатомом.

2.1 Донорно-акцепторное взаимодействие в системе сопряженных связей при валентном колебании атомов акцепторной группы

Рассмотрены две модели перераспределения электронной плотности в молекуле с сопряженными связями при колебании атомов акцепторной группы. Первая модель — это модель фиксированных зарядов на атомах, принимающих участие в нормальном колебании, которое сопровождается "деформацией" атомных орбиталей, что описывается как зависящее от ядерной координаты Q расхождение центров электронного и ядерного зарядов атома. Сдвиг электронной плотности от ядра атома определяет величину так называемого асимметричного и атомного (гибридного) диполей. При этом интенсивность ИК-полосы поглощения, которая является одним из критериев сопряжения, определяется вкладами колебаний координат атомов и зависящей от Q поляризации атомов. Во второй модели вместо колебаний поляризации атомов рассматриваются колебания величин приписываемых атомам точечных зарядов с миграцией электронной плотности по цепи атомов.

Квантово-химическими методами получены оценки изменения дипольного момента транс-конформера молекулы Li-0-CyH=CpH-Ca^N (I), включающей активную я-электроноакцепторную (нитрильную) группу и я-элекгронодонорную группу O-Li, при валентном колебании группы CsN. Для полуколичественной оценки интенсивности А см ИК-полосы группы CN были проведены неэмпирические расчеты MP2/6-311++G** дипольных моментов ц молекул I и CH2=CH-CN (П) при равновесном значении длины связи ОйЯ, т.е. при полной оптимизации геометрии молекул, и при увеличении ее длины на 0.1 А. Таким образом можно было составить представление о производной дипольного момента по нормальной координате (d/jfcQ).

Сравнение частной производной S/j/dQ по длине связи C^N (с пренебрежением вкладов в нормальную координату Q других химических связей) показывает, что у сложной молекулы I интенсивность А см должна быть на порядок выше, чем у II и чем следовало бы в соответствии со схемой аддитивности. Полученный результат позволяет сделать вывод, что производная dp/cQcs зависит от всех взаимодействующих в молекуле атомных групп. Изменения эффективных зарядов на атомах очень малы, и указанное увеличение ц нельзя объяснить переносом заряда по цепи сопряженных связей, также как и изменением координат атомов. Указанное увеличение дипольного момента (Ар.) объяснено деформацией атомных орбиталей с расхождением центров электронного и ядерного зарядов, сопровождающим удлинение связи C=N. Показано, что расчет в базисе 6-311G без учета поляризационных и диффузных функций не предсказывает заметного изменения дипольного момента молекулы I при удлинении связи ON. Еще меньшая величина Ац найдена в расчетах, выполненных в базисе 3-21G. "Сжатие" базиса ухудшает

описание эффекта деформации атомных орбиталей, что отражается на расчетной величине Ац. Выполненные расчеты свидетельствуют о том, что усиление интенсивности ИК-полосы группы CN следует интерпретировать в рамках модели фиксированных зарядов как связанную с нормальными колебаниями деформацию АО.

С целью исследования влияния активной среды на спектральные признаки • внутримолекулярного взаимодействия рассмотрено взаимодействие I с полярными молекулами протонного (вода) и апротонного (ацетонитрил) растворителя. Показано, что увеличение диполыюго момента гидратированной молекулы при удлинении связи CbN, также как и в изолированной молекуле, может быть описано сдвигом центров электронных зарядов атомов относительно ядер. Однако в комплексе I с молекулой ацетонитрила изменение Дц. следует связать с переносом заряда по цепи сопряжения с изменением зарядов на атомах молекулы. При взаимодействии I с молекулой ацетонитрила Аая почти на 60% должна определяться динамическим увеличением электронной плотности на атомах группы CN.

Для молекулы П проведено сравнение основного состояния с нижними синглетными электронно-возбужденными состояниями Si и S2, рассчитанными методом KB с учетом всех однократно-возбужденных конфигураций (CIS). Согласно расчетам синглетные состояния сильно отличаются между собой по показателям миграции электронной плотности при удлинении связи C=N . В первом электронно-возбужденном состоянии Si дипольный момент молекулы увеличивается на 25%, что втрое превосходит изменение ц в основном состоянии и в состоянии S2. Вклад переноса заряда по цепи в Acs в состоянии Si достигает 80%. При возбуждении Si основной вклад приписывается составляющим ВЗМО-1 --> НВМО и ВЗМО —> НВМО+1. При растяжении связи C=N увеличивается вклад НВМО+1, локализованной преимущественно на связи C=N, в полную волновую функцию и происходит соответствующее увеличение электронной плотности на атомах группы. Сделан вывод, что высокая интенсивность ИК-полосы связи OsN в состоянии Si связана с высокой чувствительностью энергии НВМО+1 к изменениям Qcn-

В третьей главе обсуждаются подходы к изучению природы межмолекулярных сил с использованием методов квантовой химии, основанные на теории возмущений и методе ССП. Рассмотрена проблема учета изменения структуры молекул при образовании молекулярного комплекса. Обсуждается роль структурной релаксации в механизме сверхсопряжения, при образовании интермедиатов в реакциях нуклеофильного присоединения и замещения, связь структурной подвижности систем сольват-сольвент с их физико-химическими свойствами.

3.1 Гармоническая модель молекулярного комплекса

Предложена гармоническая модель молекулярного комплекса. Полная энергия комплекса Е(р,А), образованного фрагментами А и В, определена как функция шести переменных р, описывающих относительное положение фрагментов А и В в комплексе, и смещений А внутренних координат ядер относительно их равновесных значений в изолированных фрагментах А0 и В0. Если У(р,А) — энергия взаимодействия между фрагментами, тогда

Е(р,А) = ЕА° +ЕВ° +0.5(Д,КА) + У(р,А) Здесь Еа° и ЕВо - энергия изолированных фрагментов, К - матрица силовых констант фрагментов А и В, (Д,КД) — скалярное произведение в соответствующем векторном поле.

В гармоническом приближении, полагая, что р=0 отвечает минимуму энергии комплекса А°В° с "замороженной" геометрией изолированных фрагментов, имеем

У(р,А) = Уо + (п,Д) + (р,ХЛ) + 0.5 (р,Ур) + 0.5(Д,гД), где У0 - энергия взаимодействия в исходной "нерелаксированной" структуре

А°В°, п — вектор, состоящий из первых производных, и X, У, г - фрагменты матрицы вторых производных для энергии У(р,А) по соответствующим переменным (т.е. блоки матрицы, выделенные разбиением переменных на группы р и А).

Анализ условия минимума энергии (р°,А°) выявляет корреляцию между энергией релаксации и деформации в известном соотношении

ВЕ = Еш1+ АЕ^Ейег+Е'ы Здесь ВЕ — энергия связи в молекулярном комплексе, Е^ — энергия взаимодействия между недеформированными молекулами; ДЕ(<0) — энергия релаксации, определяющая изменение энергии взаимодействия при релаксации геометрии молекул, ЕаеК5^) — энергия деформации и — энергия

взаимодействия деформированных молекул. Показано, что, если энергия взаимодействия между фрагментами является суммой функции р с минимумом при р=0 и линейной функции от А, т.е. при условии малых р и А имеем У(р,А) = Ус + (п,А) + 0.5 (р,Ур) (1), то величины энергий деформации и релаксации равны. Эти условия выполняются, когда расстояние Я (II»А) между фрагментами (между атомами, образующими связь) и их относительное положение при релаксации не изменяются. В этом случае р°=0 и каждый атом фрагмента находится в потенциальном поле, которое приближенно можно считать однородным, т.е. У(р,А) зависит от А линейно. Соотношение Е^ег » АЕ (2) должно быть справедливо при любом фиксированном И»Д, если релаксация не меняет пространственное положение фрагментов относительно друг друга.

Проведены расчеты молекулярных комплексов различных типов методами МР2=ГОШ6-311++С** и МР4=5Ш"р/6-311++С**. Рассмотрены ионные комплексы, где притяжение определяется электростатическим ион-дипольным

и дип оль-дипольн ы м взаимодействием, нейтральные комплексы, в том числе комплексы с водородными связями, а также истинные вандерваальсовы системы, в которых энергия взаимодействия определяется дисперсионными силами. Во всех случаях найдено примерное равенство величин АЕ и Ел*.

ig <ЕЫ

Рис. 3. Корреляция между ]g(-AE) и lg(Edef), найденная в расчетах реакций (1) - (7) с использованием ab initio (х: HF/3-21G; О: QCISD/6-31G**; Д: МР2 = FULL/6-31+G**) и полуэмпирического (dlAMI) методов; (1): Н20 + Н" —> НэО+; (2): Н2 + if ~> Н/; (3): ОН" + Н+ —> Н20; (4): ОН + ОН —> Н202; (5): ОН + С1 —> НОС1; (6): СО + О —> С02; (7): 02 + О —> Оэ. Точки, лежащие на биссектрисе угла, отвечают равным значениям энергий релаксации и деформации.

Сравнение расчетных величин не выявляет простой корреляции между энергией деформации молекул при образовании молекулярного комплекса и энергией связи в комплексе. Среднее значение энергии релаксации, отвечающее молекулярным комплексам одного и того же типа, уменьшается в ряду

катион-радикал > анион > катион > нейтральная молекула > атом Энергия релаксации увеличивается при усилении межмолекулярного взаимодействия и с уменьшением жесткости валентных связей.

Результаты квантово-химических расчетов продуктов для ряда химических реакций образования валентной связи показывают, что соотношение (2) достаточно точно выполняется также и в случае внутримолекулярного взаимодействия, когда взаимодействующие фрагменты образуют валентную

связь. Были рассмотрены реакции между нейтральными молекулами, ионами и радикалами (рис. 3). Анализ расчетных величин ДЕ и Е^ методом наименьших квадратов в линейном приближении дает корреляционный коэффициент г > 0.99. Размер базиса и электронная корреляция влияют только на расчетные значения ДЕ и Е^ коэффициент г линейной корреляции не меняется. Постоянная величина г указывает на то, что точность соотношения (2) не зависит от метода, используемого для оценки энергий деформации и релаксации.

3.2 Структурная релаксация в механизме <т,тс-сопряжения

С целью оценки величин Б^г и ДЕ и вклада релаксации в энергию сг,я-сопряжения проведены квантово-химические расчеты аллильных соединений СН2=СН-СН2-ХНз ряда элементов IV группы. Найдено, что в гош-копформации молекулы отклонения от геометрии "транс" несколько усиливаются в ряду 51 < Се < Бп < РЬ. Связывание Х...С, и Х...Ср в гош-конформерах проявляется в уменьшении валентного угла ХСаСр и уменьшении межатомного расстояния Х...Су на ~ 0.4 А. Подобное изменение геометрии отражает факт взаимодействия орбиталей фрагментов молекулы через пространство, которое усиливается с увеличением диффузности валентных орбиталей гетероатома.

Орбитали атома 7л, участвующие в образовании химических связей, значительно более диффузны по сравнению с валентными орбиталями элементов 1Уб группы. Диффузностъ валентных орбиталей К, определяемая вкладом 3(1-АО, приводит к й-п перекрыванию в гош-конформации молекулы аллилциркония и облегчает пространственное сближение гетероатома и двойной связи, усиливая перенос заряда на аллильный фрагмент молекулы и его деформацию

НЧ /Н

2.33^ у

// \ 2.764

"нн

По данным ВЗЬУР/ЪАЫЬ2В2 расчета уменьшение валентного угла &СаСр до 79° и диэдрического угла 2гСаСрСу до 54° приводит к заметному сближению атома Тх с атомами Ср и Су. При этом происходит значительное изменение длин связей углерод-углерод в аллильном фрагменте:

связь Ср—Су в значительной степени утрачивает характер двойной, тогда как уменьшение расстояния между атомами Са и Ср до 1.44 А указывает на появление частичной двоесвязанности. Гош-конформер аллилциркония можно рассматривать как структуру

"промежуточную" по геометрии между гош-конформером ст-структуры ашшльного соединения р-элемента и л-комплексом.

Таблица 2. Вклад переноса заряда (энергия релаксации ДЕ) в энергию внутримолекулярного взаимодействия в аллильных соединениях элементов IV группы. Расчет методом ВЗЬУР/ЬАЖЛОг

X Полная энергия гош- и транс-конформеров, ат.ед. Относительная стабильность конформеров Б,., ккал/моль ДЕ, ккал/ моль Е<1е6 ккал/ моль ДЕ/ЕС, %

-122.96460 (-122.95969) 3.1 2.6 2.8 84

ве -122.84600 (-122.84036) 3.5 3.0 3.2 86

Бп -122.43623 (-122.42929) 4.4 3.8 4.0 86

РЬ -122.49886 (-122.49119) 4.8 4.2 4.5 87

Ът 165.60594 (-165.58028) 16.1 14.2 13.7 88

Примечание. В скобках указана полная энергия транс-конформера, Ецсг - энергия деформации молекулы

Энергия стабилизации Ее гош-конформации молекулы по данным расчетов ВЗЬУР/ЬАЖЛОг в зависимости от гетероатома X изменяется от 3 до 16 ккал/моль (табл.2). В аллильных соединениях элементов подгруппы кремния, для которых изменение геометрии при конформационном переходе невелико, Ес имеет близкие значения.

Геометрия гош-конформера молекулы аллилциркония, рассчитанная без и с учетом электронной корреляции, заметно отличается. Корреляционные поправки приводят к дополнительной стабилизации гош-конформера на 7 ккал/моль. В табл.2 приведены расчетные величины энергии деформации взаимодействующих фрагментов молекулы и энергии структурной релаксации. Из таблицы видно, что вклад релаксации в энергию внутримолекулярного взаимодействия во всех случаях практически одинаков и составляет около 85% независимо от расчетной величины Ес. Расчеты в других базисах дают близкие оценки.

3.3 Роль структурной релаксации при образовании интермедиатов в реакциях нуклеофильного присоединения

Рассмотрено влияние полярного окружения и структурной релаксации на свойства поверхности потенциальной энергии (ПГТЭ) для реакции нуклеофильного присоединения к карбонильным соединениям

о о-

II I

ЯС^ + ЫиН 5= ЯС^

N11^ Т

С этой целью были рассчитаны потенциальные кривые взаимодействия между аммиаком и формальдегидом, а также между их замещенными производными МН2ОН и СНОС1, в газовой фазе и в растворе с включением четырех и шести молекул воды в реакционную систему.

Показано, что возможность образования тетраэдрического интермедиата Т в растворе определяется быстрым увеличением энергии релаксации при сближении молекул (рис.4). Именно изменение структуры молекулярного комплекса при переносе заряда на карбонильное соединение в результате взаимодействий сольват-сольвент делает возможным образование интермедиата. Появление минимума на потенциальной кривой взаимодействия реактантов для гидратированного аддукта отмечается при К(С-ЬГ)=1.6 А.

Рис.4. Влияние релаксации на потенциальную кривую взаимодействия меж,ту нуклеофилом и карбонильным соединением в реакции присоединения по связи С=0 по данным расчетов методом AMI. Энергия исходных реагентов принята равной нулю. Взаимодействие СН20 с NH3 - 1, СН20 -2Н20 с NH3 -2Н20 - 2, СН20 -ЗН20 с NH3 -ЗН20 - 3; расчеты без оптимизации геометрии (А) и с оптимизацией геометрии реактантов (В). Кривая 4 (В) построена с учетом изменений в положении молекул воды при сближении реактантов. Ось ординат показывает энергию в ккал/моль.

Исследовано нуклеофильное присоединение по механизму внутримолекулярного переноса протона от нуклеофила к атому О карбонильной группы, моделирующее реакцию в десольватированном

О--II

С *

ч

Н У

-Н(а)

N..

Vх

К

активном центре фермента. Квантово-химическим методом МПДП/ВС проведены расчеты геометрии, электронной структуры и относительной стабильности комплекса К для различных межатомных расстояний Другие геометрические параметры комплекса оптимизировались, причем расчеты проводились для различных заместителей при нуклеофиле (X) и при атоме углерода карбонильного соединения (У).

Найдено увеличение угла О-С-И нуклеофильной атаки в ряду X = ОН < СН2ОН < ЙН2 < СНз < Н. Для указанной последовательности наблюдается тенденция к приобретению комплексом тетраэдрической геометрии, отвечающей вр3-гибридизации атома С.

Таблица 3. Рассчитанные методом МПДП/ВС для Л(С-№) = 1.5 А характеристики* комплекса К для различных заместителей при нуклеофиле (У=Н)

X Ег, ^(С-Ы), ЩО-.Ща)), Угол, г] рад.

ккал/моль А А ОСЫ ОСН ОСЫН(С) а.е.

он 26.6 1.48 1.851 96.2 118.5 113.8 0.378

СНзОН 23.6 1.44 1.879 97.0 118.4 114.0 0.421

ин2 23.0 1.42 1.915 97.9 118.3 114.3 0.433

СНз 20.5 1.35 1.924 99.5 117.9 115.9 0.441

Н 16.9 2.061 101.1 117.5 116.2 0.453

*ЕГ - энергия отталкивания реагентов, К^С-Ы) - расстояние, отвечающее переносу Н(а)+, СЬ - заряд на фрагменте СН20.

С усилением отрицательного индуктивного эффекта заместителя X (СН2ОН, ОН) при нуклеофиле сближение реагентов становится энергетически все более невыгодным. Перенос заряда с нуклеофила на формальдегид и изменение

геометрии взаимодействующих молекул малы; соответственно, вклад структурной релаксации в стабилизацию комплекса (энергию межмолекулярного взаимодействия) в этом случае невелик. При образовании комплекса со слабым нуклеофилом структура с протоном Н(а) у атома О карбонильной группы оказывается энергетически намного предпочтительнее биполярного адцукта ( табл.3).

Изменения геометрии комплекса, усиливающиеся в ряду заместителей У = СН3 < N112 < ОН < С1 в карбонильном соединении, связаны с ослаблением электронодонорных и усилением электроноакцепторных свойств У (табл.4). Склонность карбонильного соединения к реакции присоединения нуклеофила по механизму внутримолекулярного переноса протона на карбонильную группу должна снижаться, если карбонильный атом углерода связан с электроноакцепторными заместителями, причем их влияние в этом случае слабее, чем при их введении в атакующий нуклеофил. Электроноакцепторная группа в нуклеофиле, напротив, препятствуя образованию прочной связи с карбонильным соединением, облегчает перенос протона к атому О карбонильной группы.

Таблица 4. Рассчитанные методом МПДП/ВС для И(С-М) = 1.5 А характеристики* комплекса К для различных заместителей при атоме С (Х=П)

У Ег, ккал/моль Я(О...Н(а)), А Угол, град. 0°, а.е. -01, а.е.

ОСЫ СЫН(а)

СНз" 20.6 1.961 97.6 104.9 0.257 0.391

1ЧН2 17.1 2.048 100.7 106.1 0.342 0.404

ОН 16.5 2.085 102.0 106.7 0.373 0.411

С1 8.1 2.145 104.4 108.0 0.389 0.423

♦См. примечание к табл.3; <3° — заряд на атоме С карбонильной группы. ** Перенос Н(а)+ при ^(С-И) = 1.37 А.

Одновременное наличие электронодонорной группы при карбонильном атоме углерода и электроноакцепторной в нуклеофиле существенно снижает активационный барьер для переноса протона. Так, для X = СН^ОН и У = СНз перенос Н+(а) происходит уже при Я(С-М) = 1.55 А (активационный барьер снижается до 13 ккал/моль).

Результаты расчетов приводят к выводу, что в газовой фазе реакция карбонильного соединения с сильным нуклеофилом не может протекать по механизму внутримолекулярного переноса протона. Поэтому реакция гидролиза пептидной связи в АЦ сериновых протеаз должна начинаться с атаки слабым нуклеофилом и контролироваться образованием раннего переходного состояния.

В четвертой главе обсуждается природа водородной (Н-) связи, классификация Н-связанных комплексов (типы водородной связи) и их свойства по данным эксперимента и квантово-химических расчетов, свойства ППЭ для системы с переносом протона. Основное внимание в обзоре работ последних лет уделяется анализу систем с двухминимумной потенциальной кривой, отвечающей равновесию между молекулярными и ионными комплексами АН...В о А"...+НВ, влиянию растворителя и заместителей на параметры и форму потенциальной поверхности, механизмам и динамике внутри- и межмолекулярного переноса протона. Обсуждается пригодность разработанного метода МПДП/ВС для расчета геометрической структуры молекулярных систем с Н-связями и барьеров переноса протона. Рассмотрена роль сетки Н-связей в процессах переноса протона в конденсированной фазе Н20, механизм образования контактной и сольватно-разделенной ионных пар, геометрическая и электронная структура солитона по данным квантово-химических расчетов одномерной и трехмерной моделей. Дано обоснование энергетической предпочтительности обменного механизма переноса протона с участием молекул воды.

4.1 Перенос протона в конденсированной фазе Н20

Процесс образования ионной пары в конденсированной фазе Н20 исследован с использованием комбинированной модели "супермолекула и псевдоконтинуум". При этом предварительно получена оценка дипольного момента цто молекулы воды в сетке Н-связей 0-Н...0. Дипольный момент был определен по экспериментальной величине теплового эффекта реакции (1)

Н20 + Н20 —> ОНГ + Н30+ (1)

Согласие с экспериментом (22 ± 3 ккал/моль) было получено для значения цщо = 2.4 D, которое использовано в расчетах по схеме точечных диполей (ТД) (K.Ya. Burshtein, J. Molec. Structure (Theochem) 1987 v. 153 p. 195-201).

Для исследования вопроса образования ионной пары гидратная оболочка реакционной системы (1) была разделена на внутреннюю и внешнюю. Внутренняя оболочка построена в приближении супермолекулы, т.е. молекулы Н20 включались в реакционную систему в явном виде. Взаимодействие такой супермолекулы с внешней оболочкой учитывалось по схеме ТД. Чтобы учесть клеточный ("кавитационный") эффект растворителя, объем ТД был увеличен до объема реальной молекулы Н20 (30 Â3). Такой размер диполей препятствует их проникновению в полость внутри реакционной системы (супермолекулы), но не влияет на взаимодействие реакционной системы с дальними сольватными оболочками. Подобный подход таким образом учитывает поле растворителя и в то же время отражает его дискретные свойства и потому представляется физически корректным.

В качестве координаты реакции переноса протона использовано отношение cHRoi-h/Roi...o2 (Oi и 02 - гетероатомы водородной связи 0j-H...02), характеризующее степень переноса протона Н. Соответствующая потенциальная кривая имеет отвечающий контактной ионной паре локальный

минимум глубиной 25 ккал/моль, который появляется одновременно с образованием полости внутри реакционной системы при увеличении расстояния Ио1 ...02 между донором и акцептором.

Таблица 5. Изменение межатомных расстояний О1...О2, О2...Н (А) и дипольного момента супермолекулы в реакции (1) переноса протона в случаях сильного и слабого диполь-дипольного взаимодействия сольват-сольвент. Расчет методом МПДП/ВС-ТД.

а R™ = 1.9A

О1...О2 О2...Н Дипольн. Число О1...О2 о2...н Дипольн. Число

момент, D ТД* момент, D тдa

0.30 3.21 2.25 11.89 3 3.16 2.21 11.84 1

0.35 2.79 1.81 11.94 3 2.78 1.81 11.91 1

0.40 2.53 1.52 12.15 3 2.55 1.53 12.14 1

0.45 2.40 1.32 11.89 3 2.42 1.33 12.57 . 1

0.50 2.35 1.17 13.28 3 2.37 1.18 13.21 1

0.55 2.36 1.06 14.18 3 2.38 1.07 14.10 1

0.60 2.43 0.97 15.41 6 2.46 0.99 15.35 2

0.65 2.66 0.93 17.28 7 2.66 0.93 17.03 2

0.70 3.12 0.94 20.12 14 3.07 0.92 19.72 3

0.75® 3.88 0.97 23.63 16 3.71 0.93 23.03 4

0.80 4.72 0.94 27.56 16 4.69 0.94 27.56 7

0.85 6.27 0.94 34.60 20 6.17 0.93 34.36 10

а Показано число точечных диполей с объемом 30 Â3, входящих в сольватную оболочку супермолекулы.

6 Значение координаты реакции, отвечающее локальному минимуму на ППЭ для контактной ионной пары.

