CC BY
19
УДК 548.31
ВЛИЯНИЕ п-СОПРЯЖЕНИЯ ДОНОРА И АКЦЕПТОРА ВОДОРОДНОЙ СВЯЗИ НА ТЕРМОСТОЙКОСТЬ ГИДРАТОВ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ А.М. Банару, Ю.Л. Словохотов
(кафедра физической химии; e-mail: Ъanaru@mail.ru)
Для молекул, образующих в кристалле водородные связи, стабилизированные п-сопряжени-ем, предложен параметр, оценивающий меру п-стабилизации на основе теории резонанса. На примере азотистых оснований цитозина, тимина, гуанина и аденина показана корреляция данного параметра с термической устойчивостью кристаллов.
Ключевые слова: водородная связь, п-сопряжение, теория резонанса, нуклеозид, гидрат.
Водородная связь, стабилизированная п-сопряже-нием донора и акцептора водородной связи, стала объектом научных исследований достаточно давно [1-3]. Ее основное отличие от нестабилизированной водородной связи состоит в том, что взаимное сродство донора и акцептора существенно усилено, вследствие чего указанная связь формируется даже при наличии в молекуле иных, сопоставимых по силе центров водородной связи [4]. Обращает на себя внимание широкая распространенность п-стабилизированной водородной связи в биологических системах. В частности, комплементарные азотистые основания, взаимодействуя, образуют восьми-членные циклы с п-сопряжением двойных связей, а водородные связи амидогрупп в полипептидах организуют их вторичную структуру [5]. На резонансную стабилизацию водородных связей косвенно указывает их кооперативность. Так, прирост энергии цепочечного агломерата мочевины при добавлении нового звена растет с увеличением длины цепи [6]. Водородные связи комплементарных азотистых оснований также усиливают друг друга [7]. По-видимому, прочность водородных связей такого типа возрастает по мере увеличения степени делокализации п-электронов, приводя к росту термической устойчивости образованного ими соединения. В связи с этим представляется возможным оценить степень влияния п-сопряжения донора и акцептора водородной связи на ее прочность в кристаллах, используя экспериментально измеримую величину их температуры плавления (Т ). Этой оценке и посвящена настоящая работа.
Чтобы уменьшить число факторов, влияющих на Тпл, в качестве объектов исследования были выбраны следующие классы веществ: гидраты низкомолекулярных органических соединений и гидраты нукле-
озидов. В первой выборке гидратов все водородные связи органических молекул, как правило, насыщены, и вклад таких связей (а значит, и п-сопряжения донора и акцептора водородной связи) в потенциальную энергию кристалла максимален. В выборке гидратов нуклеозидов, обладающих высокими и при этом близкими молекулярными массами (ММ), минимизированы объективно существующие корреляции ММ с Тпл.
Обработка данных
С помощью стандартного поискового запроса структурные данные извлекались из Кембриджского банка [8] и подвергались статистической обработке в программном приложении StatistiXL [9]. Анализ главных компонент (РСА) [10] проводился с построением корреляционной матрицы длин связей в исследуемом п-сопряженном молекулярном фрагменте. Используя элементы матрицы нагрузок, т.е. матрицы перехода от т-мерного евклидова пространства, где т - число анализируемых длин связей, к т'-мерному пространству выделенных главных компонент (РС), полный массив длин связей разбивали на несколько групп взаимно коррелированных величин. Длины двух различных связей относились к одной группе, если модули соответствующих нагрузок были близки. Практически это означало, что оба значения попадали в один из следующих интервалов: [0; 0,2), [0,2; 0,4), [0,4; 0,6), [0,6; 0,8). Для анализа оставляли лишь те компоненты, наибольшая нагрузка для которых составляла не меньше 0,6.
В рамках теории резонанса [11] волновую функцию молекулы представляют в виде линейной комбинации волновых функций резонансных структур с коэффициентами, определяющими вклад соответствующих
структур в промежуточную форму. Вклад эквивалентных резонансных форм пропорционален их числу. Наибольший вклад, как правило, вносят п-резонанс-ные ионы с заряженными гетероатомами, поэтому если гетероатомы являются центрами водородной связи, а заряды на них усиливают ее ковалентный характер, то с ростом вклада таких резонансных структур прочность водородной связи должна увеличиваться. Следовательно, энергия кристалла должна зависеть от всякого параметра, характеризующего этот вклад.
