Равновесная структура и ее определение для некоторых биологически важных молекул

На правах рукописиФогт Наталья ЮрьевнаРавновесная структура и ее определение для некоторыхбиологически важных молекул02.00.04 – Физическая химияАвторефератдиссертации на соискание ученой степенидоктора химических наукУльм - Москва - 2011Работа выполнена в подразделении химических информационных системинститута теоретической химии университета г. Ульм (Германия)(Chemical Information Systems, Institute of Theoretical Chemistry, Universityof Ulm (Germany))и в лаборатории газовой электронографии химического факультетаМосковского государственного университета имени М.В. ЛомоносоваНаучный консультант:доктор химических наук, ведущий научный сотрудникШишков Игорь ФедоровичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук, профессорСтепанов Николай Федоровичдоктор физико-математических наук, профессорЦирельсон Владимир Григорьевичдоктор химических наук, профессорБеляков Александр ВасильевичВедущая организация:Институт элементоорганических соединений имени А.

Н. НесмеяноваРАН, г. МоскваЗащита состоится 2 марта 2012 г. в 15-00 на заседании Диссертационногосовета Д 501.001.90 при Московском государственном университете имениМ.В. Ломоносова по адресу: 119991, Ленинские Горы, МГУ, Химическийфакультет, д.1, строение 3, аудитория 446.С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Химическогофакультета МГУ имени М.В. Ломоносова.Автореферат разослан «» 2011 г.Ученый секретарь Диссертационного советакандидат химических наукМ.С.

БобылеваОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы: Совместное использование различных методов исследования, аккумулирующее преимущества каждого из них, открываетновые возможности в науке. Его успех в структурной химии свободныхмолекул возможен при условии адекватной совместимости данных этихметодов. В качестве общей модели представления экспериментальных данных газовой электронографии (ЭГ) и микроволновой спектроскопии (МВ)предпочтительно использовать модель равновесной конфигурациимолекулы, поскольку равновесная структура, соответствующая минимумуфункции потенциальной энергии (ПЭ), предсказывается также методамиквантовой химии.Экспериментальное определение структуры молекул до сих порпреимущественно основывается на гармоническом приближении потенциальной функции, хотя теория учета ангармонических эффектов в ЭГ иколебательно-вращательной спектроскопии, предложенная Е.

Морино,Л.C. Бартеллом, К. Кучицу и др. в 50-60-е годы, успешно развивалась вработах В.П. Спиридонова и его последователей, В.А. Сипачева, Ж.Демезона и др., начиная с 80-х годов (см. обзорную статью автора: Struct.Chem., 2001, 12(5), 349). Причиной этого является то, что преимуществаиспользования ангармонического приближения не были очевидны, егоприменение из-за предполагаемой малости ангармонических эффектов непредставлялось необходимым и при недостаточной точности экспериментальных данных было просто невозможно.

Как следствие, подавляющееколичество данных структурной химии, представленных в справочникеLandolt-Börnstein (New Series II "Structural Data of Free PolyatomicMolecules", Berlin: Springer (см. работы автора [1 - 8])), определено безучета ангармоничности. Однако несогласованность результатов,полученных разными методами, указывает на необходимостьиспользования в структурном анализе более точных приближений.Для обнаружения тонких эффектов, в том числе ангармонических,необходима высокая прецизионность экспериментальных измерений,требующая усовершенствования аппаратуры и развития методадетектирования интенсивности рассеяния электронов.Актуальность изучения азотистых оснований нуклеиновых кислот(ДНК и РНК), ответственных за передачу и хранение наследственнойинформации, моносахаридов, являющихся источником энергии для живыхорганизмов, и дикарбоновых кислот, принимающих участие в обеспечениидыхательных функций клетки, связана с потребностями сознательногоуправления жизненными процессами.

Из-за близости длин связей инередко сложного конформационного состава, структура биомолекул неможет быть надежно исследована электронографически без привлеченияданных других методов, а именно спектроскопии и квантовой химии,требующего решения проблем, отмеченных выше.1Цель работы:Анализ и выбор теоретических приближений, точно описывающихданные ЭГ и вращательной спектроскопии и ведущих к совместимостиданных этих методов.

Определение параметров равновесной конфигурации некоторых простых неорганических и сложных элементоорганическихмолекул, используемых в качестве тестовых объектов. Исследованиеструктуры биологически важных молекул - представителей классов пиримидиновых и пуриновых оснований нуклеиновых кислот, моносахаридов,дикарбоновых кислот и сукцинимидов, знания о которых необходимы дляразвития фундаментальных представлений структурной химии.Развитие метода регистрации интенсивностей рассеяния электроновв газофазном ЭГ эксперименте, основанного на использовании допированных пленок и высокоточной электронной считывающей системы.Оценка качества различных типов структурных параметров, предназначенных для включения в справочные издания Landolt Börnstein.Создание методики статистического анализа большого количества структурной информации, систематизированной в базе данных MOGADOC.Практическая значимость и научная новизна:В диссертационной работе изучена структура более 30 молекул в газовой фазе, в том числе около 20 неорганических (дигалогенидыпереходных металлов IV периода, бериллия, кадмия и кремния) и 10биологически важных молекул, равновесные параметры которых определены из ЭГ (для тестового объекта - малеинового ангидрида - также изМВ) данных впервые.