Увеличение Roi...02 описывает расхождение образовавшихся ионов ОН" и НзО+ в разные клетки растворителя. Начиная с Roi...02 — 3.1 А, число диполей, взаимодействующих с супермолекулой и вносящих вклад в понижение полной энергии, практически не меняется (табл.5). В то же время увеличение расстояния между ионами ослабляет электростатическое взаимодействие между ионами и диполями НгО их гидратных оболочек. В результате дальнейшее расширение полости внутри системы энергетически невыгодно, что приводит к возникновению на потенциальной кривой локального минимума при Roi...02 = 3.88 А. Второй минимум на потенциальной кривой при больших Roi. .02 отвечает сольватно- разделенной ионной паре.

Меняя расстояние между диполями и атомами реакционной системы (Дкр), мы моделировали силу Н-связи сольват-сольвент. Показано, что условием образования контактной ионной пары в реакции (1) являются достаточно сильные водородные связи сольват-сольвент, когда стабилизация ионной пары начинается при малых значениях Roi...02- Согласно расчетам минимум для контактной ионной пары на потенциальной кривой отвечает расстоянию

Ь?о1...о2 ~ 3 - 4 А, так как кавитационные эффекты начинают играть заметную дестабилизирующую роль при Ко1...о2 > 4 А.

Число диполей в сольватной оболочке реакционной системы при образовании контактной ионной пары практически не меняется, что указывает на слабое возмущение среды в процессе миграции протона Н-связи.

4.2 Обменный механизм переноса протона в реакции образования и диссоциации четвертичных аммониевых солей

Специфическая сольватация должна препятствовать проникновению в одну клетку растворителя молекул донора и акцептора и способствовать стабилизации разделенных ионных пар. На примере реакции (2) образования и диссоциации четвертичных аммониевых солей рассмотрена возможность переноса протона от донора к акцептору по обменному механизму с участием молекул воды

РН + №Гз —> Г + ЫН4+ (2)

Для оценки акгивационного барьера реакций (2)-(4) в водном растворе использован метод МПДП/ВС-ТД. Параметры растворителя и координата реакции а выбраны так же как ранее для реакции (1). В реакции (4) синхронный сдвиг протонов Н] и Нз сопровождается удлинением связи О1-Н2, а затем полным переносом протона Нг центральной Н-связи к атому О2 соседней молекулы НгО. В реакциях (3) и (4) обмен протонов с участием молекул НгО идет с существенно меньшим активационным барьером по сравнению с реакцией (2) прямого переноса протона между реагентами (50 ккал/моль)

Н2"

Р-Нг-Ох'

н /

.кг—н

I

н

н

(3)

ЛЧ тт

Б—Н,—О э. }1

Н \ Н

н

(4)

В табл.6 приведены данные об изменении длин Н-связей и положения протонов при движении реакционной системы вдоль координаты реакции а для

реакции (2) прямого переноса протона и протонообменных реакций (3) и (4). Из табл.6 видно, что переходное состояние в обменных реакциях достигается реакционной системой раньше, чем при прямом переносе. Об этом свидетельствует уменьшение расстояния между исходным равновесным комплексом (РК) и переходным состоянием (ПС) при движении системы вдоль координаты реакции. Поскольку величина активационного барьера переноса протона весьма чувствительна к длине Н-связи, значительное укорочение Н-связей в переходном состоянии реакций (3) и (4) приводит к существенному снижению активационного барьера переноса протонов.

Таблица 6. Длины Н-связей и положения их протонов (А) для исходных равновесных комплексов и переходных состояний в реакциях переноса протонов

Реакция а Р...О, I о,...о2 Оь-.Ы о2...ы Р...Н, | Оь..Н2 о2...н3

га+ынз (2) - РК БТС + КИз (2) - ПС 0.35 0.65 2.79 2.87 - - - - 0.98 1.87 - -

(З)-РК (3) - ПС 0.40 0.60 - 2.522.47 ; 2.57 2.66 - 1.01 1.48 1.03 1.60 :

(4) — РК (4)-ПС 0.35 0.55 - 2.79 2.34 2.80 2.51 _ 2.79 2.47 0.98 1.29 0.97 1.07 0.98 1.36

Результаты расчетов позволяют сделать вывод, что перенос протона в водном растворе не требует разрушения "собственной" гидратной оболочки реагентов и их включения в одну клетку растворителя. Механизм реакции с обменом протонов через молекулы Н20 гидратной оболочки энергетически предпочтительнее прямой однопротонной миграции между реагентами. В разбавленных растворах скорость реакции должна зависеть от отношения объема воды, включенного в гидратные оболочки сольватов, к общему объему воды в растворе. Результаты расчетов находятся в согласии с данными эксперимента для отношения содержания "свободной" и связанной воды, при котором непосредственное взаимодействие между сольватами исключено.

4.3 Влияние кооперативного эффекта Н-связей на геометрию и электронную структуру ионных дефектов НзО+ и ОН" в кристалле льда

Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что поле кристалла может играть определяющую роль в процессах переноса протона. Однако влияние на эти процессы упорядоченной решетки кристаллов методами квантовой химии изучено мало.

С целью изучения геометрии "кинка", являющегося носителем тока в солитонной теории протонной электропроводности льда, нами была рассмотрена структура заряженных кластеров (Нз0)+-пН20. Для выяснения геометрии солитона проведены расчеты методом МПДП/ВС структуры

линейного кластера (Нз0)+-6Н20 (А) с центральным ионом НзО+, а также трехмерного кластера (Нз0)+-10Н20 (В), построенного путем введения четырех дополнительных молекул НгО в кластер А.

Сравнение результатов расчетов, выполненных с оптимизацией и без оптимизации расстояний О...О, позволяет выявить различия между регулярной структурой льда (До...о = 2.76 А) и сходной, но "нежесткой" структурой. Сравнение жесткой структуры с нежесткой показывает, что учет деформации О-подрешетки заметно влияет только на длину Н-связей центрального иона с соседними молекулами Н20: Н-связь укорачивается и в результате протон смещается к атому О молекулы-акцептора. Для следующих Н-связей О2...О3, С>2-...Оз' в г-цепи -0з-.,.Н2-02'...Н1-0гН1...02-Н2...0з- значения Ко...о и Ro.pi в жестких и нежестких структурах очень близки друг к другу и к значениям расстояний в бездефектной решетке. Показано, что переход от нежесткого линейного к нежесткому трехмерному кластеру мало влияет на положение протонов Н-связей.

Расчеты показывают, что последовательное присоединение к кластеру Нз0+-Н20 молекул Н20 сопровождается переходом от симметричной Н-связи к несимметричной и укорочением связи О1-Н1 из-за увеличения Коь. ог. С увеличением кластера влияние каждой присоединенной молекулы Н20 уменьшается. Согласно МПДП/ВС-расчетам для кластеров Нз0+-пН20, начиная с п = 6, длина центральной Н-связи не меняется.

■ Аналогичная картина наблюдается для дефекта ОН" в сетке Н-связей. Длины Н-связей и положение на них протонов для "жесткой" и "нежесткой" моделей линейного ОНТ-бНгО (С) и трехмерного (ОРТ* 6Н20)-6Н20 (Л) кластеров с центральным ионом ОН" приведены в табл.7.

Таблица 7. Распределение длин связей (А) вдоль цепочки ... 03-Н2-... Ог-Н] •... О1... Н1-02.. .Н2-03... для кластеров 0Н"-пН20

Кластер о2-Н1 Оз-Н2 04-Н3а 0!...02 02...0з |0з...04а

ОН"- 6Н2Ок 1.02 0.98 0.97 2.76 2.76 2.76

(ОН"- 6Н20)-6Н20к 1.02 0.98 0.97 2.76 2.76 2.76

(ОЬГ- 6Н20)-6Н20кб 1.02 0.97 0.96 2.76 2.76 2.76

ОН"- 6Н20 1.06 0.98 0.97 2.39 2.70 2.77 .

(ОН-- 6Н20)6Н20 1.06 0.98 0.97 2.42 2.72 2.77

(ОН-- 6Н20)-6Н20® 1.06 0.97 0.96 2.44 2.75 2.80

ОН"- юн2о 1.06 0.98 0.97 2.39 2.69 2.75

(0.96(5)) (2.79)

(0.96) (2.80)

а В скобках указаны соответственно расстояния О5-Н4, Об-Нз ИО4...О5, О5...О6 6 Учет дальнего окружения по схеме точечных диполей; к - жесткая решетка

Важным представляется изменение длин связей О2...О3, 02-...0з>, соседних с центральной. Согласно табл.7, эти связи при переходе от кластера С к кластеру Б, находящемуся в поле ТД, удлиняются от 2.7 А до 2.75 А, что близко к

равновесной длине Н-связи в кристалле. При этом связь О3-Н2 укорачивается до 0.97 А, т.е. значения, характерного для бездефектной кристаллической структуры. Укорочение расстояний О...О и удлинение связей О-Н в решетке льда до 0.97 А за счет кооперативного эффекта сглаживают различия в равновесном положении атомов О и длинах связей О-Н между решеткой и областью дефекта, чем способствуют локализации дефекта.

С одной стороны, вдали от дефекта кооперативный эффект уменьшает равновесные длины Н-связей в решетке по сравнению с дилером (НгО)2 и тем самым удлиняет связи О-Н для протонов цепочки. С другой стороны, вблизи дефекта он уменьшает сжатие Н-связей и укорачивает связи О-Н. По этим же причинам кооперативный эффект в отношении длин связей О-Н сглаживает различия между моделями жесткой и нежесткой О-решеток, делая их более или менее эквивалентными. Таким образом, влияние решетки способствует локализации деформации протонной подрешетки вблизи дефекта. Солитон, который отвечает дефектам НзО+ и ОН", вероятно, сильно локализован и близок по геометрии к "классическим" ионным дефектам. Полуширина кинк-солитона составляет « 2 А, т.е. меньше расстояния между соседними атомами О. Из табл.7 видно, что кооперативный эффект способствует сжатию дефекта ОН" примерно в 2 раза.

Распределение заряда на атомах отражает структуру рассмотренных кластеров. Жесткие и нежесткие кластеры практически отличаются только величиной заряда на атомах кислорода Оь Учет далекого окружения кластера по схеме точечных диполей не влияет на распределение зарядов и не показывает усиления донорно-акцмггорного взаимодействия О...Н для Н-связей, соседних с центральной.

4.4 Согласованный сдвиг протонов в сетке Н-связей.

Мутаротация глюкозы

В работах по солитонным моделям переноса протона были развиты представления о переносе протонов как кооперативных взаимодействиях Н-связей. Данные эксперимента свидетельствуют о том, что возможная причина ускорения многих реакций во льду — легко протекающий протонный обмен в случае упорядоченной структуры сетки Н-связей. К числу таких реакций относится катализируемый кислотами процесс таутомерного превращения моносахаридов, сопровождающийся изменением оптической активности -мутаротацией.

Методом МПДП/ВС проведены расчеты протонообменной реакции, моделирующей раскрытие цшсла молекулой глюкозы. Последующая циклизация приводит к появлению асимметрического атома углерода С] и установлению равновесия между а- и р-аномерами. Влияние поляризуемой среды учтено по схеме ТД. Были рассмотрены три возможных механизма переноса протона. Механизм I - двухстадийная реакция с протонированием атома 02 и последующим депротонированием атома О1 или в обратной последовательности (депротонирование О1 и последующее протонирование Ог). Механизм П - одновременное протонирование атома 02 ( акцептор А

протона Нь ) и депротонирование атома О1 (донор Д протона На). Механизм Ш — согласованный обмен протонами между молекулами Н20 в цепи, соединяющей А и Д.

сньс » У Ъ,

(Н)3с-о2 ^

н

а

Нь 1

Я

н •

оч

^ Н Н1

(Н20)п

Данные расчетов подтверждают сделанный ранее вывод об энергетической предпочтительности обменного механизма с переносом протона по цепи молекул воды. Перенос протонов На и Т1ь в случае пространственно сближенных молекул Н2О, образующих Н-связь О-Н1...О, приводит также и к переносу протона Н].

Были рассмотрены две модели. Модель А (длины Оь..На и Оп...Нь равны 1.80 А и 0.96 А соответственно) отвечает случаю равновесной длины Н-связи в кристалле льда: расстояние О...О для соседних молекул Н20 равно 2.76 А. Модель Б (г(С>1...На) = 1.50 А и г(Оп...Нь) = 1.00 А) описывает сжатие Н-связи О-Н...О, которую образуют молекулы Н2О с Д и А, при переносе протона

На- О-Нг-О-Н,......Оп_1—Нп_! -Оп-Нь

н н

Сжатие Н-связи до 2.4-2.6 А, наблюдаемое для модели Б, принципиально меняет вид потенциальной кривой для синхронного сдвига протонов На и Нь: перенос протонов становится безакгивационным. Равные длины Оь-.На и Оп.. .Пь отвечают ПС для модели А и минимуму полной энергии кластера (РК) для модели Б.

Сдвиг протонов На и Нь сопровождается заметным удлинением связи О1-Н1, которое растет с увеличением размера кластера в случае модели Б и уменьшается в случае модели А. В модели Б подвижность протонов Н-связей кластера растет с удлинением канала протонного переноса.

Расстояние между соседними атомами О в РК увеличивается при движении вдоль цепочки Н-связей от Д к А. Результатом последовательного удлинения Н-связей является укорочение связей О.-Н;: ОгН1> О2-Н2 > О3-Н3, что приводит к локализации протонов Н1 и Н2 вблизи атома 02 с образованием солитоноподобной структуры. Распределение длин связей О-Н в кластере (Н20)7Н+ вдоль траектории переноса протона оказывается близким к найденному в расчетах протонного дефекта (НзО+- солитона) в сетке Н-связей

н2о.

Рассчитана потенциальная кривая для сдвига протонов На и Нь по механизму Ш в рассмотренной модельной реакции мутаротации глюкозы с включением в Н-связанную цепочку, соединяющую донорную и акцепторную группы, четырех молекул Н20. Удлинение канала протонного переноса с двух до четырех молекул приводит к снижению активационного барьера на 4.5 ккал/моль. Уменьшению энергии активации на эту величину отвечает увеличение константы скорости реакции в ~ 103 раз, что хорошо согласуется с наблюдаемым в эксперименте ускорением реакции во льду.

В пятой главе обсуждаются роль Н-связей в ферментативном катализе, структуре и функциях белков, процессы переноса протона в ферментах с участием молекул воды, роль молекул воды в образовании сетки Н-связей в активном центре (АЦ) фермента, механизм протонной транслокации и функциональное значение протонных каналов в биохимических системах, подходы к исследованию процессов переноса протона в подобных системах с использованием современных кванговохимических методов. На примере модельных систем рассмотрена роль кооперативных взаимодействий Н-связей (донорно-акцепторного и электростатического взаимодействия) в управлении процессом переноса протона вдоль цепи Н-связей. Рассмотрена система с переносом протона в АЦ фермента карбоангидразы. Предложена модель электростатического контроля переноса протона в биохимических системах. Обсуждается волновая природа протонной проводимости в системах Д-цепь-А.

5.1 Донорно-акцепторное и электростатическое взаимодействие в системе Н-связей. Влияние полярной среды

С целью анализа роли поляризации Н-связей в процессах переноса протона вдоль квазилинейной цепи проведены расчеты ВЗЬУР/б-31+й** линейных кластеров (РН)п...Р. Линейная структура кластеров делает более простым выявление взаимосвязи между распределением электронной плотности и положением протонов соседних Н-связей, а также расстоянием между взаимодействующими подсистемами.

Величина перенесенного между взаимодействующими подсистемами заряда рассматривается как количественный показатель донорно-акцепторного взаимодействия. Для описания электростатических свойств системы при различной конфигурации ядер (разных межатомных расстояниях) рассчитывался электростатический потенциал на атомах комплекса.

На первом этапе были проведены расчеты молекулярного комплекса р1-Н1...1г2...Н2-Рз (Ь1). Определены величины барьера Е* переноса протона Н1 и соответствующего изменения дипольного момента Дц комплекса для различного положения протона Н2 на линии Н-связи между атомами Р2 и Р3 и различного межатомного расстояния Р2... Рз. Положение протона Н2 влияет на распределение электронной плотности в комплексе Ы и на величину Дц, связанную с переносом Н1 между гетероатомами и Р2. Следствием этого является отличие величины Дц от производной дипольных моментов изолированных фрагментов Б-Н.-.Р и Ш\

С увеличением расстояния между фрагментами комплекса донорно-акцепторное взаимодействие ослабевает и отклонения от аддитивности уменьшаются. При больших расстояниях значение Дц должно стремиться к некоторому постоянному значению (Дц)о> а значение Е" для переноса Н] должно приближаться к величине Е#0 барьера переноса протона в изолированном фрагменте Р-Н.. .Р.

Таблица 8. Величина отрицательного заряда Дя (ед. электрона) на молекуле Н7 в переходном состоянии (ПС) реакции переноса протона Н1 в комплексе Ы при различном положении протона Н2 соседней Н-связи и соответствующие значения инкремента дипольного момента 6ц (£>), изменения барьера переноса протона 5Е# (ккал/моль), а также энергия НВМО (инвмо, эВ) и разность электростатических потенциалов Дер (а.е.) в переходном состоянии. Я(Р 1.. ,Р2) = 3.0 А.

ад.-.Рз), А г(Р2...Н2), А ДЯ(ПС) 8ц 8Е* (А—>В) БЕ" (В~>А) ишмо (ПС) Дф (ПС)

2.8. 1.5 0.125 5.92 19.8 14.3 3.38 0.100

1.8 0.041 1.42 9.5 7.9 4.43 0.062

3.0 1.4 0.200 9.96 29.1 18.3 2.12 0.158

1.7 0.097 4.24 15.9 11.9 3.03 0.094

2.0 0.031 0.15 8.5 6.5 4.41 0.038

3.2 1.6 0.171 7.88 23.4 15.8 1.54 0.105

1.9 0.075 2.78 12.9 9.6 2.64 0.067

2.2 0.022 0.0 6.6 5.4 4.33 0.035

3.4 1.5 0.233 11.85 31.1 18.7 0.67 0.137

1.8 0.128 6.21 19.2 12.8 1.13 0.096

2.1 0.054 1.49 10.5 7.9 2.16 0.062

2.4 0.015 0.04 5.5 4.5 4.19 0.033

Для инкремента дипольного момента 6ц = Дц — (Дц)о найдена линейная корреляция с величиной заряда Дя, который переносится с фрагмента (Р-Н.:.!7)" на соседнюю молекулу Ш7 в переходном состоянии реакции А о В (А и В — формы комплекса Ы, в которых протон Н[ находится у атома или Р2, соответственно). Изменение барьера переноса Н,, 5Е9 = Е* - Е о, в комплексе в

направлении А ~> В и В —> А также хорошо коррелирует с величиной Дq для переходного состояния (табл.8). Это указывает на возможное определяющее влияние донорно-акцепторного взаимодействия на процесс переноса протона в Н-связанных системах. Показателем степени донорно-акцепторного взаимодействия между подсистемами может служить также энергия Цнвмо нижней вакантной молекулярной орбитали (НВМО). Из табл.8 видно, что с увеличением Дц происходит понижение Чшмо в переходном состоянии.

Распределение электронной плотности в комплексе определяет энергию электростатического взаимодействия в системе донор-протон-акцептор и электростатический вклад в величину Е*. Положение протона Н2 на линии Н-связи между атомами Б2 и в комплексе 1Л, также как и расстояние между взаимодействующими фрагментами, должны влиять на значение электростатического потенциала донора фв и акцептора фд протона Нь Из данных табл.8 видно, что величины Дд и Д<р = ф0 — фА, найденные по данным расчетов методом ВЗЬУР/'6-31+0** электростатического потенциала на атомах молекулярного комплекса в переходном состоянии реакции А о В, изменяются симбатно. В результате изменение электростатического потенциала и барьера Е* оказывается взаимно связанным.

Аф, а.е.

Рис.5. Изменение барьера Е* переноса протона в комплексе Ы с увеличением разности электростатических потенциалов Дф = ф(Р2) - ф(Р[) на доноре и акцепторе в переходном состоянии реакции А о В.

Рис.5 соотносит величины Е#1 для рассмотренной ранее серии с соответствующими значениями Дсрь Из рисунка видно, что между этими величинами действительно наблюдается линейная корреляция. Из того факта, что Дц и Дф являются функцией параметра Дq, следует закономерная связь донорно-акцепторного и электростатического взаимодействий. Барьер переноса протона зависит от разности Дф электростатических потенциалов донора и акцептора. Однако значение Дф связано с распределением электронной плотности внутри молекулярного комплекса, которое определяется донорно-акцепторными взаимодействиями в системе водородных связей.

На следующем этапе были проведены расчеты кластеров (РН)П...Б-Н1...Р (Ь2), полученных из комплекса Ы путем последовательного добавления дополнительных молекул НР с удлинением Н-связанной цепи, на конце которой находится анион Р. Для каждого кластера рассчитывались суммарный заряд на фрагменте Б-Н] ...Р и потенциальная кривая переноса протона Нь С удлинением цепи величина Дф = фв — фА растет, а барьер Е" понижается. При этом отмечается чувствительность Дф к расстоянию между молекулами НЕ цепи, примыкающей к фрагменту Б-Нь.-Р. Увеличение Я (Р.. Б) ослабляет "кооперативный эффект" донорно-акцепторного взаимодействия водородных связей в кластерах Ь2, препятствуя переносу заряда (Дф с фрагмента Р-Н|.. .Р и увеличению Дф. Так, при 11(Р..Р) = 3.0 А величина Дд для п = 6 оказывается в два раза меньше, чем при ]*(Р... I7) = 2.6 А.

Влияние растворителя учитывалось в континуальном приближении с использованием сольватационной модели БО-РСМ (е = 81) теории самосогласованного реактивного поля (БСКР). Полярное окружение не меняет характера связи между величинами Е* и Дф, Е* и Др.. Во всех случаях связь задается линейной функцией вида Е* = ка + Ь (а = Дф, Дц); единственное изменение касается величины углового коэффициента к (рис.5).

Таблица 9. Влияние сольватации на барьер переноса протона в направлении А —> В и на величины Дq, 5ц и Дф (межатомное расстояние К(р2...рз) = 3.0 А).

изолированный комплекс Ы

г(Р2...Н2), ДЯ> Ч(?1)> Ч(Р2) Дф, Е ,

А а. е. а. е. Деб. а.е. ккал/моль

1.4 0.200 -0.76, -0.52 9.96 0.158 48.6

1.7 0.097 -0.75, -0.63 4.24 0.094 35.3

2.0 0.031 -0.73, -0.71 0.15 0.038 27.9

комплекс Ы в диэлектрическом континууме

(Е = 81)

1.4 0.188 -0.78, -0.52 10.30 0.165 53.5

1.7 0.081 -0.78, -0.62 4.23 0.108 33.9

2.0 0.019 -0.79, -0.66 0.02 0.080 22.7

Сольватация препятствует переносу заряда между фрагментами молекулярного комплекса. Этот результат согласуется с представлениями о стабилизации полярной средой структуры с локализованным зарядом. Сравнение эффективных зарядов на атомах Р] и Рг в комплексе Ы показывает, что в диэлектрическом континууме различие в величинах зарядов возрастает. В соответствии с этим разность электростатических потенциалов Дер = фи — фл для данной конфигурации комплекса при сольватации увеличивается (табл.9).

Величина к, определяющая наклон прямых Е*(Дц), имеет размерность напряженности, что позволяет рассматривать ее как параметр квазинапряженности Е (к = Е), характеризующий "чувствительность" барьера переноса протона к зарядовому распределению в молекулярном комплексе. Согласно нашим расчетам значение параметра Е увеличивается с 2- 109 вольт/метр до 4- 109 в/м при переходе из газовой фазы в водный раствор. Эти величины имеют тот же порядок, что и напряженность электростатического поля в атомах (Ю8-1010 в/м). Величина ЕДр, равная энергии диполя Дц в однородном электрическом поле напряженности Е, определяет квазиэлектростатический вклад в барьер переноса протона.

5.2. Перенос протона по цепи Н-связей в активном центре карбоангидразы

Для многих биохимических систем характерны протонные каналы, образованные молекулами воды, которые соединяют донор и акцептор. Одним из центральных вопросов в исследованиях последних лет является вопрос о механизме протонной транслокации по цепи Н-связей. Нами рассмотрена система с переносом протона АЦ фермента карбоангидразы (КАП) (рис.6). Этот фермент представляет исключительно эффективный катализатор обратимой гидратации двуокиси углерода. Эксперимент показывает, что стадией, лимитирующей скорость катализа, является перенос протона от молекулы воды, связанной с ионом цинка, к имидазолу Шв — конечному акцептору протона.

