CC BY
111
ароматических азосоединений // Успехи химии. 1972. Т. 41, № 2. С. 177-202.
10. Амелин В. Г., Иванов В. М., Свистунова Т. П. Влияние ПАВ на комплексообразование циркония и вольфрама с и-нитробензолазопирокатехином // Журн. аналит. химии. 1989. Т. 44, № 5. С. 866-872.
11. Reeves R. L., Kaiser R. S. Selective solvation of hydrophobic ions in structured solvents. Azo-hydrazone tautomerism of azo dyes in aqueous organic solvents // J. Org. Chem. 1970. Vol. 35, № 11. P. 3670-3675.
12. Ball P., Nicholls C. H. Azo-hydrazone tautomerism of hydroxylazo compounds - A review // Dyes Pigm. 1982. Vol. 3. P. 5-26.
13. Штыков С. Н., Окунев А. В., СафароваМ. И. Тауто-мерное равновесие сульфопроизводных 4-фенилазо-1-нафтола в мицеллярных растворах Бридж-35 и Тритона Х-100 // Журн. аналит. химии. 2003. Т. 58, № 11. С. 1154-1160.
14. Unal A., Eren B., Eren E. Investigation of the azo-hydrazone tautomeric equilibrium in azo dye involving the naphthalene moiety by UV-vis spectroscopy and quantum chemistry // J. Mol. Struct. 2013. Vol. 1049. P. 303-309.
15. Лернер И. М., Берлин А. И., Славачевская Н. М. Указатель препаративных синтезов органических соединений. Л. : Химия, Ленингр. отд-ние, 1973. 344 с.
УДК (539.193/.194 + 541.6) : 577.112.386.2
КВАНТОВОХИМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРИРОДЫ ИНТЕРМЕДИАТА И РЕГИОСЕЛЕКТИВНОСТИ ГОМОЛИТИЧЕСКОГО ОКИСЛИТЕЛЬНОГО СОЧЕТАНИЯ L-ЦИСТЕИНА
А. Н. Панкратов1, О. М. Цивилева2, О. А. Цымбал1, Л. А. Белова1
Саратовский государственный университет E-mail: PankratovAN@info.sgu.ru 2Институт биохимии и физиологии растений и микроорганизмов РАН, Саратов E-mail: tsivileva@ibppm.sgu.ru
Предпринято квантовохимическое обоснование природы ин-термедиата (тиильный радикал) и региоселективности (S,S-сочетание) реакции гемолитической окислительной димериза-ции /.-цистеина с образованием /.-цистина. Протеканию реакции не препятствует электростатический фактор. Ключевые слова: цистеин, гемолитическое окислительное сочетание, интермедиат, региоселективность, спиновая плотность, электростатический фактор, квантовохимическое исследование.
A Quantum Chemical Substantiation of the Intermediate Nature and Regioselectivity of Homolytic Oxidative Coupling of L-cysteine
A. N. Pankratov, O. M. Tsivileva, O. A. Tsymbal, L. A. Belova
A quantum chemical substantiation of the intermediate (thiyl radical) nature and reaction regioselectivity (S,S-coupling) of the /-cysteine homolytic oxidative dimerization resulting by the /-cystine formation has been carried out. The electrostatic factor does not prevent the reaction occurrence.
Key words: cysteine, homolytic oxidative coupling, intermediate, regioselectivity, spin density, electrostatic factor, quantum chemical investigation.
Z-Цистеин H2NCH(CH2SH)COOH и Z-цистин HOOCCH(NH2)CH2SSCH2CH(NH2)COOH явля-
ются условно незаменимыми (эссенциальными) а-аминокислотами живых организмов, располагающихся на разных ступенях эволюции [1-3]. Редокс-пары типа дисульфид - тиол (меркаптан, тиоспирт) [1-4]
RSSR + 2H+ + 2е
2RSH
играют огромную роль в живои природе (взаимопревращение ¿-цистин - ¿-цистеин [1-3], редокс-процессы с участием глутати-она (у-глутамилцистеинилглицина) [1-3], а-липоевои (тиоктовои) кислоты (тиоктацида)), в химии хелатообразующих аналитических реагентов - тиогликолевой (меркаптоуксусноИ) кислоты Н8СН2С00И [5], 8-меркаптохино-лина (хинолин-8-тиола, тиооксина) [5-7] и др. ¿-Цистеин, глутатион, 2-меркаптоэтила-мин (2-аминоэтантиол, 2-аминоэтилмеркап-тан, тиоэтаноламин, цистеамин, меркамин) НБС^С^К^, его окисленный димер бис-(2,2'-аминоэтил)дисульфид (бис-(Р-аминоэтил)ди-сульфид, цистамин) Н2КСН2СН28БСН2СН2КН2 и другие серусодержащие соединения являются радиопротекторами [8-11].
Тиофенол (бензолтиол, меркаптобензол, фенилмеркаптан, фенилтиол) C6H5SH и его производные находят применение в синтезе лекарственных препаратов, пестицидов, красителей, полимеров, ингибиторов радикальных реакций, стабилизаторов и других добавок к синтетическим каучукам [12], важны как модельные вещества для изучения кислотно-основных [13], окислительно-восстановительных и других свойств различных ароматических и гетероароматических тиолов.
Селен - жизненно важный микроэлемент с уникальными биологическими функциями; его соединения обладают широким спектром биологического действия [14]. В наноразмерном состоянии селен является многообещающей платформой для адресной доставки инкапсулированных лекарственных веществ непосредственно во внутриклеточное пространство, позволяющей значительно уменьшить концентрацию препарата без снижения его эффективности, без повреждения здоровых тканей и органов.
