Квантово-химическое моделирование твердофазного изотопного обмена водорода в аминокислотах тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ЭЛЕМЕНТООРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ им. А.Н.НЕСМЕЯНОВА

На правах рукописи УДК 541.124:546.11.2

ЛАСКАТЕЛЕВ ЕВГЕНИЙ ВАЛЕРЬЕВИЧ

Квантово-химическое моделирование твердофазного изотопного обмена водорода в аминокислотах

Специальность 02.00.04 - физическая химия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Москва 1997

Работа выполнена в Институте элементоорганических соединений им. А.Н.Несмеянова Российской Академии Наук

Научные руководители : доктор химических наук

ЮАБорисов

кандидат химических наук Ю А Золотарев

Официальные оппоненты : доктор химических наук, профессор

И.А-Абронин

кандидат физико-математических наук И.В.Станкевич

Ведущая организация : Химический факультет Московского

Государственного университета им. М.ВЛомоносова

Защита состоится Ц й_1997 г. в ю часов

на заседании диссертационного совета К 002.99.02 в Институте элементоорганических соединений им. А.Н.Несмеянова РАН по адресу : 117813, Москва, ул. Вавилова, д. 28 С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИНЭОС РАН. Автореферат разослан ^ § умЛи^/ия_1997 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета К 002.99.02

Кандидат химических наук и^к&се^^ Н.П.Авакян

Введение

Актуальность проблемы. При взаимодействии газообразного водорода с нанесенными катализаторами - металлами платиновой группы происходит миграция водородных атомов, связанных с поверхностными атомами металла, на носитель. Этот эффект был назван спилловером водорода (СВ). В твердой фазе, содержащей органическое или неорганическое соединение, под действием СВ с высокой скоростью происходят реакции гидрогенолиза. В лаборатории изотопно-замещенных физиологически активных соединений ИМГ РАН предложено использовать твердофазные реакции для получения меченных изотопами водорода органических соединений. Для синтеза меченых биологически активных соединений особенно эффективной является реакция, основанная на применении высокотемпературного твердофазного каталитического изотопного обмена (ВТКИО). Интенсивный изотопный обмен между атомами водорода твердого органического соединения и газофазным изотопным водородом имеет место в системе высокодисперсного металла группы платины, твердого органического соединения и неорганического носителя (рис.1). При этом изотопный обмен происходит с сохранением конфигурации на атомах углерода, что делает возможным получение меченных тритием аминокислот с высокой степенью водородного замещения на тритий без рацемизации.

Газовая фаза I нояекуяярный тритий)

Р1 как генератор слияозер вопорода (СВ) О Органическая фаза [Твердая аминокислота)

Рис.1. Схема реакции ВТКИО.

На момент начала данного исследования в литературе отсутствовали данные по теоретическому изучению механизма взаимодействия твердого органического соединения со СВ. В связи с этим является весьма актуальной тема настоящей диссертации, связанная с теоретическим исследованием механизма реакции ВТКИО аминокислот с активированным водородом. Результаты, полученные с использованием квантово -химического моделирования твердофазного изотопного обмена, имеют большое практическое значение для направленного синтеза изотопнозамещенных аминокислот, пептидов и белков. В работе использованы экспериментальные данные, полученные в Институте молекулярной генетики РАН Ю.А.Золотаревым и сотрудниками.

Цель работы. Целью диссертационной работы является квантово-химическое моделирование твердофазного изотопного обмена водорода в аминокислотах.

Научная новизна и практическая ценность. В работе впервые найдена корреляция между квантово-химическими характеристиками аминокислот (эффективные заряды на атомах, энергии сродства к протону в определенных позициях молекул и энергии активации обмена водорода на простейших активных центрах) и их реакционной способностью в реакциях селективного замещения водорода в условиях ВТКИО. На основании этих корреляций представляется возможным прогнозирование замещения водорода на другие изотопы (дейтерий, тритий) не только в аминокислотах, но и в пептвдах и белках. Кроме того, разработанный подход позволяет предсказывать характер изотопного замещения в насыщенных углеводородах, что представляется весьма важным при разработке теоретических концепций механизма каталитических реакций, происходящих на поверхности цеолитовых катализаторов при синтезе разветвленных углеводородов.

