Эмпирический и неэмпирический расчет энтальпий образования стандартных аминокислот

СТРУКТУРА ВЕЩЕСТВА И ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

УДК 541.11

A. А. Гимадеев, Д. В. Чачков, Е. В. Сагадеев,

B. П. Барабанов

ЭМПИРИЧЕСКИЙ И НЕЭМПИРИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ЭНТАЛЬПИЙ

ОБРАЗОВАНИЯ СТАНДАРТНЫХ АМИНОКИСЛОТ

Ключевые слова: аминокислота, энтальпия образования, аддитивный метод, квантовохимические расчеты, аminoacid, formation enthalpy, additive method of calculation,

quantum-chemical calculations.

Используя комплекс различных расчетных методов, вычислены газофазные энтальпии образования двадцати стандартных L-а-аминокислот. The gas phase formation enthalpies of twenty standard L-a-aminoacids were calculated using the complex of different methods of calculation.

Стандартные аминокислоты, кодируемые генетическим кодом, образуют первичную структуру белка и выполняют самые разнообразные функции в живых организмах. Однако несмотря на их важность и большую распространенность в природе, термохимические свойства аминокислот изучены недостаточно. Это касается, в частности, знания энтальпий образования аминокислот. Между тем, энтальпии образования позволяют дать оценку энергиям связей, ответственным за реакционную способность соединений [1].

Экспериментальное определение термохимических характеристик аминокислот связано с большими экспериментальными сложностями, поэтому и количество полученных к настоящему времени экспериментальных значений не велико. В частности, к настоящему моменту в литературе имеются надежные экспериментальные значения энтальпий образования только для нескольких аминокислот, таблица 1. В этой связи для расчета термохимических характеристик аминокислот можно использовать целый комплекс эмпирических и неэмпирических расчетных методов.

В настоящей работе для расчета стандартных энтальпий образования в газовой фазе La-аминокислот был применен ранее хорошо зарекомендовавший себя при изучении термохимии азоторганических соединений других классов [5, 6] аддитивный метод групповых вкладов по атомам, с учетом их первого (ближайшего) атомарного окружения [7, 8].

Проанализировав экспериментальные значения АН 00бр (газ) соединений, с учетом данных работ [5, 6], были рассчитаны азот- и серосодержащие групповые вклады в стандартную энтальпию образования в газовой фазе. Полученные групповые вклады (инкременты) приведены в таблице 2. Расчет групповых вкладов проводился с помощью программы Enthalpy [9]. Строчная запись инкрементов приводится согласно символике групповых вкладов, предложенной Бенсоном-Бассом [10]. Согласно которой, например, запись C-(CO)(N)(H)2 означает атом углерода в глицине (1, табл. 1), связанный c карбоксильной группой, атомом азота и двумя атомами водорода; запись CO—(C)(N) + N— (CO)(H)2 означает амидный фрагмент в аспарагине (9) или глутамине (10), таблица 1; запись C—(S)(H)3 означает CHs-группу, связанную с атомом серы в метионине (17, табл. 1).

Используя рассчитанные в работе

всех аминокислот в таблице 1. При сравнении экспериментальных и полученных расчетных энтальпий образования наблюдается хорошее соответствие. Отсутствие достаточного количества экспериментальных данных сделало в настоящий момент невозможным расчет энтальпии образования аргинина (12, табл. 1).

Таблица 1 - Расчетные и экспериментальные энтальпии образования в газовой фазе стандартных 1_-а-аминокислот, кДж/моль

№ Соединение АН ообр (газ) расчет

Аддит. схема B3LYP /cc-pVTZ B3LYP /6-311++ G(3df,3pd) B3PW91 /cc-pVTZ B3PW91 /6-311++ G(3df,3pd) G3