Впервые методом МВ спектроскопии определенывращательные поcтоянные фумаровой кислоты. Впервые показана необходимость учета ангармонических колебательных эффектов для согласования данных, полученных разными методами. Впервые показана возможность проведения расчетов структуры молекул среднего размера на уровнеметода связанных кластеров (CCSD(T)), точность которых не ниже экспериментальной, и определены параметры "best ab initio" структуры для пятимолекул. Впервые в России (МГУ имени Ломоносова) нефотографическаяре-гистрация дифракционных картин допированными пленками (imagеplates) внедрена в практику метода газовой ЭГ. Подготовлено полноесобрание критически проанализированных и систематизированных ЭГданных по структуре молекул в газовой фазе, составившее основу восьмитомов уни-кального справочного издания Landolt-Börnstein [1- 8] иуникальной базы данных MOGADOC, позволяющей проводитьстатистический анализ дан-ных структурной химии.

Структурныепараметры исследованных в насто-ящей работе молекул включены илиподготовлены для включения в эти справочные издания. Теоретическиеданные по структуре и силовому полю использованы для статистическихрасчётов термодинамических функций.Основные положения, выносимые на защиту:1. Необходимость использования ангармонического приближения для2точного определения параметров равновесной конфигурации молекулметодами ЭГ и вращательной спектроскопии.2. Определение параметров ангармонических потенциальных функцийпростых неорганических молекул (дигалогенидов некоторых переходныхметаллов IV периода, бериллия, кадмия и кремния) из ЭГ данных.3.

Определение параметров равновесной конфигурации молекул среднегоразмера (на примерах малеинового ангидрида, урацила, сукцинимида, Nметилсукцинимида и фумаровой кислоты) разными экспериментальными(МВ и/или ЭГ) и ab initio (в том числе на уровне связанных кластеров(CCSD(T)) методами с целью оценки надежности используемых приближений и точности определяемых величин.4. Равновесная структура сукцинимида и некоторых его производных поданным ЭГ и ab initio расчетов; структурные эффекты замещения исопряжения связей в имидном фрагменте.5. ЭГ и ab initio исследование структуры и конформационногомногообразия молекул, имеющих несколько осей внутреннего вращения(глицеральдегид, дигидроксиацетон, фумаровая и янтарная кислоты);стабилизация конформеров за счет водородных связей.6.

Определение равновесных вращательных постоянных фумаровойкислоты разными экспериментальными (ЭГ и МВ) и ab initio (в том числена уровне CCSD(T)) методами с целью оценки надежности используемыхприближений и точности определяемых параметров.7. Структура некоторых азотистых оснований нуклеиновых кислот (урацил, тимин, аденин), определенная в совместном анализе ЭГ и МВ данныхс привлечением результатов ab initio расчетов; проявление ароматичности.8. Развитие метода нефотографической регистрации интенсивности рассеяния электронов в газофазном ЭГ эксперименте, основанного на применении системы "эрбий допированная пленка – лазерно-фотонный считыватель" ("image plate - image plate reader").9.

Методика и результаты статистического анализа структурной информации, систематизированной в базе данных MOGADOC. Оценка качестваразличных типов структурных параметров, предназначенных длявключения в справочные издания Landolt-Börnstein.Апробация работы: Результаты работы были представлены на более чем30 международных конференциях и конгрессах:14-16,18,20,21-23th Austin Symposium on the Molecular Structure, Austin,Texas; 13,14,16-20th Colloquium on High Resolution Molecular Spectroscopy,Dijon; Spectroscopy in the 21st Century, Hayama, Japan, 2001; 6,8th International Conference on Chemical Structures, Noordwijkerhout, Netherlands; 6thEuropean Symposium on Gas Electron Diffraction, Edinburgh, UK, 1995, 10thEuropean Symposium on Gas Electron Diffraction, St.

Petersburg, Russia, 2003;11,12,13th European Symposium on Gas Electron Diffraction, Blaubeuren,Germany, 2005, 2007, 2009; Back to the Basics. From Small Molecules toMaterials and Surfaces, Rotorua, New Zealand, 2006; International Conference3on Microwaves and Optoelectronics, Aurangabad, India, 2007; 8th TriennialCongress of the World Association of Theoretical and ComputationalChemistry, Sydney, Australia, 2008; 21st Colloquium on High ResolutionMolecular Spectroscopy, Castellammare di Stabia, Italy, 2009; IsolatedBiomolecules and Biomolecular Transformations, Berlin, Germany, 2010, 14thEuropean Symposium on Gas Electron Diffraction, Moscow, Russia, 2011 и др.Вклад автора:Результаты, представленные в диссертации, получены либо авторомлично, либо в качестве соавтора, являющимся при этом ответственнымнаучным руководителем международных проектов или работ московскихаспирантов во время их пребывания в университете г.

Ульм (Германия),финансируемых Фондом Б. Штарк (Германия) и поддерживаемых РФФИ.Постановка задачи, решение методических вопросов, анализ экспериментальных данных, систематизация и обобщение результатов, модификацияи адаптация фортрановских программ, а также проведение всех квантовохимических расчетов высокого уровня относятся к личному вкладу автора.Электронограммы исследуемых веществ были получены в лабораториях МГУ (к.х.н. А.Н. Рыковым и к.х.н.