Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.3. Структурная организация белка (947296), страница 41
Текст из файла (страница 41)
Учитывая исключительную лабильность строения пептидной группы и многочисленность факторов, которые могут оказывать влияние на величину барьера и разность конфигурационной энтальпии !теплового эффекта перехода транс ~~ иис), по-видимому, бесперспективно пытаться интерпретировать на чисто эмпирической основе наблнтдающиеся различия в величинах /!Н. Не позволяет это сделать пока и уровень квантовохимических исследований энергии резонанса амидной связи, которые в зависимости от используемого метода дают большой разброс значений. Теоретический расчет методами ЕНТ, СИ)30/2, РС11.0, 1Х1)О и аЬ 'шшо приводит к величинам /5Н!80 90 От 13,0 до 260 ккал/моль и /3Н1800 От О,! до 7,0 ккал/моль. Аналогичный экспериментальный и теоретический материал по сложноэфирной группе более ограничен. Изменение энтальпии при повороте на 90' вокруг связи О-О (/5Н180 д„) у молекул алкилформиатов оценивается в 6,0-9,0 ккал/моль, а на 180' (ЬН!Вд 0 ) — в 2,0-3,0 ккал/моль [18].
Главная роль, определяющая стабильность транс- и Пис-конфигураций нептидной и сложноэфирной групп, отводится, как правило, стерическому фактору. Для решения вопроса о том, в какой степени предпочтительность той или иной формы обусловлена невалентными взаимодействиями, нами был выполнен расчет двух конформаций Х-метилацетамида к метилацетата [19, 20). Знание геометрических и термодинамических параметров обеих форм простейших молекул полезно при исследовании сложных пептидов и депсипептидов для оценки влияния соседних групп, боковых цепей, водородных связей, включения в цикл и т.д.
В рассмотренных молекулах параметры транс- и кис-конфигураций отвечают ввптидной и сложноэфирной группам, не усложненным эффектом дальних взаимодействий. Результаты расчета вместе с экспериментальными данными представлены в табл. 11.2. Для транс-форм обеих молекул вычисленные геометрические пара- )абдича Л 1 Парцяадаяыо заряды (ед. е) атомов формамяда Н11 О 49 р) — с г но) 1110 -0,429 +0,295 +0,134 -0,745 +0,362 +0,382 -0,422 +0,318 О С Н1П Н12) Н13) -0,403 +0,389 +0,076 -0,608 +0,273 90,273 -0,473 +0,247 +0,038 -0,063 +0,084 +0,167 -0,316 40,132 О,202 +0,204 -0.688 +0,237 +0,237 !38 метры удовлетворительно совпадают с опытными значениями.
Переход одной формы в другую, как показал расчет, сопровождается изменениями валентных углов, причем особенно большие различия в двух конфигурациях имеют углы при карбонильном углероде метилацетата. По невалентным взаимодействиям предпочтительной в обоих случаях оказывается транс-конфигурация; у Х-метилацетамнда ЬН)80.0. составляет 0,9, а у метилацетата — 0,7 икал/моль, что заметно меньше опытных значений. Следовательно, более низкую энергию лгранс-конфигураций у рассмотренных молекул нельзя объяснить только стерическим эффектом. Вклады в энергию конфигураций пептидной и сложноэфирной групп вносят электростатические взаимодействия атомов. В табл.
Б.З приведены парцнальные заряды атомов формамида, найденные при использовании различных методов. Впервые заряды на атомах формамида были определены Курландом в Вильсоном 1Ц. В своих расчетах авторы использовали проекции диполь- ного момента на три главные оси инерции, известные из измерений эффекта Штарка, данные собственных исследований микроволновых спектров и дипольные моменты связей, найденные в других молекулах.
Таким образом, рассчитанные заряды являются результатом аддитивного подхода, вряд ли оправданным в данном случае. Г. Ваш, М. Робин и Н. Куэблер нашли эффективные заряды на атомах формамида, рассмотрев основное н возбужденное состояния молекулы методом ЬСАО-ЯСР с учетом а- и я-электронов [221. Согласно полученным данным, дипольный момент связи 1) — Н равен 1,8 О. Р. Курланд и Э.
Вильсон определили его в 1,3 О, что равно значениям момента в аммиаке и метиламине. Такое высокое значение )дмн в фоРмамнДе маловеРоЯтно. Как Установил Ч. КоУлсон, дипольный момент аммиака возникает главным образом вследствие неподеленной пары электронов атома Х, а не благодаря собственным оментам связей 14Н [26[. Поскольку в формамиде неподеленная пара электронов атома Н смещена в сторону карбонила, следует ожидать „меньшения значения )гин, Дипольный момент всей молекулы, рассчитан„ый в работе [22], составляет 4,95 13, что заметно выше экспериментального значения 3,71 П [1[. Д.
Поланд и Г. Шерага нашли заряды на атомах пептидной группы, включенной в полимерную цепь [23). Каждый заряд баял представлен иивариантной суммой а- и и-зарядов; распределение о-электронов рассчитано методом ЬСАО-МО, модифицированным Дель-ре, а и-заряды атомов О, С и Х найдены эмпирически, используя соотношение между компонентами дипольного момента )з„)з, зарядами до, дс, 9н и уравнение Е = О. дипольный момент пептидной группы и его направление были взяты такими же, как у формамида, т.е, 3,71 1) и 39,б' [1). Такой подход не свободен от возражений.