Моноаминомонокарбоновые кислоты

1 Глицин -390.0а -372.1 -388.4 -384.5 -403.8 -391.8

2 Аланин -415.9б -387.0 -403.5 -407.5 -427.9 -424.1

3 Валин -466.1 -400.7 -417.8 -438.8 -461.4 -472.5

4 Лейцин -486.8 -412.4 -430.1 -459.3 -483.2 -495.9

5 Изолейцин -486.8 -403.6 -421.5 -450.7 -474.7 -

6 Фенилаланин -302.0 -213.3 -234.6 -311.2 -339.2 -

Моноаминодикарбоновые кислоты и их амиды

7 Аспарагиновая -786.7 -720.3 -745.9 -762.5 -794.7 -788.3

кислота

8 Глутаминовая -807.4 -734.6 -760.4 -785.8 -818.9 -

кислота

9 Аспарагин -590.5 -545.4 -572.3 -579.6 -612.6 -597.7

10 Глутамин -611.2 -555.0 -582.0 -598.5 -632.0 -

Диаминомонокарбоновые кислоты

11 Лизин -443.4 -373.5 -398.6 -417.0 -448.1 -

12 Аргинин - -315.7 -349.7 -356.9 -398.0 -

Гидроксиаминокислоты

13 Серин -567.8 -530.5 -552.6 -555.7 -582.4 -582.1

14 Треонин -603.7 -551.7 -573.9 -585.2 -612.8 -

15 Тирозин -481.9 -377.0 -403.9 -481.2 -515.5 -

Тиоаминокислоты

16 Цистеин -378.1 -326.9 -349.1 -360.4 -386.8 -386.1

17 Метионин -412.1в -335.9 -360.2 -386.5 -416.1 -420.0

Гетероциклические амино(имино)кислоты

18 Пролин -373.3г -312.1 -330.2 -368.5 -391.9 -380.9

19 Гистидин -221.8 -213.6 -239.5 -281.1 -313.9 -

20 Триптофан -215.0 -115.7 -143.4 -253.6 -289.6 -

Примечание. а Эксперимент -390.5 кДж/моль [2], б эксперимент -414.7 кДж/моль [2], в эксперимент -413.5 кДж/моль [3], г эксперимент -366.2 кДж/моль [4].

Таблица 2 - Азот- и серосодержащие групповые вклады в энтальпию образования в газовой фазе (кДж/моль), стандартное отклонение

№ Групповой вклад Xi о

Азотсодержащие инкременты

1 C-(CO)(N)(H)2 -18.1 0.17

2 C-(C)(CO)(N)(H) -1.8 0.01

3 CO-(C)(N) + N-(CO)(H)2 -195.8 0.10

Серосодержащие инкременты

4 S-(C)(H) 19.3а -

5 S-(C)2 48.2а -

6 C-(S)(H)3 -42.2a -

7 C-(C)(S)(H)2 -23.6а -

8 C-(C)2(S)(H) -11.0а -

Примечание. а Данные работы [5].

В продолжение начатых исследований был проведен неэмпирический расчет энтальпий образования аминокислот в таблице 1. Квантовохимические расчеты AH 00бр аминокислот были проведены нами по программе Gaussian 98 [11] для газовой фазы, т.е. в процессе расчетов рассматривалась отдельная молекула, не испытывающая никакого влияния со стороны соседних молекул. Расчет проводился с полной оптимизацией всех геометрических параметров молекул. Соответствие найденных структур минимумам энергии доказывалось всеми положительными значениями матрицы Гессе.

Из литературы известно [12, 13], что гибридный метод функционала плотности (DFT) B3LYP [14-16] для небольших азоторганических молекул дает значения термохимических характеристик достаточно хорошо согласующиеся с экспериментальными данными. Но, в нашем случае, ошибка данного метода при расчете AH' °обр аминокислот оказалась весьма значительна (таблица 1). Заметно лучшее согласие мы получили с использованием гибридного метода B3PW91 [17] с набором базисов 6-311++ G(3df,3pd) и cc-pVTZ [18].

Наилучшее согласие с результатами AH 00бр, полученными по аддитивной схеме, мы получили при использовании расчетной схемы G3 [19], которая была разработана авторами программы Gaussian специально для максимально точного расчета термохимических характеристик соединений. Однако в силу длительности расчетов, мы не смогли за приемлемое время получить энтальпии образования ряда аминокислот (табл. 1). Этот расчет планируется сделать нами в дальнейшем.

На основе полученных квантовохимических результатов можно сделать вывод, что отклонения в значениях энтальпий образования аминокислот, содержащих в своем составе ароматическое кольцо, несколько больше, чем для всех остальных соединений. Причем, в методе B3LYP при увеличении числа базисных функций ошибки в значениях энтальпий образования соединений, содержащих ароматическое кольцо, существенно увеличиваются. В то же время, при использовании метода B3PW91 с базисными наборами cc-pVTZ ошибки расчета энтальпий образования ароматических аминокислот существенно меньше, как по сравнению с результатами, полученными в базисе 6-311++ G(3df,3pd), так и по сравнению с результатами, полученными методом B3LYP (табл. 1).

На основании всего вышесказанного можно сделать вывод, что наиболее надежные результаты при расчете энтальпий образования аминокислот можно получить при использовании аддитивного метода групповых вкладов, метода B3PW91/cc-pVTZ и расчетной схемы G3.

Все квантовохимические расчеты были выполнены в Суперкомпьютерном Центре Казанского научного центра Российской академии наук (http://wt.knc.ru).

Литература

1. Мортимер, К. Теплоты реакций и прочность связей / К. Мортимер. - М.: Мир, 1964. - 287 с.

2. Ngauv, S.N. Thermodynamique de composes azotes. III. Etude thermochimique de la glycine et de la l-a-alanine / S.N. Ngauv, R. Sabbah, M. Laffitte // Thermochim. Acta. - 1977. - Vol. 20. - P. 371-380.

