Несмотря на достаточно существенный (более 70 лет) срок исследования колебательных спектров аминокислот, в настоящее время в литературе наблюдается интенсивное обсуждение детальной интерпретации аминокислот. Это связано не только с развитием и усовершенствованием экспериментальных методов регистрации ИК, и особенно КР, спектров, но и возросшими возможностями молекулярного моделирования и теоретического расчёта колебательных спектров.
Экспериментальное измерение спектров аминокислот в газовой фазе затруднено тем, что при нагревании молекулы аминокислот могут распадаться на фрагменты, такие как NH2 и СО, что требует создания специальных экспериментальных условий для регистрации колебательных спектров [7]. В настоящее время экспериментальные ИК спектры для газовой фазы методом Фурье-спектроскопии измерены для валина, лейцина, изолейцина, пролина, фенилаланина, глицина, аланина, треонина, цистеина и метионина (Met) [7, 8]. Для нестандартных аминокислот, к которым относится N-fMet, такие спектры в литературе отсутствуют.
Ранее колебательный спектр незаряженного конформера Met был вычислен в гармоническом приближении [9, 6]. При этом сравнение вычисленных частот было выполнено только для ИК спектров и для 35 колебаний, причём отнесение проводилось на основе сравнения с экспериментальным спектром кристаллического Met, имеющего в твёрдом состоянии цвиттер-ионную форму, что делает выполненное отнесение некорректным.
Цель данной работы – уточнить интерпретацию колебательных спектров наиболее стабильного незаряженного конформера Met на основе сравнения экспериментального спектра, измеренного для газовой фазы, и результатов квантово-химического расчёта колебательных спектров, выполненных в гармоническом и ангармоническом приближениях, а также провести интерпретацию колебательных спектров нестандартной аминокислоты N-fMet.
Оптимизация геометрии и расчёт колебательных спектров проводился по программе Gaussian-09 [5] с использованием метода DFT в приближении B3LYP и базисного набора 6-311++g(d,p).
Результаты исследования и их обсуждение
Метионин. Как показали более ранние расчёты, для большинства аминокислот, имеющих множество различных конформеров, наименьшей энергией обладают три конформера, отличающихся углами поворота фрагментов СООН относительно аминной группы NH2 [3]. Разница энергий DЕ = ЕII,III – ЕI для конформеров Met II и III по сравнению с энергией конформера Met I, обладающего, как показал расчёт, наименьшей энергией среди конформеров I-III, составляет 175,1 и 141,8 кДж/моль соответственно, что показывает целесообразность сравнения экспериментального спектра только c теоретическим спектром конформера I, молекулярная структура которого с обозначением атомов приведена на рис. 1.
Вычисленные геометрические параметры – длины связей и углы – рассматриваемых конформеров Met совпадают с данными, приведенными в работах [9, 6, 1] и поэтому в данной статье они не приводятся.
Результаты расчёта нормальных колебаний, выполненные в гармоническом и ангармоническом приближении, а также экспериментальные значения частот и относительных интенсивностей ИК спектра Met, измеренного для газовой фазы [7], приведены на рис. 2 (а, б) и в таблице.