Согласно данным рентгеноструктурного анализа, ион Ъг?+ находится на расстоянии примерно 8 А от имидазола ЬЕзб4, что позволяет встроиться между ними по крайней мере трем молекулам воды с образованием мостика для переноса протона. В проведенных расчетах показано, что перенос протона в такой цепи Н-связей представляет концертное движение всех протонов цепи. Расчеты потенциальных кривых переноса протона для цепи, состоящей из трех молекул воды, с учетом подвижности всех атомов водорода и кислорода показывают, что смещение вдоль линии Н-связи любого из трех протонов Н], Нг или Нз инициирует процесс концертного трехпротонного "скачка".

Перенос протона может проходить с образованием переходных состояний различной структуры, в зависимости от того, протон какой Н-связи инициирует процесс (табл.10). При удлинении связи О1-Н1, когда протон Н1 движется вдоль линии Н-связи между атомами О] и Ог, реакция протекает через структуру ТБр В этом случае протон общий для двух первых молекул воды цепи выступает в роли "мотора", управляющего процессом. В наших расчетах расстояние

г(Оь..Н1) увеличивалось с инкрементом 0.1 А, и для каждого фиксированного положения протона Н] положение двух других протонов Н2 и Нз оптимизировалось. Детали механизма показывают, что по мере движения протона Н1 другие протоны также сдвигаются в направлении от донора к акцептору, и такое согласованное движение всех трех протонов вдоль цепи Н-связей может быть определено как концертный процесс.

ГШ

"н3_ /Н Оз

I

V

О!

I I

... гп 2+

НЬ 96

о™ И

< ШэНЭ

Шз94

Рис.б. Структура комплекса, моделирующего протонный канал в активном центре карбоангидразы II

В случае, когда перенос трех протонов является результатом удлинения связи О3-Н3, переходным состоянием является структура ТБ2. Сходство потенциальных кривых указывает на то, что высота барьера переноса не зависит от того, какой из протонов использован для управления процессом; при этом барьер сдвигается влево при переходе от кривой к \У2 и далее к \УЗ и потенциальная кривая сужается (рис.7).

Для каждого положения протона на линии Н-связи между донором и акцептором определялось положение центров положительного (РС) и отрицательного (N0) зарядов по декартовым координатам атомов молекулярного комплекса и величинам их эффективных зарядов, полученных в расчетах НР/6-31Ю. Расчетные значения координат зарядовых центров использовались для построения кривых смещения, которые показывают изменение в расстоянии Кт между ионом 2п2+ и зарядовыми центрами в процессе переноса протона. Кривые смещения для РС и >ГС центров сближаются по мере движения реакционной системы к ТБ1 и Т32 (рис.8).

Таблица 10. Межатомные расстояния в исходной структуре (I) комплекса и продукте переноса протона (Р). Т5] и ТБг обозначают два возможных переходных состояния для реакции переноса протона. Расчет НР/6-31Ю (в скобках приведены данные расчета в базисе 6-3 Ш).

я (А) I 1 Р 1 ТБ, | ТБг

ОгОг 2.495(2.530) 2.666(2.575) 2.499(2.447) 2.423

02 Оз 2.574(2.539) 2.643(2.687) 2.372(2.379) 2.427

03*Г4 2.783(2.755) 2.616(2.627) 2.660(2.649) 2.507

ОгН, 1.010(1.003) 1.696(1.596) 1.483(1.305) 1.053

о2-н, 1.486(1.546) 0.973(0.994) 1.018(1.052) 1.370

о2-н2 0.986(1.004) 1.670(1.713) 1.129(1.131) 1.065

Оз-Н2 1.588(1.535) 0.974(0.977) 1.243(1.249) 1.362

О3-Н3 0.975(0.988) 1.560(1.576) 1.001(1.014) 1.290

Ы<-Н3 1.809(1.770) 1.056(1.061) 1.659(1.636) 1.217

Хп-Ох 1.965(1.983) 1.860(1.872) 1.892(1.901) 1.943

2.092(2.077) 2.128(2.114) 2.123(2.114) 2.094

2.091(2.097) 2.116(2.124) 2.111(2.119) 2.095

гп-Ыз 2.091(2.097) 2.116(2.124) 2.111(2.119) 2.095

8.662(7.679) 8.896(8.162) 8.538(7.901) 8.258

Примечание. N4 — атом азота на конце цепи; N1, N2, N3 - азот имидазольных лигандов Хп

Е, ккал/моль 10 8 6 4 2 0 -2 -4

0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 г(О...Н), А

Рис.7. Потенциальные кривые переноса протона по данным расчета НБУб-ЗЮ. Кривая отвечает случаю, когда процесс инициирован смещением протона первой молекулы воды; кривые \У2 и \УЗ получены при использовании в качестве "мотора" протонов второй и третьей молекул воды, соответственно.

Быстрый подъем кривой смещения для РС центра по прохождении переходного состояния приводит к пересечению кривых, свидетельствуя о переходе всех трех протонов Н-связей к акцепторам. Согласно расчетам, при концертном переходе протонов зарядовые центры сохраняют положение практически на одной прямой с ионом 2п2+. При фиксированном положении молекул воды ("жесткая" геометрия цепи Н-связей) пересечения кривых смещения для РС и N0 центров не происходит. Жесткая геометрия протонного канала препятствует достижению системой критерия переходного состояния.

2,6

2,5

2,4 2,3

«Г

2,2

2,1 2 1.9

Рис.8. Смещение положительного и отрицательного зарядовых центров в процессе переноса протона. Процесс инициируется протоном Н^ Л™ и т(01..Л11) даны в А.

Таким образом, форма потенциала определяется трансляционной подвижностью молекул воды протонного канала. При фиксированном положении тяжелых атомов потенциальная кривая имеет только один минимум. Другим важным фактором, который заметным образом влияет на величину барьера, является релаксация расстояний между ионом 2лг+ и лигандами при переносе протона.

Показано, что барьер переноса протона зависит также от относительной ориентации донорной и акцепторной групп фермента. Из табл.11 видно, как меняется высота барьера с изменением угла 8, определяющего положение акцептирующей протон молекулы ЫН3 относительно оси О1 между ионом цинка и связанной с ним молекулой воды (рис.9). С отклонением положения акцептора ЫН3 от оси О1 барьер увеличивается с 7.8 ккал/моль до 15.6

1.01 1.3 1,483__ „ 1,5 1,6 1,696

г(ОгН,)

ккал/моль при в = 60°. В этих расчетах расстояние Ы^п...^) между ионом Тл^* и атомом N акцептора ЫНз бьшо принято равным 10 А.

концевой атом N образует с осью угол в.

Анализ межатомных расстояний в табл.11 показывает, что уголб слабо влияет на расстояние между 2л2+ и атомом О^ В то же время с увеличением 8 происходит удлинение связи О1...О2 и ее ослабление. В расчетах с оптимизацией угла 0 барьер переноса протона (8.3 ккал/моль) и длины Н-связей близки к расчетным величинам, найденным для угла 9 = 20°, который, по-видимому, является оптимальным для работы протонного канала.

Таблица 11. Влияние угловой ориентации донора и акцептора на структурные и энергетические аспекты переноса протона. Щгп—N4) = 10 А.

угол 9 гп-о,, А О1-О2, А 02-03, А Оз-Ы4, А Е", ккал/моль

оптимизация 2.009 2.553 2.738 3.322 8.3

0° 1.992 2.502 2.682 3.553 7.8

20° 2.009 2.549 2.739 3.310 8.4

40° 2.004 2.573 2.732 3.452 11.0

60° 1.999 2.589 2.851 3.507 15.6

Экспериментальные данные не предоставляют информации о точном числе молекул воды в АД фермента. Моделирование активного центра карбоангидразы методом молекулярной динамики для водной фазы показало возможность образования устойчивой конфигурации водного мостика, включающего от трех до семи молекул воды.

При квантово-химическом исследовании молекулярного комплекса (рис.6), в котором молекулы имидазола были заменены аммиаком, с протяженной цепью

водного интерфейса получены доказательства волновой природы механизма протонной проводимости. В табл.12 представлены результаты расчетов ШУ6-ЗШ равновесной геометрии комплекса (N11з)з2а3+...(НгО),,...ЫН3, в котором число п молекул воды в цепи изменялось от 4 до 11. Из таблицы видно, что при числе звеньев цепи большем четырех в изменении длины Н-связи при движении вдоль цепи от донора к акцептору отмечается периодичность. Так, для цепи из пяти молекул воды (комплекс К5) наиболее короткие Н-связи образуются между первой и второй, а также между третьей и четвертой молекулами воды. В комплексе К11, включающем 11 молекул воды, наблюдается заметное укорочение Н-связей между вторым и третьим, пятым и шестым, восьмым и девятым звеньями цепи (максимумы сжатия Н-связей). Это укорочение составляет порядка 0.2 А по сравнению с равновесной длиной Н-связи в изолированной цепи молекул воды. При этом в изменении положения максимумов можно проследить некоторые закономерности. С увеличением числа звеньев цепи при переходе от К5 к К11 сначала происходит смещение второго максимума сжатия вдоль цепи в направлении акцептора; при этом первый максимум сохраняет свое положение. Затем при /7 = 9 появляется третий максимум, который также сдвигается. В цепи, состоящей из 11 звеньев, все три максимума оказываются равноотстоящими друг от друга.

В табл.12 приведены также результаты расчетов комплексов Кб и К11 в расширенном базисе 6-31+С** с учетом электронной корреляции методом ВЗЬУР теории функционала плотности. Их сравнение с данными расчета ШУб-3 Ю для комплекса К11 показывает, что расширение базиса и учет электронной корреляции меняет равновесные значения длин Н-связей, но не влияет на характер распределения длин Н-связей вдоль цепи. Положение максимумов сжатия Н-связей в обоих случаях одинаково.

Рис.10 показывает соответствующее смещение протонов Н-связей в комплексе К11 относительно их равновесного положения в цепи (Н20)Пз которое отвечает наблюдаемой волне деформаций Н-связей. Максимумы удлинения связей О-Н совпадают с максимумами сжатия Н-связей. Амплитуда колебаний длины связей О-Н вдоль цепи составляет 0.02-0.04 А и несколько увеличивается с удалением максимума от иона 2п. Из рис.10 видно, что расчеты ШУб-ЗЮ и В31ЛТ/6-31+0** предсказывают практически идентичный вид "протонной волны". Распределение положительного заряда на молекулах воды достаточно точно отражает наблюдаемые закономерности в положении протонов Н-связей.

Движение протона Н1 первого звена цепи (ближнего к иону цинка) вдоль линии Н-связи сопровождается колебанием длины соседней связи О2-Н2, при котором протон Н2 то удаляется от атома Ог, то приближается к нему. Аналогичным образом ведут себя протоны и других Н-связей протонной цепи; при этом смещение протонов в максимумах сжатия Н-связей оказывается в противофазе смещению остальных протонов. Это видно из сравнения кривых

Таблица 12. Длины водородных связей в молекулярном комплексе (ТШз)з^2+...(НгО^.. .ЫНз. Нумерация атомов дана в направлении от донора к акцептору (от иона Ъл вдоль цепи)

Метод расчета

Число

звеньев

п

Длина Н-связи, А

02...0з О3...О4 о4...о5 о5...о6 Об...о. о7...о8 о8...о9 о9...о10 Ою-Оп

Оп-.-И

НР/б-ЗЮ

4

5

6

7

8

9

10 11

2.524 2.558 2.517 2.639 2.643 2.641 2.641 2.646

2.523 2.664 2.718

2.656 2.658

2.657 2.655 2.591

2.585 2.540 2.697 2.799 2.798 2.766 2.763 2.853

2.788 2.597 2.549 2.743 2.737 2.892 2.892 2.833

2.793 2.601 2.530 2.519 2.587 2.586 2.589

2.797 2.597 2.582 2.771 2.769 2.752

2.795

2.623 2.812

2.563 2.615 2.808

2.552 2.598 2.634 2.820

2.744 2.550 2.599 2.634

2.819

ВЗЬУР/ 6-31-НЭ**

6 11

2.679 2.803

2.724 2.644

2.798 2.805

2.757 2.735

2.540 2.662

2.702 2.823

2.765 2.574 2.615

2.650

2.777

Рис.10. Смещение протонов Н-связей (А ) в комплексе (ИНз^гп2*.. .(НгО), 1.. ,ЬШ3 относительно положения равновесия в изолированной водной цепи по данным неэмпирических расчетов. Нумерация звеньев цепи дана в направлении от донора к акцептору.

длина связи 01-Н1, А

Рис. 11. Смещение протонов второго — пятого звеньев цепи относительно равновесного положения в комплексе К11 с увеличением межатомного расстояния ОгН,.

смещения, представленных на рис.11. Когда при удлинении связи О1-Н1 протоны Нг и Н5 сближаются с атомами кислорода, Нз и Н4 удаляются. В результате сжатию связей О-Н в первом случае отвечает их удлинение во втором. Колебательное движение протонов цепи Н-связей можно определить как волну деформации связей О-Н.

Изменения длины Н-связи и связи О-Н являются зеркально симметричными. Распространение волны деформаций Н-связей, связанной с движением протона Н], показывает рис.12. На рис.12 видно, что уже при длине 01-Н1=1.1 А волна деформаций доходит до седьмого звена цепи. Дальнейшее смещение протона Н) меняет межатомные расстояния О...О вдоль всей цепи переноса; при этом наблюдаемые изменения длин Н-связей представляют колебания относительно равновесного значения. Таким образом, влияние изменения в положении протона Н] молекулы воды в начале цепи передается через всю цепь и, как видно из рисунка, ослабления эффекта с удалением от иона не происходит. Расстояние между максимумами сжатия Н-связей (удлинения связей О-Н), которое можно определить как длину волны, равно ~ 8А.

Рис.12. Распространение волны деформаций Н-связей, связанной с движением протона Нь вдоль цепи в направлении от донора к акцептору. Номер звена цепи, указанный по оси Ох, отвечает Н-связи, которую образует данная молекула воды со следующей молекулой в указанном направлении. Расстояние О1-Н1 дано в А.

0,3

—01-Н1=1,10

номер звена цепи

Рис.13. Динамика протонной волны. Случаи А, В, С и D отвечают межатомному расстоянию ОгН,= 1.10 А, 1.14 А, 1.18 А и 1.22 А, соответственно.

На рис.13 показаны кривые смещения протонов, отвечающие "движению" волны деформации Н-связей. Сравнение этих кривых позволяет проследить динамику протонной волны. Из рис.13 видно, что мере движения протона Hi к акцептору происходит последовательное смещение максимумов волны в направлении от иона цинка. Если в равновесном комплексе максимумы сжатия Н-связей и смещения протонов отвечали второму, пятому и восьмому звеньям цепи, то при длине Oi-Hj=1.18 А максимумы отмечаются при третьем, шестом и девятом звеньях. Вершине потенциальной кривой переноса протона (Oi-Hi=1.22 А) отвечают максимумы при четвертом, седьмом и десятом звеньях. Таким образом, в переходном состоянии реакции протонная волна "достигает" конечного акцептора — молекулы аммиака.

При движении протонной волны происходит перераспределение электронной плотности на звеньях, при котором максимумы положительного заряда (дефицита электронной плотности) сдвигаются соответственно максимумам протонной волны вдоль цепи. При достижении протонной волной конца цепи отмечается концертный переход протонов всех Н-связей от донора к акцептору. Согласно расчетам активационный барьер этого процесса равен 10 ккал/моль и не зависит от числа звеньев в цепи Н-связей.

ВЫВОДЫ

1. Для анализа механизмов взаимодействия активных центров молекулы предложена квантово-химическая методология, в основе которой включение в фокиан расчетной схемы ПДДП полуэмпирического квантово-химического метода ММОО матричных элементов, учитывающих разные формы межорбитального взаимодействия. Такой подход позволил разделить взаимодействие винильного фрагмента и группы с гетероатомом в молекулах алильных соединений (АС) через валентную связь и через пространство и выявить роль каждого из каналов взаимодействия в проявлениях сопряжения, наблюдаемых в эксперименте при переходе от плоской к неплоской конформации молекулы. Установлены основные закономерности геометрической и электронной структуры молекулы, относительной стабильности конформеров, а также специфика электронных и фотоэлектронных спектров в зависимости от положения гетероатома в Периодической системе элементов, его валентного состояния и типа лигандов при гетероатоме.

2. Показано, что донорно-акцепторное взаимодействие в системе сопряженных связей при валентном колебании атомов акцепторной труппы может быть описано па языке релаксации электронной структуры системы как деформация валентных орбиталей атомов цепи сопряжения и миграция электронного заряда вдоль цепи.

3. Разработана модель молекулярного комплекса в приближении гармонического осциллятора, которая устанавливает связь структурной релаксации, обусловленной кооперативными взаимодействиями, с термодинамической стабильностью молекулярной системы. В аллильных соединениях структурная релаксация является механизмом термодинамической стабилизации гош-конформации молекулы. Вклад релаксации, связанной с переносом заряда между активными центрами молекулы АС, в энергию ст,я-сопряжения не зависит от природы гетероатома и составляет около 85 % по расчетным оценкам различными квантово-химическими методами.

Показано, что структурная релаксация контролирует образование интермедиатов и переходных состояний реакций, в частности образование тетраэдрического интермедиата в реакции нуклеофильного присоединения к карбонильным соединениям. Структурная подвижность комплексов сольват-сольвент определяет свойства ППЭ для реакции нуклеофильного замещения Бм2 типа и физико-химические свойства водных растворов ДМСО и этиленди амина.

4. Реорганизация молекул растворителя сольватной оболочки при переносе протона делает возможным образование в растворе контактной ионной пары. Однако перенос протона по обменному механизму через молекулы воды, соединяющие донор и акцептор, найден энергетически более выгодным.

Существование водного мостика делает возможным протекание реакции без вхождения реагентов в одну клетку растворителя. Кооперативные взаимодействия Н-связей способствуют локализации ионных дефектов НзО+ и ОН" в трехмерной Н-связанной сетке с образованием солитоноподобной структуры. Более легкое протекание многих реакций во льду по сравнению с водным раствором объяснено заметным снижением активационного барьера при переносе протона по солитонному механизму, что показано на примере реакции мутаротации глюкозы.

5. Установлена линейная корреляция барьера Е* переноса протона в Н-связанном комплексе с разностью электростатических потенциалов Д<р = срп -Фа на доноре и акцепторе в переходном состоянии реакции и с изменением дипольного момента Дц реакционной системы при переносе протона. Показано, что величины Дф и Ад зависят от одного и того же параметра Aq — величины электронного заряда, который переходит от донора к акцептору. Полученные результаты объясняют найденную ранее в эксперименте линейную корреляцию теплоты образования водородной связи и инкремента дипольного момента молекулярного комплекса.

6. Полярная среда не меняет характера связи между величинами Е* и Дф, Е# и Др.. Во всех случаях, как специфической так и неспецифической сольватации (диэлектрический континуум), связь задается линейной функцией вида Е# = ka + b (а =Дф, Дц). Параметр к характеризует "чувствительность" барьера переноса протона к зарядовому распределению в молекулярном комплексе. Величина кДц, равная энергии диполя Дц в однородном электрическом поле напряженности Е = к, определяет квазиэлектростатический вклад в барьер переноса протона. Результаты квантово-химических расчетов положены в основу модели "электростатического мотора", управляющего переносом протонов в биохимических системах.

7. Перенос протона в сетке Н-связей контролируется структурной подвижностью молекулярной системы, которая является результатом кооперативных взаимодействий Н-связей. Трансляционная подвижность молекул воды протонного канала определяет концертный обменный механизм протонной транслокации в системах Д-цепь-А. Впервые показано, что по концертному механизму происходит перенос протона от донора к акцептору в АЦ фермента карбоангидразы.

8. Установлено, что движение протона в цепи Н-связей, соединяющей донорную и акцепторную группы, представляет процесс концертного колебательного движения всех протонов цепи. С движущимся протоном связана волна деформаций Н-связей. Структура переходного состояния в реакции переноса протона в системе Д-цепь-А представляет протонную волну. Перенос заряда от донора к акцептору происходит по механизму "концертного

скачка" протонов Н-связей в момент, когда протонная волна при распространении вдоль цепи достигает акцептора. Проведенное квантово-химическое исследование свидетельствует о принципиально новом, по сравнению с известными, механизме протонной проводимости в биомолекулах, который определяет высокую каталитическую эффективность ферментативных систем.

Основное содержание диссертации изложено в следующих статьях:

1. BurshteinK.Ya., IsaevA.N. MNDO calculations on hydrogen bonds. Modified Sanction for core-core repulsion // Theoret. Chim. Acta. 1984. V. 64. P. 397-401.

2. Burshtein K.Ya., Isaev A.N. Semiempirical and ab initio calculations on geometry and stability of intermediates. Stability of intermediates for nucleophilic reactions of carbonyl compounds in the gas phase and in solution // J. Molec. Structure (Theochem). 1985. V. 133. P. 263-268.

3. Бурштейн К.Я., Исаев A.H. Применение метода МПДП/ВС для расчета систем с переносом протона в водородных связях // Жури, структур, химии. 1986. Т. 27. № 3. С. 3-7.

4. Бурштейн К Л., Исаев А.Н. Квантово-химическое изучение влияния растворителя на механизм реакций нуклеофильного замещения, протекающих по механизму Sn2 // Изв. АН СССР. Сер. хим. 1987. № 9. С. 2005-2009.

5. Исаев А.Н., Бурштейн К.Я., Суханов Н.Н., Яновская Л.А. Особенности ал кэширования барбитуровой кислоты в условиях межфазного катализа // Изв. АН СССР. Сер. хим. 1988. № 4. С. 918-920.

6. Исаев А.Н., Бурштейн К.Я., Шорыгин П.П. Квантово-химическое изучение строения и электронного спектра поглощения аллиллития // Изв. АН СССР. Сер. хим. 1988. № 10. С. 2320-2324.

7. Шорыгин П.П., Исаев А.Н. Квантово-химическое изучение взаимодействия я-орбиталей двойных связей в диви пильных соединениях // Изв. АН СССР. Сер. хим. 1989. № 2. С. 307-310.

8. Шорыгин П.П., Бурштейн К Л., Исаев А.Н., Промыслов П.П. Сопряжение и Периодическая система элементов Менделеева // Докл. АН СССР. 1989. Т. 304. № 1. С. 158-161.

9. Burshtein K.Ya., Isaev A.N., Shorygin P.P. o-^-Interaction in some a-bonded allyl compounds. A MNDO study // J. Organomet. Chem. 1989. V. 361. P. 21-25.

10. Исаев A.H., Бурштейн К Л., Шорыгин П.П. Влияние релятивистских эффектов на электронное строение аллилртути // Изв. АН СССР. Сер. хим. 1989. №7. С. 1570-1573.

11. Левин А.А., Зайцев А.Р., Исаев А.Н. Сегнетоэлекгрические свойства KII2PO4 (KDP) по данным MNDO/H-расчетов большого кластера [Н16(Р04)5]+ //Журн. неорганич. химии. 1989. Т. 34. № 9. С. 2418-2422.

12. Исаев АН., ШорыгинП.П. Квантово-химическое изучение влияния релятивистских эффектов на электронное строение и спектры аллильных соединений элементов IV6 группы и ртути //Докл. АН СССР. 1990. Т. 315. №4. С. 900-903.

13. Исаев А.Н., Шорыгин П.П. Взаимодействие через валентную связь с гетероатомом в дивинильных соединениях//Докл. АН СССР. 1991. Т. 320. № 2 С. 378-380.

14. Родникова М.Н., Исаев А.Н., Засыпкин С.А. Конформация этилендиамина в газовой фазе и водном растворе // Координац. химия. 1991. Т. 17. №11. С. 1467-1472.

15. Исаев А.Н., Хургин Ю.И. Механизм обмена протонов молекулами воды гидратных оболочек молекул NH3 и HF в процессе образования ими ионной пары // Изв. АН СССР. Сер. хим. 1991. № 4. С. 817-822.

16. Исаев А.Н. Кооперативные взаимодействия водородных связей в реакции протонного обмена между основаниями нуклеиновых кислот // Изв. АН СССР. Сер. хим. 1991. № 8. С. 1828-1832.

17. Исаев А.Н., Левин A.A. Влияние кооперативного эффекта на геометрию НэО+-солитона и активационный барьер переноса протона в кристалле льда //Журн. структур, химии. 1991. Т. 32. № 1. С. 80-86.

18. Исаев А.Н. Оценка по спектроскопическим данным величин одноцентровых интегралов, используемых в полуэмпирических методах квантовой химии // Докл. АН. 1992. Т. 324. № 4. С. 810-814.