Вероятно, в культурах микроорганизмов элементный селен образуется в результате взаимодействия его соединения с остатками L-цистеина [15]. В связи с этим с помощью методов визуального наблюдения и фотографической регистрации, рентгенофазового анализа, ВЭЖХ, КР, ЯМР 1H, энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии, сканирующей электронной микроскопии, квантовой химии (DFT на уровне B3LYP/6-311++G(d,p)) нами было изучено биоподобное взаимодействие 1,5-дифенилселенопентандиона-1,5 (диацето-фенонилселенид, бис(бензоилметил)селенид, препарат ДАФС-25) C6H5COCH2SeCH2COC6H5 со стехиометрическим и избыточным количеством L-цистеина в водных растворах различной кислотности. В ходе реакции in vitro органический селенид (0.5 г на 50 мл растворителя) количественно подвергается деструкции до метилфенилкетона (ацетофенон) С6H5COCHз, селен восстанавливается до элементного состояния, а L-цистеин окисляется до L-цистина. Первоначально образующийся красный селен переходит в термодинамически более устойчивую кристаллическую серую аллотропную модификацию. Если в гетерогенной реакционной системе объем буферного раствора увеличить в 20 раз, то образуется микрогетерогенный раствор и/или взвесь красного селена. В случае генезиса элементного селена в грибных культурах последний отлагается на гифах мицелия также в красной форме.
Превращение L-цистеина в L-цистин - один из многочисленных примеров реакций гемолитического (радикального) окислительного сочетания (димеризации) ([4, 16-18] и др.).
Проблема объяснения направления протекания реакций окисления L-цистеина до L-цистина (не только диацетофенонилселе-нидом, но и другими окислителями, а также в электрохимическом, радиационно-химическом и иных вариантах) актуальна для предсказания химического, электрохимического поведения, устойчивости к действию ионизирующих излучений, радиопротекторной активности названных выше и других ключевых для химии и биохимии редокс-систем дисульфид - тиол.
Цель настоящей работы - квантовохими-ческое обоснование природы интермедиата и региоселективности реакции гомолитического окислительного сочетания L-цистеина.
Методология теоретического исследования
Квантовохимические расчеты проводили гибридным методом теории функционала плотности (DFT) [19-22] по программам пакета Gaussian 03W [23] аналогично тому, как это реализовано в работах, цитируемых в [16]. В рамках SCF использован гибридный функционал B3LYP, сочетающий трехпараметровый обменный функционал Бекке [24, 25] и кор -реляционный функционал Ли - Янга - Парра (LYP) [26]. Расчеты осуществляли с использованием критерия сходимости «tight» [26, 27]. Взят достаточно широкий базисный набор 6-311++G(3df,3pd) [28, 29]. Для корректного учета неподеленных электронных пар в изученных молекулярных системах включены диффузные функции. В гармоническом приближении рассчитывались частоты колебаний для оценки энергии нулевых колебаний, которые были включены во все величины относительной энергии. Все равновесные структуры без мнимых частот отвечают точкам минимумов на поверхностях потенциальной энергии. Ус -ловие сходимости по RMS-матрице плотности составляло Г10"8 в течение 200 итерационных циклов, по MAX-матрице плотности - Г10_6, по энергии - 1-10"6 а.е. Начальная геометрия генерировалась по программам пакета HyperChem [HyperChem (TM), Hypercube, Inc., Gainesville, Florida 32601, U.S.A.] и оптимизировалась методом PM3 [30, 31]. Анализ натуральных связевых орбиталей (NBO-анализ) [32-35] проводили по программе NBO 3.1 [35].
го, электронного строения и частот колебаний молекул и катион-радикалов Z-цистеина и объекта сравнения - молекулы сероводорода H2S (табл. 1).
Таблица 1
Длина, натуральный порядок (индекс К. Б. Уайберга) и частоты валентных колебаний связей S-H, рассчитанные на уровне теории B3LYP/6-311++G(3f,3pd) и UB3LYP/6-311++G(3f,3pd)
R = CH(NH2)(COOH)CH2
Результаты и их обсуждение
Для обсуждения природы возможного интермедиата димеризации Z-цистеина мы произвели квантовохимические расчеты пространственно-
Молекулярная система Длина связи, Â Натуральный порядок связи Частоты, см 1
расчет эксперимент [40]
H2S 1.342 1.335 0.987 2705; 2692
H2S*+ 1.363 - 0.244 2571; 2568
RSH 1.343 1.329 + 0.005* 0.766 2678
RSH*+ 1.349 - 0.241 2646
Примечание. *Среднее значение, основанное на определении длины подобных связей во многих родственных молекулах.
а-Аминокислоты в кристаллах ([36-39] и др.) и в водных растворах [2, 3] существуют в виде цвиттер-ионов. Тем не менее мы рассматривали аминокислоты в молекулярной форме, поскольку: 1) это более адекватная модель аминокислотного звена в полипептидной цепи;
2) многие биохимические процессы [1-3], в том числе включающие усвоение селена, протекают в липофильных, а не водных, средах;
3) при газофазных квантовохимических ab initio и DFT расчетах биполярные структуры в ходе оптимизации геометрии перегруппировываются в молекулярные формы.
Расчеты показали, что молекула и катион-радикал сероводорода имеют точечную группу симметрии C2V, молекула и катион-радикал Z-цистеина - группу Cv Как для сероводорода, так и для Z-цистеина при удалении электрона длина связи S-H остается почти неизменной, в то время как резко снижается ее натуральный порядок (индекс К. Б. Уайберга) и уменьшается частота валентного колебания.
Первоначально можно предположить следующие полуреакции с участием Z-цистеина
(R = CH(NH2)(COOH)CH2):
RSH RS" + H+ (1)
RSH ^ RSH*+ + е (2)
RSH*+ ^ RS* + H+ (3)
RS" ^ RS* + е (4)
2RSH*+ RSSR + 2H+ (5)
2RS* ^ RSSR (6)
Процессы (1) и (3) являются протолитиче-скими, (2) и (4) - окислительно-восстановительными, (5) и (6) - рекомбинационными.