Как видно из анализа длин связей, распределение электронной плотности в каждой связи формамида существенно отличается у свободной молекулы от распределения у ассоциированной молекулы. Поэтому трудно ожидать равенства как по величине, так и по направлению дипольных моментов пептидной группы и форм- амида. В работе [24) заряды на атомах формамнда были определены с помощью теоретического анализа интенсивностей ИК-полос поглощения молекул НзН вЂ” СНО и ОзН вЂ” СНО в газовой фазе. Как и в упомянутых выше ясследованиях, заряды на атомах рассчитывались в монопольном приближении, но в отличие от прежних расчетов не были привлечены данные по другим соединениям. Аналогичным способом, также полностью независямо, были рассчитаны для сравнения электрооптические параметры 04 и 3[э/дд) ацетона и метиламина [25).
Приведенные в табл. 11.3 данные ниже рассматриваются в свете существующих представлений о структурной организации формамида. Сейчас же оценим их с точки зрения обсуждаемого вопроса о роли электростатических взаимодействий в стабилизации транси цис-конфигураций пептидной группы. Хотя найденные величины парциальных зарядов на атомах, как видно из табл. Д.З, зависят от метода расчета, тем не менее полученные во всех работах общие характеристики распределения электронной плотности качественно совпадают.
В 14-метилацетамиде электростатические взаимодействия (главным образом притяжение атомов Н и О в связях Н-Н и С-О) вносят стабилизирующий вклад в энергию цис-формы (-0,4 ккал/моль). В метилацетате эффект противоположный — взаимодействия зарядов стабилизируют тРанс-форму (-0,8 ккал/моль). Таким образом, наблюдающиеся различия в энергии транс- и иис-конфигураций Н-метилацетамида и метилацетата ке могут быть объяснены суммарным эффектом невалентных ван-дерааальсовых и электростатических взаимодействий. Неизбежно предположение о различии (незначительном в масштабе энергии связи, но существенном для установления той илн иной пространственной формы) в электронном строении двух конфигураций, По приближенной оценке величина валентного вклада в стабилизацию транс-формы алкиламидов составляет 1,0-2,0 ккал/моль.
139 Отклонение от аддитивности в распределении электронной плотноств на связях объясняет доминирование у Х-алкилформамидов транс-конфя. гурации, уступающей альтернативной форме по невалентным взаимо. действиям. Правда, стеричсская предпочтительность цис-конфнгурацив здесь невелика, поскольку контактный ван-дер-ваальсовый радиус атома О (1,5 А) лишь немного больше радиуса атома Н (1,2 А). У ацетамндов ситуация меняется на противоположную — эффективный радиус метнльнов группы (1,8-2,0 А) превышает радиус кислорода Поэтому транс конфигурация Х-алкнлацетамидов дополнительно (но не главным образом) стабилизируется ван-дер-ваальсовыми взаимодействиями. По аналогии с рядом других органических молекул можно предположить, что преимущество транс-формы (ч-метилацетамида связано с более полным проявлением гиперконъюгационного эффекта из-за большей сближенности метильной группы с и-электронной системой карбонила.
На небольшое различие в электронных свойствах связей в транс- и цис-конфигурациях указывают некоторые опытные факты. Так, исследование Костейна в Даулинга пространственной структуры формамида свидетельствует о неполной эквивалентности связей Х-Н аминогруппы (2], что уже отмечалось Этот вывод подкрепляется также результатами теоретического анализа интенсивностей полос поглощения в ИК-спектрах паров формамида, расчет показал, что дипольные моменты транс- и цис-связей Х-В неодинаковы и равны соответственно 0,8 и 0,4 П (24].
Далее, вторичные амиды со значительным содержанием в разбавленном растворе обеих форм имеют в ИК-спектрах две полосы погло1цения валентного колебания НН. Одна из них (ч — 3460 см ') относится к транс-форме молекульь а другая (у - 3400 см ~) — к цис-форме. Поскольку характер колебания Н-Н в двух конфигурациях практически одинаков, заметное различие частот унн связано с разными значениями силовой постоянной Кнн, в следовательно, и с отличающимся электронным строением связей ХН в транс- и цис-положении.
4.2. КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ СПЕКТРЫ АМИДОВ Как уже упоминалось, пептидная группа имеет лабильное электронное строение. В предыдущем разделе рассмотрено проявление этого свойства в геометрии группы — длинах химических связей, валентных углах н конфигурации. Не менее показательным здесь являются н колебательные спектры, в частности инфракрасные спектры поглощения, частоты которых отражают механические характеристики молекул, а интенсивности полос- дипольные моменты связей и их чувствительность к естественным колебательным координатам (д]з,/дскб,; д1г,/да,; где а, и а, соответственно отклонения длин связей и валентных углов от равновесных значений).
И то и другое, помимо кинематики, определяется динамикой колебаниЯ непосредственно связанной с электронным строением — поляризацией связей и миграцией зарядов в процессе нормальных колебаний молекул В силу этого в колебательных спектрах заключена богатейшая информа- 140 Тона и пи П 4 Чаеготаг иолебввей амидиой группы !Ч-метилаиетвмида 3294 3270 3250 -244 !653 1653 1645 -77 1565 !564 !584 +87 !299 1300 1314 т57 725 760 787 т!67 600 606 615 т55 3494 1722 1497 1257 620 560 3476 !700 !500 1260 648 585 тнн т! тв тм тт т,л 141 ция о внутреннем устройстве молекул и ее составляющих, а также межмолекулярных взаимодействиях.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