19. Хургин Ю.И., Исаев А.Н. Геометрия и электронная структура димера диметилсульфоксида; расчет методом МПДП // Изв. АН. Сер. хим. 1992. № 6. С. 1340-1344.

20. Исаев А.Н., Левин A.A. Исследование переноса протона в конденсированной фазе Н20 методом МПДП/ВС с учетом среды в рамках комбинированной модели "супермолекула и псевдоконтинуум" // Журн. структур, химии. 1992. Т. 33. № 1. С. 24-30.

21. Исаев А.Н., Левин A.A. Геометрия ОНГ - дефекта в конденсированной фазе Н20. Локализация дефекта и кооперативное взаимодействие Н-связей// Журн. структур, химии. 1992. Т. 33. № 1. С. 18-23.

22. Исаев А.Н; Роль сетки Н-связей в реакциях переноса протона. Согласованный сдвиг протонов Н-связей во льду // Журн. физ. химии. 1993. Т. 67. №6. С. 1168-1172.

23. Исаев АН. Квантово-химическое изучение комплексов диметилсульфоксида с водой // Координац. химия. 1993. Т. 19. №9. С. 742-744.

24. Исаев А.Н., Шорыгин П.П. Взаимодействие через пространство и через валентную связь в аллильных соединениях, существующих в форме 71-комплекса и с-структуры // Журн. физ. химии. 1993. Т. 67. №3. С. 514-517.

25. Исаев А.Н. Эффект деформации структуры молекул при образовании ими водородной связи//Координац. химия. 1994. Т. 20. № 10. С. 731-734.

26. Исаев А.Н. Механизмы нуклеофильных реакций карбонильных соединений в растворе и газовой фазе // Изв. АН. Сер. хим. 1994. № 2. С. 227-230.

27. Исаев А.Н., Шорыгин П.П. Влияние валентного состояния гетероатома на спектрохимические проявления сопряжения в аллильных соединениях серы и фосфора // Изв. АН. Сер. хим. 1995. № 1. С. 43-47.

28. Исаев А.Н., Шорыгин П.П. Квантово-химическое описание молекулы аллилкремния в первом электронно-возбужденном состоянии // Журн. физ. хим. 1995. Т. 69. № 2. С. 294-297.

29. Исаев А.Н. Эффект деформации структуры молекул в энергетике химической связи//Координац. химия. 1995. Т. 21. № 2. С. 95-98.

30. Исаев А.Н., Шорыгин П.П. Приближение замороженного остова в методологии квантовой химии // Докл. АН. 1995. Т. 344. № 6. С. 776-778.

31. Исаев А.Н., Шорыгин П.П. О взаимодействии фрагментов молекулы // Докл. АН. 1996. Т. 349. № 1. С. 56-59.

32. Исаев А.Н., Шорыгин П.П. Валентное состояние гетероатома и проблема сопряжения//Изв. АН. Сер. хим. 1996. № 12. С. 2862-2865.

33. IsaevA.N. Effect of structural relaxation on the binding energy in a molecular complex. The role of relaxation in the formation of intermediate for nucleophiulic reactions of carbonyl compounds // J. Molec. Structure (Theochem). 1999. V. 490. P. 249-262.

34. Isaev A., Scheiner S. Proton Conduction by a Chain of Water Molecules in Carbonic Anhydrase//J. Phys. Chem. B. 2001. V. 105 P. 6420-6426.

35. Исаев A.H., Шорыгин П.П. Сопряжение в условиях активного донорно-акцепторного взаимодействия атомных групп // Докл. АН. 2002. Т. 382. № 2. С. 216-220.

36. Исаев А.Н., Шорыгин П.П. Донорно-акцепторное взаимодействие в системе сопряженных связей при валентном колебании атомов акцепторной группы //Журн. физ. химии. 2002. Т. 76. № 12. С. 2221-2227.

37. Isaev A.N. Electrostatic control of proton-transfer reaction in the active site of carbonic anhydrase// J. Molec. Structure (Theochem). 2002. V. 582. P. 195-203.

38. Исаев A.H. Концертный механизм переноса протона по цепи Н-связей // Журн. физ. химии. 2003. Т. 77. № 11. С. 2023-2029.

39. Исаев А.Н. Структурная релаксация в механизме ст,л-сопряжения. Аллильные соединения элементов IV группы // Журн. физ. химии. 2004. Т. 78. № 1. С. 56-62.

40. Исаев А.Н. Донорно-акцепторное взаимодействие и электростатический контроль при переносе протона в системе Н-связей // Журн. физ. химии. 2005. Т. 79. № 10. С. 1832-1838.

Принято к исполнению 10/10/2006 Исполнено 11/10/2006

Заказ № 735 Тираж: 100 эга.

Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 Москва, Варшавское ш.. 36 (495) 975-78-56 та-». аи1:огс Ьга1. ги

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ВНУТРИМОЛЕКУЛЯРНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПО МЕХАНИЗМУ

СВЕРХСОПРЯЖЕНИЯ. АЛЛИЛЬНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ.

1.1 Развитие представлений о сверхсопряжении.

1.2 Природа гетероатома и межорбитальные взаимодействия в молекулах аллильных соединений.

1.2.1 Взаимодействие фрагментов молекулы через валентную связь и через пространство

1.2.2 Влияние d-орбиталей гетероатома и природы лигандов на относительную стабильность конформеров, их геометрическую и электронную структуру

1.2.3 Взаимодействие орбиталей через пространство и перенос заряда при переходе от плоской а-структуры к тг-комплексу.

1.3 Взаимодействие через валентную связь с гетероатомом в дивинильных соединениях.

1.4 Признаки а,7г-сопряжения в электронных спектрах поглощения аллильных соединений.

1.4.1 Батохромный сдвиг длинноволновой полосы в УФ-спектрах аллильных соединений элементов IV6 группы

1.4.2 Особенности систем МО и УФ-спектров аллильных соединений, существующих в форме а-структуры и тг-комплекса.

1.4.3 Влияние валентного состояния гетероатома на спектральные признаки сопряжения в аллильных соединениях серы и фосфора.

1.5 Взаимодействие фрагментов аллильной молекулы при электронном возбуждении. Квантово-химическое описание молекулы аллилкремния в первом электронно-возбужденном состоянии.

Глава 2. ПОЛЯРИЗАЦИЯ АТОМОВ И ПЕРЕНОС ЗАРЯДА В СОПРЯЖЕННЫХ

СИСТЕМАХ.

2.1 Донорно-акцепторное взаимодействие атомных групп.

2.2 Донорно-акцепторное взаимодействие в системе сопряженных связей при валентном колебании атомов акцепторной группы.

2.2.1 Подходы к описанию перераспределения электронной плотности в молекуле.

2.2.2 Деформация АО при валентном колебании атомов нитрильной группы.

2.2.3 Влияние взаимодействия с активной средой на распределение электронной плотности в молекулах.

2.2.4 Перенос заряда в электронно-возбужденном состоянии молекулы.

2.3 Влияние релятивистских эффектов на спектрохимические признаки сопряжения.

2.3.1 Аллильные соединения ртути и элементов IV6 группы.

2.3.2 Дивинильные соединения.

Глава 3. РЕЛАКСАЦИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ МОЛЕКУЛ ПРИ

ОБРАЗОВАНИИ ВАЛЕНТНОЙ СВЯЗИ И МОЛЕКУЛЯРНОГО КОМПЛЕКСА

3.1 Классификация межмолекулярных сил.

3.2 Деформация структуры молекулы и энергия релаксации.

3.3 Гармоническая модель молекулярного комплекса.

3.4 Оценка энергии релаксации по данным квантово-химических расчетов.

3.4.1 Образование валентной связи.

3.4.2 Образование молекулярного комплекса.

3.5 Структурная релаксация в механизме <т,л-сопряжения.

3.6 Роль структурной релаксации в реакциях присоединения нуклеофильного реагента к карбонильному соединению.

3.6.1 Образование биполярного тетраэдрического интермедиата.

3.6.2 Механизмы нуклеофильных реакций карбонильных соединений в растворе и газовой фазе.

3.7 Структурная подвижность системы сольват-сольвент.

3.7.1 Влияние реорганизации гидратной оболочки на свойства ППЭ реакций нуклеофильного присоединения и замещения. а) Реакции нуклеофильного присоединения к карбонильному соединению. б) Реакции нуклеофильного замещения, протекающие по механизму

3.7.2 Взаимосвязь между физико-химическими свойствами растворов и структурой комплексов сольват-сольвент. а) Бинарная система этилендиамин - вода б) Водные растворы диметилсульфоксида

Глава 4. КООПЕРАТИВНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ Н-СВЯЗЕЙ В РЕАКЦИЯХ

ПЕРЕНОСА ПРОТОНА.

4.1 Комплексы с Н-связями. Природа водородной связи

4.2 Свойства поверхности потенциальной энергии для системы с переносом протона. Изучение процесса переноса протона экспериментальными и теоретическими методами.

4.3 Применение метода МПДП/ВС для расчета систем с переносом протона в водородных связях.

4.4 Перенос протона в конденсированной фазе НгО.

4.4.1 "Эмпирическая" оценка дипольного момента молекулы воды.

4.4.2 Потенциальная кривая переноса протона.

4.4.3 Влияние Н-связей со средой на перенос протона в супермолекуле.

4.4.4 Перенос протона и реорганизация окружения.

4.5 Обменный механизм переноса протона в реакции образования и диссоциации четвертичных аммониевых солей.

4.6 Влияние кооперативного эффекта Н-связей на геометрию и электронную структуру ионных дефектов НзО+ и ОН* в кристалле льда

4.6.1 Длина Н-связей в структуре льда.

4.6.2 Длины Н-связей и положение атомов водорода вблизи дефекта НзО+

4.6.3 Распределение заряда в заряженных кластерах. а) Ионный дефект НзО+. б) Ионный дефект ОН".

4.6.4 Расчеты и солитонная модель переноса протонов.

4.7 Роль сетки Н-связей в реакциях переноса протона.

4.7.1 Согласованный сдвиг протонов Н-связей во льду. Мутаротация глюкозы.

4.7.2 Зависимость величины активационного барьера от протяженности цепи Н-связей.

Глава 5. ПЕРЕНОС ПРОТОНА В БИОМОЛЕКУЛАХ

5.1 Перенос протона Н-связи между азотистыми основаниями.

5.2 Реакции с переносом протона в активном центре ферментов.

5.2.1 Роль водородных связей в ферментативном катализе.

5.2.2 Роль молекул воды в структуре и функциях белков. Процессы переноса протона в ферментах с участием молекул воды.

5.3 Моделирование кооперативных взаимодействий Н-связей при переносе протона.

5.3.1 Перенос протона в заряженных молекулярных комплексах с Н-связями, характерными для биомолекул а) Влияние на барьер положения протона соседней Н-связи. б) Влияние на барьер катиона металла, координированного с донором протона.

5.3.2 Перенос протона вдоль цепи Н-связей. а) Донорно-акцепторные и электростатические взаимодействия. б) Кооперативные взаимодействия Н-связей в линейных кластерах (FH)m.F". в) Влияние на барьер переноса протона полярной среды.

5.4 Квантово-химическое изучение переноса протона по цепи Н-связей в активном центре карбоангидразы.

5.4.1 Методология проведения расчетов.

5.4.2 Геометрическая и электронная структура системы с переносом протона.

5.4.3 Концертный механизм переноса протона. 285 •

5.4.4 Структура переходного состояния. Электростатический контроль концертного переноса протонов.

5.4.5 Влияние на барьер переноса протона пространственной ориентации протонного канала.

5.4.6 Волна деформаций Н-связей в цепи, соединяющей донор и акцептор протона.

5.4.7 Движение протона вдоль линии Н-связи и динамика протонной волны.

ВЫВОДЫ.

Познание закономерностей взаимного влияния атомных групп, с которым связана специфика физических и химических свойств многоатомных (сложных) молекул, намного расширяет информацию, даваемую обычными структурными формулами, и является важнейшей проблемой теоретической органической химии.

Для углубления знаний в рассматриваемой области привлекаются константы и функции, характеризующие реакционную способность (константы Хаммета, Тафта и др.), термохимические свойства, геометрическую и электронную структуру, системы уровней электронного возбуждения, силовое поле в деформированных молекулах, оптические и магнитные свойства, разные формы релаксации, биологическую активность. В последние I годы активно используются расчетные квантово-химические методы, с помощью которых удается охарактеризовать координаты химических реакций и переходные состояния, построить пространственные диаграммы электронной плотности, рассчитать (и, если нужно, прогнозировать) спектры соединений легких и тяжелых элементов.

Экспериментальные и теоретические исследования многочисленных органических соединений продемонстрировали сложность всей картины внутримолекулярных взаимодействий. Здесь можно отметить многообразие: 1) типов чередования химических связей и гетероатомов в цепи, 2) пространственных форм сопряженных я-систем (квазилинейные системы - полиины; двухмерные - полиацены, полиены; трехмерные, в том числе сферические - футболен), 3) каналов связей между разными степенями свободы, 4) степеней устойчивости (стабильные, бистабильные, мультистабильные, динамические, неустойчивые, нежесткие, гипотетические системы), 5) вариантов квантовых состояний молекулы.

Стремление сделать накопленный материал более доступным для практического использования привело к многочисленным попыткам установления сколько-нибудь простых корреляций, с одной стороны, между разными свойствами молекулы, с другой стороны - в рядах сходных по строению соединений. Предложенные соотношения с эмпирически подобранными постоянными далеко не универсальны и имеют ограниченную познавательную ценность; тем не менее, многие из них практически весьма полезны.

Взаимодействие между активными центрами сложной молекулы отражается на энергии и структуре молекулярных орбиталей (МО), на порядках химических связей и межатомных расстояниях (в большинстве случаев способствуя некоторому сглаживанию альтернирования), на распределении электронной плотности, а также на энергии электронного и колебательного возбуждения. С сопряжением и другими формами взаимного влияния атомных групп прямо или косвенно связаны почти все наиболее важные особенности физических, химических и технических свойств органических соединений.

В первой и второй главах диссертации обсуждаются результаты выполненного нами квантово-химического исследования сопряженных систем. В первой главе проведен сравнительный анализ спектрохимических свойств систем с а,я-сопряжением на примере аллильных соединений для широкого круга гетероатомов, доступных для проведения квантово-химических расчетов. Рассмотрены особенности геометрической и электронной структуры молекул, относительная стабильность конформеров, системы граничных МО и электронные спектры поглощения, а также их изменение при варьировании положения гетероатома в Периодической системе элементов. Использование полуэмпирического метода МПДП позволило провести также моделирование параметров гетероатома и разделить каналы взаимодействия фрагментов молекулы с целью выявления корреляции этих параметров с экспериментально наблюдаемыми свойствами молекул.

Во второй главе рассматриваются сопряженные системы с донорной и акцепторной группами и особенности взаимодействия этих групп в зависимости от структуры

разделяющего их интерфейса: мостиковой группы или цепи сопряжения. Отклонения от аддитивности в свойствах таких систем описаны на языке релаксации электронной структуры молекулы, связанной с перераспределением электронной плотности в цепи сопряжения в условиях активного донорно-акцепторного взаимодействия. Рассмотрена роль деформации атомных орбиталей (АО) при описании процесса миграции заряда вдоль цепи сопряжения и при описании релятивистских эффектов в спектрохимических признаках сверхсопряжения в аллильных соединениях с тяжелым гетероатомом.

В третьей главе предлагается модель молекулярного комплекса в приближении гармонического осциллятора, которая устанавливает корреляцию энергии структурной релаксации, обусловленной взаимодействием между фрагментами молекулярного комплекса или атомными группами молекулы, с энергией деформации фрагментов. С использованием разработанного формализма показана "релаксационная" природа энергии сопряжения. Исследована роль структурной релаксации как механизма термодинамической стабилизации интермедиатов в реакциях присоединения нуклеофильного реагента к карбонильным соединениям. Отдельно исследовано влияние реорганизации сольватной оболочки на свойства поверхности потенциальной энергии (ППЭ) для реакций нуклеофильного замещения SN2 типа и влияние структурной подвижности молекулярных комплексов ДМСО-вода и этилендиамин-вода на физико-химические свойства растворов.

Между ковалентным (сильным) взаимодействием и нековалентным (слабым), которое приводит к образованию молекулярных комплексов (вандерваальсовых молекул), нет резкого перехода. Существуют прочные молекулярные комплексы со свойствами, очень напоминающими свойства непрочных "классических" молекул; существуют также "классические" молекулы с чрезвычайно растянутыми связями, длина которых соизмерима с длиной наиболее коротких связей в молекулярных комплексах. Межмолекулярные взаимодействия играют важную роль во многих физических, химических и биохимических явлениях. Большинство химических реакций осуществляется в конденсированных средах (водных или неводных) или на межфазных поверхностях. Влияние окружающей среды на свойства и реакционную способность молекулы является результатом ее взаимодействия с молекулами среды. В связи с этим изучение природы и механизмов межмолекулярных взаимодействий представляет большое практическое и теоретическое значение.

Центральное место в последние годы занимает исследование молекулярных комплексов с водородной (Н-) связью и процессов переноса протона, которые играют ключевую роль в ферментативном катализе. Этому вопросу посвящены четвертая и пятая главы диссертации. В четвертой главе обсуждаются современные представления о природе Н-связи и свойствах ППЭ для реакции переноса протона. Обсуждается роль реорганизации сольватной оболочки реагентов в процессе образования контактной ионной пары. Основное внимание уделяется анализу кооперативных взаимодействий Н-связей в механизме переноса протона. Показана энергетическая предпочтительность обменного механизма переноса протонов через водный мостик, соединяющий донор и акцептор протона. На основе данных квантово-химических расчетов проведен анализ геометрической и электронной структуры солитона для одномерной и трехмерной моделей сетки Н-связей. Установлено, что стабилизация переходного состояния для реакции переноса протона по солитонному механизму определяется подвижностью протонов области деформации (сжатия) Н-связей.

В пятой главе дан обзор работ последних лет по исследованию Н-связей и процессов переноса протона в биохимических системах - нуклеиновых кислотах и белках, главным образом ферментах. Обсуждаются результаты квантово-химических расчетов молекулярных систем, моделирующих взаимодействие Н-связей в процессе переноса протона между основаниями нуклеиновых кислот и в активном центре фермента. Предложена модель "электростатического мотора", управляющего переносом протонов в биохимических системах. В основу модели положена найденная в расчетах линейная до корреляция барьера Е переноса протона с разностью электростатических потенциалов Дер = фэ - Фа на доноре и акцепторе в переходном состоянии реакции. Показано, что электростатический потенциал на гетероатомах Н-связи в переходном состоянии определяется донорно-акцепторными взаимодействиями между фрагментами Н-связанной системы. Таким образом, показана взаимосвязь донорно-акцепторного и электростатического взаимодействия в сетке Н-связей и установлен возможный механизм контроля переноса протона.

Показано, что влияние сольватации на барьер переноса протона связано с увеличением разности электростатических потенциалов Дер = сро - Фа для данной конфигурации молекулярного комплекса. Однако полярная среда не меняет линейного характера связи между величинами Е# и Дер. Введен параметр квазинапряженности Е, характеризующий "чувствительность" барьера переноса протона к зарядовому распределению в молекулярном комплексе.

Обсуждаются результаты квантово-химических расчетов молекулярной системы, моделирующей систему с переносом протона в активном центре фермента карбоангидразы. Проведенный анализ выявляет ключевую роль трансляционного движения молекул воды протонного канала в процессе переноса протона, который проходит по концертному механизму. Рассмотрены основные критерии концертного процесса, обусловленные кооперативными взаимодействиями Н-связей и динамической подвижностью системы. Показано, что движение протона вдоль линии Н-связи связано с колебательным движением всех протонов Н-связей в цепи, соединяющей донор и акцептор, которое может быть определено как протонная волна.

ВЫВОДЫ

1. С использованием квантово-химических методов изучены физико-химические проявления внутримолекулярного взаимодействия по механизму сверхсопряжения в аллильных соединениях СН2=СН-СН2-Х для широкого круга гетероатомов X. Для анализа возможных механизмов взаимодействия фрагментов молекулы был предложен подход, в основе которого включение в фокиан расчетной схемы ПДДП полуэмпирического квантово-химического метода MNDO матричных элементов, учитывающих разные формы межорбитального взаимодействия. Такой подход позволил разделить взаимодействие винильного фрагмента и группы с гетероатомом через валентную связь и через пространство и выявить роль каждого из каналов взаимодействия в проявлениях сопряжения, наблюдаемых в эксперименте при переходе от плоской к неплоской конформации молекулы. Проведенный квантово-химический анализ позволил установить основные закономерности в специфике электронных и фотоэлектронных спектров, геометрической и электронной структуры молекулы, а также относительной стабильности конформеров в зависимости от положения гетероатома в Периодической системе элементов, его валентного состояния и типа лигандов при гетероатоме: а) Относительная стабильность конформеров аллильной молекулы определяется возможностями перекрывания валентных орбиталей гетероатома X и я-орбитали двойной связи С=С винильного фрагмента. Стабильность гош-конформера возрастает при переходе к элементам с диффузными s- и d-орбиталями валентной оболочки, которые принимают непосредственное участие в образовании валентных связей (ZrIV, элементы V и VI групп в гипервалентном состоянии (Pv, SVI)). С увеличением диффузности s-орбиталей наблюдается переход от ст-структуры к я-комплексу, характерному для аллильных соединений щелочных металлов. Взаимодействие орбиталей гетероатома и винильного фрагмента через пространство определяет также изменение геометрической и электронной структуры молекулы при выходе группы с гетероатомом из плоскости аллильного фрагмента, б) Конформационный переход транс —> гош сопровождается батохромным сдвигом длинноволновой полосы поглощения в УФ-спектрах и уменьшением первого потенциала ионизации в результате смешивания пар верхних занятых и нижних вакантных молекулярных орбиталей и их расхождения на шкале энергии; при этом происходит повышение энергии ВЗМО и сближение по энергии граничных МО, в) Отклонения от аддитивности в свойствах аллильных соединений усиливаются с увеличением валентности гетероатома X и ростом главного квантового числа валентных электронов. Сжатие валентных орбиталей тяжелого гетероатома (Pb, Hg) за счет релятивистских эффектов ослабляет спектрохимические признаки ст,я-сопряжения и является причиной нарушения периодичности в свойствах соединений элементов подгруппы кремния. Моделирование свойств гипотетического нерелятивистского тяжелого атома показало, что релятивистские эффекты приводят к заметной дестабилизации я-аллильных комплексов относительно ст-структуры, но не меняют относительной стабильности транс- и гош-конформеров а-структуры.

2. Показано, что донорно-акцепторное взаимодействие в системе сопряженных связей при валентном колебании атомов акцепторной группы может быть описано на языке релаксации электронной структуры системы как деформация валентных орбиталей атомов цепи сопряжения и миграция электронного заряда вдоль цепи. Интенсивность ИК-полосы колебания атомов валентной связи может рассматриваться как критерий перераспределения электронной плотности в цепи сопряжения.

3. Разработана модель молекулярного комплекса в приближении гармонического осциллятора, устанавливающая корреляцию между энергией структурной релаксации комплекса, обусловленной взаимодействием фрагментов комплекса, и энергией деформации структуры фрагментов при их взаимодействии. Применение разработанного формализма к изучению природы относительной стабильности конформеров аллильных соединений показало, что структурная релаксация является механизмом термодинамической стабилизации гош-конформации молекулы. Энергия релаксация увеличивается с усилением взаимодействия фрагментов аллильной молекулы, однако ее вклад в энергию ст,л-сопряжения не зависит от природы гетероатома и составляет около 85 % по оценкам различными расчетными методами.

Показана ключевая роль структурной релаксации при межмолекулярном взаимодействии, в частности при образовании тетраэдрического интермедиата в реакции нуклеофильного присоединения к карбонильным соединениям. Появление локального минимума для биполярного интермедиата на ППЭ реакции оказывается возможным в результате изменения геометрической структуры карбонильного соединения при атаке сильного нуклеофила и при взаимодействии интермедиата с молекулами полярной среды. Именно структурная релаксация определяет стабилизацию биполярного интермедиата и два различных механизма реакции в газовой фазе и растворе. В газовой фазе в случае слабого нуклеофила реакция идет по механизму внутримолекулярного переноса протона к карбонильной группе; в растворе происходит обмен протонами с растворителем.

Структурная подвижность комплексов сольват-сольвент определяет свойства ППЭ для реакции нуклеофильного замещения Sn2 типа и физико-химические свойства водных растворов ДМСО и этилендиамина.