Известно [41-45], что катион-радикал сероводорода является сверхкислотой (суперкислотой) [7, 46-49]. Близкая степень разрыхленности связи S-H в катион-радикалах сероводорода и Z-цистеина позволяет сделать вывод о сверхкислотном характере катион-радикала Z-цистеина даже безотносительно к реакционной среде. Это не противоречит эксперименту: очень часто депротонирование катион-радикалов не зависит от кислотности среды и может протекать даже в сильных кислотах [43]. Сказанное безусловно справедливо для катион-радикала H2S*+ сероводорода (значение pKa « -23) [41-45] и сопоставимого с ним по кислотности (по данным наших расчетов) катион-радикала Z-цистеина.
Таким образом, катион-радикал Z-цистеина RSH*+ (R = CH(NH2)(COOH)CH2) отщепляет протон (полуреакция 3), и в реакцию гемолитической димеризации вступает электронейтральный тиильный радикал RS*. Сверхкислотный [7, 46-49] характер катион-радикала Z-цистеина исключает стадию (5).
В середине 1980-х - начале 1990-х гг. было показано, что региоселективность реакций гемолитической окислительнгой и восстановительной димеризации (сочетания) органических соединений различных классов управляется спиновой плотностью на атомах в реакционных интермедиатах (электронейтральных радикалах, катион-радикалах, анион-радикалах), рассчитанной ab initio, DFT и полуэмпирическими методами квантовой химии.
Сформулированы общие тенденции распределения спиновой плотности в радикальных и ион-радикальных интермедиатах и закономер-
ности, регулирующие реакционную способность и региоселективность гемолитического (окислительного и восстановительного) сочетания органических соединений различных классов. Для объяснения и предсказания направлений указанных реакций апробировано квантовохимическое рассмотрение с позиций анализа кинетического (включая спиновую плотность), термодинамического, стерического факторов ([16-18] и др.).
В числе решенных проблем этим же автором в указанный период отмечена химическая неэквивалентность ароматических колец в катион-радикалах замещенных соединений рядов дифениламина (Сб^^КН и трифенила-мина (Сб^^К с точки зрения распределения спиновой плотности, обоснованы направления гомолитического окислительного сочетания незамещенных и замещенных соединений названных рядов и их гетероциклических аналогов (карбазол, акридан, акридон, феноксазин, фено-тиазин). Проанализировано влияние строения реакционного центра, состояния неподеленной электронной пары аминного атома азота (см. [16-18] и библиографию этих работ), а также (совместно с профессором С. П. Муштаковой и профессором, членом-корреспондентом РАН Л. А. Грибовым) роль дальнодействующих сил (электростатический потенциал молекул) на протолитические и окислительно-восстановительные свойства аминосоединений [50].
Впоследствии найдены корреляции окислительно- восстановительного потенциала диариламинов с первым потенциалом ионизации и на этой основе создана методология прогноза селективности аналитических редокс-реагентов, а также выведены количественные соотношения, связывающие величины рКа, характеризующие протонирование аминов по азоту и диссоциацию карбоксизамещенных реагентов по СООН-группе, со сродством к протону дифениламинов и СОО"-содержащих анионов, и выражения для более точной по сравнению с прямым квантовохимическим расчетом оценки дипольного момента молекул [51,
52]. Обосновано строение продукта окисления дифениламина [53].
Спиновая плотность (р спин) [54-57] на атоме серы в тиильном интермедиате ЯБ*, рассчитанная нами на уровне теории ИБ3ЬУР/ 6-311++G(3flf,3prf), составляет 0.980. На всех атомах С, К, О абсолютная величина рспин не выше 0.08. На атомах С, К, О, несущих избыток спиновой плотности, значение рспин не превышает 0.04.
Как видно, спиновая плотность в основном сосредоточена на атоме серы. Тем самым подтверждается радикальный механизм окисления ¿-цистеина и объясняется факт окислительного сочетания ¿-цистеина по атому серы.
Волновая функция в неограниченном методе Д. Р. Хартри - В. А. Фока [54, 55, 58], используемом для расчета спиновой плотности, не является собственной функцией оператора 5 2 и содержит примесные компоненты высших мультиплетностей. Для устранения спин-контаминации волновой функции при кван-товохимических расчетах нами использована процедура спин-аннигиляции [55]. В результате полный спин 512 после аннигиляции для радикалов ЯБ* (Я = СН(КН2)(С00Н)СН2) и ЯСОО* (Я = СН(КН2)СН2БН) составил 0.7500, что точно совпадает с величиной для чистого дублетного состояния, характерного для радикальных частиц с одним неспаренным электроном.
Последнее свидетельствует о том, что спиновая плотность как индекс реакционной способности применена корректно, как и в предыдущих исследованиях [4, 16-18]. Впрочем, названный индекс доказал свою предсказательную силу даже в тех случаях, когда чистота спинового состояния не обеспечена [59].
В молекуле и катион-радикале ¿-цистеина карбоксильная группа СООН обладает более выраженными кислотными свойствами по сравнению с тиольной БН. Это следует хотя бы из известных данных о сравнительной кислотности СООН- и БН-групп [60, 61]. В катион-радикале ¿-цистеина СООН-группа должна, подобно тиольной, являться сверхкислотной (табл. 2).
Таблица 2
Длина, натуральный порядок (индекс К. Б. Уайберга) и частота валентного колебания связи O-H, рассчитанные на уровне теории B3LYP/6-311++G(3d/¡3prf) и UB3LYP/6-311++G(3d/¡3pd)
R = CH(NH2)CH2SH
Молекулярная система Длина связи, А Натуральный порядок связи Частота, см 1
расчет эксперимент [40]
ЯСООН 0.968 0.97 + 0.01* 0.740 3744
ЯСООН^ 0.971 - 0.179 3719
Примечание. *Среднее значение, основанное на определении длины подобных связей во многих родственных молекулах Я'ОН, где Я' означает самые различные органические и неорганические структурные группы.
В ходе оптимизации геометрии возможного на первый взгляд радикала H2NCH(CH2SH) COO*, полученного удалением электрона из дис-
социированного по СООН-группе ¿-цистеина Н^МСЩСНзБНЮОО-, происходит элиминирование молекулы оксида углерода (IV) СО2 (рис. 1).
