Энтальпия сублимации и структурные характеристики некоторых аминокислот и дипептидов тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ
|
Тюнина, Валерия Валерьевна
АВТОР
|
||||
|
кандидата химических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Иваново
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2014
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
02.00.04
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
На правах рукописи
ТЮНИНА ВАЛЕРИЯ ВАЛЕРЬЕВНА
ЭНТАЛЬПИЯ СУБЛИМАЦИИ И СТРУКТУРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕКОТОРЫХ АМИНОКИСЛОТ И ДИПЕПТИДОВ: ЭКСПЕРИМЕНТ И КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ
02.00.04 - Физическая химия
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук
1 О ИЮЛ 2014
Иваново - 2014
005550388
005550388
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ивановский государственный химико-технологический университет»
Научный руководитель: доктор химических наук, профессор
Гиричев Георгий Васильевич
Официальные оппоненты: Алихаиян Андрей Сосович
доктор химических наук, профессор, ФГБУН «Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН», лаборатория физических методов исследования строения и термодинамики неорганических соединений, заведующий лабораторией
Клюев Михаил Васильевич
доктор химических наук, профессор, ФГЪОУ ВПО «Ивановский государственный университет», кафедра органической и физической химии, заведующий кафедрой
Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Московский государственный
университет им. М.В. Ломоносова», химический факультет ^¿р
Защита состоится «22» сентября 2014 г. в на заседании диссертационного
совета Д 212.063.06 при Ивановском государственном химико-технологическом университете по адресу:
153000, г. Иваново, пр. Шереметевский, 7, ауд. Г-205. Тел.: (4932) 32-54-33, факс: (4932) 32-54-33, e-mail: dissovet@isuct.ru
С диссертацией можно ознакомиться в Информационном центре и на сайте Ивановского государственного химико-технологического университета http://vvww.isuct.ru
по ссылке: http://www.isuct.ru/book/archive/xmlui/handle/123456790/10456
Автореферат разослан «3 » 2014 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета /VЕгорова Елена Владимировна
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы: Одной из центральных задач современной физической химии является всестороннее исследование различного рода систем, состоящих из биоорганических молекул, что объясняется неослабевающим интересом к поиску путей создания новых перспективных материалов с заданными свойствами. Подобные систем!,I могут выступать в качестве биодатчиков, оптических фильтров, носителей лекарственных препаратов и др. Для теоретического анализа устойчивости веществ в твердом состоянии важным параметром является энергия кристаллической решетки, которая при определенных условиях равнозначна энтальпии сублимации. Молекулярное строение соединения в значительной степени определяет его физико-химические свойства, но без знания термодинамических характеристик невозможно обсуждение деталей организации более сложных систем и стабилизации их структур. В связи с этим представляет большое теоретическое и практическое значение установление закономерностей, связывающих структуру биологически активных веществ и их термодинамические свойства
Аминокислоты и пептиды составляют основу живых организмов и участвуют во многих биохимических процессах. Выбор их в качестве объектов исследования обусловлен уникальностью структуры аминокислот и пептидов, которые существуют в виде цвитгер-ионов в конденсированных средах, а в газовой фазе находятся в молекулярной неионизированной форме. В литературе имеются немногочисленные надежные данные по термодинамике парообразования аминокислот и пептидов, а экспериментальному изучению структуры их молекул в газовой фазе посвящены лишь единичные работы. До сих пор не существует строгих теорий для прогнозирования энергетических параметров аминокислот и пептидов, содержащих в структуре молекул боковые радикалы различной химической природы. Ограниченность данных по энергетическим и геометрическим характеристикам аминокислот и пептидов затрудняет проведение корректного термодинамического анализа сольватации их молекул в жидких средах и сдерживает темпы развития структурной химии соединений данного класса Следует отметить, что проведение экспериментальных исследований и квантово-химических расчетов строения многоатомных молекул, имеющих большое количество низкоэнергетических конформеров, является сложной задачей. Для ее решения перспективно использование эффузионного метода Кнудсена с масс-спектрометрическим контролем состава пара, позволяющее получить энтальпии сублимации аминокислот и пептидов, и метода газовой электронографии, — фактически единственно реально доступного метода, обеспечивающего исследование детальной структуры свободных многоатомных молекул, вне зависимости от их симметрии.
Целью работы является определение энтальпии сублимации некоторых аминокислот и
закономерностей влияния структуры боковой цепи их молекул на энергетические характеристики, установление детального геометрического строения L-триптофана методами газовой электронографии, масс-спектрометрии и квантовой химии. Объекты исследования: L-a-аминокислоты, содержащие в структуре боковые радикалы различной химической природы - серии (Ser), треонин (Thr), мегиоиин (Met), фенилаланин (Phe), тирозин (Туг), триптофан (Тгр), пролин (Pro); дипептиды - глицил-Ь-аланин (Gly-Ala), Ь-алшгал-Ь-аланин (Ala-Ala), ОЬ-аланил-ОЬ-валин (Ala-Val), ОЬ-аланил-ОЬ-норвалин (Ala-Nvl), Ь-аланил-Ь-триптофан (Ala-Trp). Задачи исследования:
1. Исследование процесса сублимации семи аминокислот (L-серин, L-треонин, L-метионин, L-фенилаланин, L-тирозин, L-триптофан, L-пролин) и пяти дипептидов (глицил-Ь-аланин, Ь-аланил-Ь-аланин, ОЬ-аланил-ОЬ-валин, ЦЬ-алаш-ш-ОЬ-норвалин, Ь-аланил-Ь-триптофан) эффузионным методом Кнудсена с масс-спектрометрическим контролем состава пара.
2. Определение образования циклических форм исследуемых дипептидов и характера их фрагментации методами масс-спектрометрии и квантовой химии.
3. Экспериментальное (электронография) и теоретическое (квантово-химические расчеты) определение строения молекулы L-триптофана.
4. Установление наличия внутримолекулярной водородной связи в молекуле L-триптофана с помощью NBO-анализа электронной плотности.
5. Установление взаимосвязи между структурными дескрипторами и энергетическими характеристиками исследуемых соединений.
Методы исследования: масс-спектрометрия, квантово-химические расчеты, электронография.
Научная новизна работы. Впервые электронографическим методом определена структура свободной молекулы L-триптофана. Установлено наличие внутримолекулярной водородной связи в изолированной молекуле L-триптофана с помощью NBO-анализа. Предложена систематизация структур L-триптофана, найденных в результате конформационного анализа. Эффузионным методом Кнудсена с масс-спектромегрическим контролем состава пара впервые определены энтальпии сублимации пяти дипептидов и семи аминокислот; выполнено их приведение к стандартным значениям при Т=298.15 К. Впервые получены масс-спектры электронной ионизации для DL-anamui-DL-HopBanHHa и L-аланил-Ь-тршггофана. Для алифатических дипептидов (глицил-Ь-аланин, Ь-аланнл-Ь-алштин, DL-aлaнил-DL-вaлин, ОЬ-алаиил-ПЬ-порвалин) установлено присутствие циклических форм в насыщенном паре методами масс-спектрометрии и квантовой химии. Разработана корреляционная модель «структура-свойство» для описания энтальпии сублимации аминокислот и дипептидов на основе использования молекулярных дескрипторов
(дипольный момент, молекулярный объем, суммарное количество доноров/акцепторов Н-связей).