4. Реорганизация молекул растворителя сольватной оболочки при переносе протона делает возможным образование в растворе контактной ионной пары. Однако перенос протона по обменному механизму через молекулы воды, соединяющие донор и акцептор, найден энергетически более выгодным. Показано, что по обменному механизму протекает образование и диссоциация четвертичных аммониевых солей в растворе; при этом между молекулами реагентов может встраиваться одна-две молекулы воды, что подтверждается экспериментальными оценками соотношения свободной и связанной воды, полученными методом микроволновой спектроскопии. Существование водного мостика делает возможным протекание реакции без вхождения реагентов в одну клетку растворителя. В случае упорядоченной сетки водородных (Н-) связей в кристаллическом льду протяженность канала протонного переноса может значительно увеличиваться, чему благоприятствует отсутствие теплового движения молекул воды. Кооперативные взаимодействия Н-связей способствуют локализации ионных дефектов НзО+ и ОН' в трехмерной Н-связанной сетке с образованием солитоноподобной структуры. Более легкое протекание многих реакций во льду по сравнению с водным раствором объяснено заметным снижением активационного барьера при переносе протона по солитонному механизму, что показано на примере реакции мутаротации глюкозы. jц

5. Установлена линейная корреляция величины барьера Е переноса протона в Н-связанном комплексе с разностью электростатических потенциалов Дф = сро - Фа на доноре и акцепторе в переходном состоянии реакции. Электростатический потенциал на доноре и акцепторе определяется распределением электронной плотности в системе Н-связей. С величиной Aq электронного заряда, переносимого между взаимодействующими фрагментами молекулярного комплекса, которую можно рассматривать как количественный показатель донорно-акцепторного взаимодействия, связано изменение Дц дипольного момента реакционной системы при переносе протона. Полученные результаты объясняют найденную ранее в эксперименте линейную корреляцию теплоты образования Н-связи и инкремента дипольного момента молекулярного комплекса, а также найденную в расчетах корреляцию величин Е" и Ajj. взаимосвязью между Дф и Дц, которые зависят от одного и того же параметра Aq.

Другой вывод, который следует из того факта, что Дф является функцией параметра Aq, - это закономерная связь донорно-акцепторного и электростатического взаимодействий. Барьер переноса протона зависит от разности Дф электростатических потенциалов донора и акцептора. Однако значение Дф связано с релаксацией электронной структуры молекулярного комплекса в переходном состоянии, которая определяется донорно-акцепторными взаимодействиями в системе водородных связей при переносе протона.

6. Полярная среда не меняет характера связи между величинами Е# и Др., Е# и Дер. Во всех случаях, как специфической так и неспецифической сольватации (диэлектрический континуум), связь задается линейной функцией вида Е# = ka + b (а = Дц, Дер); единственное изменение касается величины углового коэффициента к. Угол наклона прямой при сольватации увеличивается. Величина к имеет размерность напряженности, что позволяет рассматривать ее как параметр квазинапряженности Е (согласно расчетам к = Е, ~109 в/м), характеризующий "чувствительность" барьера переноса протона к зарядовому распределению в молекулярном комплексе. Величина ЕДц, равная энергии диполя Дц в однородном электрическом поле напряженности Е, определяет квазиэлектростатический вклад в барьер переноса протона.

В согласии с классическими представлениями о стабилизации полярной средой структуры с локализованным зарядом сольватация препятствует переносу заряда между фрагментами молекулярного комплекса. Тем самым сольватация ослабляет донорно-акцепторное взаимодействие, что проявляется в увеличении разности электростатических потенциалов Лср = фо-фд

7. Впервые показано, что перенос протона от донора к акцептору вдоль цепи Н-связей, образованной молекулами воды, в АЦ фермента карбоангидразы осуществляется по концертному механизму. Детали механизма показывают, что по мере движения одного из протонов Н-связей другие протоны также сдвигаются в направлении от донора к акцептору, и такое согласованное движение протонов вдоль цепи Н-связей может быть определено как концертный процесс. Сходство потенциальных кривых указывает на то, что высота барьера Е# переноса протона не зависит от того, какой из протонов инициирует процесс. Этот результат находит объяснение на основе развитых представлений о том, что барьер является функцией электростатического потенциала на доноре и акцепторе в переходном состоянии реакции.

Важнейшим фактором, влияющим на форму потенциальной кривой переноса протона, является трансляционная подвижность молекул воды протонного канала: при фиксированном положении тяжелых атомов ("жесткая" геометрия протонного канала) потенциальная кривая имеет только один минимум. Релаксация длин связей между ионом Zn2+ и лигандами при переносе протона в АЦ карбоангидразы также заметным образом влияет на барьер переноса и относительную стабильность исходной структуры и продукта переноса. Суммируя полученные результаты, следует отметить, что процесс протонной проводимости сопряжен с целым рядом кооперативных взаимодействий между фрагментами молекулярной системы. Полученные результаты положены в основу модели "электростатического мотора", управляющего переносом протонов в биохимических системах.

8. Установлена волновая природа механизма протонной проводимости в случае протяженной цепи Н-связей (число звеньев п = 5-11), соединяющей донорную и акцепторную группы. Особенностью этого механизма является то, что перенос протона представляет процесс концертного колебательного движения всех протонов цепи. С движущимся вдоль линии Н-связи протоном связана волна деформации Н-связей цепи. Смещение протонов Н-связей в переходном состоянии реакции переноса протона относительно равновесного положения отвечает структуре, которую можно определить как протонную волну. Длина этой волны, найденная как расстояние между максимумами сжатия Н-связей (удлинения связей О-Н), равна ~ 8А. Перенос заряда от донора к акцептору происходит по механизму "концертного скачка" протонов Н-связей при достижении волной акцептора на конце цепи. Барьер переноса не зависит от числа звеньев в цепи и составляет 10 ккал/моль.

1. Mulliken R.S. 1.tensities of Electronic Transitions in Molecular Spectra. IV. Cyclic Dienes and Hyperconjugation // J. Chem. Phys. 1939. V. 7. P. 339-352.

2. Exner 0. Correlation Analysis in Chemistry. Recent Advances/ Ed. B.

3. Chapman, J. Shorter. New York.: Plenum Press. 1978. 455 p.

4. Pitt C.G. Hyperconjugation and its role in group IV chemistry // J. Organomet. Chem. 1973. V.61.P. 49-70.

5. Streitwieser A. Jr., Alexandratos S. Molecular Orbital Model Studies of the Effect of Strain on Hyperconjugation in Carbonium Ions // J. Amer. Chem. Soc. 1978. V. 100. P. 1979-1984.

6. Schormann M., Garratt S., Hughes D.L., Green J.C., Bochmann M. Isolation and Structure of HC{CH(SiMe3)(SnMe3)}2.+: A Remarkably Stable sec-Alkyl Cation // J. Amer. Chem. Soc. 2002 V.124. P.l 1266-11267.

7. Mo Y., Jiao H., Schleyer P. von R. Hyperconjugation Effect in Substituted Methyl Boranes: An Orbital Deletion Procedure Analysis // J. Organic Chem. 2004. V. 69.1. P. 3493-3499.

8. Libit L., Hoffmann R. Toward a Detailed Orbital Theory of Substituent Effects: Charge Transfer, Polarization, and the Methyl Group // J. Amer. Chem. Soc. 1974. V. 96. P. 13701383.

9. Mollere P.D., Hoffmann R. Augmented Silicon-Carbon Bond Strengths via d-a Hyperconjugation // J. Amer. Chem. Soc. 1975. V. 97. P. 3680-3682.

10. Stanger A. Retro 2 + 2 + 2. Ring Opening in Tricyclobutabenzene Derivatives. Thermochemistry and Reaction Barriers. A Theoretical Hybrid Density Functional Study // J. Organic Chem. 2002 V. 67. P. 6382-6386.

11. Lin B.-L., Xie Z., Liu R., Liu L., Guo Q.-X. Importance of s-type hyperconjugation to the eclipsed structure of propylene // J. Molec. Structure (Theochem) 2003. V. 633. P. 15-19.

12. Kormos В., Cramer C.J. л-Bonding and Negative Hyperconjugation in Mono-, Di-, and Triaminoborane, -alane, -gallane, and -indane // Inorgan. Chem. 2003. V. 42.1. P. 6691-6700.

13. Bharatam P.V, Amita K. D. Theoretical studies on the S-N interaction in sulfinamides // J. Phys. Org. Chem. 2002. V. 15. P. 197-203.

14. Takahashi M., Sakamoto K. Two Geminal Derealizations Affect the Structural Preference of Disilyne and Its Derivatives // J. Phys. Chem. A 2004. V. 108. P. 5710-5714.

15. Mueller Т., Juhasz M., Reed C.A. The x-ray structure of a vinyl cation // Angewandte Chemie. Int. Edition 2004. V. 43. P. 1543-1546.

16. Happer A., Ng J., Pool В., White J. Carbon-silicon hyperconjugation X-ray structural study ofN-methyl-4-trimethylsilylmethylpyridinium triflate Hi. Organomet. Chem. 2002 V. 659. P. 10-14.

17. Wang W., Pu X., Zheng W., Wong N.-B., Tian A. Hyperconjugation versus intramolecular hydrogen bond: origin of the conformational preference of gaseous glycine // Chem. Phys. Lett. 2003. V. 370. P. 147-153.

18. Pu X., Wang W., Zheng W., Wong N.-B.,Tian A. The gas-phase conformations of (N-Cl)-glycine: some theoretical observations // J. Molec. Structure (Theochem) 2003. V. 626.1. P.133-142.

19. Cuevas G., Juaristi E. Manifestation of Stereoelectronic Effects on the Calculated Carbon-Hydrogen Bond Lengths and One Bond 1JC-H NMR Coupling Constants in Cyclohexane, Six-Membered Heterocycles, and Cyclohexanone Derivatives. // J. Amer.

20. Chem. Soc. 2002. V. 124. P. 13088-13096.

21. Choo J., Kim S., Joo H., Kwon Y. Molecular structures of (trifluoromethyl)iodine dihalides CF3IX2 (X=F,C1): ab initio and DFT calculations // J. Molec. Structure (Theochem) 2002. V. 587. P. 1-8.

22. Chen C.-C., Lay Т.Н., Bozzelli J.W. Structure, Intramolecular Rotation Barrier, and Thermochemical Properties of Hydroxycyclohexadienyl Radical // J. Phys. Chem. A 2003. V. 107. P.6451-6456.

23. Law C.-K., Li W.-K., Wang X., Tian A., Wong N.B. A Gaussian-3 study of N7+ and N7-isomers //J. Molec. Structure (Theochem) 2002. V. 617. P. 121-131.

24. Fleischer H., McKean D.C., Torto I. A quantum-chemical study of the structure, vibrations and SiH bond properties of disilylamine, NH(SiH3)2 // Spectrochimica Acta, Part A: Molecular and Biomolecular Spectrosc. 2002. V. 58A P. 911-925.

25. Richardson P.R., Chapman M.A., Wilson D.C., Bates S.P., Jones A.C. The nature of conformational preference in a number of p-alkyl phenols and p-alkyl benzenes // Phys. Chemistiy Chem. Physics. 2002. V. 4. P. 4910-4915.

26. Kawai M., Nakai H. я-ст* hyperconjugation mechanism on methyl rotation in cationic state of substituted toluenes // Chem. Phys. 2001. V. 273. P. 191-196.

27. Pophristic V., Goodman L. Analysis of the Gearing-Antigearing Torsional Fundamental Energy Gap in Dimethyl Ether // J. Phys. Chem. A 2003. V. 107. P. 3538-3542.

28. Ratajczyk Т., Pecul M., Sadlej J. The nature of the rotational barriers in simple carbonyl compounds // Tetrahedron 2004. V. 60. P.179-185.

29. Jalbout A.F., Basso E.A., Pontes R.M., Das D. Hyperconjugative interactions in vinylic systems: the problem of the barrier to methyl rotation in acetone // J. Molec. Structure (Theochem) 2004. V. 677. P. 167-171.

30. Li Z.-H., Fan K.-N., Wong M.W. Stereochemistiy of Radical Halogenation Reactions. An ab Initio Molecular Orbital Study //J. Phys. Chem. A 2001. V. 105. P. 10890-10898.

31. Goodman,L., Pophristic V., Wang W. Does digermane exhibit free rotation? A test of barrier theory. // Int. J. Quant. Chem. 2002. V. 90. P. 657-662.

32. Lill S.O., Nilsson R.G., Anders E. Chemical reactivity controlled by negative hyperconjugation: A theoretical study // Chemistry A Europ. J. 2003. V. 9. P. 3143-3153.

33. Murakami M., Hasegawa M., Igawa H. Theoretical and Experimental Studies on the Thermal Ring-Opening Reaction of Cyclobutene Having a Stannyl Substituent at the 3-Position // J. Organic Chem. 2004. V. 69. P. 587-590.

34. King J.F., Li M., Cheng A.Z., Dave V. Heteroatoms and substituent effects: The importance of heteroatom hyperconjugation // Heteroatom Chem. 2002. V. 13. P. 397-405.

35. Lin Y.-L., Turos E. Studies of Silyl-Accelerated 1,5-Hydrogen Migrations in Vinylcyclopropanes // J. Organic Chem. 2001. V. 66. P. 8751-8759.

36. Bharatam P.V., Amita. Negative hyperconjugative interactions in S-nitrosothiols: a theoretical study. // Tetrahedron Lett. 2002. V. 43. P. 8289-8291.

37. Lalevee J., Allonas X., Fouassier J.-P. N-H and ст(С-Н) Bond Dissociation Enthalpies of Aliphatic Amines // J. Amer. Chem. Soc. 2002. V. 124. P. 9613-9621.

38. Pratt D.A., Mills J.H., Porter N.A. Theoretical Calculations of Carbon-Oxygen Bond Dissociation Enthalpies of Peroxyl Radicals Formed in the Autoxidation of Lipids // J. Amer. Chem. Soc. 2003. V. 125. P. 5801-5810.

39. Pratt D.A., Porter N.A. Role of Hyperconjugation in Determining Carbon-Oxygen Bond Dissociation Enthalpies in Alkylperoxyl Radicals // Organic Lett. 2003. V. 5. P. 387-390 .

40. Pye C.C., Vaughan K., Glister J.F. An ab initio study of conformations and sigmatropic shifts in triazene and its mono-, di-, and trimethyl derivatives // Canad. J. Chem. 2002. V. 80. P. 447-454.

41. Tostes J.G.R., Dias J.F., Seidl P.R., Caraeiro J.W. de M., Taft C.A. Steric and electronic contributions to conformational effects on chemical shifts of acyclic alcohols // J. Molec. Structure (Theochem) 2002. V. 580. P. 75-83.

42. Seidl P.R., Carneiro J. W. de M., Tostes J. G.R., Dias J.F., Pinto P.S.S., Costa V.E.U., Taft C.A. Conformational effects on NMR chemical shifts of half-cage alcohols calculated by GIAO-DFT // J. Molec. Structure (Theochem) 2002. V. 579. P. 101-107.

43. Mo Y., Wu W., Song L., Lin M., Zhang Q., Gao J. The magnitude of hyperconjugation in ethane: a perspective from ab initio valence bond theory // Angewandte Chemie, Int. Edition 2004. V. 43. P. 1986-1990.

44. Mo Y., Song L., Wu W., Cao Z., Zhang Q. Electronic derealization: a quantitative study from modern ab initio valence bond theory // J. Theoret. & Comput. Chemistry 2002. V. 1. P. 137-151.

45. Orimoto Y., Aoki Y. Pure through-bond state in organic molecules for analysis of the . relationship between intramolecular interactions and total energy // Int. J. Quant. Chem. 2003. V. 92. P. 355-366.

46. Ribeiro D.S., Rittner R. The Role of Hyperconjugation in the Conformational Analysis of Methylcyclohexane and Methylheterocyclohexanes // J. Organic Chem. 2003. V. 68.1. P. 6780-6787.

47. Kleinpeter E., Taddei F., Wacker P. Electronic and steric substituent influences on the conformational equilibria of cyclohexyl esters: The anomeric effect is not anomalous! // Chemistry-A Europ. J. 2003. V. 9. P. 1360-1368.

48. Mo Y., Schleyer P. von R., Wu W., Lin M., Zhang Q., Gao J. Importance of Electronic Derealization on the C-N Bond Rotation in HCX(NH2) (X = O, NH, CH2, S, and Se) // J. Phys. Chem. A 2003. V. 107. P. 10011-10018.

49. Hinderaker M.P., Raines R.T. An electronic effect on protein structure // Protein Science 2003. V. 12. P. 1188-1194.

50. Sadlej-Sosnowska N. Energy Barriers to Internal Rotation: Hyperconjugation and Electrostatic Description//J. Phys. Chem. A 2003. V. 107. P. 8671-8676.

51. Dias J.F., Seidl P.R., Carneiro J.W. de M., Tostes J.G.R. Through space hyperconjugation in half-cage alcohols // J. Molec. Structure (Theochem) 2004. V. 677. P. 51-54.

52. Carneiro J.W. de M., Dias J.F., Tostes J.G.R., Seidl P.R., Taft C.A. Hyperconjugation effects of hydroxyl and amine groups on chemical shifts of neighboring carbon nuclei // Int. J. Quant. Chem. 2003. V. 95. P. 322-328.

53. Hoffmann R., Radom L., Pople J.A., Schleyer P. von R., Hehre W.J., Salem L. Strong Conformational Consequences of Hyperconjugation // J. Amer. Chem. Soc. 1972. V. 94. P. 6221-6223.

54. Травень В.Ф., Родин О.Г., Редченко В.В., РокицкаяВ.И. Электронная структура п-систем. IV. Пространственная и электронная структура некоторыхбензилхалькогенидов// Журн. общей химии. 1989. Т. 59. Вып. 2. С. 441-446.

55. Baidin V.N., Timoshenko М.М., Chizhov Y.V., Ustynyuk Y.A.,. Kritskaya I.I. Photoelectron spectra and the structure of organomercury compounds // J. Organomet. Chem. 1985. V. 292. P. 55-74.

56. Davis D.D. 5+-substituent constants for (organometal).methyl groups: a bond polarizability model for hyper conjunction // J. Organomet. Chem. 1981. V. 206. P. 21 -31.

57. Бурштейн К.Я., Шорыгин П.П. Квантовохимическое изучение влияния заместителя с тяжелым атомом на стабильность карбкатионов// Докл. АН СССР. 1987. Т. 296.1. С. 903-906.

58. Hoffmann R. Interaction of orbitals through space and through bonds // Accounts Chem. Res. 1971. V. 4. P. 1-9.

59. Ahlbrecht H., Zimmermann K., Boche G., Decher G. The geometry of allyl-alkali-metal compounds. A I3C NMR reinvestigation // J. Organomet. Chem. 1984. V. 262. P. 1-10.

60. Clark Т., Rohde C., von Schleyer P.R. Allyllithium, allylsodium, and allylmagnesium hydride: geometries and bonding. A comparative ab initio study // Organometallics. 1983. V. 2. P.1344-1351.

61. Раевский Н.И., Борисов Ю.А., Крицкая И.И., Кравцов Д.Н. Природа динамических процессов в молекуле литийаллила// Докл. АН СССР. 1985. Т. 285. С. 1150-1153.

62. Исаев А.Н., Бурштейн К.Я., Шорыгин П.П. Квантово-химическое изучение строения и электронного спектра поглощения аллиллития // Изв. АН СССР, Сер. хим. 1988. № 10.1. С. 2320-2324

63. Dewar M.J.S., Thiel W. Ground States of Molecules. 38. The MNDO Method. Approximations and Parameters // J. Amer. Chem. Soc. 1977. V. 99. P. 4899-4907.

64. Исаев A.H., Шорыгин П.П. Взаимодействие через пространство и через валентную связь в аллильных соединениях, существующих в форме л-комплекса и ст-структуры // Журн. физ. химии 1993. Т. 67. № 3. С. 514-517.

65. Ichikawa Н., Ebisawa Y., Shigihara A. An Analysis of тс-Bond Formation Using Hartree-Fock Theory // J. Phys. Chem. 1988. V. 92. P. 1440-1444.

66. Бочвар Д.А., Гамбарян Н.П., Эпштейн JI.M. О концепции вакантных d-орбиталей и о причинах различий в свойствах соединений азота и фосфора // Успехи химии. 1976. Т. 45. С. 1316-1333.

67. Bodner G.S., Emerson К., Larsen R.D., Gladysz J.A. Synthesis and Structure of Chiral Rhenium Allyl Complexes of the Formula (л5 C5H5)Re(NO)(PPh3)(CH2C(R,)=CHR) // Organometallics. 1989. V. 8. P. 2399-2404.

68. Ponec R., Dejmec L., Chalovsky V. Hyperconjugation in organosilicon chemistry // Collect. Czech. Chem. Communs. 1981. V. 46. P. 2663-2668.

69. Аршинова Р.П. Внутримолекулярные электронные взаимодействия в соединениях фосфора в свете новейших структурных достижений // Успехи химии. 1984. Т. 53. С. 595-624.

70. Егорочкин А.Н. Воронков М.Г., Здеренова О.В., Муштина Т.Г. Эффекты заместителей в Р- и As-центрированных катион-радикалах // Журн. общей химии. 2003. Т. 73. Вып. 6. С. 930-938.

71. Исаев А.Н., Шорыгин П.П. Влияние валентного состояния гетероатома на спектрохимические проявления сопряжения в аллильных соединениях серы и фосфора И Изв. РАН, Сер. хим. 1995. № 1. С. 43-47.

72. Dewar M.J.S., Zoebisch E.G., Healy E.F.66, Stewart J.J.P.AM1: A New General Purpose Quantum Mechanical Molecular Model // J. Amer. Chem. Soc. 1985. V. 107. P. 3902-3909.

73. Костромина H.A., Кумок B.H., Скорик H.A. Химия координационныхсоединений. М.: Высшая школа. 1990, 432 с.

74. Sutton L.E. Tables of Interatomic Distances and Configuration in Molecules and Ions. London: The Chemical Society Burlington House. W.l. 1958. 361 p.

75. Цветков E.H., Кабачник М.И. Сопряжение в ряду соединений трехвалентного фосфора// Успехи химии. 1971. Т. 40. С. 177-225.

76. Коваль В.Г. Влияние ря^я-сопряжения и электроотрицательности заместителей на величину энергии водородной связи // Оптика и спектроскопия. 1977. Т. 43.1. С. 860-865.

77. Исаев А.Н., Шорыгин П.П. Валентное состояние гетероатома и проблема сопряжения // Изв. РАН, Сер. хим. 1996. № 12. С. 2862-2865.

78. Van de Griend L.J., Verkade J.G., Pennings J.F.M., Buck H.M. Structure Basicity Relations among Phosphate and Phosphite Esters. CNDO/2 and Protonation Studies // J. Amer. Chem. Soc. 1977. V. 99. P. 2459-2463.

79. Lehn J.M., Wipff G. Stereolectronic Effects in Phosphoric Acid and Phosphate Esters //J. Chem. Soc. Chem. Commun. 1975.No. 19. P. 800-802.

80. Freitas M.P., Tormena C.F., Garcia J.C., Rittner R., Abraham R.J., Basso E.A., Santos F.P., Cedran J.C. NMR, solvation and theoretical investigations of conformational isomerism in 2-X-cyclohexanones (X = NMe2, OMe, SMe and SeMe) // J. Phys. Org.

81. Chem. 2003. V. 16. P. 833-838.

82. Alabugin I.V., Manoharan M., Zeidan T.A. Homoanomeric Effects in Six-Membered Heterocycles // J. Amer. Chem. Soc. 2003. V. 125. P. 14014-14031.

83. Taddei F., Kleinpeter E. // The anomeric effect in substituted cyclohexanes. I. The role of hyperconjugative interactions and steric effect in monosubstituted cyclohexanes // J. Molec. Structure (Theochem). 2004. V. 683. P. 29-41.

84. Clark Т., Jemmis E.D., Schleyer P. v. R., Binkley J.S., Pople J.A. Ab initio structures of allyllithium // J. Organomet. Chem. 1978. V. 150. P. 1-6.

85. Шорыгин П.П., Исаев A.H. Квантово-химическое изучение взаимодействия л-орбиталей двойных связей в дивинильных соединениях // Изв. АН СССР, Сер. хим. 1989. №2. С. 307-310.

86. Егорочкин А.Н. Спектроскопия органических соединений элементов подгруппы кремния и сверхсопряжение // Успехи химии. 1984. Т. 53. С. 772-801.

87. Ohno К., Taga К., Murata Н. The Vibrational Spectra and Rotational Isomerism of Methylvinylsilane and Allylsilane // Bull. Chem. Soc. Japan. 1977. V. 50. P. 2870-2876.