Рис. 1. Молекулярные структуры конформеров Met I, II, III (вверху) и N-fMet I, II, III (внизу)
Экспериментальные (nэ, cм-1) [7] и вычисленные значения частот в гармоническом(nг, cм-1) и ангармоническом приближениях (nа, cм-1), а также интенсивностей спектров ИК (IИК, км/моль) и КР (IКР, A4/а.е.м.) Met и N-fMet
|
Met |
N-fMet |
|||||||||||
|
№ |
νэ * (Iотн) |
νг |
νа |
IИК |
IКР |
Отнесение |
№ |
νг |
νа |
IИК |
IКР |
Отнесение |
|
8 |
231 |
212 |
17,8 |
3,5 |
γ(CSC) |
11 |
240 |
235 |
0,3 |
6,8 |
γ(CSC) |
|
|
9 |
254 |
262 |
12,6 |
1,9 |
γ(CSC), γ(CCO) |
|||||||
|
10 |
294 |
286 |
25,3 |
0,6 |
γ(NH2) |
12 |
297 |
293 |
1,1 |
1,2 |
γ(CCC), γ(CNC) |
|
|
11 |
335 |
326 |
0,3 |
2,8 |
γ(C3C4C5) |
13 |
354 |
351 |
13,1 |
0,5 |
||
|
12 |
382 |
384 |
12,4 |
0,8 |
γ(CCS), γ(CCC), γ(NCC), γ(CCO) |
14 |
383 |
378 |
6,7 |
0,3 |
γ(CCC), γ(CNC), γ(CCO), γ(CSC) |
|
|
15 |
457 |
448 |
7,4 |
0,7 |
||||||||
|
13 |
517 |
511 |
19,1 |
0,6 |
||||||||
|
16 |
610 |
609 |
11,7 |
0,4 |
β(NH), β(OH) |
|||||||
|
14 |
625 |
582 |
113,8 |
1,6 |
β(OH) |
17 |
620 |
611 |
145,5 |
0,6 |
||
|
15 |
643 |
636 |
9,1 |
0,6 |
γ(CCN) |
18 |
646 |
630 |
63,8 |
2,4 |
||
|
19 |
662 |
652 |
81,1 |
2,9 |
||||||||
|
16 |
704 |
690 |
0,9 |
15,4 |
Q(SC) |
20 |
706 |
692 |
6,5 |
19,6 |
Q(SC) |
|
|
17 |
748 |
730 |
8,5 |
6,9 |
Q(SC) |
21 |
755 |
736 |
11,5 |
6,6 |
Q(SC) |
|
|
18 |
755 |
742 |
14,1 |
3,4 |
β(CH2) |
22 |
764 |
752 |
3,2 |
1,1 |
β(CH2) |
|
|
19 |
796 |
776 |
33,7 |
6,3 |
Q(CC), β(CH2) |
23 |
802 |
785 |
17 |
5,5 |
Q(CC), β(CH2) |
|
|
20 |
818 |
800 |
29,5 |
3,1 |
||||||||
|
21 |
879 |
802 |
128,6 |
2,8 |
Q(CN) |
24 |
860 |
843 |
0,2 |
4,3 |
β(CH2) |
|
|
22 |
968 |
946 |
5,1 |
3,5 |
Q(CC), β(CH3) |
25 |
973 |
961 |
2,0 |
2,2 |
β(CH3) |
|
|
23 |
974 |
953 |
11,2 |
3,2 |
26 |
975 |
959 |
6,5 |
2,4 |
|||
|
24 |
1005 |
984 |
1,9 |
6,5 |
β(CH3), β(CH2) |
27 |
1017 |
997 |
2,6 |
3,7 |
Q(CC), β(CH2) |
|
|
25 |
1024 |
996 |
7,7 |
5,8 |
Q(CC), β(CH2) |
28 |
1032 |
1016 |
1,9 |
1,5 |
β(CH) |
|
|
26 |
1058 |
1032 |
2,4 |
2,2 |
Q(CC) |
29 |
1048 |
1018 |
1,3 |
11,8 |
Q(CC) |
|
|
27 |
1110 |
1079 |
46,4 |
3,3 |
Q(CN) |
30 |
1057 |
1032 |
2,5 |
2,8 |
Q(CC) |
|
|
28 |
1117(0.87) |
1136 |
1104 |
225,5 |
1,5 |
Q(CO) |
31 |
1129 |
1097 |
134,6 |
0,8 |
Q(CN), Q(CO) |
|
29 |
1149 |
1117 |
9,9 |
2,2 |
β(CH2) |
32 |
1139 |
1111 |
81,8 |
2,1 |
Q(CO), β(CH2) |
|
|
30 |
1227 |
1206 |
16,3 |
3,5 |
β(CH2), β(NH2) |
33 |
1181 |
1148 |
57,6 |
3,9 |
||
|
Окончание таблицы |
||||||||||||
|
Met |
N-fMet |
|||||||||||
|
№ |
νэ * (Iотн) |
νг |
νа |
IИК |
IКР |