3. Sabbah, R. Thermodynamique de substances soufrees. II. Etude thermochimique de la l-cysteine et de la l-methionine / R. Sabbah, C. Minadakis // Thermochim. Acta. - 1981. - Vol. 43. - P. 269-277.

4. Sabbah, R. Thermodynamique de composes azotes. IV. Etude thermochimique de la sarcosine et de la L-proline / R. Sabbah, M. Laffitte // Bull. Soc. Chim. France. - 1978. - Vol. 1. - P. 50-52.

5. Benson, S.W. Additivity Rules for The Estimation of Thermochemical Properties / S.W. Benson, F.R. Cruickshank, D.M. Golden, G.R. Haugen, H.E. O'Neal, A.S. Rodgers, R. Shaw, R. Walsh // Chemical Reviews. - 1969. - Vol. 69. - № 3. - P. 279-324.

6. Сагадеев, Е.В. Энтальпии испарения и образования азоторганических соединений / Е.В. Сагадеев, В.П. Барабанов // ЖФХ. - 2005. - Т. 79. - № 11. - С. 1955-1960.

7. Cohen, N. Estimation of heats of formation of organic compounds by additivity methods / N. Cohen, S.W. Benson // Chemical Reviews. - 1993. - Vol. 93. - № 7. - P. 2419-2438.

8. Cohen, N. Revised group additivity values for enthalpies of formation (at 298 K) of carbon-hydrogen and carbon-hydrogen-oxygen compounds / N. Cohen // J. Phys. Chem. Ref. Data. -1996. - Vol. 25. - № 6. - P. 1411-1481.

9. Сагадеев, Е.В. Энтальпии испарения и образования производных фосфоновой и фосфористой кислот / Е.В. Сагадеев, Ю.Г Сафина // ЖФХ. - 2002. - Т. 76. - № 9. - С. 1565-1571.

10. Benson, S.W. Additivity Rules for the Estimation of Molecular Properties. Thermodynamic Properties / S.W. Benson, J.H Buss // J. Chem. Phys. - 1958. - Vol. 29. - № 3. - P. 546-572.

11. Frisch, M.J. Gaussian 98 / M.J. Frisch [et al]. Gaussian Inc. Pittsburgh PA. 1998.

12. Храпковский, Г.М. Влияние строения молекул на изменение прочности C-N-связи в ряду нитроалканов. I. Нитрометан, фторнитрометаны, хлорнитрометаны, фторхлорнитрометаны / Г.М. Храпковский, Д.В. Чачков, А.Г. Шамов // ЖОХ. - 2001. - Т. 71. - Вып. 9. - C. 1530-1538.

13. Храпковский, Г.М. Влияние строения молекул на изменение прочности C-N-связи в ряду нитроалканов. II. Нитроэтан, фторнитроэтаны, хлорнитроэтаны, фторхлорнитроэтаны / Г.М. Храпковский, Д.В. Чачков, А.Г. Шамов // ЖОХ. - 2004. - Т. 74. - Вып. 11. - C. 1835-1841.

14. Lee, C. Development of the Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron density / C. Lee, W. Yang, R.G. Parr // Physical Review B. - 1988. - Vol. 37. - P. 785-789.

15. Becke, A.D. A new mixing of Hartree-Fock and local density-functional theories / A.D. Becke // Journal of Chemical Physics. - 1993. - Vol. 98. - № 2. - P. 1372-1377.

16. Becke, A.D. Density-functional thermochemistry. III. The role of exact exchange / A.D. Becke // Journal of Chemical Physics. - 1993. - Vol. 98. - № 7. - P. 5648-5652.

17. Adamo, C. Toward reliable adiabatic connection models free from adjustable parameters / C. Adamo, V. Barone // Chemical Physics Letters. - 1997. - Vol. 274. - № 1-3. - P. 242-250.

18. Kendall, R.A. Electron affinities of the first-row atoms revisited. Systematic basis sets and wave functions / R.A. Kendall, T.H. Dunning Jr., R.J. Harrison // Journal of Chemical Physics. - 1992. - Vol. 96. - № 9. - P. 6796-6806.

19. Curtiss, L.A. Gaussian-3 (G3) theory for molecules containing first and second-row atoms / L.A. Curtiss [et al.] // Journal of Chemical Physics. - 1998. - Vol. 109. - № 18. - P. 7764-7776.

© А. А. Гимадеев - асп. каф. физической и коллоидной химии КГТУ; Д. В. Чачков - ст. научн.сотр. КНЦ РАН; Е. В. Сагадеев - д-р хим. наук, проф. каф. физической и коллоидной химии КГТУ; В. П. Барабанов - д-р хим. наук, проф. каф. физической и коллоидной химии КГТУ. e-mail:Sagadeev_EV@kstu.ru.