CC BY
14УДК 536.654:547.466
В. Г. Баделин, В. В. Тюнина*, А. В. Краснов*
ЭНТАЛЬПИЯ СУБЛИМАЦИИ АЛИФАТИЧЕСКОГО ДИПЕПТИДА DL-a-АЛАНИЛ-DL-a-ВАЛИНА И ЭНЕРГИЯ ВОДОРОДНЫХ СВЯЗЕЙ
В КРИСТАЛЛЕ
SUBLIMATION ENTHALPY OF ALIPHATIC DIPEPTIDE OF DL-a-ALANYL-DL-a-VALINE AND ENERGY OF HYDROGEN BONDS
IN THE CRYSTAL
Учреждение Российской Академии наук Институт химии растворов РАН 153045 Иваново, ул. Академическая, 1 *Ивановский государственный химико-технологический университет,
кафедра физики 153000 Иваново, пр. Ф. Энгельса, 7
Методом масс-спектрометрии исследован процесс сублимации алифатического дипептида DL-a-аланил-DL-a-валина. Определен диапазон температур, в котором происходит сублимация препарата в виде мономерных молекулярных форм. Впервые получено значение энтальпия сублимации дипептида. Используя полуэмпирические методы квантовой химии (АМ1), выполнены расчеты энергии водородной связи между молекулами в кристалле DL-a-аланил-DL-a-валина.
Ключевые слова: сублимация, энтальпия сублимации, DL-a-аланил-DL-a-валин, энергия водородной связи в кристалле.
By mass-spectrometry method the process of sublimation of DL-a- alanyl-DL-a-valine aliphatic dipeptide was investigated. The range of temperatures in which there is a sublimation of a substance as monomeric molecular forms was determined. The value of sublimation enthalpy of the dipeptide was obtained for the first time. Using semi-empirical methods of quantum chemistry (AM1), the calculations of energy of H-bond formation between molecules in crystal form of DL-a- alanyl-DL-a-valine were carried out.
Key words: sublimation, enthalpy of sublimation, DL-a-alanyl-DL-a-valine, energy of H-bond formation in crystal.
Несмотря на то, что к настоящему времени выполнено большое число экспериментальных и теоретических исследований, посвященных изучению сублимации различных кристаллов (металлических, ионных, валентных, полупроводниковых) [1], особый интерес вызывают молекулярные кристаллы, в узлах кристаллической решетки которых располагаются обычно молекулы, обладающие большей протяженностью и объемом. В самом общем случае, энергия межмолекулярного взаимодействия в молекулярных кристаллах складывается из ориентационного, индукционного и дисперсионного эффектов [2]. Однако для кристаллов, содержащих полярные молекулы, в том числе цвиттер-ионы, значительный вклад в полную энергию могут вносить электростатиче-
© Баделин В. Г., Тюнина В. В., Краснов А. В., 2009
ские взаимодействия и образование водородных связей. Определение характера взаимодействий в кристалле требует знания энтальпий сублимации.
Исследование тепловых свойств модельных соединений белков (аминокислот, пептидов) в твердом состоянии и, в частности, изучение энтальпий сублимации и теплоемкости в широком интервале температур, позволяет получить экспериментальные значения фундаментальных термодинамических параметров этих соединений и связать их с динамическими свойствами и с конформационными особенностями макромолекул [3]. Кроме того, знание физико-химических свойств низкомолекулярных пептидов и аминокислот имеет большое значение в изучении высокомолекулярных соединений той же природы.
Как правило, пептиды разлагаются либо в кристаллической фазе при нагревании, либо в процессе сублимации [4]. Это осложняет прямое экспериментальное определение энтальпии сублимации и свидетельствует о том, что в кристаллах сила межмо-лекулярного взаимодействия соизмерима с прочностью внутримолекулярных ковалентных связей [1, 5]. Поэтому определение ДНщы органических кристаллов не потеряло своей актуальности до сих пор. Методы оценки энтальпии сублимации сравнительно немногочисленны и ориентированы в основном на углеводороды, не содержащие атомов N и О [6, 7]. Имеющиеся теоретические подходы к оценке тепловых эффектов испарения твердых тел относятся преимущественно к идеальным моноатомным кристаллам.