Практическая значимость работы. Полученные результаты вносят значительный вклад в развитие представлений о взаимосвязи термодинамических и структурных свойств молекул аминокислот и пептидов. Энтальпии сублимации могут быть использованы при разработке и модификации парных потенциалов взаимодействия для теоретической оценки энергии кристаллических решеток. Результаты сублимационных экспериментов в совокупности со значениями тепловых эффектов растворения аминокислот и пептидов позволяют определ1гть энтальпии сольватации в растворах различной химической природы, что открывает перспективы для использования растворителя как средства управления процессами в жидкой фазе. Высокая точность полученных новых экспериментальных данных позволяет использовать их в качестве справочного материала для создания баз структурных и термодинамических данных. Исследование молекулярного строения аминокислот имеет большое значение для развития теоретической химии, поскольку соединения этого класса оказываются исключительно гибкими в плане их использования для молекулярного дизайна более сложных структур. Подобная информация представляет интерес для исследователей, работающих в области физической, органической и биологической химии.
Представленные в диссертации исследования поддержаны грантами РФФИ (07-03-00369а, 11-03-00013а, 12-03-31758мол_а) и Министерства образования РФ «Развитие научного потенциала высшей школы на 2009/2010 гг» №2.2.1.1/6088. Основные положения, выносимые на защиту:
1. Строение молекулы Ь-триптофана в газообразном состоянии по данным газовой электронографш! и квантово-химических расчетов.
2. Энтальпии сублимации аминокислот (Ь-серин, Ь-треонин, Ь-метиоштн, Ь-фенилаланин, Ь-тирозин, Ь-триптофан, Ь-пролин), полученные в рамках второго закона термодинамики.
3. Состав насыщенного пара и энтальпии сублимации дипептидов (глицил-Ь-аланин, Ь-аланил-Ь-аланин, ОЬ-алаиил-ОЬ-ватшг, ОЬ-аланил-ОЬ-порвалипа и Ь-аланил-Ь-триптофана), полученные в рамках второго закона термодинамики.
4. Данные по образованию циклических форм исследуемых дипептидов и характеру их фрагментащш.
5. Корреляционное соотношение «структура-свойство» для расчета энергетических характеристик из структурных дескрипторов молекул аминокислот и дипептидов. Личный вклад автора заключается в непосредственном участии на всех этапах работы: постановка цели и задач исследования, планирование эксперимента, выполнение электронографпческих и масс- спектрометрических экспериментов, формулировка выводов. Автором лично проведена обработка данных электронографического и масс-
спектрометрического экспериментов, выполнены квантово-химические расчеты структуры изученных молекул. Автор принимал активное участие в обсуждении и обобщении результатов исследований, а также в подготовке с соавторами основных публикаций по выполненной работе.
Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю проф. Гиричеву Г.В. за помощь на всех этапах работы, проф. Гиричевой H.H. (ИвГУ) за помощь в интерпретации результатов эксперимента и квантово-хтшческих расчетов. Автор также благодарен ст.н.с. Краснову A.B. и асп. Жабанову Ю.А. за помощь в выполнении масс-спектрометрического эксперимента. Автор признателен вед.н.с. Баделину В.Г. (ИХР РАН) за полезные дискуссии при обсуждении результатов.
Степень достоверности результатов проведенных исследований. Экспериментальные результаты, представленные в диссертационной работе, получены на протестированном современном научном оборудовании различными взаимодополняющими физико-химическими методами. Результаты работы опубликованы в рецензируемых российских и зарубежных научных журналах.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на ежегодных научных конференциях «Фундаментальные науки — специалисту нового века» (Иваново, ИГХТУ, 2009 - 2011 гг.); ежегодных III - VIII Всероссийских школах-конференциях молодых учёных «Теоретическая и экспериментальная химия жидкофазных систем» (Крестовские чтения) (Иваново, ИХР РАН, 2008 — 2013 гг.); IV - VI Всероссийских молодежных школах-конференциях «Квантово-химические расчеты: структура и реакционная способность органических и неорганических молекул» (Иваново, ИГХТУ-ИвГУ, 2009,2011,2013 гг.); 89-й ежегодной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Неделя науки - 2009» (Иваново, ИвГМА, 2009 г.); ХП Молодежной конференции по органической химии (Суздаль, 2009 г.); открытом конкурсе Министерства образования и науки РФ на лучшую работу студентов по естественным, техшиеским и гуманитарным наукам в вузах России по разделу 08 «Химические науки, химическая технология, химическое машиностроение» за 2008/2009 год; VI Международной научной конференции "Кинетика и механизм кристаллизации. Самоорганизация при фазообразовании" (Иваново, 2010 г.); V Российско-Германском научном семинаре по вопросам изучения структуры и энергетики молекул в газовой фазе (Иваново, ИГХТУ 2010 г.); XI Международной конференции «Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах» (Иваново, 2011 г.); VII Международной конференции «Кинетика и механизм кристаллизации. Кристаллизация и материалы нового поколения» (Иваново, 2012 г.); Ивановском городском семинаре по структуре и энергетике молекул (Иваново, ИГХТУ, 2012-2013 г.); VII Национальной кристаллохимической конференции (Суздаль, 2013 г.); XV Европейском симпозиуме по газовой электронографии (Фрауенкимзе, Германия, 2013 г.).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 5 статьях, опубликованных в рецензируемых научных журналах и изданиях из Перечня ВАК, и тезисах 36 докладов на научных конференциях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, посвященных обзору литературы, описанию экспериментальных и теоретических методов исследования, результатам масс-спектрометрических и электронографических исследований и квантово-химических расчетов аминокислот и дипептидов и их обсуждению, а также включает раздел «Основные результаты и выводы» и список цитируемой литературы (162 наименования). Материал работы изложен на 134 страницах машинописного текста, а также представлен в виде 20 таблиц и 28 рисунков.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы основная цель и задачи; отмечена научная новизна и практическая значимость.
Глава 1 диссертации содержит обзор литературы, посвященной изучению термодинамики сублимации и структуры аминокислот и пептидов различными методами, среди которых особое внимание уделено масс-спектрометрии электронной ионизации, газовой электронографии и эффузионному методу Кнудсена, а также рассмотрены основные квантово-химические методы расчета структуры молекул.