88. Hayashi M., Imachi M., Saito M. Microwave spectra of allylsilane // Chem. Letters. 1977. No. 3. P. 221-222.

89. Бурштейн К.Я., Шорыгин П.П. Квантово-химическое изучение аллильных соединений элементов IV группы. Сообщение 2. Электронные спектры поглощения // Изв. АН СССР. Сер. хим. 1988. № 6. С. 1330-1335.

90. Cauletti С., Furlani С., Grandinetti F., Marton D. Evidence for п-тс interaction in some allyltin compounds. UV photoelectron spectroscopy and LCBO calculations 11 J. Organomet. Chem. 1986. V. 315. P. 287-297.

91. Bally Т., Nitsche S., Roth K., Haselbach E. Excited States of Polyene Radical Cations: Limitations of Koopman's Theorem // J. Amer. Chem. Soc. 1984. V. 106. P. 3927-3933.

92. Rao C.N.R., Basu P.K., Hegde M.S. Systematic organic UV photoelectron spectroscopy //

93. Appl. Spectr. Rev. 1979. V. 15. P.l-193.

94. Giordan J.C., Moore J.H., Tossell J. A., Kaim W. Interaction of Frontier Orbitals of Group 15 and Group 16 Methides with the Frontier Orbitals of Benzene // J. Amer. Chem. Soc. 1985. V. 107. P. 5600-5604.

95. Pearson R.G. Absolute Electronegativity and Hardness: Applications to Organic Chemistry//J. Org. Chem. 1989. V. 54. P. 1423-1430.

96. Distefano G., Modelli A., Guerra M., Jones D., Rossini S. Hyperconjugative interactions in benzyls studied by means of ionization energy and electron affinity measurements // J. Molec. Structure. 1988. V. 174. P. 177-182.

97. Шорыгин П.П., Бурштейн К.Я., Исаев A.H., Промыслов П.П. Сопряжение и периодическая система элементов Менделеева // Докл. АН СССР. 1989. Т. 304. № 1. С. 158-161.

98. Burshtein K.Ya., Isaev A.N., Shorygin P.P. c-7r-Interaction in some ст-bonded allyl compounds. A MNDO study// J. Organomet. Chem. 1989. V. 361. P. 21-25.

99. Бурштейн К.Я., Шорыгин П.П. Квантово-химическое изучение аллильных соединений элементов IV группы. Сообщение 1. Электронная структура молекул в основном состоянии // Изв. АН СССР, Сер. хим. 1987. № 12. С. 2764-2769.

100. Brownstein S., Bywater S.,Worsfold DJ. Allyl alkali metal compounds // J. Organomet. Chem. 1980. V. 199. P. 1-8.

101. Puddephatt R. J., Bancroft G.M., Chan T. Photoelectron Spectra and Basicity of Tertiary Phosphines PMenPh3.n // Inorganica Chim. Acta. 1983. V. 73. P. 83-89.

102. Шорыгин П.П., Бурштейн К.Я. Сопряжение и периодическая система элементов//

103. Успехи химии. 1991. Т. 60. С. 3-44.

104. Schmidt Н., Schweig A., Mathey F., Muller G. Molecular Conformation and hyperconjugation. P-C-hyperconjugation and the conformation of vinyl-, allyl-, phenyl-and benzylphosphines // Tetrahedron. 1975. V. 31. P. 1287-1294

105. Jug K., Schulz J. Application of SINDOl to phosphorus compounds // J. Comput. Chem. 1988. V. 9. P. 40-50.

106. Исаев A.H., Шорыгин П.П. Квантовохимическое описание молекулы аллилкремния в первом электронно-возбужденном состоянии // Журн. физ. хим. 1995. Т. 69. № 2.1. С. 294-297.

107. Aquilante F., Jensen К.Р., Roos В.О. The allyl radical revisited: a theoretical study of the electronic spectrum // Chem. Phys. Lett. 2003. V. 380. P. 689-698.

108. Shaik S.S., Hiberty P.C., Lefour J.-M., Ohanessian G. Is Derealization a Driving Force in Chemistry? Benzene, Allyl Radical, Cyclobutadiene, and Their Isoelectronic Species // J. Amer. Chem. Soc. 1987. V. 109. P. 363-374.

109. Vajda E., Tremmel J., Rozsondai В., Hargittai I., Maltsev A.K., Kagramanov N.D., Nefedov O.M. Molecular Structure of Allyl Radical from Electron Diffraction // J. Amer. Chem. Soc. 1986. V. 108. P. 4352-4353.

110. Верещагин A.H. Индуктивный эффект. M.: Наука, 1988. 110 с.

111. Чувашев Д.Д., Ратовский Г.В., Закжевский В.Г. Квантовохимический расчет энергий и спектральных характеристик конформеров в производных фенилфосфина // Журн. общ. химии. 1987. Т. 57. Вып.4. С. 907-917.

112. Ромм И.П., Гурьянова Е.Н. ря-сопряжение в ароматических соединениях элементов V и VI групп // Успехи химии. 1986. Т.55. С.225-250.

113. Ritchie J.P. A look at mesomerism in nitrobenzene // Tetrahedron. 1988. V. 44. P. 74657478.

114. Benassi R., Bertarini С., Taddei F., Kleinpeter E. Exocyclic push-pull conjugated compounds. Part 4: rotational barriers in poorly polarized push-pull ethylenes // J. Molec. Structure (Theochem) 2001. V. 541. P. 101-110.

115. Zhang K.-C., Fu Y„ Lin B.-L., Liu L„ Cheng Yu.-H. and Guo Q.-X.

116. Nonpolar я electron derealization effect on the stabilities of C=C, C=N, and N=N double bonds // J. Molec. Structure (Theochem) 2003. V. 625. P. 199-205.

117. Chen P.C., Chieh Y.C. Density functional theory study of the internal rotational barriers of some aromatic nitro compounds // J. Molec. Structure (Theochem) 2002. V. 583.1. P. 173-180.

118. Takahashi M., Matsuo M., Udagawa Y. An electron momentum spectroscopy study on through-space and through-bond interactions in l,4-diazabicyclo2.2.2.octane // Chem. Phys. Lett. 1999. V. 308. P.195-198

119. Bhanuprakash K., Rao J.L. Theoretical studies on the nonlinear optical properties of witterionic organic molecules: effect of я-ст-я through-bond coupling on the first hyperpolarizability // Chem. Phys. Letters 1999. V. 314. P.282-290.

120. Tomonari M., Ookubo N. A large p^ of тг-extended molecules tetra-substituted by meta-positioned donor-acceptor pairs // Chem. Phys. Letters 2003. V. 376. P.504-514.

121. Tomonari M., Ookubo N. // Hyperpolarizabilities рт and Pax of тг-extended molecules tetra-substituted by ortho-positioned donor-acceptor pairs as analyzed by homologoussubstitution model 11 Chem. Phys. Lett. 2002. V. 351. P. 431-440.

122. Olivato P.R., Guerrero S.A., Hase Y., Rittner R. Conformational and Electronic Interaction Studies of a-Substituted Carbonyl Compounds. Part 9. co-Heterosubstituted Acetophenones // J. Chem. Soc. Perkin Trans. 2. 1990. No. 3. P.465-471.

123. Silvestro Т., Topsom R.D., Bock C.W., Taft R.W. Proton affinities of substituted methylamines // J. Molec. Structure (Theochem) 1989. V. 184. P. 33-37.

124. Егорочкин A.H., Разуваев Г.А. Сверхсопряжение в фенильных производных непереходных элементов II-V группы периодической системы элементов Менделеева //Докл. АН СССР. 1987. Т. 293. С. 129-133.

125. Murray J.S., Politzer P. Electrostatic potentials of amine nitrogens as a measure of the total electron-attracting tendencies of substituent // Chem. Phys. Lett. 1988. V. 152. P. 364-370.

126. Бацанов C.C. Экспериментальные основы структурной химии. М.: Изд-во стандартов. 1986.240 с.11 •

127. Schaefer Т., Penner G.H. Long-range coupling constants for а- С nuclei in phenyl -X-R (X = 0,S,Se,Te) derivatives. Internal rotational information // Canad. J. Chem. 1988. V. 66. P. 1641-1646.

128. Нефедов В.И., Вовна В.И. Электронная структура органических и элементоорганических соединений. М.: Наука. 1989.200 с.

129. Meier Н., Gerold J., Kolshorn Н., Muehling В. Extension of conjugation leading to bathochromic or hypsochromic effects in OPV series // Chemistry~A Europ. J. 2004. V.10 P. 360-370.

130. Smith M.A., Jasien P.G. A CIS study of the solvent effects on the electronic absorption spectra of push-pull ethylenes //J. Mol. Structure (Theochem) 1998. V. 429. P. 131-141.

131. Rablen P.R., Miller D.A., Bullock V.R., Hutchinson P.H., Gorman J.A. Solven Effects on the Barrier to C-N Bond Rotation in A^-Dimethylaminoacrylonitrile // J. Amer. Chem. Soc. 1999. V. 121. P. 218-226.

132. Kikuchi 0., Azuki M., Inadomi Yu., Morihashi K. Ab initio GB study of solvent effect on the cis-trans isomerization of 4-dimethylamino-4'-nitroazobenzene // J. Mol. Structure Theochem) 1999. V. 468. P. 95-104.

133. Jarzeba W., Murata S., Tachiya M. Ultrafast dynamics of the excited tetracyanoethylene-toluen electron donor-acceptor complex // Chem. Phys. Letters 1999. V. 301. P.347-355.

134. Walters K.A., Premvardhan L.L., Liu Y., Peteanu L.A., Schanze K.S. Metal-to-ligand charge transfer absorption in a rhenium (I) complex that contains a ^-conjugated bipyridine acceptor ligand // Chem. Phys. Letters 2001. V. 339. P.255-262.

135. Ma L.-H., Chen Z.-B., Jiang Y.-B. Intramolecular charge transfer with 4-(N-phenylamino)benzoic acid. The N-phenylamino conjugation effect // Chem. Phys. Letters 2003.V. 372. P.104-113.

136. Sobolewski A.L., Domcke W. Charge transfer in aminobenzonitriles: do they twist? // Chem. Phys. Letters 1996. V. 250. P. 428-436.

137. Chowdhury S., Kishi H., Dillow G.W., Kebarle P. Electron affinities of substituted nitrobenzenes // Canad. J. Chem. 1989. V. 67. P. 603-610.

138. Reynolds W.F., Dais P., Maclntyre D.W., Topsom R.D., Marriott S., von Nagy-Felsobuki E., Taft R.W. Nature of 7i-Electron-Transfer Effects in Organic Systems with Varying n-Electron Demand // J. Amer. Chem. Soc. 1983. V. 105. P. 378-384.

139. Maurin J., Krygowski T.M. Crystallographic studies and physicochemical properties of n-electron systems: Part XIV. Crystal and molecular structure of N,N-dimethyl-p-nitroanaline

140. J. Molec. Structure 1988. V. 172. P. 413-421.

141. Laxmikanth Rao J., Bhanuprakash K. Theoretical studies on the non-linear optical properties of some organic molecules: effect of n-a-n through-bond coupling on the first hyperpolarisability // J. Molec. Structure (Theochem)1999. V. 458. P. 269-273.

142. Fave C., Hissler M., Karpati Т., Rault-Berthelot J., Deborde V., Toupet L., Nyulaszi L., Reau R. Connecting p-Chromophores by s-P-P Bonds: New Type of Assemblies Exhibiting s-p-Conjugation // J. Amer. Chem. Soc. 2004. V. 126. P. 6058-6063.

143. De Santana O.L., Da Gama A.A.S. Green's function calculation of through-bondelectronic coupling in donor-bridge-acceptor model systems // Chem. Phys. Lett. 1999. V. 314. P. 508-515.

144. Rant U., Scherf U., Rehahn M., Galda P., Bredas J. L., Zojer E. Influence of the degree of conjugation on excited state lifetimes in phenylene-based materials // Synthetic Metals 2002. V. 127. P. 241-245.

145. Castaldo A., Centore R., Peluso A., Sirigu A., Tuzi A. Structure and electronic properties of extended chromophores for applications in second-order nonlinear optics // Structural Chemistry 2002. V.13. P. 27-36.

146. Wong M. S., Li Z.H., Tao Y., D'lorio M. Synthesis and Functional Properties of Donor-Acceptor p-Conjugated Oligomers // Chemistry of Materials 2003. V. 15. P. 1198-1203.

147. Yamada S., Nakano M., Takahata M.,Yamaguchi K. Nonlinear optical properties of several p-conjugated systems including nitrogen atoms // Int. J. Nanoscience 2002. V. 1.1. P. 651-655.

148. Hirata Y., Okada Т., Nomoto T. Photoinduced intramolecular charge separation of p-N,N-dimethylamino-p'-cyano-diphenylacetylene in polar solvents // Chem. Phys. Lett. 1997. V. 278. P.133-138.

149. Paddon-Row M.N., Wong S.S., Jordan K.D. A Cautionary Comment on the Use of Orthogonal Localized Molecular Orbitals for the Quantitative Analysis of Through-space and Through-bond Orbital Interactions // J. Chem. Soc. Perkin Trans. 2.1990. P. 425-430.

150. Closs G.L., Piotrowiak P., Maclnnis J.M., Fleming G.R. Determination of Long Distance Intramolecular Triplet Energy Transfer Rates. A Quantitative Comparison with Electron Transfer// J. Amer. Chem. Soc. 1988. V. 110. P. 2652-2653.

151. Watanabe A., Kodaira Т., Ito O. Time-resolved emission spectra of poly(3-octylthiophene): energy migration in the ^-conjugated polymer chain // Chem. Phys. Letters. 1997. V. 273. P. 227-231.

152. Эткинс П. Кванты. Справочник концепций. М.: Мир. 1977.496 с.

153. Yoshihisa М., Katsunosuke М. Molecular Mechanics Simulations of Thermodynamic Functions and Infrared Spectra of Alkanes // J. Amer. Chem. Soc. 1988. V. 110.1. P. 5183-5189.

154. Lii J.-H., Allinger N.L. Intensities of infrared bands in molecular mechanics (MM3) //J. Comput. Chem. 1992. V. 13. P. 1138-1141.

155. Исаев A.H., Шорыгин П.П. Сопряжение в условиях активного донорно-акцепторного взаимодействия атомных групп // Доклады АН. 2002. Т. 382. № 2. С. 216-220.

156. Исаев А.Н., Шорыгин П.П. Донорно-акцепторное взаимодействие в системе сопряженных связей при валентном колебании атомов акцепторной группы // Журн. физ. химии. 2002. Т. 76. № 12. С. 2221-2227.

157. Dimitrova I. Vibrational frequencies and infrared intensities of acetonitrile coordinated with metal cations: an ab initio study // J. Molec. Structure (Theochem). 1995. V. 343. P. 25-30.

158. Осипов О.А., Минкин В.И., Гарновский А.Д. Справочник по дипольным моментам. М.: Высшая школа. 1971.414 с.

159. Исаев A.H., Бурштейн К.Я., Шорыгин П.П. Влияние релятивистских эффектов на электронное строение аллилртути // Изв. АН СССР. Сер. хим. 1989. № 7. С. 15701573.

160. Исаев А.Н., Шорыгин П.П. Квантовохимическое изучение влияния релятивистских эффектов на электронное строение и спектры аллильных соединений элементов IV б группы и ртути //Докл. АН СССР 1990. Т. 315. № 4. С. 900-903.

161. Sourisseau С., Pasquier В. Structure et spectres de vibration de composesorganomercuriques: I. Halogenures d'allylmercure, ch2=CH-ch2-Hg-X // J. Organometal. Chem. 1972. V. 39. P. 51-63.

162. Nesmeyanov A.N., Aleksanyan V.T., Denisovich L.I.,Nekrasov Yu.S., Fedin E.I., Khvostenko V.I., Kritskaya I.I. cr,7i-Conjugation in organomercurial systems // J. Organometal. Chem. 1979. V. 172. P. 133-142.

163. Bach R.D., Scherr P.A. a-n Conjugation Effects in the Acid Cleavage of Allylmercuric Halids // J. Amer. Chem. Soc. 1972. V. 94. P. 220-227.

164. Бурштейн К.Я., Шорыгин П.П. Квантово-химическое изучение аллильных соединений ртути// Изв. АН СССР. Сер. хим. 1987. № 11. С. 2493-2496.

165. Visscher L., Dyall K.G. Relativistic and correlation effects on molecular properties. I. The dihalogens F2, Cl2, Br2,12, and At2 // J. Chem. Phys. 1996. V. 104. P. 9040-9046.

166. Pyykko P. Relativistic Effects in Structural Chemistry // Chem. Rev. 1988. V. 88. P. 563-594.

167. Christiansen P.A., Ermler W.C., Pitzer K.S. Relativistic effects in chemical systems // Annual Rev. Physical Chem. 1985. V. 36. P. 407-432.

168. Almlof J., Faegri K., Jr. Relativistic effects on molecular structure: methyl derivatives of the fourth main-group elements // Theor. Chim. Acta. 1986. V. 69. P. 437-446.

169. Desclaux J.P. Relativistic Dirac-Fock expectation values for atoms with Z=1 to Z=120. In: Atomic data and nuclear data tables. 1973. V. 12. P. 311-406.

170. Исаев A.H. Оценка по спектроскопическим данным величин одноцентровых интегралов, используемых в полуэмпирических методах квантовой химии // Докл. АН СССР. 1992. Т. 324. № 4. С. 810-814.

171. Evans S., Green J.C., Joachim P.J., Orchard A.F., Turner D.W., Maier J.P. Electronic Structures of the Group IVb Tetramethyls by Helium-(I) Photoelectron Spectroscopy // J. Chem. Soc. Faraday Trans. II 1972. No. 6. P. 905-911.

172. Гурвич JI.В., Карачевцев Г.В., Кондратьев В.Н., Лебедев Ю.А., Медведев В.А.,

173. Потапов В.К., Ходеев Ю.С. Энергии разрыва химических связей. Потенциалы ионизации и сродство к электрону. М.: Наука, 1974. 351 с.

174. Исаев А.Н., Шорыгин П.П. Взаимодействие через валентную связь с гетероатомом в дивинильных соединениях //Докл.АН СССР. 1991. Т. 320. № 2 С. 378-380.

175. Межмолекулярные взаимодействия: от двухатомных молекул до биополимеров / Под ред. Б.Пюльмана, М.: Мир. 1981. 592 с.

176. Kollman Р.А., Allen L.C. An SCF Partitioning Scheme for the Hydrogen Bond // Theoret. Chim. Acta. 1970. V. 18. P. 399-403.

177. Dreyfus M., Pullman A. A Non-Empirical Study of the Hydrogen Bond between Peptide Units // Theoret. Chim. Acta. 1970. V. 19. P. 20-37.

178. Morokuma K. Molecular Orbital Studies of Hydrogen Bonds. III. C=0.H-0 Hydrogen Bond in H2C0.H20 and H2C0.2H20 // J. Chem. Phys. 1971. V.55. P. 1236-1244.

179. Kitaura K., Morokuma K. A New Energy Decomposition Scheme for Molecular Interactions within the Hartree-Fock Approximation // Int. J. Quant. Chem. 1976. V. 10. P. 325-340.

180. Schuster P., Lischka H., Beyer A. Ab initio studies on hydrogen bonding and ion molecule complexes. In: Progress in Theoretical Organic Chemistry / Ed. I.G. Csizmadia. Amsterdam: Elsevier. 1976. V. 2. P. 89-105.

181. Rice F.O., Teller E. The role of free radicals in elementary organic reactions // J. Chem. Phys. 1938. V. 6. P. 489-496.

182. Hine J. The principle of least nuclear motion. In: Advances in Physical Organic Chemistry / Eds. V. Gold, D. Bethell. London New York - San Francisco: Academic Press. 1977. V.15. P. 1-61.

183. Morokuma K., Kitaura K. Energy decomposition analysis of molecular interactions. In: Chemical Applications of Atomic and Molecular Electrostatic Potentials / Eds. P. Politzer, D.G.Truhlar. New York- London: Plenum Press. 1981. P. 215-242.

184. Исаев А.Н. Эффект деформации структуры молекул при образовании ими водородной связи // Координац. химия. 1994. Т. 20. № 10. С. 731-734.

185. Исаев A.H., Шорыгин П.П. Приближение замороженного остова в методологии квантовой химии //Доклады АН. 1995. Т. 344. № 6. С. 776-778.

186. Исаев А.Н., Шорыгин П.П. О взаимодействии фрагментов молекулы // Доклады АН. 1996. Т. 349. № 1.С. 56-59.

187. Исаев А.Н. Структурная релаксация в механизме а,я-сопряжения. Аллильные соединения элементов IV группы. // Журн. физ. химии. 2004. Т. 78. № 1. С. 56-62.

188. Исаев А.Н. Эффект деформации структуры молекул в энергетике химической связи // Координац. химия. 1995. Т. 21. № 2. С. 95-98.

189. Del Bene J.E. Ab Initio Molecular Orbital Study of the Structures and Energies of Neutral and Charged Bimolecular Complexes of H20 with the Hydrides AH„ (A = N, O, F, P, S, and CI) // J. Phys. Chem. 1988. V. 92. P. 2874-2880.

190. Del Bene J.E., Frisch M.J., Raghavachari K., Pople J.A., Schleyer P.R. A Molecular Orbital Study of Some Lithium Ion Complexes // J. Phys. Chem. 1983. V. 87. P. 73-78.

191. Pople J.A. Intermolecular Binding // Faraday Discuss. Chem. Soc. 1982. V. 73. P. 7-17.

192. Whiteside R.A., Frisch M.J., Binkley J.S., De Frees D.J., Schlegel H.B., Raghavachari K., Pople J.A. Carnegie-Mellon Quantum Chemistry Archive, 2. Carnegie-Mellon University. Pittsburgh. 1981.

193. Szczesniak M.M., Scheiner S. Studies of dispersion energy in hydrogen-bonded systems. H20-H0H, HzO-HF, H3N-HF, HF-HF Hi. Chem. Phys. 1984. V. 80. P. 1535-1542.

194. Jencks W.P. General acid-base catalysis of complex reactions in water//Chem. Rev. 1972. V. 72. P. 705-718.

195. Бурштейн К.Я., Исаев А.Н. Расчет потенциальной поверхности для модельной реакции присоединения нуклеофильного реагента к карбонильному соединению в газовой фазе и в водной среде // Журн. структур, химии. 1985. Т. 26. № 3. С. 16-20.

196. Бурштейн К.Я., Исаев А.Н. Квантовохимическое изучение влияния гидратации на механизм нуклеофильных реакций карбонильных соединений // Изв. АН СССР. Сер. хим. 1985. №5. С. 1066-1070.

197. Бурштейн К.Я., Хургин Ю.И. Квантовохимическое изучение механизма присоединения нуклеофильного реагента к карбонильным соединениям // Изв. АН СССР, Сер. хим. 1977. № 7. С. 1494-1497.

198. Shokhen М.А., Tikhomirov D.A., Yeremeyev A.V. Semi-empirical MO study of reaction mechanism of carbinolamines formation by MINDO/3 method // Tetrahedron. 1983. V. 39. P. 2975-2979.

199. Oie Т., Loew G.H., Burt S.K., Binkley J.S., MacElroy R.D. Quantum Chemical Studies of a Model for Peptide Bond Formation: Formation of Formamide and Water from Ammonia and Formic Acid // J. Amer. Chem. Soc. 1982. V. 104. P. 6169-6174.

200. Сайке П. Механизмы реакций в органической химии. М.: Химия. 1991.447 с.

201. Бурштейн К.Я., Исаев А.Н. Применение метода МПДП/ВС для расчета систем с переносом протона в водородных связях // Журн. структур, химии. 1986. Т. 27. № 3. С. 3-7.

202. Исаев А.Н. Механизмы нуклеофильных реакций карбонильных соединений врастворе и газовой фазе // Изв. РАН. Сер. хим. 1994. № 2. С. 227-230.

203. Фершт Э. Структура и механизм действия ферментов. М.: Мир. 1980. 432 с.

204. Gleave J.L., Hughes E.D., Ingold C.K. Mechanism of Substitution at a Saturated Carbon Atom. Part III. Kinetics of the Degradations of Sulphonium Compounds // J. Chem. Soc. 1935. P. 236-244.

205. Hughes E.D., Ingold C.K. Mechanism of Substitution at a Saturated Carbon

206. Atom. Part IV. A Discussion of Constitutional and Solvent Effects on the Mechanism, Kinetics, Velocity, and Orientation of Substitution // J. Chem. Soc. 1935. P. 244-255.