Рис. 1. Натуральный заряд на атомах в молекулярной системе, образующейся в результате оптимизации геометрии начального приближения радикала ЯСОО*
(Я = СН(ЫН2)СН2ВН)
В равновесном комплексе СО2-"*СН(КН2) С^-'БН молекула СО2 геометрически почти сформирована.
Длина обеих связей С'"О составляет 1.1591.160 А, что согласуется с экспериментом [62] для молекулы оксида углерода (IV) - 1.162 А. Валентный угол СОС, равный 178.6°, почти не отличается от экспериментального значения 180°, отвечающего линейной молекуле [62].
Расстояние между метиновым атомом углерода и углеродным атомом фрагмента СО2 составляет 3.389 А. Валентный угол КС(метиновый)С(СО2) равен 104.5°, валентные углы С(метиновый)С(СО2)О(СО2) 89.2° и 92.2° соответственно с ближайшим к азоту и более от него удаленным кислородными атомами; фрагмент СО2 перпендикулярен оси С(метиновый)С(СО2). Двугранные (торсионные) углы КС(метиновый)С(СО2)О(СО2) с участием перечисленных в том же порядке атомов кислорода имеют величины -3.5° и 176.6°, то есть взаимное расположение связи К-С(метиновый) и одной из связей С'"О практически отвечает заслоненной конформации.
КРЛ-Заряд на атоме углерода СО2-подсистемы равен 1.018, на атомах кислорода (в обозначенной выше последовательности) -0.517 и -0.510. Суммарный натуральный заряд составляет -0.009, натуральный порядок связей С'"О
(упоминаемых в том же порядке, что и О-атомы) 0.470 и 0.472. Значимых величин спиновой плотности на атомах С и О не отмечается.
Для сравнения приведем рассчитанные нами характеристики для изолированной молекулы СО2: в линейной молекуле длина связи С=О 1.159 А, натуральный заряд на атоме углерода 1.017, на атомах кислорода -0.5085, натуральный индекс К. Б. Уайберга С=О-связей 1.886.
Существенное отличие фрагмента СО2 в составе молекулярной системы СО2-"*СН(КН2) С^-'БН от индивидуальной молекулы оксида углерода(^) состоит лишь в натуральном порядке связи углерод-кислород: если в молекуле СО2 связь С=О типично двойная, то в уходящей СО2-подсистеме комплекса не возникло даже одинарной.
Связывание между атомами углерода мети-новой группы СН и подсистемы СО2 в комплексе СО2'"*СН(ЫН2)СН2'"8Н практически отсутствует (натуральный порядок 0.0003, по сути, нулевой), так что можно констатировать тенденцию к необратимому декарбоксилированию.
Налицо пространственные условия, благоприятствующие образованию связи между углеродным атомом метиленовой группы СН2 и атомом серы: соответствующее расстояние С-Б равно 1.898 А в системе СО2"*СН(КН2)СН2-БН и 1.836 А в молекуле ¿-цистеина. Связь Б-Н
имеет длину 1.342 А в комплексе и 1.343 А в молекуле; валентный угол СБН в названных молекулярных системах - 95.5° и 95.7° соответственно. Средние экспериментальные значения, основанные на определении параметров подобных связей и углов во многих родственных молекулах, представлены величинами 1.817 ± ± 0.005 А (С-Б в Я2Б), 1.329 ± 0.005 А (Б-Н в ЯБН) и 100° (СБН в ЯБН). Здесь символ Я использован для иллюстрации координации (валентности) рассматриваемых атомов и означает самые разные структурные группы - органические и неорганические. Результаты квантовохимиче-ских расчетов обсуждаемых пространственных характеристик молекулы ¿-цистеина согласуются также с данными рентгеноструктурного [37, 38] и нейтронографического [39] анализа. В частности, для длины связи С-Б в кристаллической структуре ¿-цистеина приводятся значения 1.86 и 1.77 А в двух независимых молекулах [37]; связь Б-Н имеет длину 1.45 и 1.36 А в цвит-тер-ионах ^К+СЩС^БЩСОО" ¿-цистеина, участвующих в межмолекулярных водородных связях Б-Н^Б и Б-Н'О соответственно [39]. Величины геометрических параметров системы СО2"'*СН(КН2)СН2-"8Н близки к таковым для молекулы ¿-цистеина. В то же время натуральный индекс К. Б. Уайберга составляет 0.242 в комплексе (имеется лишь некоторое связывание) и 1.012 в молекуле (одинарная связь сформирована). На атоме серы в комплексе СО2"*СН(КН2) СН2"8Н сосредоточен небольшой избыток (0.146) спиновой плотности. Главным образом (0.803) спиновая плотность локализована на метиновом атоме углерода.
Тенденция к элиминированию оксида углерода (IV) СО2 присуща не только ¿-цистеину, то есть не связана лишь с наличием в молекуле БН-группы. Наши расчеты показывают спонтанный выброс небольшой устойчивой молекулы СО2 также радикалами Н^СЩСН^СОО*, ^КС^СОО* ¿-2-аминопропановой кислоты (¿-аланин) Н2КСН(СН3)С00Н и аминоуксусной кислоты (глицин, гликокол) ^КС^СООН.
Гибридный характер ББТ (наличие полуэмпирической составляющей) в ряде случаев приводит к непредсказуемому асимптотическому поведению адиабатического потенциала при большом межъядерном расстоянии. Поэтому не следует переоценивать точность расчета представленных выше расстояний между валентно не связанными (С(СН) и С(СО2)) и слабосвязанными (С(СН2) и Б) атомами и, как следствие, соответствующих характеристик связывания
(значений натурального порядка связей С(СН)" С(СО2) и С(СН2)"8). В то же время, поскольку в качестве начального приближения геометрии до ББТ-оптимизации была взята пространственная структура радикала Н^СЩСН^ЩСОО* с нормальными значениями длины связей, направление (отщепление молекулы СО2) и необратимый характер распада названного гипотетического радикала ББТ-расчет передает верно.
Возможность отрыва молекулы СО2 от СОО*-радикала ¿-цистеина подтверждается данными литературы. Известен [63, 64] подобный распад катион-радикала фенилуксусной (-толуи-ловой) кислоты С6Н5СН2СООН:
с6н5сн2соон*+ ^ с6н5сн2* + СО2Т + Н+.
При облучении глицина ^КС^СООН рентгеновскими лучами, а-частицами и дейтронами основными конечными продуктами, образующимися, по-видимому, только при растворении или другом размягчении кристалла, являются метиламин СН3КН2 и оксид углерода (IV) СО2 [8]:
Н2КСН2СООН ^ СН3КН^ + со21
В результате рентгеновского облучения ¿-цистеина в сухом состоянии он декарбокси-лируется, давая цистеамин НЗС^СНКН [8]:
Н2ксн(сн2бн)с00н ^ нбсн2сн2кн2 + СО21
На основе результатов квантовохимического рассмотрения можно представить альтернативное упомянутому выше гипотетическое направление окислительного превращения ¿-цистеина (Я = СН(КН2)СН2БН) (без учета дальнейшей трансформации радикала Я*, в том числе ди-меризации и других гомолитических процессов с участием метинового атома углерода, и маловероятного отщепления сульфгидрильного радикала *БН с последующим его участием в радикальных стадиях; ЯСОО* представляет собой С02"*СН(КН2)СН2"БН):
ясоон
ЯСОО" + Н+
ясоон ^ ЯСООН*+ + ё ясоон*+ ^ ясоо* + н+
ЯСОО"
ЯСОО* + ё
ЯСОО* ^ Я* + со2Т
Однако в ходе экспериментального исследования (ВЭЖХ, ЯМР 1Н) в реакционных смесях взаимодействия диацетофенонилселенида с ¿-цистеином нами не обнаружено цистеамина НЗС^С^К^, который мог бы образоваться путем захвата атома водорода Н* радикалом *СН(КН2)СН2БН, продуктов сочетания с уча-
стием указанного радикала, а также этиламина СНзСБ^КБ^, аминоэтена (виниламин) СБ^СН-(в форме выпадающего в осадок полимера), других возможных продуктов деструкции системы С02-"*СН(КН2)СН2"-8Н и гемолитических превращений ее осколков; предполагаемые интермедиа™ С02"'СН(КН2)СН2"8Н, *СН(КН2) СН2БН, *БН не вовлечены в реакцию органического селенида с ¿-цистеином.
По-видимому, в сверхкислотном [7, 46-49] катион-радикальном состоянии протогенная сила группы БН сопоставима с протонодонорной способностью группы С00Н. Об этом косвенно свидетельствует соразмерный характер резкого снижения натурального индекса К. Б. Уайберга связей Б-Н и 0-Н при переходе от молекул к катион-радикалам (см. табл. 1 и 2). При этом более высокая степень локализации (0.980) спиновой плотности на атоме серы в тиильном радикале
Н2КСН(СН28*)С00Н по сравнению со степенью ее сосредоточения (0.803) на метиновом атоме углерода комплекса С02'"*СН(КН2)СН2'"8Н может обеспечивать более высокую скорость димеризации тиильного радикала по Б-центру и, следовательно, селективность участия именно тиильного интермедиата в окислительном сочетании ¿-цистеина.
Итак, по данным проведенных квантовохи-мических расчетов, согласующихся с данными литературы [1-3] и наших экспериментов, единственным направлением окислительной димеризации ¿-цистеина является Б,8-сочетание с образованием ¿-цистина.
Протеканию реакции окислительного Б,8-сочетания тиильного радикала ЯБ* (Я = = СН(КН2)(С00Н)СН2) способствует сравнительно небольшой натуральный положительный заряд на атоме серы (рис. 2, а). Для
б
Рис. 2. Натуральный заряд на атомах в тиильном радикале (а) и катион-радикале (б) ¿-цистеина по данным иВ3ЬУР/6-311++0(3^/",3р^)-
расчетов
гипотетической стадии димеризации катион-радикала RSH*+ влияние электростатического фактора было бы не столь благоприятным (рис. 2, б).
Заключение
На уровне B3LYP/6-311++G(3d/,3pd) рассчитана пространственная и электронная структура молекулы и катион-радикала L-цистеина. Катион-радикал является сверхкислотой. Интер-медиат реакции сочетания L-цистеина - электронейтральный тиильный радикал, на основе распределения спиновой плотности на атомах в котором обосновано направление гемолитической окислительной димеризации L-цистеина с образованием дисульфида - L-цистина. Протеканию реакции S^-сочетания не препятствует электростатический фактор.
Список литературы
1. Янг Л., Моу Дж. Метаболизм соединений серы / пер. с англ. Е. В. Горяченковой ; под ред. и с предисл. С. Я. Капланского. М. : Изд-во иностр. лит., 1961. 196 с. (YoungL., Maw G. A. The Metabolism of Sulphur Compounds. L.: Methuen & Co Ltd; N.Y. : John Wiley & Sons, Inc., 1958).
2. Общая органическая химия / под ред. Д. Бартона, У. Д. Оллиса. Т. 10. Нуклеиновые кислоты, аминокислоты, пептиды, белки / Е. Хаслам, Г. М. Блэкборн, Р. Т. Уокер, Д. В. Хатчинсон, П. М. Харди, Д. Т. Элмор, Б. К. Бикрофт, Г. Лоу, Р. С. Шепард, Дж. С. Баррет, А. Дж. Кирби, Г. К. С. Вуд, Б. Т. Голдинг; под ред. Е. Хаслама; пер. с англ. В. И. Бетанели, А. А. Коста, С. Н. Кочеткова; под ред. Н. К. Кочеткова, М. А. Чле-нова. М. : Химия, 1986. 704 с. (Comprehensive Organic Chemistry. The Synthesis and Reactions of Organic Compounds / D. Barton, W. D. Ollis, Chairman and Deputy Chairman of the Editorial Board. Vol. 5. Biological Compounds / ed. by E. Haslam. Oxford ; N.Y. ; Toronto; Sydney; P.; Frankfurt : Pergamon Press, 1979).