Глава 2 посвящена описанию экспериментальных и теоретических методов исследования. Рассмотрены особенности исследования парообразования веществ на модифицированном масс-спектрометре МИ-1201 в сочетании с эффузионным методом Кнудсена Описаны методика синхронного электронографического/масс-спектрометрического эксперимента на комплексе аппаратуры ЭМР-100/АПДМ-1 и особенности обработки экспериментальных данных. Кратко представлены основные алгоритмы квантово-химических расчетов: методы и базисы, которые использовались для расчета геометрических и электронных характеристик изученных молекул, а также метод анализа электронной плотности в терминах натуральных орбиталей связей (N130). Приведены основные положения и приближения, лежащие в основе теории функционала плотности.
Глава 3 содержит обсуждение результатов исследования и состоит из двух основных частей, первая из которых посвящена анализу структуры и энергетических характеристик аминокислот и дипептидов, а вторая — исследованию строения молекулы Ь-триптофана в газовой фазе.
Анализ структуры и энергетических характеристик аминокислот и дипептидов
Термодинамическое исследование сублимации аминокислот и дипептидов проведено эффузионным методом Кнудсена с масс-спектрометрическим контролем состава пара в рамках второго закона термодинамики в интервалах температур: 440-501 К для Туг, 425-475
К для Тф, 396-440 К для Phe, 374-418 К для Pro, 415-460 К для Met, 442-479 К для Ser, 441477 К для Thr, 424-497 К для Gly-Ala, 430-497 К для Ala-Ala, 412-480 К для Ala-Val, 446-491 К для Ala-Nvl, 453-482 К для А1а-Тгр. Получены масс-спектры насыщенного пара аминокислот и дипептидов, которые согласуются с литературными данными. Характерные направления фрагментации - элиминирование боковой цепи -R, карбоксильной группы, перегруппировка МакЛафферти, разрыв пептидных связей с образованием аминокислотных и альдиминных фрагментов. Впервые получены масс-спектры электронной ионизации для Ala-Nvl и А1а-Тгр.
Функции ln(IT)=fi4 000/Т) для токов наиболее интенсивных ионов в масс-спектрах каждого из изученных соединений хорошо аппроксимируются линейными зависимостями (рис.1); гистерезисные явления при увеличении/уменьшении температуры практически не наблюдались. В рамках второго закона термодинамики получены значения молярной энтальпии сублимации исследуемых аминокислот и дипептидов. Осуществлено их приведение к стандартным значениям при Т=298.15 К на основе уравнения Кирхгоффа в интегральной форме:
AsubHm°(298.15K)=AsllbIfm°(Tav)+[(C-p,m0(cr)-Cpm0(g))'(Tílv-298.15К)], (1)
где Сртп(сг) и CPm°(g) - молярные теплоемкости в твердом и газообразном состояниях, Tav -средняя температура эксперимента. Использованы литературные значения Cpm°(cr) для аминокислот и трех дипептидов, а для Ala-Nvl и А1а-Тгр определены впервые в Центре коллективного пользования ИХР РАН. Стандартные молярные теплоемкости аминокислот и дипептидов в газовой фазе Cpm°(g) получены из квантово-химических расчетов методом B3LYP/6-31G(d,p) с использованием пакета программ Gaussian 03. Величины AsubHm0(298.15K) приведены в таблице 1.
Методом масс-спектрометрии электронной ионизации и методом теории функционала плотности (DFT) B3LYP с базисом 6-31G(d.p) (Gaussian 03) установлено образование циклических форм из ациклических молекул алифатических дипептидов в газовой фазе. Найдены молярные энтальпии сублимации циклических форм: 103±5 кДж/моль, 102+5 кДж/молъ и 151+4 кДж/моль для (Gly-Ala)c, (А1а-А1а)с и (Ala-Val)c, соответственно.
0Ь-А1а-БЬ-Ыу1
Ь-А1а-Ь-Тгр
Ь-Рго
5
» [КНаСН)*
г. (СООН)
о (кн.снео]"
V (кн>снсо.н))*
♦ [М-СК,]'
2* ™ пг;
ГКН;СНСО]~
{сн^гн,]*
Т. (СН^ЬСН^СН^
^ РИ-[СН;ЗСН(Ц'
N.
\
ч
2: 23
Ь-Бег
Ь-ТЪг
Ь-Мй
"V
X
\
V
V
Ь-РЬе Ь-Туг Ь-Тгр
Рисунок 1. Температурные зависимости токов наиболее интенсивных ионов в масс-
спектрах
Выявлена тенденция к повышению энтальпии сублимации соединений с удлинением углеводородной боковой цепи, что обусловлено увеличением вклада ван-дер-ваальсовых взаимодействий. Наличие ароматического кольца в боковой цепи исследуемых аминокислот (Phe, Туг, Тгр) и введение ОН-группы в структуру молекул (Ser, Thr, Туг) приводит к увеличению энтальпий сублимации: Ala<Phe<Trp<Tyr и Ala<Ser<Thr<Tyr, соответственно. Относительно высокие значения Aslj,//... для исследуемых аминокислот и дипептидов по сравнению с молекулярными органическими кристаллами связаны с дополнительными вкладами от водородных связей и электростатических взаимодействий между цвиттер-ионами. Предложено корреляционное соотношение «структура-свойство», которое позволяет оценить энтальпии сублимации исследуемых веществ, исходя их молекулярных характеристик (объема Ван-дер-Ваальса, суммы доноров/акцепторов Н-связи и дипольного момента).
Таблица 1. Стандартные молярные энтачыши сублимации при Т=298.15К и молярные теплоемкости в кристалле и газовой фазе аминокислот и дипептидов_
Дипептиды СРл1°(сг), Дж-К"1 моль"1 Cp,ra°(g), Дж-КГ1 моль1) AsubHm° , кДж-мать"1 Амшго-кислоты Cpju°(cr), Дж-1С1 моль"1 CP.m°(g), Дж-К"1 мать"1 A¡ubHm°, кДж-моль"1
Gly-L-AIa 168 ['] 172 107±6 L-Ala 122 Г] 109 134+8 [2]
L-Ala-L-Ala 195 ['] 195 113±6 L-Ser 136 124 143±9
DL-Ala-DL-Val 240 ['] 239 156±5 L-Thr 166 147 161±6
DL-Ala-DL-Nvl 277 237 184±4 L-Met 290 172 152±3
L-Ala-L-Trp 340 303 179±4 L-Phe 203 184 160±3
L-Tvr 217 203 202±4
L-Тф 238 219 187±4
L-Pro 151 121 134±4
* Погрешность в величине энтальпии сублимации принята равной За.
['] Badelin, V.G. Physico-chemical properties of peptides and their solutions / V.G. Badelin, О. V. Kulikov, V.S. Vatagin, E. Udzig, A. Zielenkiewicz, W. Zielenkiewicz, GA Krestov//ThemxKhimica Acta -1990- 169.-P. 81-93.