Апробация работы. Отдельные части диссертационной работы были доложейы на 5-м Международном симпозиуме "Синтез и применение изотопномеченных соединений" (Франция, Страсбург, 1995), 2-й Международной конференции "Сбвременные тенденции в химической кинетике и катализе" (Россия, Новосибирск, 1995), на 17-ой

Конференции по теоретической химии (США, Лас-Вегас, 1996), на Международном симпозиуме "Применение компьютеров в химических исследованиях" (Россия, Москва, 1996), на Конференции-конкурсе научно-исследовательских работ ИНЭОС РАН (1996), на Конференции-конкурсе молодых ученых ИНЭОС РАН (1995).

Публикации на тему диссертации. Основные результаты работы изложены в 1 статье и 4 тезисах докладов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, обсуждения результатов (3 главы), выводов и списка цитированной литературы. Работа изложена на 32 страницах, текст иллюстрируют 9 рисунков и 2£ таблиц, список литературы включает 89 наименований.

Содержание работы.

1. Обзор экспериментальных результатов по высокотемпературному твердофазному каталитическому изотопному обмену водорода и другим методам получения меченных тритием биологически активных соединений.

Анализ литературных данных по высокотемпературному твердофазному каталитическому изотопному обмену (ВТКИО) водорода в аминокислотах позволяет заключить следующее:

а) реакция высокотемпературного твердофазного каталитического изотопного обмена (ВТКИО) - новый эффективный метод синтеза меченных изотопами водорода биологически активных соединений;

б) изотопный обмен происходит с высокой степенью сохранения конфигурации углеродных атомов, что делает возможным получение меченных тритием аминокислот с высокой степенью замещения водорода на тритий без рацемизации;

в) замещение водорода на тритий происходит региоселективно. Так, в молекулах алифатических аминокислот (аланин, валин, лейцин) наиболее реакционноспособны водородные атомы метальных групп; в

метионине - а-атомы, в фенилаланине - мета-атом ароматического кольца и атомы боковой цепи;

г) несмотря на накопленный обширный экспериментальный материал, в литературе отсутствуют какие-либо представления о механизме реакции ВТКИО ;

д) другие методы получения меченных тритием аминокислот являются менее эффективными по таким параметрам, как удельная активность полученных соединений, селективность и сохранение биологической активности.

2. Характеристика использованных в работе методов квантовой химии.

Для предварительных расчетов, а также для расчетов систем с большим числом атомов использовался полуэмпирический метод AMI, реализованный в программе АМРАС. Более точные расчеты выполнены с помощью программ GAMESS и GAUSSIAN-94 в приближении Хартри-Фока с использованием различных базисов (STO-3G, 3-21G, 6-31G*, 6-311G*) и методом теории возмущений Меллера-Плессета 2-го порядка (МР2). Все расчеты молекулярных систем в основном электронном состоянии были выполнены с проведением полной оптимизации энергии по геометрическим параметрам (межатомным расстояниям, валентным и двугранным углам). На основе расчетов для нейтральных молекул аминокислот проводился анализ распределения электронной плотности в молекулах по Малликену. Сродство к протону аминокислот определялось как разница энергий протониро ванной и нейтральной молекул аминокислот. Поиск переходных состояний реакции изотопного обмена водорода на модельных центрах проводился по стандартной методике с использованием матрицы Гесса и с дальнейшим анализом профиля реакционного пути к исходным соединениям и продуктам (вариант IRC).

3. Распределение зарядов в нейтральных молекулах аминокислот и его связь с реакционной способностью в

ВТКИО.

В табл. 1 приведены величины зарядов по Малликену в молекулах аминокислот, рассчитанные методом AMI. Если атом углерода связан с ОН-группой, в последней колонке указан заряд атома кислорода этой группы. Для метионина и его производных в этой колонке приведены заряды атомов серы. В табл. 2 представлены экспериментальные данные по распределению трития для тех же аминокислот. Нумерация атомов показана на рис. 2.