Отнесение |
№ |
νг |
νа |
IИК |
IКР |
Отнесение |
|
34 |
1251 |
1231 |
139,2 |
9,6 |
β(CH2), β(NH), β(OH) |
|||||||
|
31 |
1280 |
1254 |
7,4 |
3,7 |
β(CH2), β(OH) |
35 |
1274 |
1249 |
105,9 |
5,9 |
||
|
32 |
1288 |
1251 |
0,7 |
4,8 |
36 |
1285 |
1242 |
27,4 |
4,5 |
β(CH2), β(OH) |
||
|
33 |
1315 |
1286 |
6,9 |
5,8 |
37 |
1307 |
1271 |
5,3 |
2,7 |
|||
|
38 |
1333 |
1299 |
5,9 |
4,9 |
||||||||
|
34 |
1359 |
1325 |
4,8 |
1,1 |
β(CH3) |
39 |
1360 |
1331 |
5,7 |
2,2 |
β(CH3) |
|
|
35 |
1369(0.27) |
1368 |
1334 |
14,1 |
6,7 |
β(CH3), β(CH2), β(NH2), β(OH) |
40 |
1372 |
1333 |
14,5 |
7,3 |
Q(CC), β(CH3), β(CH2) |
|
36 |
1376 |
1341 |
3,4 |
3,4 |
β(CH2) |
41 |
1386 |
1349 |
29,4 |
1,4 |
β(CH2), β(C2H), β(NH), β(OH) |
|
|
37 |
1418 |
1387 |
5,9 |
3,5 |
β(CH) |
42 |
1425 |
1416 |
8,9 |
9,4 |
β(CH) |
|
|
38 |
1468 |
1425 |
9,4 |
12,2 |
β(CH3) |
43 |
1468 |
1436 |
9,7 |
12,1 |
β(CH3) |
|
|
39 |
1442(0.19) |
1482 |
1438 |
11,6 |
0,8 |
β(CH3), β(CH2) |
44 |
1481 |
1450 |
10,7 |
0,9 |
β(CH3), β(CH2) |
|
40 |
1486 |
1461 |
0,9 |
19,9 |
β(CH3), β(CH2) |
45 |
1486 |
1460 |
1,8 |
21,6 |
β(CH3), β(CH2) |
|
|
41 |
1498 |
1486 |
7,1 |
1,8 |
β(CH2) |
46 |
1496 |
1467 |
11,9 |
0,9 |
β(CH2), β(NH) |
|
|
47 |
1502 |
1457 |
23,9 |
7,5 |
β(NH), β(CH2) |
|||||||
|
42 |
1630(0.21) |
1669 |
1655 |
31,2 |
2,6 |
β(NH2) |
||||||
|
48 |
1780 |
1749 |
685,1 |
31,8 |
Q(CO) |
|||||||
|
43 |
1777(1.0) |
1807 |
1776 |
295,0 |
3,2 |
Q(CO) |
49 |
1819 |
1785 |
289,3 |
9,2 |
Q(CO) |
|
50 |
2933 |
2760 |
73,7 |
79,3 |
q(CH) |
|||||||
|
44 |
2860(0.1) |
3029 |
2884 |
15,9 |
261,9 |
q(CH2) |
51 |
3029 |
2885 |
21,5 |
195,4 |
q(CH2) |
|
45 |
2930(0.31) |
3032 |
2929 |
34,7 |
75,3 |
q(CH3) |
52 |
3034 |
2941 |
32,6 |
122,4 |
q(CH3) |
|
46 |
2860(0.1) |
3038 |
2894 |
18,2 |
27,4 |
q(CH2) |
53 |
3043 |
2882 |
14,1 |
45,6 |
q(CH2) |
|
47 |
2930(0.31) |
3067 |
2924 |
13,8 |
77,3 |
q(CH2) |
54 |
3068 |
2914 |
3,2 |
105,4 |
q(CH2) |
|
48 |
3072 |
2917 |
2,7 |
73,3 |
q(CH2), q(CH) |
55 |
3080 |
2934 |
5,6 |
24,2 |
q(CH2), q(CH) |
|
|
49 |
3095 |
2941 |
28,6 |
13,9 |
q(CH2), q(CH) |
56 |
3096 |
2944 |
24,1 |
9,8 |
q(CH2), q(CH) |
|
|
50 |
3107 |
2954 |
7,8 |
68,3 |
q(CH3) |
57 |
3110 |
2954 |
8,7 |
68,5 |
q(CH3) |
|
|
51 |
3128 |
2981 |
7,6 |
101,4 |
q(CH3) |
58 |
3130 |
2979 |
6,3 |
105,7 |
q(CH3) |
|
|
52 |
3496 |
3369 |
2,02 |
131,1 |
q(NH2) |
|||||||
|
53 |
3573 |
3404 |
5,5 |
68,6 |
q(NH2) |
59 |
3579 |
3423 |
38,8 |
63,2 |
q(NH) |
|
|
54 |
3572(0.34) |
3740 |
3538 |
58,8 |
155,9 |
q(OH) |
60 |
3739 |
3540 |
74,5 |
154,7 |
q(OH) |