[2] W.Acree, Jr., J.S. Chickos, Phase transition enthalpy measurements of organic and organometallic compounds. Sublimation, vaporization and fusion enthalpies from 1880 to 2010.// J. Phys. Chem Ref Data -2010 - 39.-P. 1-942.
Исследование строения молекулы L-триптофана в газообразном состоянии Квантово-химическим методом DFT с использованием гибридного функционала B3LYP с базисным набором cc-pVTZ (Gaussian 03) изучено конформационное поведение молекулы L-триптофана, обладающей множеством низкоэнергетических конформеров. Их систематизация позволила выделить несколько групп конформеров, связанных с взаимной ориентацией основной аминоислотной цепи и индольного кольца.
С4 CS С8
лЕ=1.07ккал/моль ЛЕИ,19 мал/моль лЕИ.бЗккад/иоль
нт, t^iw к
» * .....* «
C1 С2 СЗ
АЕ=0шл/шль лЕ=0.3?гаая/моль ¿Е=0.69шд'мсшь
Рисунок 2. Основные конформеры Trp (AE<RTcxp)
На диаграмме (Рис. 2) показаны относительные энерпш всех конформеров триптофана в сравнении с тепловой энергией RT. Шесть конформеров имеют энергию ниже RT и дают осповной вклад в интенсивность рассеяния электронов в электронографическом эксперименте при Т = 495 К, а остальные - присутствуют в насыщенном паре триптофана в пренебрежимо малых концентрациях.
Установлено, что наиболее стабильные конформеры триптофана имеют
внутримолекулярную водородную связь между карбоксильными и амидными группами
(Рис. 2). Проведен NBO-анализ (Gaussian 03//B3LYP/6-31++G(d,p)) для 6 основных
конформеров триптофана. Рассчитанные значения энергии донорно-акцепторного
взаимодействия орбиталей и величины перенесенного заряда q„ с неподеленной
электронной пары атома азота аминогруппы (донор) на разрыхляющую орбиталь ОН-связи
карбоксильной группы (акцептор) свидетельствуют о наличии внутримолекулярных
водородных связей средней силы в конформерах (кршгерий qCT >0.01) (табл. 2).
Таблица 2. Энергии взаимодействия орбитали неподеленной электронной пары атома азота аминогруппы и разрыхляющей а*(0-Н) орбитали карбоксильной группы и величины
молекула E(LP(N)-»cr*(0-H)), ккал/моль qCT
С1 15.3 0.033
С2 13.7 0.029
СЗ 14.8 0.031
С4 13.5 0.029
С5 14.4 0.031
С6 15.9 0.035
Обнаружены конформационно-чувствительные области на функции радиального распределения Ь-триптофана. Установлено, что электронографические данные более
чувствительны к повороту аминокислотной группы основной цепи, чем бокового индольного кольца.
Синхронный электронографический/масс-спектрометрический эксперимент выполнялся на комплексе аппаратуры ЭМР-100/АПДМ-1 в лаборатории газовой электронографии ИГХТУ.
При обработке экспериментальных данных за основу взяты конформеры триптофана го конформационного анализа с наименьшими значениями относительной энергии - С1, С2 и СЗ. На основе расчета изменения энергии Гиббса и мольных долей конформеров при Т=495.15 К показано, что насыщенный пар триптофана состоит га трех конформеров С1, С2, СЗ в соотношении С1:(С2+СЗ) = 50:50 (С2 и СЗ являются неразличимыми для метода электронографии). Такая модель насыщенного пара наиболее хорошо описывает наблюдаемую функцию интенсивности рассеяния (Рис.3).
С1 С2 СЗ
Рисунок 3. Экспериментальная (точки) и теоретическая (сплошная линия) функции радиального распределения Дг) и их разность для различного процентного соотнои1ения конформеров триптофана в насыщенном паре
Результаты МНК-анализа функций приведенной молекулярной составляющей интенсивности рассеяния бМ^) представлены в таблице 3 наряду с результатами квантово-химических расчетов структур для трех наиболее стабильных конформеров триптофана.
Таблица 3. Экспериментальные (конформер С1) и теоретические структурные параметры (конформеры Cl, С2 и СЗ) молекулы L-триптофана_
Cl Cl C2 C3
Параметры: GED, rhl B3LYP/ B3LYP/ B3LYP/
r,Á;Z,° cc-pVTZ, re cc-pVTZ, re cc-pVTZ, re
N1-H16 1.014(4)" Pjc 1.003 1.003 1.003
С2-Н17 \Ml(A)(p,)u 1.077 1.078 1.077
С10-Н22 1.099(4)(pj 1.089 1.093 1.094
014-Н25 0.994(4 0.984 0.982 0.983
С2-СЗ 1.374(3) p2 1.370 1.370 1.368
N1-C2 1.380(3)(p¿) 1.376 1.378 1.379
С10-СЗ 1.498(5) pj 1.500 1.495 1.495
С12-013 1.195(6) p4 1.203 1.202 1.202
N3-C2-C1 110.1 (10) "p5 110.0 110.1 110.2
C4-N1-C2 110.6(10)p6 109.4 109.2 109.1
С6-С5-С4 118.7(2) p7 118.6 118.8 118.8
С10-СЗ-С2 125.9(20)p„ 126.4 126.6 126.9
С11-С10-СЗ 112.5(13) 113.9 113.6 113.5
013-С12-С11 123.9(25) p/o 123.3 122.9 123.2
014-С12-С11 110.0 (25) pn 113.7 113.9 113.8
N15-C11-C10 118.2(50) p,2 115.9 110.7 115.3
N15-C11-С12 111.3 (18) p¡3 109.3 109.9 109.7
С1-С10-СЗ-С2 82(6 )bp14 84.5 108.2 107.1
С12-С11-С10-СЗ -71 (5)P¡¡ -69.9 176.4 171.1
013-С12-С11-СЮ -35(12 )p,6 -37.7 -73.1 -40.3
мол.% 50 50 25 25
Rf, % 4.017 — — —
" погрешность в rhi- параметрах a=(0!iC2+(2,5tTLs)2)ia (asc =0,002r, оls -стандартное отклонение в МНК-анализе);
6 погрешность в величинах валентных и торсионных углов принята равной 2.5стмш0 'p¡ — уточняемый параметр;
J (р) - параметр, связанный с независимым параметром р, через разность Д= prfpj, полученную в квантово-хнмических расчетах;
Семь коэффициентов корреляции имели величину, большую 0,7: ps'ps- -0,87 ,Pu'p¡Q = - 0,88 ,pn'p¡6= 0,80.