207. Dougherty R.C., Dalton J., Roberts J.D. Sn2 reactions in the gas phase. Structure of the transition state // Org. Mass. Spectrom. 1974. V. 8. P. 77-79.

208. Keil F., Ahlrichs R. Theoretical Study of Sn2 Reactions. Ab initio Computations on HF and CI Level // J. Amer. Chem. Soc. 1976. V. 98. P. 4787-4793.

209. Olmstead W.N., Brauman J.I. Gas-Phase Nucleophilic Displacement Reactions // J. Amer. Chem. Soc. 1977. V. 99. P. 4219-4228.

210. Carrion F., Dewar M.J.S. MNDO Study of Sn2 Reactions and Related Processes // J. Amer. Chem. Soc. 1984. V. 106. P. 3531-3539.

211. Pellerite M.J., Brauman J.I. Intrinsic Barriers in Nucleophilic Displacements // J. Amer. Chem. Soc. 1980. V. 102. P. 5993-5999.

212. Morokuma K. Potential-Energy Surface of the Sn2 Reaction in Hydrated Clusters // J. Amer. Chem. Soc. 1982. V. 104. P. 3732-3733.

213. Bohme D.K., Raksit A.B. Gas-Phase Measurements of the Influence of Stepwise Solvation on the Kinetics of Nucleophilic Displacement Reactions with CH3CI and СНзВг at Room Temperature // J. Amer. Chem. Soc. 1984. V. 106. P. 3447-3452.

214. Бурштейн К.Я., Исаев A.H. Расчет потенциальной поверхности для реакций нуклеофильного замещения, протекающих по механизму SN2, с учетом сольватации // Журн. структур, химии. 1986. Т. 27. № 3. С. 8-12.

215. Бурштейн К.Я., Исаев А.Н. Квантовохимическое изучение влияния растворителя на механизм реакций нуклеофильного замещения, протекающих по механизму Sn2 //

216. Изв. АН СССР. Сер. хим. 1987. № 9. С. 2005-2009.

217. Буслаева М.Н., Карцев В.Н., Дудникова К.Т. Структура и изотермическая сжимаемость жидкого этилендиамина // Журн. физ. химии. 1982. Т. 56. С.1254-1255.

218. Кругляк А.И., Буслаева М.Н., Кийко С.М., Иванова Е.Ф. Изучение межмолекулярного взаимодействия в системе этилендиамин вода по данным вискозиметрического исследования//Журн. физ. химии. 1981. Т. 55. С. 2678-2681.

219. Родникова М.Н., Исаев А.Н., Засыпкин С.А. Конформация этилендиамина в газовой фазе и водном растворе // Координац. химия. 1991. Т. 17. № 11. С. 1467-1472.

220. Leroy G., Louterman-Leloup G., Ruelle P. Contribution a l'etude theorique de la liaison hydrogene. V. Les complexes HnX-HmY (X,Y = N, O, F) // J. chimie physique. 1979. V. 76. P. 113-124.

221. Hankins D., Moskowitz J.W., Stillinger F.H. Water Molecule Interactions // J. Chem. Phys. 1970. V. 53. P. 4544-4554.

222. Dannenberg J.J., Vinson L.K. AMI Molecular Orbital Study of Hydrogen Bonding. Gas-Phase Hydration of Protonated Diamines // J. Phys. Chem. 1988. V. 92. P. 5635-5639.

223. Ланшина JIB., Родникова M.H., Дудникова К.Т. Рассеяние света в водных растворах этилендиамина // Журн. структур, химии. 1990. Т. 31. С. 65-68.

224. Родникова М.Н., Ланшина Л.В., Чабан И.А. Недостижимая критическая точка расслаивания разбавленных водных растворов неэлектролитов // Докл. АН СССР. 1990. Т. 315. С. 148-152.

225. Завизион В.А., Кудряшова В.А., Хургин Ю.И. Исследование межмолекулярных взаимодействий в растворах методом миллиметровой спектроскопии. Сообщение 3.

226. Эффекты гидратации в водных растворах спиртов // Изв. АН СССР. Сер. хим. 1989. №8. С. 1755-1761.

227. Хургин Ю.И., Исаев А.Н. Геометрия и электронная структура димера диметилсульфоксида; расчет методом МПДП // Изв. РАН. Сер. хим. 1992. № 6. С. 1340-1344.

228. Исаев А.Н. Квантовохимическое изучение комплексов диметилсульфоксида с водой // Координац. химия. 1993. Т. 19. № 9. С. 742-744.

229. Thomas R., Shoemaker С.В., Eriks К. The Molecular and Crystal Structure of Dimethyl Sulfoxide, (H3C)2SO // Acta ciystallogr. 1966. V. 21. P.12-20.

230. Новскова Т.А., Гайдук В.И., Кудряшова В.А., Хургин Ю.И. Диэлектрическая релаксация и молекулярная динамика в водном растворе диметилсульфоксида // Химическая физика. 1990. Т. 9. С. 969-977.

231. Kaatze U., Pottel R., Schafer M. Dielectric Spectrum of Dimethyl Sulfoxide /Water Mixtures as a Function of Composition // J. Phys. Chem. 1989. V. 93. P. 5623-5627.

232. Luzar A. The contribution of hydrogen bonds to bulk and surface thermodynamic properties of dimethylsulfoxide-water mixtures // J. Chem. Phys. 1989. V. 91.1. P. 3603-3613.

233. Белоусов В.П., Панов М.Ю. Термодинамика водных растворов неэлектролитов. JI.: Химия. 1983.264 с.

234. Kollman P. A General Analysis of Noncovalent Intermolecular Interactions // J. Amer. Chem. Soc. 1977. V. 99. P. 4875-4894.

235. Kollman P.A. Noncovalent interactions // Accounts Chem. Res. 1977. V. 10. N. 4. P. 365-371

236. McAllister M.A. Characterization of low-barrier hydrogen bonds 2. HF2*: a density functional and ab initio study // J. Molec. Structure (Theochem). 1998. V. 427. P. 39-53.

237. Pan Y., McAllister M.A. Characterization of low-barrier hydrogen bonds 4. Basis set andcorrelation effects: an ab initio and DFT investigation // J. Molec. Structure (Theochem). 1998. V. 427. P. 221-227.

238. Warshel A., Papazyan A., Kollman P.A., Cleland W.W., Kreevoy M.M., Frey P.A. On Low-Barrier Hydrogen Bonds and Enzyme Catalysis // Science. 1995. V. 269. P. 102-106.

239. Szczesniak M.M., Hobza P., Latajka Z., Ratajczak H., Skowronek K. The Methylation Effect in Amine. .HF Hydrogen-Bonded Systems. Quantum Chemical and Statistical Thermodynamic Study // J. Phys. Chem. 1984. V. 88. P. 5923-5927.

240. Szczesniak M.M., Scheiner S., Bouteiller Y. Theoretical study of H20-HF and H20-HC1: Comparison with experiment // J. Chem. Phys. 1984. V. 81. P. 5024-5030.

241. Hobza P., Schneider В., Carsky P., Zahradnik R. The superposition error problem: The (HF)2 and (H20)2 complexes at the SCF and MP2 levels // J. Molec. Structure (Theochem). 1986. V. 138. P. 377.

242. Del Bene J.E., Jordan M.J. What a difference a decade makes: progress in ab initio studies of the hydrogen bond // J. Molec. Structure (Theochem). 2001. V. 573. P. 11-23.

243. Dannenberg J.J. Hydrogen bonds: a comparison of semiempirical and ab initio treatments // J. Molec. Structure (Theochem). 1997. V. 401. P. 279-286.

244. Stewart J.J.P. Optimization of parameters for semiempirical methods. 1. Method // J. Comput. Chem. 1989. V. 10. P. 209-220.

245. Grabowski S.J. A new measure of hydrogen bonding strength ab initio and atoms in molecules studies // Chem. Phys. Letters. 2001. V. 338. P. 361-366.

246. Scheiner S., Kar Т., Pattanayak J. Comparison of Various Types of Hydrogen Bonds Involving Aromatic Amino Acids // J. Amer. Chem. Soc. 2002. V. 124. P. 13257-13264.

247. Wang B.-Q., Li Z.-R., Wu D., Hao X.-Y., Li R.-J., Sun C.-C. Single-electron hydrogen bonds in the methyl radical complexes H3C. .HF and H3C. .HCCH: an ab initio study // Chem. Phys. Letters. 2003. V. 375. P. 91-95.

248. Gu Y., Kar Т., Scheiner S. Fundamental Properties of the CH.0 Interaction: Is It a True

249. Hydrogen Bond? 11 J. Amer. Chem. Soc. 1999. V. 121. P. 9411-9422.

250. Qian W., Krimm S. Vibrational Spectroscopy of Hydrogen Bonding: Origin of the Different Behavior of the C-H.0 Hydrogen Bond // J. Phys. Chem. A. 2002. V. 106. P. 6628-6636.

251. Cubero E., Orozco M., Luque F.J. Electron density topological analysis of the C-H. .0 anti-hydrogen bond in the fluoroform-oxirane complex // Chem. Phys. Letters. 1999. V. 310.1. P. 445-450.

252. Alabugin I.V., Manoharan M., Peabody S., Weinhold F. Electronic Basis of Improper Hydrogen Bonding: A Subtle Balance of Hyperconjugation and Rehybridization // J. Amer. Chem. Soc. 2003. V. 125. P. 5973-5987.

253. Wong N.-B, Cheung Y.-S., Wu D.Y., Ren Y., Wang X., Tian A.M., Li W.-K. A theoretical study of the C-H. .N hydrogen bond in the methane-ammonia complex // J. Molec. Structure (Theochem). 2000. V. 507. P. 153-156.

254. Galabov В., Bobadova-Parvanova P., Ilieva S., Dimitrova V. The electrostatic potential at atomic sites as a reactivity index in the hydrogen bond formation // J. Molec. Structure (Theochem). 2000. V. 507. P. 153-156.

255. Walrafen G.E., Chu Y.C., Carlon H.R. Energy, Enthalpy, and Volume Change of Hydrogen-Bond Formation in Large, Charged, Water Vapor Clusters, H+(H20)C, Determined from Mass Spectral Distribution // J. Phys. Chem. A. 2002. V. 106. P. 933-937.

256. Vorobyov I., Yappert M.C., DuPre D.B. Energetic and Topological Analyses of Cooperative cxH- and 7tH-Bonding Interactions //J. Phys. Chem. A. 2002. V. 106. P. 1069110699.

257. Doering W.E., Parra R.D., Zeng X.C. Cooperativity effects in cyclic trifluoromethanol trimer: anab initio study//J. Molec. Structure (Theochem). 1998. V. 431. P. 119-126.

258. Chen C., Liu M.-H., Wu L.-S. Local analysis and comparative study of the hydrogen bonds in the linear (HCN)„ and (HNC)„ clusters // J. Molec. Structure (Theochem). 2003. V. 630. P.187-204.

259. Kiselev M., Ivlev D., Puhovski Y., Kerdcharoen T. Preferential solvation and elasticity of the hydrogen bonds network in tertiary butyl alcohol-water mixture // Chem. Phys. Letters. 2003. V. 379. P. 581-587.

260. Водородная связь. По ред. Н.Д. Соколова М.: Наука. 1981.286 с.

261. Barrow G.M. The Nature of Hydrogen Bonded Ion-Pairs: The Reaction of Pyridine and Carboxylic Acids in Chloroform // J. Amer. Chem. Soc. 1956. V. 78. P. 5802-5806.

262. Kollman P.A., Allen L.C. The Nature of the Hydrogen Bond. Dimers Involving Electronegative Atoms of the First Row// J. Amer. Chem. Soc. 1971. V. 93. P. 4991-5000.

263. Ault B.S., Pimentel G.C. Infrared Spectra of the Ammonia-Hydrochloric Acid Complex in Solid Nitrogen// J. Phys. Chem. 1973. V. 77. P.1649-1653.

264. Guha D., Mondal A., Nath D., Mitra S., Chattopadhyay N., Mukheijee S. Proton transfer reaction of 4-methyl-2,6-diamidophenol in alcoholic solvents at room temperature and 77 К // J. Molec. Structure (Theochem). 2001. V. 542. P. 33-45.

265. Pichierri F. Effect of fluorine substitution on the proton transfer barrier in malonaldehyde. A density functional theory study // Chem. Phys. Letters. 2003. V. 376. P. 781-787.

266. Banerjee D., Mandal A., Mukherjee S. Proton transfer reaction in 4-hydroxy-3-formyl benzoic acid at room temperature and 77 К // Chem. Phys. Letters. 2003. V. 373. P. 464470

267. Wang D.-P., Chen S.-G., Chen D.-Z. Theoretical studies of conjugate and substituent effects on the intramolecular proton transfer: an HF/CIS study // J. Photochemistry and Photobiology A: Chemistry. 2004. V. 162. P. 407-414.

268. Shiobara S., Tajima S., Tobita S. Substituents effects on ultrafast exited-state protontransfer of protonated aniline derivatives in aqueous solution // Chem. Phys. Letters. 2003. V. 380. P.673-680.

269. Schmidtke S.J., Underwood D.F., Blank D.A. Following the Solvent Directly during Ultrafast Excited State Proton Transfer// J. Amer. Chem. Soc. 2004. V. 126.P. 8620-8621.

270. Fu A.-P., Li H.-L., Du D.-M., Zhou Z.-Y. Theoretical study on the reaction mechanism of proton transfer in formamide // Chem. Phys.Letters 2003. V. 382. P. 332-337.

271. Kamitakahara A., Pranata J. Reaction pathways for proton exchange between protonated formamide and water//J. Molec. Structure (Theochem). 1998. V. 429. P. 61-69.

272. Rauhut G. Modulation of reaction barriers by generating reactive intermediates: double proton transfer reactions // Physical Chemistry Chemical Physics. 2003. V. 5. P. 791-800.

273. Casadesus R., Moreno M., Lluch J.M. A theoretical study of the ground and first excited singlet state proton transfer reaction in isolated 7-azaindole-water complexes // Chemical Physics. 2003. V. 290. P. 319-336.

274. Hung F.-T., Hu W.-P., Li T.-H., Cheng C.-C. Chou P.-T. Ground and Excited-State Acetic Acid Catalyzed Double Proton Transfer in 2-Aminopyridine // J.Phys.Chem. A. 2003.1. V. 107. P. 3244-3253.

275. Park S.-W., Ahn D.-S., Lee S. Dynamic paths between neutral alanine-water and zwitterionic alanine-water clusters: single, double and triple proton transfer // Chem. Phys. Letters. 2003. V. 371. P. 74-79.

276. Madeja F., Havenith M. High resolution spectroscopy of carboxylic acid in the gas phase: Observation of proton transfer in (DCOOH)2 // J. Chem. Physics. 2002. V. 117. P. 71627168.

277. Lu C., Hsieh R.-M. R., Lee I-R., Cheng P.-Y. Ultrafast dynamics of gas-phase excited-state intramolecular proton transfer in l-hydroxy-2-acetonaphthone // Chem. Phys. Letters. 1999. V.310. P. 102-110.

278. Chou P.-T., Chen Y.-C., Yu W.-S., Cheng Y.-M. Spectroscopy and dynamics of excited-state intramolecular proton-transfer reaction in 5-hydroxyflavone // Chem. Phys. Letters. 2001. V. 340. P. 89-97.

279. Rini M., Magnes B.-Z., Pines E., Nibbering E.T.J. Real-time observation of bimodal proton transfer in acid-base pairs in water // Science 2003. v. 301. P. 349-352.

280. Bazeia D., Leite V.B.P., Lima B.H.B., Moraes F. Soliton model for proton conductivity in Langmuir films // Chem. Phys. Letters. 2001. V. 340. P. 205-210.

281. Pang X.-F., Feng Y.-P. Mobility and conductivity of the proton transfer in hydrogen-bonded molecular systems // Chem. Phys. Letters. 2003. V. 373. P. 392-401.

282. Zheng L., Baumann U., Reymond J.-L. Molecular mechanism of enantioselective proton transfer to carbon in catalytic antibody 14D9 // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2004. V. 101. P. 3387-3392.

283. Harris D.L. Oxidation and electronic state dependence of proton transfer in the enzymatic cycle of cytochrome P450eryF // J. Inorg. Biochemistry. 2002. V. 91. P. 568-585.

284. Бурштейн К.Я., Исаев A.H. Модификация метода МПДП для расчета систем с водородными связями // Журн. структур, химии. 1984. Т. 25. № 1. С. 25-30.

285. Burstein K.Ya., Isaev A.N. MNDO calculations on hydrogen bonds. Modified function for core-core repulsion // Theoret. Chim. Acta. 1984. V. 64. P. 397-401.

286. Janoschek R., Weidemann E.G, Pfeiffer H., Zundel G. Extremely High Polarizability of

287. Hydrogen Bonds // J. Amer. Chem. Soc. 1972. V. 94. P. 2387-2396.

288. Scheiner S., Szczesniak M.M., Bigham L.D. Ab initio study of proton transfers including effects of electron correlation // Intern. J. Quantum Chem. 1983. V. 23. P. 739-751.

289. Ady E., Brickmann J. Non-empirical calculations on the intramolecular rearrangement in the dimer of formic acid // Chem. Phys. Lett. 1971. V. 11. P. 302-306.

290. Graf F., Meyer R., Ha T.-K., Ernst R.R. Dynamics of hydrogen bond exchange in carboxylic acid dimers // J. Chem. Phys. 1981. V. 75. P. 2914-2918.

291. Hayashi S., Umemura J., Kato S., Morokuma K. Ab Initio Molecular Orbital Study on the Formic Acid Dimer // J. Phys.Chem. 1984. V. 88. P. 1330-1334.

292. Noell J.O., Morokuma K. A Fractional Charge Model in the Molecular Orbital Theory and Its Application to Molecules in Solutions and Solids // J. Phys.Chem. 1976. V. 80. P. 26752685.

293. Исаев A.H., Левин A.A. Исследование переноса протона в конденсированной фазе Н20 методом МПДП/ВС с учетом среды в рамках комбинированной модели "супермолекула и псевдоконтинуум" // Журн. структур, химии. 1992. Т. 33. № 1. С. 24-30.

294. Burshtein K.Ya. Mo studies of solvation effects: Part I. A simple model of solvation for MNDO and MNDO/H calculations // J. Molec. Structure (Theochem). 1987. V. 153.1. P. 195-201.

295. Бурштейн К.Я. Применение метода МПДП/ВС и модели точечных диполей для изучения механизма образования ионов в водной среде // Журн. структур, химии. 1988. Т. 29. С. 179-182.

296. Onsager L., Dupuis М. In: Electrolytes / Ed. В. Pesce. London: Pergamon. 1962. P. 26-46.

297. Nagle J.F. Theory of the dielectric constant of ice // Chem. Phys. 1979. V. 43. P. 317-328.

298. Scheiner S., Nagle J.F. Ab Initio Molecular Orbital Estimates of Charge Partitioning between Bjerrum and Ionic Defects in Ice Hi. Phys.Chem. 1983. V. 87. P. 4267-4272.

299. Левин А.А., Зайцев А.Р., Исаев А.Н. Сегнетоэлектрические свойства кн2ро4 (KDP) по данным MNDO/H-расчетов большого кластера Н.6(Р04)5]+ Н Журн. неорганич. химии. 1989. Т. 34. № 9. С. 2418-2422.

300. Исаев А.Н., Бурштейн К.Я., Суханов Н.Н., Яновская Л.А. Особенности алкилирования барбитуровой кислоты в условиях межфазного катализа // Изв. АН СССР. Сер. хим. 1988. № 4. С. 918-920.

301. Эйзенберг Д., Кауцман В. Структура и свойства воды. Л.: Гидрометеоиздат. 1975. 280 с.

302. Исаев А.Н., Хургин Ю.И. Механизм обмена протонов молекулами воды гидратных оболочек молекул nh3 и HF в процессе образования ими ионной пары // Изв. АН СССР. Сер. хим. 1991. № 4. С. 817-822.

303. Дженкс В. Катализ в химии и энзимологии. М: Мир. 1972. 467 с.

304. Kunst М., Warman J.M., de Haas М.Р., Verberne J.B. Nanosecond Time-Resolved Conductivity Studies of Pulsed-Ionized Ice. 3. The Electron as a Probe for Defects in Doped Ice // J.Phys.Chem. 1983. V. 87. P. 4096-4098.

305. Исаев A.H., Левин А.А. Влияние кооперативного эффекта на геометрию НзО+-солитона и активационный барьер переноса протона в кристалле льда // Журн. структур, химии. 1991. Т. 32. № 1. С. 80-86.

306. Newton M.D., Ehrenson S. Ab Initio Studies on the Structures and Energetics of Inner- and Outer-Shell Hydrates of the Proton and the Hydroxide Ion // J. Amer. Chem. Soc. 1971.1. V. 93. P. 4971-4990.

307. Hankins D., Moskowitz J.W., Stillinger F.H. Water Molecule Interactions // J. Chem. Phys. 1970. V. 53. P. 4544-4554.

308. Давыдов A.C. Солитоны в молекулярных системах. Киев: Наук, думка. 1988. 303 с.

309. Исаев А.Н., Левин А.А. Геометрия ОН' дефекта в конденсированной фазе Н2О. Локализация дефекта и кооперативное взаимодействие Н-связей // Журн.структур, химии. 1992. Т. 33. № 1. С. 18-23.

310. Kryachko E.S. Model of ionic defect in symmetrical hydrogen-bonded ice: Continuum approach // Solid State Commun. 1988. V. 65. P. 1609-1612.

311. Kristoforov L.N., Zolotaryuk A.V. Dynamics of Ionic and Bonding Defects in Quasi-One-Dimensional Hydrogen-Bonded Chains // Physica Status Solidi (b). 1988. V. 146.1. P. 487-501.

312. Gordon A. Nonlinear mechanism for proton transfer in hydrogen-bonded solids // Physica B + C. 1987. V. 146B. P. 373-378.

313. Pincock R.E., Kiovsky Т.Е. Reactions in Frozen Solutions. III. Methyl Iodide with Triethylamine in Frozen Benzene Solutions // J. Amer. Chem. Soc. 1966. V. 88. P. 51-55.

314. Pincock R.E., Kiovsky Т.Е. Reactions in Frozen Solutions. IV. The Reaction of Ethylene Chlorohydrin with Hydroxyl Ion in Ice // J. Amer. Chem. Soc. 1966. V. 88. P. 4455-4459.

315. Grant N.H., Clark D.E., Alburn H.E. Accelerated Polymerization of N-Carboxyamino Acid Anhydrides in Frozen Dioxane // J. Amer. Chem. Soc. 1966. V. 88. P. 4071-4074.

316. Grant N.H., Clark D.E., Alburn H.E. Poly-6-Aminopenicillanic acid // J. Amer. Chem. Soc. 1962. V. 84. P. 876-877.

317. Alburn H.E., Grant N.H. Reactions in Frozen Systems. II. Enhanced Hydroxylaminolysis of Simple Amides // J. Amer. Chem. Soc. 1965. V. 87. P. 4174-4177.

318. Bruice T.C., Butler A.R. Catalysis in Water and Ice. II. The Reaction of Thiolactones with Morpholine in Frozen Systems // J. Amer. Chem. Soc. 1964. V. 86. P. 4104-4108.

319. Swain C.G., Brown J.F., Jr. Concerted Displacement Reactions. VII. The Mechanism of Acid-Base Catalysis in Non-aqueous Solvents // J. Amer. Chem. Soc. 1952. V. 74. P. 25342537.

320. Kiovsky Т.Е., Pincock R.E. The Mutarotation of Glucose in Frozen Aqueous Solutions // J. Amer. Chem. Soc. 1966. V. 88. P. 4704-4710.

321. Исаев A.H. Роль сетки Н-связей в реакциях переноса протона. Согласованный сдвиг протонов Н-связей во льду // Журн. физич. химии. 1993. Т. 67. № 6. С. 1168-1172.

322. Warshel A., Aqvist J., Creighton S. Enzymes work by solvation substitution rather than by desolvation // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1989. V. 86. P. 5820-5824

323. Dewar M.J.S. New Ideas about Enzyme Reactions // Enzyme. 1986. V. 36. P. 8-20.

324. Warshel A., Naray-Szabo G., Sussman F., Hwang J.-K. How Do Serine Proteases Really Work? // Biochemistry. 1989. V. 28. P. 3629-3637.

325. Hwang J.-K., Warshel A. Semiquantitative Calculations of Catalytic Free Energies in Genetically Modified Enzymes // Biochemistry. 1987. V. 26. P. 2669-2673.