Из табл. 1 видно, что в молекулах аланина и валина наибольшие отрицательные заряды несут углеродные атомы метальных групп. Согласно экспериментальным данным, атомы водорода этих групп в наибольшей степени обмениваются на тритий. Та же закономерность наблюдается для треонина. Такая корреляция между вычисленными зарядами углеродных атомов и реакционной способностью связанных с ними атомов водорода свидетельствует об электрофильном характере реакции ВТКИО.

Эта закономерность может нарушаться, если основным реакционным центром является атом углерода, непосредственно связанный с электроотрицательным атомом азота или кислорода. Такие углеродные атомы не несут существенного отрицательного заряда, но в молекулах пролина, метионина и некоторых других аминокислот замещается на тритий преимущественно водород, связанный с этими атомами.

В метионинсульфоксиде и метионинсульфоне, в отличие от метионина, наиболее реакционноспособны атомы водорода при С(4) и С(5). При этом атомы С(4) и С(5) метионинсульфоксида и метионинсульфона несут значительно более высокие отрицательные заряды, чем соответствующие атомы метионина, в то время как заряды атомов С(2) и С(3) различаются мало. Таким образом, и для этих соединений прослеживается связь между эффективными зарядами на атомах углерода и способностью связанных с ними водородных атомов к обмену в условиях ВТКИО.

б

Таблица 1.

Распределение зарядов в молекулах аминокислот, полученное из

AMI расчетов.

Аминокислота

QN(1) QC(2) ЧС(3) ЧС(4) ЧС(5) QO шш 4s

Алании

Валил

Серин

Пролин

Треонин

Метионян

-0.34 -0.06 -0.23 -

-0.32 -0.01 -0.10 -0.22 -

-0.32 -0.05 -0.01 - - -0.33

-0.28 -0.07 -0.17 -0.17 -0.08 -

-0.34 -0.07 0.001 -0.26 - -0.34

-0.27 0.08 -0.02 -0.08 -0.05 0.03

Метионинсульфоксид -0.28 0.09 -0.02 -0.24 -0.21 0.92 Метионинсульфон -0.28 0.09 -0.04 -0.19 -0.16 1.34

^'yVOH нос/1

н

Прагш! Алании

Н," з/СНз

—сн, сн—сн

/

НСХХГ СНз

Ваяин

H,N ОН

СН—сн / \«

ноос СНз

Треонин

HjN'

HOOC

\2 » ^СН—CHjOH

nh2 нх

3 2 / \ 2 3 < 5

Из—СН СН—CHj—СН2—S—сн3

"^соон ноос^

Серин

Фенилаланин

М еглонин

CHj—СН—С ООН

4 .— и у ----------CHj—CHjNHa« Ch

7 1

Триптофан

-NH

7 1

,nh2 СООН

Ссротонин Тирозин

Рис.2. Нумерация атомов в молекулах аминокислот.

С целью более адекватного моделирования реакции ВТКИО в дальнейшем мы перешли к поиску связи между реакционной

способностью и более сложными для вычисления характеристиками молекул, например, сродством к протону.

Таблица 2.

Распределение трития в аминокислотах, %.

Аминокислота Т,°С С(2) С(3) С(4) С(5)

Алании 140 5 95 - -

Валин 140 4 4 92 -

Серии 180 25 75 - -

Пролин 150 9 б 4 81

Треонин 180 18 16 66 -

Метиошш 150 75 0 4 21

Метионинсульфоксид 150 14 0 25 61

Метионинсульфон 150 0 0 40 60

4. Сродство к протону и реакционная способность в реакции

вткио.

При исследовании реакции ВТКИО была обнаружена корреляция между сродством к протону молекулы аминокислоты и реакционной способностью. Из сопоставления данных, приведенных в табл. 2 и 3, видно, что для аланина, валина, серина и треонина тритий включается преимущественно в те положения молекул, которые обладают наибольшим сродством к протону. В положения, обладающие наименьшим сродством к протону, тритий практически не включается. Несколько хуже данная закономерность выполняется для пролина, но и здесь наиболее реакционноспособное в ВТКИО положение обладает наибольшим сродством к протону. Таким образом, активированный водород обладает свойствами электрофильной частицы.