В таблице 4 проведено сопоставление геометрических параметров алифатических (глицина (Gly), L-аланина (Ala)) и ароматической (Тгр) аминокислот. На основе NBO-анализа электрошюй плотности установлено, что наиболее стабильные конформеры Тгр имеют внутримолекулярную водородную связь между карбоксильными и амидными группами. Показано влияние этой Н-связи на структурные параметры основной цепи аминокислот (табл.4): в Тгр Z(Cm-C-N) увеличивае тся, a r(C-N) длиннее и г(С-0) короче, чем в Gly и Ala
Таблица 4. Геометрические параметры аминокислот по данным электронографии
г. А; Gly [3] L-AIa [4] L-Trp О'У [3] L-Ala [4] L-Trp
с-ст — 1.536(11) 1.540(5) с-с-ст — 111.9(2) 109.6(13)
C-N 1.467(5) 1.453(2) 1.474(3) C-C-N 112.1(5) 112.9(3) 111.3(18)
с-с 1.526(3) 1.527(11) 1.541(5) Cm-C-N — 110.0(2) 118.2(50)
с=о 1.205(1) 1.197(1) 1.195(6) с-с=о 125.1(5) 125.7(3) 123.9(25)
с-о 1,355(2) 1.341(2) 1.329(6) С-С-0 111.6(5) 110.3(2) 110.0(25)
l1] Iijima К., Ташка К., Onuma s' //J.Mol.Stmc. -1991. - V.246. -Р.257-266 [4J Iijima К., Nakano M. //J.Mol.Struc. -1999. - V.485-Í86. -P.255-260
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ
1. Эффузионным методом Кнудсепа с масс-спектрометрическим контролем состава пара исследованы процессы сублимации 5 дипептидов (глицил-Ь-аланин, Ь-аланил-Ь-аланин, ОЬ-алапил-ПЬ-валин. ОЬ-апанил-ОЬ-норватан, Ь-аланил-Ь-триптофан) и 7 а-аминокислот (L-серин, L-треонин, L-метионин, L-фенилаланип, L-тирозин, L-триптофан, L-пролин). Получены температурные зависимости ионных токов наиболее интенсивных ионов в масс-спектрах исследуемых соединений. Впервые определены молярные энтальпии сублимации аминокислот и дипептидов в рамках II закона термодинамики. Осуществлено их приведение к значениям стандартной молярной энтальпии сублимации Asub//m°(298.15K) с использованием уравнения Кирхгоффа
2. Впервые получены масс-спектры электронной ионизации для дипептидов DL-aiairmi-DL-норвалина и I .-ал ai i io-L-три птофана.
3. Методами масс-спектрометрии электронной ионизации и квантовой химии выявлено существование циклических форм алифатических дипептидов (Gly-Ala)c, (А1а-А1а)с и (Ala-Val),; в газовой фазе. В рамках II закона термодинамики впервые оценены энтальпии их сублимации.
4. Проведен конформационный анализ L-триптофана квантово-химическим методом B3LYP/cc-pVTZ. Получены структуры 40 конформеров L-Trp, предложена их систематизация на основе различной ориентации индолыюго фрагмента и основной аминокислотной цепи относительно друг друга
5. Впервые электронографическим методом определена структура свободной молекулы L-триптофана. Полученные структурные параметры согласуются с данными квантово-химических расчетов. Установлено наличие внутримолекулярной водородной связи в изолированной молекуле Тгр с помощью NBO-анализа (B3LYP/6-31++G(d,p)).
6. Величины энтальпий сублимации дипептидов возрастают с ростом длины их боковых углеводородных радикалов: Gly-L-Ala<L-Ala-L-Ala<DL-Ala-DL-Val<L-Ala-L-Trp<DL-Ala-DL-Nvl, что обусловлено увеличением вклада ван-дер-ваальсовых взаимодействий. Установлена последовательность изменения значений Дшь//т°(298.15К) в ряду аминокислот: Gly<Pro<Ala<Ser<Met<Phe <Thr<Trp<Tyr, что связано с влиянием различной структуры
боковых радикалов на межмолекулярные взаимодействия. Предложена корреляционная зависимость стандартных величин молярной энтальпии сублимации от ван-дер-ваальсова объема, суммы доноров/акцепторов Н-связи и диполыюго момента для ряда аминокислот и дипептидов.
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:
Публикации в рецензируемых ясурналах, рекомендованных ВАК РФ:
1. Баделин, В.Г. Энтальпия сублимации алифатического дипептида DL-a-аланил- DL-a-валина и энергия водородных связей в кристалле / Баделин, В.Г., Тюнина, В.В., Краснов,
A.B. // Жидкие кристаллы и их практическое использование. - 2009. - 3. - С. 67-73.
2. Тюнина, Е.Ю. Оценка энтальпии сублимации некоторых дипептидов из их геометрических дескрипторов / Тюнина, Е.Ю., Баделин, В.Г., Тюнина, В.В., Левочкина, Г.Н. // Изв. вузов: Химия и хим. технол. - 2010. - 53(1).— С. 29-31.
3. Баделин, В.Г. Масс-спектромегрическое и квантово-химическое исследование L-серина / Баделин, В.Г., Тюнина, Е.Ю., Гиричев, Г.В., Краснов, A.B., Тюнина В.В. // Жидкие кристаллы и их практическое использование. — 2010. — 4. - С. 57-61.
4. Баделин, В.Г. Масс-спектромегрическое исследование процесса сублимации алифатических дипептидов / Баделин, В.Г., Тюнина, Е.Ю., Краснов, A.B., Тюнина, В.В., Гиричева, Н.И., Гиричев, Г.В. // Журн. физ. хим. - 2012. - 86(3).- С. 528-533.
5. Tyunina, V.V. Enthalpy of sublimation of natural aromatic amino acids determined by Knudsen's effusion mass spectrometric method / Valeriya V. Tyunina, Alexandr V. Krasnov, Elena Yu. Tyunina, Valentin G. Badelin, Georgy V. Girichev. // Journal of Chemical Thermodynamics -2014.-V. 74. P. 221-226.
Другие публикации (всего no теме диссертации опубликованы тезисы 36 докладов на научных конференциях разного уровня, ниже приведены некоторые из них):
1. Тюнина В.В. Исследование термодинамики сублимации некоторых алифатических дипептидов / Тюнина В.В., Гиричев Г.В., Краснов A.B. // Тезисы докладов студенческой научной конференции Дни науки - 2009 «Фундаментальные науки - специалисту нового века». - ИГХТУ, Иваново. - 2009. - Т.2. - С. 259.
2. Тюнина В.В. Исследование структуры и энергетики алифатических дипептидов / Тюнина
B.В., Гиричев Г.В., Краснов A.B. // Тезисы докладов XII Молодежной конференции по органической химии. - Суздаль. - 2009. - С. 176-177.
3. Тюнина В.В. Термодинамика сублимации алифатических дипептидов и гидроксилсодержащих аминокислот // Материалы Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов, аспирантов и студентов «Инновации в химии: достижения и перспективы». - МГУ, Москва - 2010. - С. 127.