326. Rao S.N., Singh U.C., Bash P.A., Kollman P.A. Free energy perturbation calculations on binding and catalysis after mutating Asnl55 in subtilisin // Nature. 1987. V. 328.1. P. 551-554.

327. Warshel A., Russell S. Theoretical Correlation of Structure and Energetics in the Catalytic Reaction of Trypsin// J. Amer. Chem. Soc. 1986. V. 108. P. 6569-6579.

328. McGrath M.E., Vasquez J.R., Craik C.S., Yang A.S., Honig В., Fletterick R.J. Perturbing the polar environment of Aspl02 in trypsin: consequences of replacing conserved Ser214 // Biochemistry. 1992. V.31. P. 3059-3064.

329. Aqvist J., Warshel A. Computer simulation of the initial proton transfer step in human carbonic anhydrase I // J. Mol. Biol. 1992. V.224. P. 7-14.

330. Alagona G., Ghio C., Kollman P.A. Simple model for the effect of Glul65 ~> Aspl65 mutation on the rate of catalysis in triose phosphate isomerase // J.Mol.Biol. 1986. V. 191. P. 23-27.

331. Aqvist J., Warshel A. Calculations of Free Energy Profiles for the Staphylococcal Nuclease Catalyzed Reaction//Biochemistiy. 1989. V. 28. P. 4680-4689.

332. Dewar M.J.S., Storch D.M. Alternative view of enzyme reactions // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1985. V. 82. P. 2225-2229.

333. Dewar M.J.S., Dieter K.M. Mechanism of the Chain Extention Step in the Biosynthesis of Fatty Acids // Biochemistiy. 1988. V.27. P. 3302-3308.

334. Cohen S.G., Vaidya V.M., Schultz R.M. Active Site of a-Chymotrypsin Activation by Association-Desolvation // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1970. V. 66. P. 249-256.

335. Wolfenden R. Waterlogged Molecules // Science.1983. V. 222. P. 1087-1093.

336. Petruska J., Sowers L.C., Goodman M.F. Comparison of nucleotide interactions in water, proteins, and vacuum: Model for DNA polymerase fidelity // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1986. V. 83. P. 1559-1562.

337. Исаев А.Н. Кооперативные взаимодействия водородных связей в реакции протонного обмена между основаниями нуклеиновых кислот // Изв. АН СССР. Сер. хим. 1991. №8. С. 1828-1832

338. Kong Y.S., Jhon M.S., Lowdin P.O. Studies on Proton Transfers in Water Clusters and DNA Base Pairs // Int. J. Quant. Chem. 1987. V. 14. P. 189-209.

339. Podolyan Y., Gorb L., Blue A., Leszczynski J. A theoretical investigation of tautomeric equilibria and proton transfer in isolated and hydrated thiocytosine // J. Molec. Structure

340. Theochem). 2001. V. 549. P. 101-109.

341. Ни X., Li H., Liang W., Han S. Theoretical Study of the Proton Transfer of Uracil and (Water)n (n =0-4): Water Stabilization and Mutagenicity for Uracil // J. Phys. Chem. B. 2004. V. 108. P. 12999-13007.

342. Handbook of Biochemistry and Molecular Biology / Ed. Fasman G.D. Clevelend: CRC. 1976. V. 2. 411 p.

343. Voityuk A.A., Bliznyuk A.A. Molecular-orbital study of the effect of water molecules on nucleic acid protein interactions // J. Molec. Structure (Theochem). 1990. V. 205.1. P. 129-135.

344. Молекулярные взаимодействия. Под ред. Г.Ратайчак, У.Орвилл-Томас. М.: Мир, 1984. 598 с.

345. Ladner R.C., Heidner E.J., Perutz M.F. The structure of horse methaemoglobin at 2.0 A resolution // J. Mol Biol. 1977. V. 114. P. 385-413.

346. Hsu I-N., Delbaere L.T.J., James M.N.G., Hofmann T. Penicillopepsin from Penicillium janthinellum crystal structure at 2.8 A and sequence homology with porcine pepsin // Nature. 1977. V. 266. P. 140-145.

347. The Hydrogen bond, Recent Developments in Theory and Experiments / Eds. P.Schuster, G. Zundel, C.Sandorfy. 1976. V. 2. Amsterdam: North-Holland. 687 p.

348. Huber R., Bode W. Structural basis of the activation and action of trypsin // Acc. Chem. Res. 1978. V. 11. P. 114-122.

349. Welsh W., Lin Y. Discussion of the catalytic pathway of cysteine proteases based on AMI calculations //J. Molec. Structure (Theochem). 1997. V. 401. P. 315-326.

350. Weber I.T., Cavanaugh D.S., Harrison R.W. Models of HIV-1 protease with peptides representing its natural substrates // J. Molec. Structure (Theochem). 1998. V. 423. P. 1-12.

351. Scott R., Vinogradov S. Proton-Transfer Complexes. II. Role of Solvent Polarity and the Specific Solvation of p-Nitrophenol-Amine Complexes in Aqueous Solutions // J. Phys.

352. Chem. 1969. V. 73. P. 1890-1897.

353. Tajkhorshid E., Suhai S. The dielectric effect of the environment on the pKa of the retinal Schiff base and on the stabilization of the ion pair in bacteriorhodopsin // J. Molec. Structure (Theochem). 2000. V. 501-502. P. 297-313.

354. Krebs J.F., Fierke C.A. Determinants of Catalytic Activity and Stability of Carbonic Anhydrase II as Revealed by Random Mutagenesis // J. Biol. Chem. 1993.V. 268. P. 948-954

355. Cleland W.W. Low-barrier hydrogen bonds and low fractionation factor bases in enzymic reactions // Biochemistry. 1992. V. 31. P. 317-319.

356. Cleland W.W., Kreevoy M.M. Low-Barrier Hydrogen Bonds and Enzymic Catalysis // Science. 1994. V. 264. P. 1887-1890.

357. Frey P.A., Whitt S.A., Tobin J.B. A Low-Barrier Hydrogen Bond in the Catalytic Triad of Serine Proteases // Science. 1994. V. 264. P. 1927-1930.

358. Gerlt J.A., Gassman P.G. Understanding the Rates of Certain Enzyme-Catalyzed Reactions: Proton Abstraction from Carbon Acids, Acyl-Transfer Reactions, and Displacement Reactions of Phosphodiesters // Biochemistry. 1993. V. 32. P. 11943-11952.

359. Gerlt J.A., Gassman P.G. An Explanation for Rapid Enzyme-Catalyzed Proton Abstraction from Carbon Acids: Importance of Late Transition States in Concerted Mechanisms // J. Amer. Chem. Soc.1993. V. 115. P. 11552-11568.

360. Shan S., Herschlag D. The change in hydrogen bond strength accompanying charge rearrangement: Implications for enzymatic catalysis // Proc. Natl. Acad. Sci.USA. 1996. V. 93. P. 14474-14479.

361. Zheng Y.-J., Bruice T.C. Is strong hydrogen bonding in the transition state enough to account for the observed rate acceleration in a mutant of papin? // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1997. V. 94. P. 4285-4288.

362. Guthrie J.P., Kluger R. Electrostatic Stabilization Can Explain the Unexpected Acidity of Carbon Acids in Enzyme-Catalyzed Reactions // J. Amer. Chem. Soc. 1993. V.l 15. P. 11569-11572.

363. Guthrie J.P. Short strong hydrogen bonds: Can they explain enzymic catalysis? // Chemistry and Biology. 1996. V. 3. P. 163-170.

364. Warshel A., Papazyan A. Energy considerations show that low-barrier hydrogen bonds do not offer a catalytic advantage over ordinary hydrogen bonds // // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1996. V. 93. P. 13665-13670.

365. Scheiner S., Kar T. The Nonexistence of Specially Stabilized Hydrogen Bonds in Enzymes //J. Amer. Chem. Soc. 1995. V. 117. P. 6970-6975.

366. Weiner S.J., Seibel G.L., Kollman P. A. The nature of enzyme catalysis in trypsin // Proc. Natl. Acad. Sci.USA. 1986. V. 83. P. 649-653.

367. Szilagyi R.K., Musaev D.G., Morokuma K. Theoretical studies of biological nitrogen fixation. Part II. Hydrogen bonded networks as possible reactant and product channels // J. Molec. Structure (Theochem). 2000. V. 506. P. 131-146.

368. Oprea T.I., Hummer G., Garcia A.E. Identification of a functional water channel in cytochrome P450 enzymes // Proc. Natl. Acad. Sci.USA. 1997. V. 94. P. 2133-2138.

369. Shaltill S., Cox S., Taylor S.S. Concerved water molecules contribute to the extensive network of interactions at the active site of protein kinase A // Proc. Natl. Acad. Sci.USA. 1998. V. 95. P. 484-491.

370. Zheng Y.-J., Bruice T.C. Role of a critical water in scytalone dehydratase-catalyzed reaction // Proc. Natl. Acad. Sci.USA. 1998. V. 95. P. 4158-4163.

371. Beveridge A.J. A theoretical study of the initial stages of catalysis in the aspartic proteinases // J. Molec. Structure (Theochem). 1998. V. 453. P. 275-291.

372. Davydov D.R., Hoa G.H.B., Peterson J.A. Dynamics of Protein Bound Water in the Heme Domain of P450BM3 Studied by High-Pressure Spectroscopy: Comparison with P450cm and P4502B4 // Biochemistry. 1999. V. 38. P. 751-761.

373. Yoshioka Y., Kawai H., Yamaguchi K. Theoretical study of role of H20 molecule on initial stage of reduction of molecule in active site of cytochrome с oxidase // Chem. Phys. Letters. 2003. V. 374. P. 45-52.

374. Nagle J.F., Morowitz H.J. Molecular mechanisms for proton transport in membranes // Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1978. V. 75. P. 298-302.

375. Iwata S., Ostermeier C., Ludwig В., Michel H. Structure at 2.8 A resolution of cytochrome с oxidase from Paracoccus denitrificans //Nature. 1995. V. 376. P. 660-669.

376. Pomes R., Roux B. Free energy profiles for H+ conduction along hydrogen-bonded chains of water molecules//Biophys. J. 1998. V. 75. P. 33-40.

377. Marx D., Tuckerman M.E., Hutter J., Parrinello M. The nature of the hydrated excessproton in water // Nature. 1999. V. 397. P. 601-604.

378. Decornez H., Drukker K., Hammes-Schiffer S. Solvation and Hydrogen-Bonding Effects on Proton Wires // J. Phys. Chem. A. 1999. V. 103. P. 2891-2898.

379. Sham Y.Y., Muegge I., Warshel A. Simulating proton translocations in proteins: Probing proton transfer pathways in the Rhodobacter sphaeroides reaction center // Proteins: Structure, Function and Genetics. 1999. V. 36. P. 484-500.

380. Wikstrom M. Proton translocation by bacteriorhodopsin and heme-copper oxidases // Curr. Opin. Struct. Biol. 1998. V. 8. P. 480-488.

381. Hofacker I., Schulten K. Oxygen and proton pathways in cytochrome с oxidase // Proteins: Structure, Function, Genetics. 1998. V. 30. P. 100-107.

382. Rastogi V. K., Girvin M.E. Structural changes linked to proton translocation by subunit с of the ATP synthase // Nature. 1999. V. 402. P. 263-268.

383. Stowell M.H.B., McPhillips T.M., Rees D.C., Soltis S.M., Abresch E., Feher G. Light-induced structural changes in photosynthetic reaction center: Implications for mechanism of electron-proton transfer// Science. 1997. V. 276. P. 812-816.

384. Akeson M., Deamer D.W. Proton conductance by the gramicidin water wire: Model for proton conductance in the FIFO ATPases? // Biophys. J. 1991. V. 60. P. 101-109.

385. Dodgson S.J., Tashian R.E., Gross G., Carter N.D. The Carbonic Anhydrases. New York: Plenum Press. 1991.

386. Shearer G.L., Kim K., Lee K.M., Wang C.K., Plapp B.V. Alternative Pathways and Reactions of Benzyl Alcohol and Benzaldehyde with Horse Liver Alcohol Dehydrogenase // Biochemistry. 1993.V. 32. P. 11186-11194.

387. Sagnella D.E., Tuckerman M.E. An empirical valence bond model for proton transfer in water//J. Chem. Phys. 1998. V. 108. P. 2073-2083.

388. Vuilleumier R., Borgis D. Transport and spectroscopy of the hydrated proton: A molecular dynamics study // J. Chem. Phys. 1999. V. 111. P. 4251-4266.

389. Schmitt U.W., Voth G.A. Multistate Empirical Valence Bond Model for Proton Transport in Water//J. Phys. Chem. B. 1998. V. 102. P. 5547-5551.

390. Brewer M.L., Schmitt U.W., Voth G.A. The formation and dynamics of proton wires in channel environments//Biophys. J. 2001. V. 80. P. 1691-1702.

391. Drukker K., de Leeuw S.W., Hammes-Schiffer S. Proton transport along water chains in an electric field//J. Chem. Phys. 1998. V. 108. P. 6799-6808.

392. Aquist J., Warshel A. Simulation of Enzyme Reactions Using Valence Bond Force Fields and Other Hybrid Quantum/Classical Approaches // Chem. Rev. 1993. V.93. P. 2523-2544.

393. Mei H.S., Tuckerman M.E., Sagnella D.E., Klein M.L. Quantum Nuclear ab Initio Molecular Dynamics Study of Water Wires // J. Phys.Chem. B. 1998. V. 102.1. P. 10446-10458.

394. Geissler P.L., Dellago C., Chandler D., Hutter J., Parrinello M. Autoionization in liquid water//Science. 2001. V. 291. P. 2121-2124.

395. Sadeghi R.R., Cheng H.-P. The dynamics of proton transfer in a water chain // J. Chem. Phys. 1999. V. 111. P. 2086-2094.

396. Meuwly M., Karplus M. Simulation of proton transfer along ammonia wires: An "ab initio" and semiempirical density functional comparison of potentials and classical molecular dynamics // J. Chem. Phys. 2002. V. 116. P. 2572-2585.

397. Sagnella D.E., Laasonen K., Klein M.L. Ab initio molecular dynamics study of protontransfer in a poly glycine analog of the ion channel gramicidin A // Biophys. J. 1996. V. 71. P. 1172-1178.

398. Pomes R., Roux B. Molecular mechanism of H+ conduction in the single-file water chain of the gramicidin channel // Biophys. J. 2002. V. 82. P. 2304-2316.

399. Smondyrev A.M., Voth G.A. Molecular dynamics simulation of proton transport through the influenza A virus M2 channel // Biophys. J. 2002. V. 83. P. 1987-1996.

400. Nemukhin A., Grigorenko B.L., Topol I.A., Burt S.K. Quantum Chemical Simulations of the Proton Transfer in Water Wires Attached to Molecular Walls // J. Phys. Chem. B. 2003. V. 107. P. 2958-2965.

401. Cleland W.W. Isotope effects: Determination of enzyme transition state structure // Methods Enzymol. 1995. V. 249. P. 341-373.

402. Agarwal P.K., Webb S.P., Hammes-Schiffer S. Computational Studies of the Mechanism for Proton and Hydride Transfer in Liver Alcohol Dehydrogenase // J. Am. Chem. Soc. 2000. V. 122. P. 4803-4812.

403. Cui Q., Elstner M., Karplus M. A Theoretical Analysis of the Proton and Hydride Transfer in Liver Alcohol Dehydrogenase (LADH) // J. Phys.Chem. B. 2002. V. 106. P. 2721-2740.

404. Paddock M.L., Aedelroth P., Feher G., Okamura M.Y., Beatty J. T. Determination of Proton Transfer Rates by Chemical Rescue: Application to Bacterial Reaction Centers // Biochemistry. 2002. V. 41. P. 14716-14725.

405. Исаев А.Н Концертный механизм переноса протона по цепи Н-связей // Журн. физич. химии. 2003. Т. 77. № 11. С. 2023-2029.

406. Исаев А.Н. Перенос протона в системе Н-связей. Донорно-акцепторное взаимодействие и электростатический контроль // Журн. физич. химии. 2005. Т. 79. № 10. С.

407. Scheiner S. Theoretical studies of proton transfers // Accounts Chem. Res. 1985. V. 18. P. 174-180.

408. Wong M.W., Frisch M.J., Wiberg K.B. Solvent Effects. 1. The Mediation of Electrostatic

409. Effects by Solvents // J. Amer. Chem. Soc. 1991. V. 113. P. 4776-4782.

410. Dimitrova V., Ilieva S., Galabov B. Electrostatic Potential at nuclei as a reaction index in hydrogen bond formation. Complexes of ammonia with C-H, N-H and O-H proton donor molecules // J. Molec. Structure (Theochem) 2003. V. 637. P. 73-80.

411. Notstrand В., Vaara I., Kannan K.K. In: The Isozymes / Ed. C.L. Markers. 1975. New York: Academic Press. P. 575-599.

412. Steiner H., Jonsson B.-H., Lindskog S. The Catalytic Mechanism of Carbonic Anhydrase // Eur. J. Biochem. 1975. V. 59. P. 253-259.

413. Pocker Y., Deits T.L. Effects of pH on the Anionic Inhibition of Carbonic Anhydrase Activities //J. Amer. Chem. Soc. 1982. V. 104. P. 2424-2434.

414. Ghannam A.F., Tsen W., Rowlett R.S. Activation Parameters for the Carbonic Anhydrase II catalyzed Hydration of C02// J. Biol. Chem. 1986. V. 261. P. 1164-1169.

415. Silverman D.N., Lindskog S. The catalytic mechanism of carbonic anhydrase: implications of a rate-limiting protolysis of water // Accounts Chem. Res. 1988. V. 21. P. 30-36.

416. Jewell D.A., Tu C., Paranawithana S.R., Tanhauser S.M., LoGrasso P.V, Laipis P.J., Silverman D.N. Enhancement of the Catalytic Properties of Human Carbonic Anhydrase III by Site-Directed Mutagenesis // Biochemistiy. 1991. V. 30. P. 1484-1490.

417. Silverman D.N., Tu C.K., Lindskog S., Wynns G.C. Rate of Exchange of Water from the Active Site of Human Carbonic Anhydrase С // J. Amer. Chem. Soc. 1979. V. 101.1. P. 6734-6740.

418. Kiefer L.L., Paterno S.A., Fierke C.A. Hydrogen Bond Network in the Metal Binding Site of Carbonic Anhydrase Enhances Zinc Affinity and Catalytic Efficiency // J. Amer. Chem. Soc. 1995. V. 117. P. 6831-6837.

419. Christianson D.W., Fierke C.A. Carbonic Anhydrase: Evolution of the Zinc Binding Site by Nature and by Design // Accounts Chem. Res. 1996. V. 29. P. 331 -339.

420. Qian M., Tu C., Earnhardt J.N., Laipis P.J., Silverman D.N. Glutamate and Aspartate as Proton Shuttles in Mutants of Carbonic Anhydrase // Biochemistiy. 1997. V. 36.1. P. 15758-15764.

421. Jonsson B, Karlstrom G., Wennerstrom H. Ab Initio Molecular Orbital Calculations on the Water-Carbon Dioxide System. The Reaction OH' + C02 --> HC03" // J. Amer. Chem. Soc.1978. V. 100. P. 1658-1661.

422. Sheridan R.P., Allen L.C. The Active Site Electrostatic Potential of Human Carbonic Anhydrase//J. Amer. Chem. Soc. 1981. V. 103. P. 1544-1550.

423. Liang J.-Y., Lipscomb W.N. Theoretical study of carbonic anhydrase-catalyzed hydration of C02: A brief review // Int. J. Quant. Chem. 1989. V. 36. P. 299-312.

424. Merz K.M., Jr., Hoffmann R., Dewar M.J.S. Mode of Action of Carbonic Anhydrase // J. Amer. Chem. Soc. 1989. V. 111. P. 5636-5649.

425. Vedani A., Huhta D.W., Jacober S.P. Metal Coordination, H-Bond Network Formation, and Protein Solvent Interactions in Native and Complexed Human Carbonic Anhydrase I: A Molecular Mechanics Study//J. Amer. Chem. Soc. 1989. V. 111. P. 4075-4081.

426. Merz K.M., Jr. Determination of pKas of Ionizable Groups in Proteins: The pKa of Glu7 and 35 in Hen Egg White Lysozyme and Glul06 in Human Carbonic Anhydrase II // J. Amer. Chem. Soc. 1991. V. 113. P. 3572-3575.

427. Zheng Y.-J., Merz K.M., Jr. Mechanism of the Human Carbonic Anhydrase II Catalyzed Hydration of Carbon Dioxide // J. Amer. Chem. Soc. 1992. V. 114. P. 10498-10507.

428. Lu D., Voth G.A. Proton Transfer in the Enzyme Carbonic Anhydrase: An ab Initio Study // J. Amer. Chem. Soc. 1998. V. 120. P. 4006-4014.

429. Toba S., Colombo G., Merz K.M., Jr. Solvent Dynamics and Mechanism of Proton Transfer in Human Carbonic Anhydrase II // J. Amer. Chem. Soc. 1999. V. 121. P. 2290-2302.

430. Muguruma C. Ab initio MO study on the catalytic mechanism in the active site of carbonic anhydrase // J. Molec. Structure (Theochem). 1999. V. 461-462. P. 439-452.

431. Cui Q., Karplus M. Is a "Proton Wire" Concerted or Stepwise? A Model Study of Proton Transfer in Carbonic Anhydrase // J. Phys. Chem. B. 2003. V. 107. P. 1071-1078.

432. Knowles J.R., Albery W.J. Perfection in enzyme catalysis: the energetics of triosephosphate isomerase // Accounts Chem. Res. 1977. V. 10. P. 105-111.

433. Eriksson A.E., Jones T.A., Liljas A. Refined structure of human carbonic anhydrase II at

434. A resolution // Proteins: Structure, Function, Genetics. 1988. V. 4. P. 274-282.

435. Scolnick L.R., Christianson D.W. X-ray Crystallographic Studies of Alanine-65 Variants of Carbonic Anhydrase II Reveal the Structural Basis of Compromised Proton Transfer in Catalysis // Biochemistry. 1996. V. 35. P. 16429-16434.

436. Nagle J.F., Morowitz H.J. Molecular mechanisms for proton transport in membranes // Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1978. V. 75. P. 298-302.

437. Pomes R., Roux B. Structure and dynamics of a proton wire: A theoretical study of H+ translocation along the single-file water chain in the gramicidin A channel // Biophys. J. 1996. V. 71. P. 19-39.

438. Lesburg C.A., Christianson D.W. X-ray Crystallographic Studies of Engineered Hydrogen Bond Networks in a Protein-Zinc Binding Site // J. Amer. Chem. Soc. 1995. V. 117.1. P. 6838-6844.

439. Tu C.K., Silverman D.N. Solvent Deuterium Isotope Effects in the Catalysis of Oxygen-18 Exchange by Human Carbonic Anhydrase II // Biochemistry. 1982. V. 21. P. 6353-6360.

440. Venkatasubban K.S., Silverman D.N. Carbon Dioxide Hydration Activity of Carbonic Anhydrase in Mixtures of Water and Deuterium Oxide // Biochemistry. 1980. V. 19. P. 4984-4989.

441. Isaev A., Scheiner S. Proton Conduction by a Chain of Water Molecules in Carbonic Anhydrase // J. Phys. Chem. B. 2001. V. 105 P. 6420-6426

442. Isaev A.N. Electrostatic control of proton-transfer reaction in the active site of carbonic anhydrase // J. Molec. Structure (Theochem). 2002. V. 582. P. 195-203.

443. Nair S.K., Christianson D.W. Unexpected pH-Dependent Conformation of His-64, the Proton Shuttle of Carbonic Anhydrase II // J. Amer. Chem. Soc. 1991. V. 113.1. P. 9455-9458.

444. Pullman A., Demoulin D. Model studies on the active site of carbonic anhydrase: Ligand properties and C02 binding // Int. J. Quant. Chem. 1979. V. 16. P. 641-653.

445. Kannan K.K., Ramanadham M., Jones T.A. Structure, refinement, and function of carbonic anhydrase isozymes: Refinement of human carbonic anhydrase I // Annals N.Y. Acad. Sci. 1984. V. 429. P. 49-60.

446. Smedarchina Z., Siebrand W., Fernandez-Ramos A., Cui Q. Kinetic isotope effects for concerted multiple proton transfer: A direct dynamics study of an active-site model of carbonic anhydrase II // J. Amer. Chem. Soc. 2003. V. 125. P. 243-251.