Рис. 2. Экспериментальный [7] ИК спектр Met (а), измеренный в газовой фазе, и вычисленные ИК спектры Met (б) и N-fMet (в)
Учёт механического ангармонизма приводит к существенному улучшению согласия между экспериментальными и вычисленными частотами в области валентных колебаний связей СН, NH и ОН (область 2880–3540 см-1). Значения вычисленных частот уменьшились на 3,5÷4,5 % для валентных колебаний связей СН, NH и на 5,4 % для q(ОН). Учитывая, что экспериментальные значения частот 2860 и 2930 см-1 отвечают максимумам полос поглощения, являющихся суперпозицией нескольких полос поглощения [7], расчёт нормальных колебаний в ангармоническом приближении позволил уточнить отнесение колебаний в этой области. Так, колебания 44 и 46, значения частот которых расположены в области 2884–2890 см-1, отвечают экспериментальной полосе поглощения с максимумом в области 2860 см-1, а колебания 45, 47–50 – полосе поглощения с максимумом в области 2930 см-1. В области 700–1800 см-1, в которой проявляются валентные колебания связей СС, СN, CS, CO и деформационные колебания аминной NH2, метильной CН3, а также CH2, СН и ОН групп, значения частот понижаются на 1,5–2,5 % по сравнению с частотами, вычисленными в гармоническом приближении. Исключение составляет колебание с частотой 879 см-1, форма которого отвечает изменению длины связи CN. Выполненный расчёт позволил уточнить отнесение экспериментально наблюдаемого колебания с частотой 1442 см-1, ранее интерпретированного как колебание 38 [1], к колебанию 39.
В низкочастотной области (ниже 200 см-1), где проявляются колебания, характеризующие поворот или вращение одних молекулярных фрагментов Met относительно других как целого, учёт ангармонизма не привёл к какому-либо существенному изменению частот (в таблице частоты данного спектрального интервала не приведены). В области 200–520 см-1 проявляются деформационные колебания углов CCC, CNC, CОC, CSC, среди которых низкочастотными являются колебания углов CSC. Наибольшую интенсивность в ИК спектре Met имеют полосы поглощения, отвечающие валентным колебаниям 21 и 27 связей СN (802 и 1079 см-1), валентным колебаниям 28 и 43 связей CO (1104 и 1776 см-1) и деформационному колебанию 14 b(ОН) (582 см-1). В спектрах КР в средней спектральной области имеются три линии сильной интенсивности – это колебания с частотами 690, 1438 и 1461 см-1, формы которых отвечают соответственно изменению длины связи SC и изменению валентных углов в группах СН3 и СН2. Наиболее интенсивные линии в спектрах КР лежат в области валентных колебаний связей СН, NH и OH.