4. Тюнина В.В. Влияние СН3-группы на структурные параметры и энтальпию сублимации гидроксилсодержащих алифатических аминокислот / Тюнина В.В., Краснов A.B., Гиричев Г.В., Баделин В.Г. // Тезисы докладов XX Российской молодежной научной конференции, посвященной 90-летию Уральского государственного университета, им. А.М. Горького «Проблемы теоретической и экспериментальной химии». - УрГУ, Екатеринбург - 2010 -
C. 472.
5. Тюнина В.В. Исследование термодинамики сублимации гидроксилсодержащих аминокислот / Тюнина В.В., Гиричев Г.В., Краснов AB. // Материалы XLIX
1.5
Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (секция «Химия»). - НГУ, Новосибирск. -2011.-С.131.
6. Тюнина В.В. Теоретическое и экспериментальное исследование процесса циклизации некоторых алифатических дипептидов / Тюнина В.В., Гиричев Г.В., Краснов А.В., Гиричева Н.И. // Сборник статей V-ой Всероссийской молодежной школы-семинара «Квантово-химические расчеты: структура и реакционная способность органических и неорганических молекул» - ИвГУ, Иваново. - 2011. - С. 227-229.
7. Tyunina Е. Y. Crystal structures and thermodynamic properties of alanine, serine and phenylalanine / Tyunina E. Y., BadelinV.G., Girichev G.V., Tyunina V.V. // Abstracts of the XVIII International Conference on Chemical Thermodynamics in Russia. - Samara State Technical University, Samara. - 2011. - Vol. 2. - P. 162.
8. Тюнина B.B. Масс-спекгрометрическое исследование серосодержащих аминокислот: мегионин и цисгеин / Тюнина В.В., Гиричев Г.В., Краснов А.В., Баделин В.Г. // Тезисы докладов VT1 Международной конференции «Кинетика и механизм кристаллизации. Кристаллизация и материалы нового поколения». - Иваново. - 2012. - С. 245.
9. Тюнина В.В. Исследование структуры и энергетики ароматических аминокислот / Тюнина В .В., Гиричев Г.В., Краснов А.В. // Тезисы докладов VII Всероссийской школы-конференции молодых ученых «Теоретическая и экспериментальная химия жидкофазных систем» (Крестовские чтения). - ИХР, Иваново. - 2012. - С. 3.
10. Тюнина В.В. Структурные и энергетические характеристики серосодержащих аминокислот в кристалле и газовой фазе / Тюнина В.В., Краснов А.В., Гиричев Г.В., Белушков И.С. // Тезисы докладов VII Национальной кристаллохимической конференции. -Суздаль.-2013.-С. 159.
11. Tyunina V.V. Molecular Structure of Tryptophan / Tyunina V.V., Giricheva N.I., Girichev G.V. // Abstracts of 15-th European Symposium on Gas-Phase Electron Diffraction. -Frauenchiemsee,Germany.-2013.-C. 65.
12. Tyunina V.V. Mass spectrometric and thermodynamic investigation of L-alanyl-L-tryptophan / Tyunina V.V., Krasnov A.V., Girichev G.V. // Abstracts of XIX International Conference on Chemical Thermodynamics in Russia. School-conference on chemical thermodynamics for young scientists.-Moscow.-2013-C. 174.
13. Тюнина В.В. Квангово-химическое и электронографическое исследование структуры молекул L-триптофана / Тюнина В.В., Гиричева Н.И., Гиричев Г.В. // Материалы VI-ой Всероссийской молодежной школы-конференции «Квангово-химические расчеты: структура и реакционная способность органических и неорганических молекул». - ИГХТУ, Иваново.-2013.-С. 111-113.
14. Тюнина В.В. Исследование некоторых аминокислот методами газовой электронографии и масс-спектрометрии / Тюнина В.В., Гиричева Н.И., Гиричев Г.В., Жабанов Ю.А. // Тезисы докладов VID Всероссийской школы-конференции молодых ученых «Теоретическая и экспериментальная химия жидкофазных систем» (Крестовские чтения). - ИХР, Иваново. -2013.-С. 42.
Подписано в печать 20.06.2014. Формат 60x84 1/16. Бумага писчая. Усл.печ.л. 1,00. Уч.-изд.л. 1,03. Тираж 90 экз. Заказ 3645
ФГБОУ ВПО Ивановский государственный химико-технологический университет
Отпечатано на полиграфическом оборудовании кафедры экономики и финансов ФГБОУ ВПО «ИГХТУ» 153000, г. Иваново, Шереметевский пр., 7
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ИВАНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
На правах рукописи
04201460614 ТЮНИНА ВАЛЕРИЯ ВАЛЕРЬЕВНА
ЭНТАЛЬПИЯ СУБЛИМАЦИИ И СТРУКТУРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕКОТОРЫХ АМИНОКИСЛОТ И ДИПЕПТИДОВ: ЭКСПЕРИМЕНТ И КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ
Специальность: 02.00.04 - Физическая химия
Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук
Научный руководитель: д.х.н., профессор Г. В. Гиричев
Иваново - 2014
СОДЕРЖАНИЕ
СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ............................................................4
ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................................................................6
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ..............................................................................................14
1.1. Общая характеристика аминокислот и дипептидов..............................................14
1.2. Термодинамика процессов сублимации аминокислот и дипептидов ... 18
1.3. Водородные связи в аминокислотах и дипептидах................................................24
1.4. Масс-спектрометрическое исследование аминокислот и дипептидов . 28
1.5. Квантово-химические расчеты структуры аминокислот....................................31
1.6. Структурные исследования молекул аминокислот в газовой фазе..........38
ГЛАВА 2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ..............................................................................43
2.1 .МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЯ ЭЛЕКТРОННОЙ ИОНИЗАЦИИ......................43
2.1.1. Теоретические основы масс-спектрометрии электронной ионизации................................................................................................................................................................43
2.1.2. Эффузионный метод Кнудсена............................................................................................45
2.1.3. Расчет энтальпии сублимации..............................................................................................47
2.1.4.Магнитный масс-спектрометр МИ-1201, модифицированный для термодинамических исследований................................................................................................48
2.1.5. Методика эксперимента на МИ-1201 ..............................................................................50
2.2. ГАЗОВАЯ ЭЛЕКТРОНОГРАФИЯ........................................................................................53
2.2.1. Теоретические основы газовой электронографии................................................53
2.2.2. Температурные эффекты в газовой электронографии....................................57
2.2.3. Структурный электронографический анализ............................................................59
2.2.4. Комплекс аппаратуры «электронограф/масс-спектрометр» и методика эксперимента..............................................................................................................................61
2.3. КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ........................................................................65
2.3.1. Теоретические методы расчета структуры и энергетики молекул ... 65
2.3.2. Метод анализа электронной плотности в терминах натуральных орбиталей связи (№Ю)................................................................................................................................68
2.4. ПОДГОТОВКА И ХАРАКТЕРИСТИКИ ИССЛЕДУЕМЫХ