Расчет сродства к протону для различных положений ароматических и гетероароматических группировок аминокислот и биогенных аминов также подтверждает найденную закономерность. Результаты расчетов приведены также в табл. 3, а соответствующие экспериментальные

данные - в табл. 4. Однако углеродные атомы этих группировок: обладают значительно большим сродством к протону, чем алифатические атомы тех же соединений. В то же время они близки по реакционной способности.

Таблица 3.

Сродство к протону (¡жал/моль) различных положений молекул аминокислот и биогенных аминов по данным AMI расчетов.

С(2) С(3) С(4) С(5) С(6) С(7) орто мета пара а Ъ

Алании 83.0 88.5

Валин 87.9 90.9

Серии 74.8 80.0

Треонин 80.8 82.2

Пролин 78.1 85.5

Феннл-

аланин 90.3 90.3

Тирозин 79.8 91.4

Триптофан 154.2 -

Серотошш 154.9 -

99.9

93.5 77.7

152.1 156.4

88.6

152.6 150.9 152.1 154.5 148.6

129.0 133.4 129.2 136.5

130.3 - -

- 92.3 99л

- 98.8 107.

Для расчета геометрического строения комплексов аминокислот с протоном, в которых протон присоединен к насыщенному углеродному атому, бралась за основу геометрия иона СН5+, известная из литературных данных и подтвержденная расчетами. Наиболее низкой энергией, как правило, обладают те комплексы, в которых присоединенный протон координируется с кислородным атомом карбоксильной группы аминокислоты с образованием пяти- или шестичленного цикла. Примером такой структуры является комплекс аланина с протоном (см. рис.3). Существование таких структур подтверждается аЪ initio расчетами.

н \

NH,

I

JCH^

„он

н^л / \1-« 1.зв ; •

/ н-----о

П 0.82 2 02

Рис.3. Строение комплекса аланина с протоном в р-положении (по данным AMI расчетов). Приведены наиболее важные межатомные расстояния (А).

Таблица 4.

Степень замещения (%) водорода на тритий в различных положениях некоторых ароматических и гетероароматическнх соединений.

Т,°С Акт., С(2) С(3) С(4) С(5) С(6) С(7) Ки/ммоль

Фенилаланин Тирозин Триптофан Серотонин

Фенил аланнн Тирозин Триптофан Серотонин

150 150 180 160

20 28 85 56

9 12 57 19

орто мета пара а

3 11 4 -

4 16

- 41

7

14

18

47 34

20 66

37

37 13

47 14

Ъ

5. Простая модель спилловера водорода на графите и реакция

ВТКИО.

Взаимодействие газообразного водорода с металлами платиновой группы приводит к молекулярной сорбции, молекулярной и атомарной хемосорбции и растворению водорода. Для нанесенных катализаторов, таких, как палладий на сульфате бария, палладий на окиси алюминия и подобных, водородные атомы, связанные с поверхностными атомами

Структура I.

Структура II.

Структура III.

Рис.4 Структура модельных соединений для расчета модели спилловера водорода.

металла, могут мигрировать на носитель. Этот эффект был назван спилловером водорода (СВ). Понятие СВ широко используется для объяснения наблюдаемых закономерностей твердофазных реакций.

Несмотря на то, что процессы, протекающие с участием СВ, известны в течение многих лет, природа СВ на настоящее время однозначно не установлена. При этом полученные экспериментальные данные объяснялись тем, что СВ реагирует как атомизированный водород, либо как протон. В настоящей диссертации рассмотрены простейшие модели спилловера водорода (в виде протона или радикала) на модельной трафитоподобной поверхности. Расчет модельных систем выполнен методом Хартри-Фока в двух базисах: STO-3G и 6-31 G*. При расчетах предполагалось, что модельная поверхность имеет плоскую структуру. С этим ограничением проводилась оптимизация геометрических параметров рассмотренных систем.

На рисунке 4 I соответствует структуре свободной модельной поверхности, II - модельной поверхности с водородом и III -переходному состоянию при миграции водорода от одного атома углерода (в данном случае С(1) ) к другому (С(6) ).

Протон, находящийся на модельной графитовой поверхности а связанном состоянии (структура II), расположен над одним из атомов поверхности. В переходном состоянии расстояния от протона до соседних атомов углерода равны, а сам прогон расположен приблизительно на проходящем через середину связи С(1)-С(6) перпендикуляре к плоскости поверхности. Аналогичное строение имеют переходные состоятм при миграции протона от С(1) к С(2), от С(2) к С(3), от С(3) к С(4), от С(4) к С(5) от С(5) к С(6).

Протон существенно поляризует поверхностную решетку. Так, в структуре II заряд на атоме углерода С(1), связанном с протоном, равен -0.51 (HF/6-31 G*), а в структуре III (переходном состоянии) заряды на атомах С(1) и С(6) составляют приблизительно в два раза меньшую величину, а именно -0.24. Заряд на атоме водорода, участвующем в миграции по модельной поверхности, составляет 0.35 единиц заряда электрона в структуре II и 0.375 в переходном состоянии. Таким образом, атом водорода, участвующий в миграции по модельной поверхности, несет существенный положительный заряд.

Таблица 5.

Вычисленные значения полных энергий, энергии сродства к протону (РА, ккал/моль) и энергии активации миграции протона (Еа, ккал/моль) для рассмотренных структур 1-Ш.

Базис Полная энергия, ат.ед. РА Еа

I II III

ЭТО-ЗО -904.8227 -905.1731 -905.1485 204.3 15.4

6-31 в* -915.9499 -916.2465 -916.2305 186.0 10.0

В табл. 5 приведены результаты расчетов для структур 1-Ш в приближениях НР/БТО-ЗС и НБ/б-З! в*.

Расчет взаимодействия радикального атома водорода с модельной поверхностью I проведен ограниченным методом Хартри-Фока в базисе БТО-ЗО. На поверхности потенциальной энергии определены локальные минимумы типа структуры II, когда атом водорода находится между двумя соседними атомами углерода (С(1)-С(6), С(1)-С(2), С(2)-С(3), С(3)-С(4), С(4)-С(5), С(5)-С(6)). Полная энергия для этих состояний равна -905.2649 ат.ед. На основе полных энергий соединений С24Н12, С24Н13 и свободного атома водорода (-0.5 ат.ед.) была рассчитана энтальпия реакции С24Н12 + Н = С24Н13, которая оказалась равной 36.3 ккал/моль. Таким образом, в отличие от протона, радикальному водороду не выгодно связываться с модельной поверхностью I, а рассмотренная нами простейшая модель миграции водорода по поверхности графита в виде протона более адекватно описывает спилловер. Она согласуется и с найденной нами корреляцией между сродством к протону и реакционной способностью в реакции ВТКИО.

6. Новые представления о механизме обмена водорода органических молекул с протонами сильнокислотных центров.

В ряде работ было сделано предположение, что при СВ протон и соответствующий ему электрон могут перемещаться по поверхности раздельно, что подгверждатся тем, что при исследовании спилловера на

неорганической поверхности обнаружены одновременная электронная и ионная проводимости. В транспорте СВ могут принимать участие адсорбированные на поверхности молекулы воды, поверхностные гидроксильные труппы и кислородные атомы неорганической подложки. Возможно также участие входящих в молекулу гетероатомов в переносе протонов в слое твердого органического соединения. Поэтому в качестве модели для твердофазной реакции изотопного обмена было рассмотрено взаимодействие иона гидроксония с органическим соединением.

Нами выполнены теоретические исследовашм механизма обмена водорода органических молекул (метан, пропан, алашш, глицин, метионин) с модельным кислотным центром. В качестве последнего рассматривался газообразный положительный ион НзО+. Для пары СН4 + Н30+ выполнены ab initio расчеты методами Хартри-Фока и теории возмущения Меллера-Плессета второго порядка (МР2) в различных базпсах (3-21 G, 6-31 G*, 6-311 G*) с использованием программы GAMESS. Для более сложных взаимодействующих пар "Н3О+ + органическая молекула" выполнены полуэмпирические расчеты методом

Рис.5. Структура переходного состояния реакции обмена водорода при

Для пары СН4 + НзО+ было показано, что при сближении взаимодействующих реагентов может осуществиться конфигурация переходного состояния, показанная на рис.5.

Необычность этой структуры состоит в том, что за счет образования связи Н-Н (атомы 5 и 6 представленной выше структуры) происходит понижение энергии активации реакции обмена водорода. Валентные углы и длины С-Н связей при углеродном атоме С(4) почти полностью совпадают с соответствующими параметрами иона СН5+.

AMI.

насыщенном углеродном атоме.

В табл. 6 приведены результаты расчета полных энергий исходных соединений и переходного состояния реакции обмена водорода метана с Н3О4 в трех базисах (3-21 О, 6-31 С и 6-311 С) для приближения Хартри-Фока и в базисе 6-311 Э* в рамках метода МР2, а также энергии активации для каждого из приближений. В табл. 7 даны значения некоторых геометрических параметров найденного переходного состояния.

Найденная величина энергии активации синхронного переноса двух протонов между ионом гидроксония и молекулой метана ниже известной из литературных данных для системы Н3О4 - СН4 - Н2О. Для этой системы энергия активации была найдена равной 30 ккал/модь (МР2/6-31Ш*), что превышает определенную в нашей работе для механизма с участием одной молекулы воды. До настоящего времени считается общепризнанным, что такие реакции представляют собой синхронный протонный перенос, протекающий с участием двух каталитических центров. Из наших расчетов следует, что существует путь обмена водорода между СН4 и НзО+, при котором переходное состояние имеет структуру, показанную на рис.5. Такой одноцентровый механизм обмена водорода при насыщенном атоме углерода, насколько нам известно, рассматривается впервые.

Таблица 6.

Полные энергии исходных соединений и переходного состояния (Т.8.) реакции обмена водорода метана с Нз<Э+ (а.е.), и энергии активации (ккал/моль), вычисленные с использованием различных приближений.

НР/3-21 в

Метод расчета №/6-31 О* НР/6-311 О* МР2/6-311 в*

н3о+

СН4 Т.Б.

Еазсг.

-75.8912 -39.9769 -115.8049 39.6

-76.2866 -40.1952 -116.4377 27.7

-76.3151 -40.2034 -116.4752 27.2

-76.5204 -40.3514 -116.8384 21.0

Таблица 7.

Результата расчета методом Хартри-Фока геометрических параметров переходного состояния реакции обмена водорода между СН4 и НзО+ (Я (Н) в Л, валентные углы а(Н~к) и двугранные углы р(Н-к-1) в градусах).

Используемый базис

Параметры 3-21 в 6-31 в* 6-311 в* АМ1

Л (1-4) 1.081 1.080 1.078 1.12

Л(2-4) 1.092 1.089 1.089 1.12

Л (3-4) 1.078 1.079 1.077 1.12

Я (4-5) 1.200 1.199 1.199 1.34

Я (4-6) 1.201 1.204 1.204 1:35

Я (4-7) 2.856 3.049 3.031 2.87

II (5-6) 0.896 0.876 0.889 0.86

II (5-7) 1.805 2.004 1.994 2.11

И (6-7) 1.793 1.957 1.939 2.08

II (7-8) 0.970 0.953 0.943 0.96

Я(7-9) 0.970 0.953 0.943 0.96

а( 1-4-2) 106.8 108.9 109.3 110.7

а( 1-4-3) 114.2 116.3 116.9 113.1

а(2-4-3) 108.5 110.2 110.0 108.6

а(4-5-6) 68.2 68.9 68.6 71.1

а(4-6-5) 68.0 68.3 68.0 71.5

а(4^5-7) 143.0 143.1 142.1 110.3

а(4-6-7) 144.3 148.6 148.4 111.8

а(4-7-8) 125.3 127.0 126.2 132.5

а(4-7-9) 125.3 127.1 126.2 121.3

р(5-6-7-8) 100.4 99.6 99.6 157.3

Р(5-6-7-9) -100.5 -100.6 -100.1 -13.5

Р(1-4-5-6) 66.6 67.3 69.9 76.9

Р(2-4-5-6) 173.6 175.0 177.5 -170.3

Р(3-4-5-6) -77.8 -76.0 -74.3 -59.2

Принимая во внимание литературные данные о природе сильнокислотных центров цеолитов, предложенная в нашей работе

модель может быть применена для рассмотрения твердофазных реакций, протекающих на сильнокислотных каталитических центрах.

Геометрическое строение переходного состояния в ab initio расчетах и в полуэмпирических расчетах методом AMI имеет большое сходство (табл. 7), а энергия активации, рассчитанная методом AMI, равна 18 ккал/моль, что близко к полученному ab initio методом значению 21.0 ккал/моль. Опираясь на такое согласие между результатами расчетов ab initio и AMI, мы провели расчеты методом AMI некоторых систем, для которых ab initio расчеты требуют больших затрат машинного времени.

Hf-

I II

Рис. 6. Геометрия переходных состояний для реакции изотопного обмена водорода при углеродных атомах С(2) (структура I) и С(3) (структура И).

Так, для пропана структура 1 переходного состояния реализуется при обмене как первичного (Rj=C2H5, R2=H, R.3=H), так и вторичного (Rj=CH3, R2=CH3, R3=H) атомов водорода. Энергия активации, вычисленная методом AMI, в обоих случаях составляет около 15 ккал/моль. Для пропана были выполнены также ab initio расчеты. Энергия активации составила 12.8 ккал/моль для обмена первичного атома водорода и 11.2 ккал/моль - для вторичного (MP2/6-31G*) при аналогичной структуре переходного состояния.

Для реакции обмена р-атома водорода в аланине методом AMI найдена энергия активации 11 ккал/моль; а для а-атома - 21 ккал/моль, причем

Таблица 8

Результаты расчета методом AMI геометрических параметров переходного состояния реакции изотопного обмена водорода между углеродными атомами аланина и ионом гидроксония (рис.б). Межатомные расстояния r(i-j) даны в А.

Обмен при С(2) Обмен при С(3)

К1-2) 1,55 1(1-2) 1,53

1(2-3) 1,55 1(2-3) 1,53

г(2-4) 1,39 г(2-4). 1,44

г(1-5) 1,34 1(1-5) 1,34

г(1-9) 1,23 1(1-9) 1,24

г(2-15) 2,95 г(3-15) 2,73

г(3-15) 3,15 1(2-6) 1,14

1(1-15) 3,14 1(4-7) 1,00

1(4-7) 1,00 1(4-8) 1,00

г(5-10) 0,98 г(5-10) 0,98

х(4-8) 1,00 1(3-11) 1,40

г(3-11) 1,12 г(3-12) 1,12

г(3-12) 1,12 г(3-13) 1,12

г(3-13) 1,12 КЗ-14) 1,38

1(2-6) 1.33 г(11-14) 0,84

1(2-14) 1,33 г(9-11) 2,15

г(6-15) 2,18 г(9-14) 2,75

г(14-15) 2,06 1(4-11) 3,09

1(6-14) 0,80 г(4-14) 2,71

1(6-9) 2,38 г(11-15) 2,26

1(6-4) 2,15 г(14-15) 2,05

г(14-4) 2,22 г(15-16) 0,96

г(14-9) 2,84 1(15-17) 0,96

г(15-16) 0,97

г(15-17) 0,97

г(1б-9) 2,26

наблюдается хорошее соответствие между величинами Еа, рассчитанными при квантово-химическом моделировании и экспериментально измеренными при реакции ВТКИО. Структуры переходных состояний приведены на рис. бив табл. 8. Энергия активации обмена р-атома водорода в аланине (Т—443 К, 400 торр), найденная экспериментально, составляет 14 ккал/моль, а обмена а-атома - 25.7 ккал/моль. Это может свидетельствовать о правильности предложенного механизма реакции ВТКИО. К тому же этот механизм объясняет сохранение конфигурации при асимметрическом атоме углерода.