В работе в качестве объекта исследования выбран алифатический дипептид DL-a-аланил-DL-a-валин. В центре внимания работы - исследование процесса перехода дипептида из твердой фазы в газообразное состояние, определение диапазона температур, в котором происходит сублимация препарата в виде мономерных молекулярных форм с целью получения энтальпийных характеристик сублимации и оценки энергии образования водородных связей между цвиттерионами в кристалле.
Экспериментальная часть
При исследовании термодинамики сублимации DL-a-аланил-DL-a-валин (DL-a-Ala-DL-a-Val) использован масс-спектрометрический метод в сочетании с эффу-зионным методом Кнудсена, реализованный на магнитном масс-спектрометре МИ 1201, модернизированном для термодинамических исследований, с диапазоном масс 2-1400 а.е.м., регистрируемые токи ионов вплоть до 1 • 10-12 А, энергия ионизирующих электронов - 50 эВ. Исследуемый образец малолетучего дипептида помещали непосредственно в молибденовую ячейку и испаряли его. Отношение площади открытого препарата к площади эффузионного отверстия составляло 1000. Исследования проводили в высоком вакууме (2 - 3 • 10-6 Па). Это обеспечивает минимальное столкновение исследуемых ионов с молекулами газа, что уменьшает потери ионов и предотвращает образование побочных продуктов [8, 9]. Для поддержания нужной температуры использовались две вольфрам-рениевые термопары ВР-5/20, одна из которых размещалась в области нагревателя, а другая непосредственно в стенке ячейки для измерения температуры эксперимента с погрешностью ±2,5 оС.
В работе применяли хроматографически гомогенное соединение фирмы Reanal (Венгрия): DL-a-аланил-DL-a-валин. Дипептид осушали под вакуумом при комнатной температуре непосредственно перед использованием.
Результаты и их обсуждение
Полученный масс-спектр электронного удара для исследуемого дипептида DL-a-Ala-DL-a-Val приведен на рис. 1. Выполнена его расшифровка, определен состав ионов, образующихся в масс-спектре в результате ионизации молекул.
Рис. 1. Масс-спектр DL-a-Ala-DL-a-Val при Т = 200 оС
Значения относительной интенсивности основных ионных токов для этого вещества при одной из температур представлены в табл. 1. Установлено, что в диапазоне температур 135 - 215 °С происходит сублимация DL-a-Ala-DL-a-Val в виде мономерных молекулярных форм. Показано, что фрагментация дипептидов и аминокислот носит сходный характер, причем идет с С-конца пептида с образованием иона СООН+ [8, 10, 11]. Основные направления разрыва связей главной пептидной цепи при электронном ударе исследуемого DL-a-Ala-DL-a-Val совпадают с указанными в работах для аминокислот и дипептидов [10, 12]. Установлено (рис. 1), что при температурах выше 190 °С в масс-спектре DL-a-Ala-DL-a-Val регистрируются ионы, масса которых превышает массу молекулярного. Этот факт, по-видимому, связан с процессами образования полипептидов, которые происходят в твердой фазе при достижении данной температуры [13].
Таблица 1
Масс-спектр молекул DL-a-Ala-DL-a-Val (Т=150оС, иион=50В)
т/е Молекулярная форма ї-отн^ %
45 СООН+ 100
73 №СН(СНз)СО+ 12
101 токнснсоон+ 6
114 М-[СНзСН(СНз)№]+ 6
130 М-[СНзСН(СНз)]+ 26
188 М+ 1
На основании экспериментальных данных построены температурные зависимости ионных токов исследуемого дипептида. Для определения энтальпии сублимации, исходя из измеряемых ионных токов, применялась процедура, в основе которой лежит уравнение изобары реакции [14] в виде:
1п(1Т) = -(ДН^Т) + С. (1)
Показано, что экспериментальные данные для DL-a-Ala-DL-a-Val успешно описываются линейной зависимостью 1п(1Т) = А(1/Т), по углу наклона которой находят ДНщь = -^а (рис. 2).