ВЕЩЕСТВ..............................................................................................................................................................71
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ..................................................................72
3.1. АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АМИНОКИСЛОТ И ДИПЕПТИДОВ............................................................................................72
3.1.1. Особенности масс-спектров и состава паров аминокислот и дипептидов............................................................................................................................................................72
3.1.2. Энтальпии сублимации аминокислот и дипептидов ........................................78
3.1.3. Взаимосвязь молекулярных дескрипторов аминокислот и дипептидов с их энергетическими характеристиками....................................................90
3.2. ИССЛЕДОВАНИЕ СТРОЕНИЯ МОЛЕКУЛЫ Ь-ТРИПТОФАНА В ГАЗОВОЙ ФАЗЕ............................................................................................................................................100
3.2.1. Конформационные свойства Ь-триптофана по данным квантово-химических расчетов....................................................................................................................................100
3.2.2. Электронографическое исследование Ь-триптофана......................................106
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ........................................................................115
ЛИТЕРАТУРА..................................................................................................................................................117
СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ
AsubHm° - энтальпия сублимации
Ala - аланин
Arg - аргинин
Asn - аспарагин
Cys - цистеин
DFT - теория функционала плотности DL-Ala-DL-Nvl (Ala-Nvl) - ОЬ-аланил-ОЬ-норвалин DL-Ala-DL-Val (Ala-Val) - 0Ь-аланил-ОЬ-валин EI (ЭИ) - масс-спектрометрия электронной ионизации f(r) - функция радиального распределения GED (ЭГ) - газовая электронография Gin - глутамин Gly - глицин
Gly-L-Ala (Gly-Ala) - глицил-Ь-аланин His - гистидин
HOMO (ВЗМО) - высшая заниятая молекулярная орбиталь
L-Ala-L-Ala (Ala-Ala) - L-аланил-Ь-аланин
L-Ala-L-Trp (Ala-Trp) - Ь-аланил-Ь-триптофан
Leu - лейцин
L-Met (Met) - L-метионин
L-Phe (Phe) - L-фенилаланин
L-Pro (Pro) - L-пролин
L-Ser (Ser) - L-серин
L-Thr (Thr) - L-треонин
L-Тф (Тф) - L-триптофан
L-Tyr (Tyr) - L-тирозин
\
LUMO (НСМО) - низшая свободная молекулярная орбиталь Lys - лизин
m/z - отношение массы иона к его заряду
NBO-анализ - метод анализа электронной плотности в терминах натуральных орбиталей связи
sM(s) - приведённая молекулярная составляющая интенсивности рассеяния Val - валин
ИК-спектроскопия - инфоракрасная спектроскопия KP- спектроскопия - спектроскопия комбинационного рассеяния МНК - метод наименьших квадратов ПК - персональный компьютер
ЯМР-спектроскопия - спектроскопия ядерного магнитного резонанса
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. Одной из центральных задач современной физической химии является всестороннее исследование различного рода систем, состоящих из биоорганических молекул, что объясняется неослабевающим интересом к поиску путей создания новых перспективных материалов с заданными свойствами [1]. Подобные системы могут выступать в качестве биодатчиков, оптических фильтров, носителей лекарственных препаратов и др. [1-5]. Для теоретического анализа устойчивости веществ в твердом состоянии важным параметром является энергия кристаллической решетки, которая при определенных условиях равнозначна энтальпии сублимации. Термохимические характеристики парообразования аминокислот и пептидов - структурных единиц белков - в комплексе со структурными характеристиками молекул позволяют выявить и охарактеризовать различные виды внутри- и межмолекулярных взаимодействий. Общепринято, что молекулярная структура соединения в значительной степени определяет его физико-химические свойства. Вместе с тем, без знания термодинамических харакиеристик невозможно обсуждение деталей организации более сложных систем, механизма их образования и стабилизации их структур. Таким образом, структура и энергетика - это две фундаментальные составляющие, изучаемые разными экспериментальными методами и необходимые для охарактеризования системы в целом. В связи с этим представляет большое теоретическое и практическое значение установление закономерностей связывающих структуру биологически активных веществ и их термодинамические свойства.
Аминокислоты и пептиды - это соединения с асимметричным атомом углерода; они составляют основу живых организмов и участвуют во многих биологических процессах. Свойства кристаллических аминокислот и пептидов во многом определяются образованием цвиттер-ионов и существованием
межмолекулярных водородных связей. В то же время газовой фазе они находятся в молекулярной неионизированной форме. Уникальностью структуры аминокислот и пептидов и обоснован выбор указанных соединений в качестве объектов исследования.
Аминокислоты, пептиды и их производные широко используются как модели биополимеров (полипептидов, протеинов) [6,7]. Несмотря на то, что на протяжении десятилетий аминокислоты, пептиды и их производные привлекают пристальное внимание исследователей [8-11], до сих пор весьма неполно изучены отдельные аспекты термохимического поведения этих веществ по сравнению с другими классами азотсодержащих органических соединений. Исследование термодинамики фазовых переходов аминокислот и пептидов способствует более глубокому пониманию особенностей кристаллического состояния этих веществ, имеющих донорные и акцепторные группы, способные к образованию водородных связей [6,12,13].
В литературе имеются немногочисленные надежные данные по термодинамике парообразования аминокислот и пептидов, а экспериментальному изучению структуры их молекул в газовой фазе посвящены лишь единичные работы. До сих пор не существует строгих теорий для прогнозирования энергетических параметров аминокислот и пептидов, содержащих в структуре молекул боковые радикалы различной химической природы. Ограниченность данных по энергетическим и геометрическим характеристикам аминокислот и пептидов затрудняет проведение корректного термодинамического анализа сольватации их молекул в жидких средах и сдерживает темпы развития структурной химии соединений данного класса. Следует отметить, что проведение квантово-химических расчетов строения многоатомных молекул, характеризующихся с конформационным многообразием, на высоком теоретическом уровне является сложной задачей. Вследствие невысокой термической устойчивости соединений рассматриваемых классов, экспериментальные исследования процессов их
парообразования тензиметрическими методами также представляются весьма непростыми. В плане последнего, перспективно сочетание эффузионного метода Кнудсена с масс-спектрометрическим контролем состава пара, позволяющее получить энтальпии сублимации аминокислот и пептидов и не требующего высоких давлений исследуемого пара. В отношении установления структуры свободных молекул этих соединений представляется перспективным использовать метод газовой электронографии - фактически единственный реально доступный метод, обеспечивающей исследование детальной структуры свободных многоатомных молекул, вне зависимости от их симметрии.