3. Алейникова Т. Л., Авдеева Л. В., Андрианова Л. Е., Белушкина Н. Н., Волкова Н. П., Воробьева С. А., Голенченко В. А., Губарева А. Е., Корлякова О. В., Лихачева Н. В., Павлова Н. А., Рубцова Г. В., Силаева С. А., Силуянова С. Н., Титова Т. А. Биохимия / под ред. Е. С. Северина. М. : ГЭОТАР-Медиа, 2006. 784 с.
4. Панкратов А. Н. Избранные главы электрохимии органических соединений. Ионные жидкости. Саратов : Изд-во Сарат. ун-та, 2011. 132 с.
5. Коренман И. М. Органические реагенты в неорганическом анализе. М. : Химия, 1980. 448 с.
6. БанковскийЮ. А. Химия внутрикомплексных соединений меркаптохинолина и его производных. Рига : Зинатне, 1978. 488 с.
7. Панкратов А. Н. Кислоты и основания в химии. Саратов : Изд-во Сарат. ун-та, 2006. 196 с.
8. Своллоу А. Радиационная химия органических соединений / пер. с англ. И. В. Верещинского, В. А. Крон-гауза, В. Д. Орехова; под ред. В. Л. Карпова. М. : Изд-во иностр. лит., 1963. 408 с. (Swallow A. J. Radiation Chemistry of Organic Compounds. Oxford; L.; N.Y.; P. : Pergamon Press, 1960).
9. Нанобашвили Е. М., Чиракадзе Г. Г., Симонид-зе М. Ш., Бахтадзе И. Г., Иваницкая Л.В. Радиолиз сернистых соединений : в 2 ч. Тбилиси : Мецниереба, 1967. Ч. 1. 148 с.
10. БяковВ. М., Ничипоров Ф. Г. Внутритрековые химические процессы. М. : Энергоатомиздат, 1986. 152 с.
11. Пикаев А. К. Современная радиационная химия. Радиолиз газов и жидкостей / отв. ред. В. И. Спицын. М.: Наука, 1986. 440 с.
12. Химическая энциклопедия / гл. ред. Н. С. Зефиров; зам. гл. ред. Н. Н. Кулов. М. : Большая рос. энцикл., 1995. Т. 4. 639 с.
13. Панкратов А. Н., Шалабай А. В. Квантовохимическая оценка протолитических свойств тиофенолов // Журн. структур. химии. 2004. Т. 45, № 5. С. 800-806.
14. Schrauzer G. N. Nutritional Selenium Supplements : Product Types, Quality, and Safety // J. Amer. College of Nutrition. 2001. Vol. 20, № 1. P. 1-4.
15. Torres S. K., Campos V. L., León C. G., Rodríguez-Llamazares S. M., Rojas S. M., González M., Smith C., Mondaca M. A. Biosynthesis of Selenium Nanopar-ticles by Pantoea agglomerans and Their Antioxidant Activity // J. of Nanoparticle Research. 2012. Vol. 14, № 11. P. 1-9.
16. Pankratov A. N. Electronic Structure and Reactivity of Inorganic, Organic, Organoelement and Coordination Compounds: An Experience in the Area of Applied Quantum Chemistry // Quantum Chemistry Research Trends / J. S. M. Anderson, S. Tolosa Arroyo, P. W. Ayers, J. C. Cesco, A. L. A. Fonseca, A. Hidalgo García,
C. Kozmutza, J. A. Sansón Martín, R. D. Muhandiramge,
D. L. Nascimento, F. S. Ortiz, A. N. Pankratov, J. E. Pérez, M. V. Putz, J. I. Rodriguez, Yun Shi, O. E. Taurian, D. C. Thompson, L. Udvardi, J. H. van Lenthe, I. Varga, J. B. Wang, Hai-tao Zhang, Zheng-yu Zhou; ed. M. P. Kaisas. N.Y. : Nova Science Publishers, Inc., 2007. P. 57-125.
17. Pankratov A. N. Trends in Spin Density Distribution in Radical Intermediates in Connection with Homolytic Coupling Directions of Organic Compounds // J. Mol. Struct. : THEOCHEM. 1994. Vol. 315, № 1. P. 179-186.
18. Pankratov A. N., Stepanov A. N. Oxidation and Homolytic Coupling Regioselectivity of Carbazole in Acidic Media // Croatica Chem. Acta. 1997. Vol. 70, № 2. P. 585-598.
19. Шлютер М., Шэм Л. Теория функционала плотности // Физика за рубежом : сб. науч.-поп. ст. Теория поля. Жидкие кристаллы. Физика твердого тела. Астро- и геофизика. Новости физики / А. Сингер, Дж. Литстер, Р. Биржено, П. Першан, Э. Сеймалски, У. Бринкмен, П. Клейдис, Р. Пиндак, Д. Монктон, Дж. Волф, Дж. Филипс, М. Шлютер, Л. Шэм, Г. Ньюкирк, К. Фрейзиэр; пер. с англ. Л. М. Бли-
нова, Д. В. Гальцова, К. А. Кикоина, А. В. Когана, Е. З. Мейлихова. М. : Мир, 1983. С. 179-203.
20. Koch W., Holthausen M. C. A Chemist's Guide to Density Functional Theory. Toronto : Willey-VCH, 2001. 293 p.
21. Кон В. Электронная структура вещества - волновые функции и функционалы плотности // Успехи физ. наук. 2002. Т. 172, № 3. С. 336-348.
22. Sousa S. F., Fernandes P. A., Ramos M. J. General Performance of Density Functionals // J. Phys. Chem. A. 2007. Vol. 111, № 42. P. 10439-10452.