Рис. 2. Температурная зависимость произведения величины ионных токов и температуры для масс-спектра DL-a-Ala-DL-а-Уа!
1000/Т
В табл. 2 представлены полученные значения энтальпий сублимации исследуемого дипептида в интервале существования мономерных форм. Для экстраполяции энтальпий сублимации за пределы изученного температурного интервала необходимо учитывать зависимость ДН8иЬ от Т. Если известны теплоемкости твердой и газовой фаз (СрС1укЫ и Ср838), то стандартную энтальпию сублимации ДНкиЬ298 можно отнести к экспериментально измеренной при температуре Т энтальпии сублимации ДН8иЬТ с помощью уравнения Кирхгоффа [1, 7]:
ДН5иь298 = ДН8иьТ + /298Т(СрС^ы - Ср8а^Т. (2)
Авторами работы [3] показано, что наиболее подходящим является выражение, содержащее величину теплоемкости кристаллической фазы, поскольку тем самым учитываются особенности молекулярной структуры изучаемого соединения:
(Ср^ - Ср8-)[Т-298,15] = [0,75 + 0,15Ср,с1уйа1298][Т-298Д5] , (3)
где Ср,С1У81а1 298 может быть как экспериментальным, так и расчетным значением. Соотношение (3) справедливо в интервале температур Т = 200 - 500 К. Таким образом, расчет стандартной энтальпии сублимации DL-a-A1a-DL-a-Va1 проводился по уравнению (4):
ДН8иЬ298 « ДЦщьТ+[0,75 + 0,15Ср,Сгу8!а1298][Т-298,15]. (4)
Теплоемкость для исследуемого кристаллического дипептида измерена при 298,15 К [15] и приведена в табл. 2.
Таблица 2
Энтальпия сублимации алифатического дипептида
Дипептид ДНшь(ехр.), кДж/моль Техр., К с 298 '■“-/p,cryst ? Дж/(моль.К) [15] Д^иЬ298, кДж/моль Tdec, К
DL-a-Ala-DL-a-V аі 156±4 436 240 160±4 493
Как видно из табл. 2, разница между экспериментальными и стандартными значениями энтальпии сублимации невелика и сопоставима с погрешностью эксперимента.
Энтальпия сублимации дипептида имеет довольно большое значение по сравнению с неполярными органическими соединениями. Кристаллическая структура дипептида, имеющего характер биполярного иона, представляет собой упаковку цвиттер-ионов с водородными связями [16]. Структура DL-a-Ala-DL-a-Val представлена на рис. 3, а упаковка молекул в кристалле - на рис. 4.
Рис. 3. Структура DL-a-Ala-DL-a-Val
Рис. 4. Упаковка кристалла DL-a-Ala-DL-a-Val
Исследуемый дипептид DL-a-Ala-DL-a-Val преимущественно ориентирован группами RCOO'^N+HзR. Таким образом, каждый цвиттер-ион в элементарной ячейке кристалла
связан с соседними цвиттер-ионами за счет водородных связей. Расчет энергии водородной связи между молекулами в кристалле проводился по формуле [11, 16]:
EHB = DHB-[5(rto/rDA)12 — 6(Гйъ/ rDA)1O]'COS4(0DHA), (5)
где Dhb = 9,5 ккал/моль - глубина равновесного парного потенциала при образовании водородной связи в димере H2O; rhb = 2,75 A; rDA, 0dha - расстояние и угол между атомом донора и акцептора, соответственно. Расстояние между атомом донора (N) и акцептора (О) и угол 0dha взяты из Cambridge Structural Database (CSD). Рассчитанные значения энергии водородной связи приведены в табл. 3.
Таблица 3
Структурные и энергетические параметры водородной связи в кристалле DL-a-Ala-DL-a-Val
Дипептид Угол eDHA, о Расстояние Гна, А Расстояние rDA, А Энергия водородной связи EHB, кДж/моль
DL-a-Ala-DL-a-Val 153,51 1,945 2,768 - 25,04
Таким образом, показана возможность применения масс-спектрометрии в сочетании с эффузионным методом Кнудсена к изучению сублимации низколетучих и термонестабильных дипептидов. Получены масс-спектры электронного удара для DL-a-аланил-DL-a-валина. Определен диапазон температур 135 - 190 °С, в котором происходит сублимация DL-a-Ala-DL-a-Val в виде мономерных молекулярных форм. Установлено, что при температурах выше 190 °С в масс-спектрах DL-a-Ala-DL-a-Val регистрируются ионы, масса которых превышает массу молекулярного. Этот факт, по-видимому, связан с процессами образования полипептидов, которые происходят в твердой фазе при достижении данной температуры. Определены энтальпии сублимации мономерных форм дипептида; осуществлено их приведение к стандартным значениям при Т = 298 К. Показано, что молекулы DL-a-Ala-DL-a-Val в кристаллической ячейке преимущественно ориентированы группами ЯСОО".. №Н3К, и следовательно, каждый цвиттер-ион в элементарной ячейке кристалла связан с соседними цвиттер-ионами за счет водородных связей. Проведен расчет структурных и энергетических параметров водородных связей в дипептиде DL-a-Ala-DL-a-Val. Полученные результаты свидетельствуют о том, что довольно высокое значение энтальпии сублимации дипептида по сравнению с органическими молекулярными веществами обусловлено вкладами от электростатических взаимодействий между цвиттер-ионами и наличием водородных связей в кристалле.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 07-03-00369).
Список литературы
1. КемпбелДж. Современная общая химия. М. : Мир, 1975. Т. 3.
2. Биологически активные вещества в растворах: структура, термодинамика, реакционная способность / под ред. А. М. Кутепова. М. : Наука, 2001. 403 с.
3. Chickos J. S., Acree Jr. W. E. // J. Phys. Chem. Ref. Data. 2002. Vol. 31. № 2.
P. 537 -702.
4. De Kruif C. G., Voogd J., Offringa J. C. A. // J. Chem. Thermodyn. 1979. Vol. 11. P. 651 - 656.
5. Коттерел Т. Прочность химической связи. М. : Иностр. лит-ра, 1956.
6. Арнаутова Е. А., Захарова М. В., Пивина Т. С. и др. // Изв. РАН. Сер. хим. 1996.
№ 12. С. 2872 - 2881.
7. Бредшнайдер С. Свойства газов и жидкостей. М. ; Л. : Химия, 1966. Гл. V.
С.162 - 165.
8. Методы практической биохимии / под ред. Б. Уильямса, К. Уилсона. М. : Мир, 1978. 273 с.
9. Вульфсон Н. С., Заикин В. Г., Микая А. И. Масс-спектрометрия органических соединений. М. : Химия, 1986. 312 с.
10. Якубке Х. -Д., Ешкайт Х. Аминокислоты, пептиды, белки: пер. с нем. М. : Мир, 1985. 456 с.
11. Пелипец О. В. Исследование термодинамики испарения ErCl3, EuBr2 и EuCl2 и строения молекулярных форм по данным высокотемпературной масс-спектрометрии и газовой электронографии : Дисс. ... канд. хим. наук, Иваново : ИГХТУ, 2000. 140 с.
12. Овчинников Ю. А. Биоорганическая химия. М. : Просвещение, 1987. 815 с.
13. ПлеменковВ. В. Введение в химию природных соединений. Казань, 2001. 376 с.
14. Пентин Ю. А., Вилков Л. В. Физические методы исследования в химии. М. : Мир, 2006. 683 с.
15. Badelin V. G., Kulikov O. V., Vatagin V. S. et al. // Thrmochim. Acta. 1990. Vol. 169. P. 81 - 93.
16. Молекулярные структуры. Прецизионные методы исследования: пер. с англ. / под ред. А. Доиеникано, И. Харгиттаи. М. : Мир, 1997. 671 с.
Поступила в редакцию 17.09.2009 г.