Целью работы является определение энтальпии сублимации некоторых аминокислот и дипептидов с помощью эффузионного метода Кнудсена, выявление основных закономерностей влияния структуры боковой цепи их молекул на энергетические характеристики, установление детального геометрического строения Ь-триптофана методами газовой электронографии, масс-спектрометрии и квантовой химии.
Объекты исследования: Ь-□-аминокислоты, содержащие в структуре боковые радикалы различной химической природы: Ь-серин, Ь-треонин, Ь-метионин, Ь-фенилаланин, Ь-тирозин, Ь-триптофан, Ь-пролин; дипептиды: глицил-Ь-аланин, Ь-аланил-Ь-аланин, БЬ-аланил-ОЬ-валин, ОЬ-аланил-ОЬ-норвалин, Ь-аланил-Ь-триптофан.
Задачи исследования: 1. Исследование процесса сублимации семи аминокислот (Ь-серин, Ь-треонин, Ь-метионин, Ь-фенилаланин, Ь-тирозин, Ь-триптофан, Ь-пролин) и пяти дипептидов (глицил-Ь-аланин, Ь-аланил-Ь-аланин, ОЬ-аланил-ОЬ-валин, ОЬ-аланил-ЭЬ-норвалин, Ь-аланил-Ь-триптофан) эффузионным методом Кнудсена с масс-спектрометрическим контролем состава пара.
2. Определение образования циклических форм исследуемых дипептидов и характера их фрагментации методами масс-спектрометрии и квантовой химии.
3. Экспериментальное (электронография) и теоретическое (квантово-химические расчеты) определение строения молекулы Ь-триптофана.
4. Установление наличия внутримолекулярной водородной связи в молекуле Ь-триптофана с помощью КВО-анализа электронной плотности.
5. Установление взаимосвязи между структурными дескрипторами и энергетическими характеристиками исследуемых соединений.
Методы исследования: масс-спектрометрия, квантово-химические расчеты, электронография.
Научная новизна работы. Впервые электронографическим методом определена структура свободной молекулы Ь-триптофана. Установлено наличие внутримолекулярной водородной связи в изолированной молекуле Ь-триптофана с помощью NBO-aнaлизa. Предложена систематизация структур Ь-триптофана, найденных в результате конформационного анализа. Эффузионным методом Кнудсена с масс-спектрометрическим контролем состава пара впервые определены энтальпии сублимации пяти дипептидов и семи аминокислот; выполнено их приведение к стандартным значениям при Т=298.15 К. Впервые получены масс-спектры электронной ионизации для ОЬ-аланил-БЬ-норвалина и Ь-аланил-Ь-триптофана. Для алифатических дипептидов (глицил-Ь-аланин, Ь-аланил-Ь-аланин, БЬ-аланил-БЬ-валин, БЬ-аланил-ОЬ-норвалин) установлено присутствие циклических форм в насыщенном паре методами масс-спектрометрии и квантовой химии. Разработана корреляционная модель «структура-свойство» для описания энтальпии сублимации аминокислот и дипептидов на основе использования молекулярных дескрипторов (дипольный момент, молекулярный объем, суммарное количество доноров/акцепторов Н-связей).
Практическая значимость работы. Полученные результаты вносят значительный вклад в развитие представлений о взаимосвязи термодинамических и структурных свойств молекул аминокислот и пептидов. Энтальпии сублимации могут быть использованы при разработке и модификации парных потенциалов взаимодействия для теоретической оценки энергии кристаллических решеток. Результаты сублимационных экспериментов в совокупности со значениями тепловых эффектов растворения аминокислот и пептидов позволяют определить энтальпии сольватации в растворах различной химической природы, что открывает перспективы для использования растворителя как средства управления процессами в жидкой фазе. Высокая точность полученных новых экспериментальных данных позволяет использовать их в качестве справочного материала для создания баз структурных и термодинамических данных. Исследование молекулярного строения аминокислот имеет большое значение для развития теоретической химии, поскольку соединения этого класса оказываются исключительно гибкими в плане их использования для молекулярного дизайна более сложных структур. Подобная информация представляет интерес для исследователей, работающих в области физической, органической и биологической химии.
Представленные в диссертации исследования поддержаны грантами РФФИ (07-03-00369а, 11-03-00013а, 12-03-3175 8мол_а) и Министерства образования РФ «Развитие научного потенциала высшей школы на 2009/2010 гг» №2.2.1.1/6088.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Строение молекулы Ь-триптофана в газообразном состоянии по данным газовой электронографии и квантово-химических расчетов.
2. Энтальпии сублимации аминокислот (Ь-серин, Ь-треонин, Ь-метионин, Ь-фенилаланин, Ь-тирозин, Ь-триптофан, Ь-пролин), полученные в рамках второго закона термодинамики.
3. Состав насыщенного пара и энтальпии сублимации дипептидов (глицил-L-аланин, L-аланил-Ь-аланин, ОЬ-аланил-БЬ-валин, ОЬ-аланил-ОЬ-норвалина и L-аланил-Ь-триптофана), полученные в рамках второго закона термодинамики.
4. Данные по образованию циклических форм исследуемых дипептидов и характеру их фрагментации.
5. Корреляционное соотношение «структура-свойство» для расчета энергетических характеристик из структурных дескрипторов молекул аминокислот и дипептидов.
Личный вклад автора заключается в непосредственном участии на всех этапах работы: постановка цели и задач исследования, планирование эксперимента, выполнение электронографических и масс- спектрометрических экспериментов, формулировка выводов. Автором лично проведена обработка данных электронографического и масс-спектрометрического экспериментов, выполнены квантово-химические расчеты структуры изученных молекул. Автор принимал активное участие в обсуждении и обобщении результатов исследований, а также в подготовке с соавторами основных публикаций по выполненной работе. '
Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю проф. Гиричеву Г.В. за помощь на всех этапах работы, проф. Гыричевой Н.И. (ИвГУ) за помощь в интерпретации результатов эксперимента и квантово-химических расчетов. Автор также благодарен ст.н.с. Краснову A.B. и асп. Жабанову Ю.А. за помощь в выполнении масс-спектрометрического эксперимента. Автор признателен вед.н.с. Баделину В.Г. (ИХР РАН) за полезные дискуссии при обсуждении результатов.
Степень достоверности результатов проведенных исследований. Экспериментальные результаты, представленные в диссертационной работе, получены на протестированном современном научном оборудовании различными
взаимодополняющими физико-химическими методами. Результаты работы опубликованы в рецензируемых российских и зарубежных научных журналах.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научных конференциях «Фундаментальные науки — специалисту нового века» (Иваново, ИГХТУ, 2009-2011 гг.); III - VIII Всероссийских школах-конференциях молодых учёных «Теоретическая и экспериментальная химия жидкофазных систем» (Крестовские чтения) (Иваново, ИХР РАН, 2008-2013 гг.); IV - VI Всероссийских молодежных школах-конференциях «Квантово-химические расчеты: структура и реак�
