Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,580

РАСЧЁТ И ИНТЕРПРЕТАЦИЯ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ СПЕКТРОВ НЕЗАРЯЖЕННЫХ КОНФОРМЕРОВ МЕТИОНИНА И N-ФОРМИЛМЕТИОНИНА В АНГАРМОНИЧЕСКОМ ПРИБЛИЖЕНИИ

Тен Г.Н. 1 Щербакова Н.Е. 2 Баранов В.И. 3
1 Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского
2 Российский научно-исследовательский противочумный институт «Микроб»
3 Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН
В приближении гибридного функционала плотности B3LYP/6-311++G(d,p) выполнен расчёт энергий и колебательных спектров наиболее стабильных незаряженных конформеров метионина и N-формилметионина. Учёт механического ангармонизма приводит к существенному улучшению согласия между экспериментальными и вычисленными частотами в области валентных колебаний связей СН, NH и ОН: значения вычисленных частот уменьшились на 3.54.5 % для валентных колебаний связей СН, NH и на 5,4 % для q(ОН). Выполненный расчёт позволил уточнить отнесение экспериментально наблюдаемого колебания для метионина с частотой 1442 см-1, форма которого отвечает изменению валентного угла ССН. Для N-формилметионина разница энергий для конформеров II и III от I составляет 0,3 и 15,5 кДж/моль, что указывает на равную вероятность одновременного существования конформеров I и II в веществе. Определено влияние фрагмента NCO незаряженного конформера I для N-формилметионина на смещение частот и интенсивности полос поглощения. Показано, что смешение форм деформационных колебаний (ОН) и Q(CO) с формами валентных колебаний (CH2), (NH) для N-формилметионина приводит к значительному возрастанию (в 10 раз) интенсивности соответствующих полос поглощения по сравнению с Met.
метионин
N-формилметионин
конформеры
колебательные спектры
газовая фаза
расчёт
интерпретация
ангармоническое приближение
1. Кадров Д.М., Алексеев И.Г., Тен Г.Н. Расчёт и интерпретация колебательного спектра изолированного метионина // Вопросы прикладной физики. – 2011. – Вып. 18. – С. 48–51.
2. Кадров Д.М., Алексеев И.Г., Тен Г.Н. Расчёт и интерпретация колебательного спектра изолированного N-формилметионина // Вопросы прикладной физики. – 2012. – Вып. 19. – С. 49–53.
3. Тен Г.Н., Кадров Д.М., Березин В.И. Стабильность и структура конформеров глицина, аланина и лейцина в изолированном состоянии и цвиттер-ионной форме // Вопросы прикладной физики. – 2010. – Вып. 17. – С. 42–44.
4. Das G., Mandal S. Ab initio-and density-functional studies of conformational behaviour of N-formylmethionine in gaseous phase // Chemical Papers. – 2014. – V. 68, № 11. – P. 1608–1620.
5. Frisch M.J., Trucks G.W., Schlegel H.B. et al. Gaussian 09. – Gaussian Inc., Wallingford CT. 2009. – 394 p.
6. Gunasekaran S., Bright A., Devi TSR., Arunbalaji R., Anand G. Experimental and Semi-empirical computations of the vibrational spectra of Methionine, Homocysteine and Cysteine // Archives of Physics Research. – 2010. – V. 1. – P. 12–26.
7. Linder R., Seefeld K., Vavra A., Kleinermanns K. Gas phase infrared spectra of nanoromatic amino acids // Chem. Phys. Lett. – 2008. – V. 453. – P. 1–6.
8. Linder R., Nispel M., Häber T., Kleinermanns K. Gas-phase. FT-IR-spectra of natural amino acids // Chem. Phys. Lett. – 2005. – V. 409. – P. 260–264.
9. Naganathappa M., Chaudhari A. Spectroscopic characterization of cysteine and methionine using density functional theory method // Astrophysics and Space Science. – 2015. – V. 357. – P. 2.

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.

ten1.tif

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)

ten2.tif

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.


Библиографическая ссылка

Тен Г.Н., Щербакова Н.Е., Баранов В.И. РАСЧЁТ И ИНТЕРПРЕТАЦИЯ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ СПЕКТРОВ НЕЗАРЯЖЕННЫХ КОНФОРМЕРОВ МЕТИОНИНА И N-ФОРМИЛМЕТИОНИНА В АНГАРМОНИЧЕСКОМ ПРИБЛИЖЕНИИ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2017. – № 8-1. – С. 34-39;
URL: https://www.applied-research.ru/ru/article/view?id=11754 (дата обращения: 16.05.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074