В настоящей работе один из возможных параметров П конструировали следующим способом. Строили п-резонансную структуру данной молекулы с разделением зарядов и все структуры, резонансные ей, считая, что
N
П=Е1
/=1
где N - общее число структур с разным разделением зарядов, - весовой множитель, п1 - число структур с одинаковым (/-м) разделением зарядов. Принимали = 1, если положения обоих зарядов соответствовали наблюдаемым положениям или центрам водородных связей в кристалле; wi = 0,5, если положение одного заряда соответствовало наблюдаемому положению или центру водородной связи в кристалле;
= 0 в остальных случаях. Весовой множитель резонансных структур с депротонированной группой -ОН, выступающей и как донор, и как акцептор водородной связи, оценивался в 0,5. В рассмотрение не включались карбионы по причине их малого вклада в наблюдаемую структуру по сравнению с вкладом ионов с заряженными гетероатомами. На рис. 1 показаны значения w для резонансных структур цитози-на и тимина.
Обсуждение результатов
Анализ термической устойчивости гидратов простых классов молекул показал, что температура плавления (разложения) весьма чувствительна к молекулярной массе и менее чувствительна к стехиометрии гидрата, поскольку гидраты с разными гид-ратными числами (п = 0,33-10,75) группируются на диаграмме Тпл (ММ) вблизи одной общей линии
(рис. 2). Коэффициент корреляции по Пирсону состав-
-20
ляет 0,913 (значимость корреляции 1,14-10 ). При этом группа точек, отвечающая моноаминам, распадается на две: повышение степени гидратации до значений, соответствующих формированию трехмерно-
Рис. 1. Весовой вклад w резонансных структур цитозина (а) и тимина (б) при полном насыщении Н-связей
го каркаса из молекул воды, скачкообразно приближает значение Гпл к 0°С.
Выбор именно таких классов соединений (рис. 2) был обусловлен неравномерностью структурных данных по монофункциональным молекулам в Кембриджском банке. Например, благодаря широкому изучению терпенов и стероидов оказалась доступна большая выборка гидратов алкилдиолов, в то время как количество гидратов моноатомных спиртов мало (ди-олов - 29; триолов - 6; тетра-, гекса- и моноатомных спиртов - по 2).
На рис. 3 показана зависимость Тпл(П) для моногидратов. Коэффициент корреляции Пирсона составляет 0,768 (значимость 7,07-10 ). Заметим, что так как число структур в Кембриджском банке быстро падает с ростом п, любая выборка полигидратов не бу-
Рис. 2. Зависимость температуры плавления (°С) от молекулярной массы (а.е.м.) для гидратов алкилдиолов (незакрашенные квадраты), алкилмоно- и дикетонов (закрашенные квадраты), третичных алкилдиамидов (треугольники), вторичных алкилтетраминов (ромбы), первичных моноаминов (круги)
РС1
РС 2
14 3
дет представительной. Подтвердить возникшее предположение о том, что агрегация молекул воды понизит Гпл, не удалось (рис. 3).
Различие значений П, рассчитанных при полном насыщении водородных связей, попарно у пиримиди-новых и пуриновых оснований (рис. 4) приводит к различию в термической устойчивости гидратов соот-
Рис. 3. Зависимость температуры плавления (°С) от П для моногидратов без водных агрегатов (треугольники) и моногидратов с островными либо цепочечными водными агрегатами (квадраты) соединений с ММ 100-300 а.е.м.