23. Frisch M. J., Trucks G. W., Schlegel H. B., Scuseria G. E., Robb M. A., Cheeseman J. R., Zakrzewski V. G., Montgomery J. A., Stratmann R. E., Burant J. C., Dapprich S., Millan J. M., Daniels A. D., Kudin K. N., Strain M. C., Farkas O., Tomasi J., Barone V., Cossi M., Cammi R., Mennucci B., Pomelli C., Adamo C., Clifford S., Ochter-ski J., Petersson G. A., AyalaP. Y., Cui Q., Morokuma K., Malich D. K., Rabuck A. D., Raghavachari K., Fores-man J. B., Cioslowski J., Ortiz J.V., Baboul A. G., Stefanov B. B., Liu G., Liashenko A., Piskorz P., Koma-romi I., Gomperts R., Martin R. L., Fox D. J., Keith T., Al-Laham M. A., Peng C. Y., Nanayakkara A., Gonzales C., Challacombe M., Gill P.M.W., Johnson B., Chen W., Wong M. W., Andreas J. L., Head-Gordon M., Reploge E. S., Pople J.A. Gaussian 03, Revision B.03 / Gaussian, Inc., Pittsburgh, PA, 2003.
24. Becke A. D. Density-Functional Exchange-Energy Approximation with Correct Asymptotic Behavior // Phys. Rev. A. 1988. Vol. 38, № 6. P. 3098-3100.
25. Becke A. D. Density-Functional Thermochemistry. III. The Role of Exact Exchange // J. Chem. Phys. 1993. Vol. 98, № 7. P. 5648-5652.
26. Lee C., Yang W., Parr R. G. Development of the Colle-Salvetti Correlation-Energy Formula into a Functional of the Electron Density // Phys. Rev. B. 1988. Vol. 37, № 2. P. 785-789.
27. Schlegel H. B., McDouall J. J. W. Do You Have SCF Stability and Convergence Problems? // Computational Advances in Organic Chemistry / eds. C. Ogretir, I. G. Csizmadia. The Netherlands : Kluwer Academic, 1991. P. 167-185 (NATO-ASI Series C 330).
28. Krishnan R., Binkley J. S., Seeger R., Pople J. A. Self-Consistent Molecular Orbital Methods. XX. A Basis Set for Correlated Wave Functions // J. Chem. Phys. 1980. Vol. 72, № 1. P. 650-654.
29. McLean A. D., Chandler G. S. Contracted Gaussian Basis Sets for Molecular Calculations. I. Second Row Atoms, Z = 11-18 // J. Chem. Phys. 1980. Vol. 72, № 10. P. 5639-5648.
30. Stewart J. J. P. Optimization of Parameters for Semiem-pirical Methods. I. Method // J. Comput. Chem. 1989. Vol. 10, № 2. P. 209-220.
31. Stewart J. J. P. Optimization of Parameters for Semiem-pirical Methods. II. Applications // J. Comput. Chem. 1989. Vol. 10, № 2. P. 221-264.
32. Reed A. E., Curtiss L. A., Weinhold F. Intermolecular Interactions from a Natural Bond Orbital, Donor-Acceptor Viewpoint // Chem. Rev. 1988. Vol. 88, № 6. P. 899-926.
33. Немухин А. В., Вейнхольд Ф. Концепция Льюиса в современной квантовой химии // Рос. хим. журн. (Журнал Российского химического общества им. Д. И. Менделеева). 1994. Т. 38, № 6. С. 5-11.
34. WeinholdF., Landis C. R. Valency and Bonding: A Natural Bond Orbital Donor-Acceptor Perspective. Cambridge : Cambridge University Press, 2005. 760 p.
35. Glendening E. D., Reed A. E., Carpenter J. E., Weinhold F. A. NBO Version 3.1, 1995.
36. Китайгородский А. И., Зоркий П. М., Бельский В. К. Строение органических и элементоорганических молекул: Библиографический указатель. 1929-1979 / отв. ред. М. А. Порай-Кошиц. М. : Наука, 1984. 284 с.
37. Harding M. M., Long H. A. The Crystal and Molecular Structure of L-Cysteine // Acta Crystallogr. Section B. 1968. Vol. 24, № 8. P. 1096-1102.
38. Kerr K. A., Ashmore J. P. Structure and Conformation of Orthorhombic L-Cysteine // Acta Crystallogr. Section B. 1973. Vol. 29, № 10. P. 2124-2127.
39. Kerr K. A., Ashmore J. P., Koetzle Th. F. A Neutron Diffraction Study of L-Cysteine // Acta Crystallogr. Section B. 1975. Vol. 31, № 8. P. 2022-2026.
40. Гордон А., Форд Р. Спутник химика. Физико-химические свойства, методики, библиография / пер. с англ. Е. Л. Розенберга, С. И. Коппель. М. : Мир, 1976. 543 с. (Gordon A. J., Ford R. A. The Chemist's Companion. A Handbook of Practical Data, Techniques, and References. N.Y. ; L.; Sydney; Toronto : A Wiley-Interscience Publication, John Wiley and Sons, 1972).
41. Летичевская Н. Н., Шинкарь Е. В., Берберова Н. Т., Охлобыстин О. Ю. Катион-радикал сероводорода в роли сверхкислоты // Журн. общ. химии. 1996. Т. 66, вып. 11. С. 1785-1787.
42. Берберова Н. Т. Роль неорганических ион-радикалов в органических и неорганических реакциях // Сорос. образоват. журн. 1999. № 1 (38). С. 28-34.
43. БербероваН. Т. Органические ион-радикалы // Сорос. образоват. журн. 1999. № 5 (42). С. 48-53.
44. Берберова Н. Т., Шинкарь Е. В. Катион-радикал сероводорода и органические реакции с его участием // Изв. АН. Сер. хим. 2000. № 7. С. 1182-1188.