N-формилметионин. Первоначально, так же как и для Met, были определены энергетические состояния трёх конформеров N-fMet (рис. 1) В отличие от Met разница энергий составляет DЕ=ЕII – ЕI = 0,3 и Е=ЕIII – ЕI = 15,5 кДж/моль. Небольшое отличие вычисленных энергий конформеров II и III от I указывает на равную вероятность одновременного существования этих молекулярных структур в веществе.
В работе [4] была исследована стабильность 12 конформеров N-fMet, образующихся как за счёт относительного вращения групп СООН и NСО, так поворотов молекулярных фрагментов СООН и NСО относительно связей СС и СS. Учитывалось влияние на колебательные спектры всевозможных водородных связей, таких как О…НО, О…HN, O…HC и N…HC. Как и в нашем расчёте, наиболее стабильным оказался конформер I (рис. 1).
Для анализа влияния структуры на колебательные спектры, были предварительно проведены расчёты ИК и КР спектров для всех трёх конформеров N-fMet. Значения частот соответствующих спектров отличались незначительно и главным образом для низкочастотных колебаний, поэтому в таблице приведены колебания только для конформера I.
Ранее теоретические колебательные (ИК) спектры незаряженного N-fMet были представлены в работе [4], где был выполнен анализ лишь высокочастотной спектральной области (2900–3600 см-1) и в качестве экспериментальных частот были взяты частоты колебаний Met. Как и в работе [2], расчёт частот был выполнен в гармоническом приближении. В таблице и на рис. 2 (в) приведены результаты расчёта колебательных спектров N-fMet и дана интерпретация нормальных колебаний. Влияние ангармонизма имеет такой же характер, как и в случае Met. В высокочастотной области 2750–3550 см-1 в отличие от Met вместо двух колебаний q(NH2) проявляются колебания с частотами 3423 и 2760 см-1, характеризующие валентные колебания q(NH) и q(СH) фрагмента NCO.
Для N-fMet число нормальных колебаний на шесть больше, чем для Met, четыре из которых имеют мало смешанные формы колебаний. Это колебание в области 1749 см-1, форма которого отвечает изменению длины связи С=О, и три колебания в низкочастотной области, которые характеризуют смещения молекулярного фрагмента NCO относительно других фрагментов N-fMet.
Два других колебания характеризуют валентные и деформационные колебания связей NH и ОН, но их форма является смешанной с формами других колебаний, что влияет и на смещение частот колебаний по сравнению с частотами колебаний Met, и на интенсивность соответствующих полос поглощения. Так, смешение форм деформационных колебаний b(ОН) с формами валентных колебаний b(CH2), b(NH) (колебания 34, 35), как и смешение формы колебания Q(CO) с формой колебания b(CH2) (колебания 32, 33) приводит к значительному возрастанию (в ~ 10 раз) интенсивности соответствующих полос поглощения по сравнению с Met. По той же причине наблюдается значительное увеличение интенсивности полос поглощения, соответствующих колебаниям 18 и 19. В спектрах КР, как и для Met, наиболее интенсивные линии лежат в области валентных колебаний связей СН, NH и OH (колебания 50–60).
Выводы
Расчёт нормальных колебаний с учётом механического ангармонизма улучшил согласие вычисленных и экспериментальных частот колебательных спектров Met и N-fMet для наиболее стабильных незаряженных конформеров, что позволило уточнить ранее выполненную интерпретацию колебательных спектров. Выполнена полная интерпретация N-fMet и проведён сравнительный анализ с колебательным спектром Met. Определено влияние фрагмента NCO незаряженного конформера N-fMet на смещение частот и интенсивности полос поглощения. Показано, что смешение форм деформационных колебаний b(ОН) и Q(CO) с формами валентных колебаний b(CH2), b(NH) для N-fMet приводит к значительному возрастанию (в ~ 10 раз) интенсивности соответствующих полос поглощения по сравнению с Met.