ветствующих нуклеозидов с близкой молекулярной массой (таблица). Отметим, что и в случае гомомо-лекулярных нуклеозидов, одинаковых для тимина и цитозина, Тпл ощутимо различается: например, для пары Ш^вЬЕМ (170°С) и КЛвЬ^ (200°С) (рис. 5), хотя Гпл чистых тимина и цитозина практически совпадает (315°С [12]). При этом чистый гуанин
Рис. 4. Нагрузки длин связей в молекулах азотистых оснований для компонент РС1, РС2, РС3 по результатам анализа главных компонент с помощью построения корреляционной матрицы. Контрастность цвета пропорциональна модулю нагрузки длины связи для данной компоненты
он он
NAGLIQ NAGLEM
Рис. 5. Структурные формулы соединений с рефкодами NAGLIQ и NAGLEM
Температуры плавления моногидратов нуклеозидов с близкой молекулярной массой по данным Кембриджского банка [8]
Рефкод Состав ММ, а.е.м. T °C 1 пл? ^
пиримидиновые нуклеозиды
N-замещенный цитозин (П = 3,5)
EDEVIS C10H13N3O3H2O 223,23 200
LALKOZ C11H13N3O3H2O 235,24 166
N-замещенный тимин (П = 3)
MAWBIV C11H14N2O6H2O 270,24 120
QECCOQ C11H16N2O4S2H2O 304,39 83
RIGTEG C10H13N3O5H2O 255,23 118
RIGTIK C11H15N3O5H2O 269,26 122
пуриновые нуклеозиды
N-замещенный гуанин (П = 5)
RECZAA C11H15N5O3H2O 265,27 290
YACGUE C10H15N5O3H2O 253,26 277
N-замещенный аденин (П = 3,5)
CECZOZ C12HnN5O2-H2O 263,30 232
MARBEM C12H15N5O3H2O 277,29 250
WIPWEX C10H11N5O2H2O 233,23 173
(380°С) устойчивее, чем аденин (353°С). Анализ главных компонент по массиву структурных данных с ^<0,06 (рис. 4) показывает, что в молекуле гуанина все двойные связи сопрягаются, обеспечивая резонансную стабилизацию водородных связей, образованных амино- и карбонильной группами. В молекуле аденина ароматическая система в гораздо меньшей степени является резонансно-стабилизирующей. Эти результаты подтверждают ранее сделанное заключе-
ние аналогичного характера [13] на основании расчета ab initio.
Заключение
Применение описанного метода учета влияния п-сопряжения в молекуле на термическую устойчивость вещества ограничено кругом кристаллических структур, в которых велик вклад водородного связывания и постоянного диполь-дипольного взаимодей-
ствия, что не позволяет использовать его для структур, имеющих сугубо ван-дер-ваальсов характер [14]. Кроме того, метод не учитывает индуктивный эффект и эффект сверхсопряжения и будет усовершен-
ствован нами в дальнейшем. Тем не менее уже в таком виде он может оказаться полезен в простых случаях для качественной оценки термической устойчивости многих биологически важных систем.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Bertolasi V., Gilli P, Ferretti V., Gilli G. // Acta Cryst. 1998. B54. P. 50.
5. Gilli P., Bertolasi V., Ferretti V., Gilli G. // J. Am. Chem. Soc. 2000. 122. P. 10405.
3. Банару AM. // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 2. Химия. 2008. 49. С. 385.
4. Банару A.M., Словохотов Ю.Л. // Журн. структ. химии. 2009. 50. С. 761.
5. МецлерД. Биохимия. Т. 1. М., 1980.
6. MasunovA., Dannenberg J.J. // J. Phys. Chem. B. 2000. 104. P. 806.
7. Asensio A., Kobko N., Dannenberg J.J. // J. Phys. Chem. A. 2003. 107. P. 6441.
8. Cambridge Structural Database. Version 5.28. University of Cambridge, UK.
9. Roberts A., Withers P. StatistiXL, release 1.7. Australia, University of Western Australia, 2007.
10. Murray-Rust P., Raftery J. // J. Mol. Graphics. 1985. 3. P. 50.
11. ПаулингЛ. Природа химической связи. М.;Л., 1947.
12. Beilstein Institut zur Forderung der Chemischen Wissenschaften licenced to Beilstein Chemie Daten und Software GmbH and MDL Information Systems GmbH, Version 4, December 2002.
13. YirongM. // J. Mol. Model. 2006. 12. P. 665.
14. Slovokhotov Yu. L., Neretin I.S., Howard J.A.K. // New. J. Chem. 2004. 28. P. 967.
Поступила в редакцию 19.02.2009
IMPACT OF n-CONJUNCTION OF H-DONOR AND H-ACCEPTOR ON THERMAL STABILITY OF ORGANIC HYDRATES
A.M. Banaru, Yu.L. Slovokhotov
(Division of Physical Chemistry)
For the molecules forming in a crystal H-bonds stabilized by n-conjugation (RAHB), on the basis of resonance theory the value of such stabilization was introduced. For DNA bases cytosine, thymine, guanine, and adenine the correlation of this value with the melting point of a crystal was established.
Keywords: hydrogen bond, п-conjunction, resonance theory, nucleoside, hydrate.
Сведения об авторах: Банару Александр Михайлович - науч. сотр. кафедры физической химии химического факультета МГУ, канд. хим. наук (banaru@mail.ru); Словохотов Юрий Леонидович - зав. лаборатории кристаллохимии кафедры физической химии химического факультета МГУ, докт. хим. наук (slov@phys.chem.msu.ru).