Полученные результаты расчетов позволяют по-новому трактовать реакцию изотопного обмена водорода, проводимую в условиях ВТКИО. При этой реакции наиболее реакционноспособными положениями алифатических аминокислот являются метальные группировки. Изотопный обмен при асимметрических углеродных атомах происходит с сохранением конфигурации. Эти особенности реакции ВТКИО могут быть объяснены предложенным механизмом синхронного переноса на одном каталитическом центре.

Выводы

1. Найдена корреляция между эффективными зарядами на атомах углерода аминокислот и региоселективностью в реакции изотопного обмена водорода - как правило, чем выше отрицательный заряд на углеродном атоме, тем выше выход продукта изотопного замещения водорода при этом атоме.

2. Обнаружена корреляция между прогонным сродством атома углерода аминокислоты и реакционной способностью водородного обмена при этом атоме углерода - большей величине протонного сродства данного атома соответствует более высокая реакционная способность.

3. На основе этих корреляций впервые предложен механизм твердофазного изотопного обмена, который может быть описан как

электрофилъное замещение при насыщенном углеродном атоме с образованием переходного состояния, включающего

пятикоординированный углеродный атом.

4. Рассмотрение простой модели спилловера водорода на графите позволяет сделать заключение, что миграция водорода по поверхности в виде протона более адекватно описывает перенос водорода по поверхности в сравнении с радикальной формой водорода.

5. На основе расчета поверхности потенциальной энергии реакции обмена водорода между модельным сильнокислотным протонным центром поверхности и метаном установлен принципиально новый механизм обмена водорода с участием одного активного центра поверхности.

Основное содержание диссертационной работы изложено в слепушитих публикациях:

1. Ю.А. Борисов, Ю.А.Золотарев, Е.ВЛаскателев, Н.Ф.Мясоедов "Новые представления о механизме обмена водорода органических молекул с протонами сильно кислых центров" Известия АН, серия химическая, 1996, № 7, стр. 1852-1854.

2. Yu.A.Zolotarev, E.V.Laskatelev, E.M.Dorokhova, Yu.A.Borisov, S.G.Rosenberg, N.F.Myasoedov. "Study of Solid-state Catalytic Isotope Exchange with Tritium and its Application for Analysis of Protein-protein Complexes". Proceedings of the Fifth International Symposium " Synthesis and Application of Isotopically Labelled Compounds", Wiley, New York, J. Allen , R. Voges (eds.) 1995, p 185-190

3. YuA-Zolotarev, E.V.Laskatelev, E.M.Dorokhova, YuA.Borisov, S.G.Rosenberg, N.F.Myasoedov. "Study of Solid-state Catalytic Isotope

Exchange with Tritium". Proceedings of The Second Conference "Modern Trends in Chemical Kinetics and Catalysis", 1995, p. 425-426

4. YuA-Borisov, YuA-Zolotarev, E.V.Laskatelev, N.F.Myasoedov, "New Ideas on the Mechanism of Hydrogen Exchange in Organic Molecules with Strong Acid Centres Protons", Book of Abstracts, Seventeenth Annual West Coast Theoretical Chemistry Conference, Las Vegas, 1996

5. Yu-A-Borisov, Yu.A-Zolotarev, E.V.Laskatelev, N.F.Myasoedov, New Conception of the Mechanism of Hydrogen Exchange in Organic Molecules with Strong Acid Centres' Protons, Book of Abstracts, International Symposium "Computer Assistance to Chemical Research", Moscow, 1996.

Типография ордена "Знак Почета" издательства МГУ

119899, Москва, Воробьевы горы.

Заказ N Ю16 Т ираж экз.