45. Берберова Н. Т. Неизвестные свойства сероводорода // Сорос. образоват. журн. 2001. Т. 7, № 9 (70). С. 38-42.
46. Olah G. A., SuryaPrakash G. K., Sommer J. Superacids. N.Y. : Wiley-Interscience, 1985. 371 p.
47. Olah G .A., Klumpp D. A. Superelectrophiles and Their Chemistry. N.Y. : Wiley-Interscience, 2007. 301 p.
48. Olah G. A., Surya Prakash G. K., Sommer J., Molnar A. Superacid Chemistry. N.Y. : John Wiley & Sons, Inc., 2009. 850 p.
49. Мчедлов-Петросян Н. О. Жидкофазные электролитные и лиофильные нанодисперсные системы // Укр. хим. журн. 2013. Т. 79, № 11-12. С. 3-26.
50. ПанкратовА.Н., Муштакова С.П., ГрибовЛ.А. Электронное строение молекул дифенильных мостиковых соединений // Теорет. и эксперим. химия. 1985. Т. 21, № 1. С. 84-88.
51. Pankratov A. N., Shchavlev A. E. Semiempirical Quantum Chemical PM3 Computations and Evaluations of
Redox Potentials, Basicities and Dipole Moments of the Diphenylamine Series As Analytical Reagents // Canad. J. Chem. 1999. Vol. 77, № 12. P. 2053-2058.
52. Панкратов А. Н., Щавлев А. Е. Протолитические, окислительно-восстановительные и полярные свойства реагентов ряда дифениламина : квантовохими-ческая оценка // Журн. аналит. химии. 2001. Т. 56, № 2. С. 143-150.
53. Панкратов А.Н. Строение продукта окисления дифениламина - родоначального представителя ряда аналитических редокс-реагентов // Журн. аналит. химии. 2001. Т. 56, № 2. С. 161-163.
54. Минкин В. И., Симкин Б. Я., Миняев Р. М. Теория строения молекул. Ростов н/Д : Феникс, 1997. 560 с.
55. Ермаков А. И. Квантовая механика и квантовая химия. М. : Изд-во Юрайт; ИД Юрайт, 2010. 555 с.
56. Minkin V. I. Glossary of Terms Used in Theoretical Organic Chemistry (IUPAC Recommendations 1999) // Pure and Appl. Chem. 1999. Vol. 71, № 10. P. 1919-1981.
57. Глоссарий терминов, используемых в теоретической органической химии (окончание) // Журн. орган. химии. 2001. Т. 37, вып. 7. С. 1105-1112.
58. Цирельсон В. Г. Квантовая химия. Молекулы, молекулярные системы и твердые тела. М.: БИНОМ. Лаб. знаний, 2010. 496 с.
59. Жидомиров Г. М., Багатурьянц А. А., Абронин И. А. Прикладная квантовая химия. Расчеты реакционной способности и механизмов химических реакций. М. : Химия, 1979. 296 с.
60. Яновская Л. А. Современные теоретические основы органической химии. М.: Химия, 1978. 360 с.
61. Днепровский А. С., Темникова Т. И. Теоретические основы органической химии. Строение, реакционная способность и механизмы реакций органических соединений. Л. : Химия. Ленингр. отд-ние, 1991. 560 с.
62. Ахметов Н. С. Общая и неорганическая химия. М. : Высш. шк., 2006. 743 с.
63. Тодрес З. В. Ион-радикалы в органическом синтезе. М. : Химия, 1986. 240 с.
64. Camaioni D. M., Franz J. A. Carbon-Hydrogen vs. Carbon-Carbon Bond Cleavage of 1,2-Diarylethane Radical Cations in Acetonitrile-Water // J. Org. Chem. 1984. Vol. 49, № 9. P. 1607-1613.
УДК 543.041
ИДЕНТИФИКАЦИЯ НЕФТЕЙ САМАРСКОЙ ОБЛАСТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА ГЛАВНЫХ КОМПОНЕНТ И ФАКТОРНОГО ДИСКРИМИНАНТНОГО АНАЛИЗА
А. Л. Лобачев1, Н. В. Фомина1, Ю. Б. Монахова2
Самарский государственный университет E-mail: nkichimaeva@mail.ru 2Саратовский государственный университет E-mail: yul-monakhova@mail.ru
Разработка методов идентификации месторождений нефти является приоритетной задачей нефтяной промышленности. В ходе исследования были определены следующие параметры для 2963 образцов нефти с пяти месторождений Самарской области: плотность, выход фракций при температуре 200 оС и 300 оС, массовая доля серы, содержание сероводорода, метил- и этилмеркаптанов, массовая концентрация хлористых солей и давление насыщенных паров. Матрица экспериментальных данных обработана с помощью хемометри-ческого метода главных компонент (МГК) и факторного дис-криминантного анализа (ФДА). Полученные модели позволяют определять месторождение образцов нефти с вероятностью практически 100%. Проведена проверка хемометрических моделей с помощью независимого тестового набора, которая показала достоверность и устойчивость моделей. Результаты проведенного анализа свидетельствуют о перспективности применения хемометрических методов для дискриминации образцов нефти различных месторождений Самарской области, а подобный подход может быть использован и для классификации образцов нефти из других регионов.
Ключевые слова: нефть, метод главных компонент, факторный дискриминантный анализ, классификация.
Identification of Oils from Samara Region Using Principal Component Analysis and Factor Discriminant Analysis
А. L. Lobachev, N. V. Fomina, Yu. B. Monakhova
Development of methods for identification of oils is of high priority in oil industry. The following parameters for 2963 oil samples from five oilfields in the Samara region were determined: density, fraction yield at 200 °C and 300 °C, the mass fraction of sulfur, hydrogen sulphide, methyl and ethyl mercaptan, the mass concentration of chloride salts, the saturated vapor pressure. The matrix of experimental data was analyzed using principal component analysis (PCA) and factorial discriminant analysis (FDA) methods. The models obtained are able to determine the oilfield of samples with probability of almost 100%. Chemometric models have been proved
