CC BY
76
у Затруднина Р.Ш., Корнаухова М.А., 2012
УДК 532, 547 ББК 22, 24
КОНФОРМАЦИОННЫЙ И ИЗОМЕРНЫЙ АНАЛИЗ АМИДОВ ПИРИДИНКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ
Р.Ш. Затрудина, М.А. Корнаухова
Проведен квантово-механический расчет поверхности потенциальной энергии трех амидов пиридинкарбоновых кислот полуэмпирическими методами АМ1 и РМ3. Показано, что амиды пиридин-3-карбоновой и пиридин-4-карбоновой кислот имеют практически совпадающие поверхности потенциальной энергии с двумя глобальными минимумами, в то время как для амида пиридин-2-карбоновой кислоты поверхность потенциальной энергии имеет только один широкий минимум.
Ключевые слова: пиридинкарбоновые кислоты, конформационный анализ, квантово-механические расчеты, полуэмпирические методы, поверхность потенциальной энергии.
Введение
Пиридинкарбоновые кислоты - замещенные пиридина, содержащие одну или несколько карбоксильных групп. Известны три изомера пиридинкарбоновых кислот: пири-дин-3-карбоновая кислота (никотиновая кислота), пиридин-4-карбоновая кислота (изо-никотиновая кислота), пиридин-2-карбоновая кислота (пиколиновая кислота) и их амиды -
а, а, е-никотинамиды. Изоникотиновая кислота - бесцветные кристаллы, образующиеся окислением е-пиколина или путем синтеза. Ее гидразид применяется для лечения туберкулеза. Пиколиновая кислота -бесцветные кристаллы, хорошо растворяются в воде и этаноле. Она способствует лучшему усвоению хрома организмом [5]. Никотиновая кислота - бесцветные игольчатые кристаллы, хорошо растворимые в воде и этаноле. В организме никотиновая кислота превращается в никотинамид, который связывается с коферментами дегидрогеназы I и II (НАД и НАДФ), переносящими водород, участвует в метаболизме жиров, белков, амино-
кислот, пуринов, тканевом дыхании, гликоге-нолизе, процессах биосинтеза [7].
К настоящему времени различными авторами достаточно детально исследован пиридин. Проведен конформационный анализ, а также получены электронно-колебательные спектры [1; 10], инфракрасные и спектры комбинационного рассеяния [2; 3] для некоторых производных пиридина. Однако существует неоднозначность в данных конформационно-го анализа для амидов пиридинкарбоновых кислот, которому и посвящено данное исследование.
Конформационный анализ
Решение основных задач конформацион-ного анализа предполагает определение стабильных конформеров и барьеров перехода между ними.
Наглядное представление о внутренней энергии, об энергетических барьерах дает квантово-химический метод. В основе его лежат наглядные представления о связи геометрии молекулы (длинах связей, валентных и двугранных углов) с ее энергией. Энергия молекулы (Е) в различных конформациях рассматривается при этом как сумма четырех вкладов:
Е = и + и - и + и ,
ее
е
где ипп - отталкивание ядер друг от друга; иее - отталкивание электронов друг от друга; ипе - притяжение ядер к электронам; и -кинетическая энергия электронов. Наблюдаемая энергия молекул является в общем случае малой разностью двух гораздо больших (по сравнению с ней) величин: энергии отталкивания (и + и + и) и энергии притяже-
4 пп ее е' г г
ния и [4].
пе
Изменение формы молекул под влиянием теплового движения (или под действием внешнего поля), не сопровождающееся разрывом химических связей, называют конфор-мационным превращением. Переход молекулы из конформации, которой соответствует потенциальная энергия и в конформацию, которой соответствует потенциальная энергия и2 осуществляется не мгновенно, а с определенной скоростью, которая зависит от взаимодействия соседних атомных групп. Для преодоления этого взаимодействия требуется некоторая энергия активации _ и, равная (и2 - иг) (рис. 1). Следовательно, гибкость (или жесткость) молекулы, то есть спо-
собность ее к конформационным превращениям, определяется значением потенциального барьера внутреннего вращения и Иными словами, потенциальный барьер внутреннего вращения определяет скорость конфор-мационных превращений. Чем больше значение потенциального барьера внутреннего вращения молекул отличается от энергии внешнего воздействия (теплового, механического), тем медленнее осуществляется поворот [9].
Был проведен конформационный анализ амидов трех изомеров пиридинкарбоновой кислоты, структурные формулы которых представлены на рисунке 2: амида пиридин-
3-карбоновой кислоты (никотиновой кислоты) (рис. 2а), амида пиридин-4-карбоновой кислоты (изоникотиновой кислоты) (рис. 2б), амида пиридин-2-карбоновой кислоты (пико-линовая кислота) (рис. 2в) методами квантовой механики. Для проведения расчетов была использована программа НурегЛет. Расчеты проводились двумя полуэмпиричес-кими методами РМ3 и АМ1 [6; 8].
Рис. 1. Энергия активации вращения молекулы в зависимости от угла поворота
а б в
Рис. 2. Структурные формулы амида пиридин-3-карбоновой кислоты (а), амида пиридин-4-карбоновой кислоты (б), амида пиридин-2-карбоновой кислоты (
Все три изомера пиридинкарбоновых кислот имеют плоскую структуру пиридинового кольца, группа CONH2 также является плоской, но может быть повернута относительно плоскости кольца, и в дальнейшем будет рассматриваться именно этот поворот.
Для определения наиболее термодинамически устойчивых форм амидов пиридин-3-карбоновой, пиридин-4-карбоновой, пиридин-2-карбоновой кислот, был проведен конформа-ционный анализ, в результате которого были построены зависимости полной энергии молекул от угла С=С-С-М.
Кривые сечения поверхности потенциальной энергии плоскостью (и, а), где а - угол между плоскостью пиридинового кольца и пептидной группой, для амида пиридин-3-карбо-новой кислоты представлены на рисунке 3.
Как следует из рисунка 3, характер кривых, полученных методами РМ3 и АМ1, совпадает. Кривые имеют два глобальных ми-
нимума, соответствующих симметричному повороту пептидной группы СОМН относительно плоскости кольца по часовой и против часовой стрелки. Минимумы, полученные методом РМ3, соответствуют ±130°, а рассчитанные методом АМ1 соответствуют ±140°. Высота потенциального барьера молекулы амида пиридин-3-карбоновой кислоты, полученная методом РМ3, равна 1,22* 10-23 кДж, а методом АМ1 - 2,21 * 10-23 кДж.
Кривые сечения поверхности потенциальной энергии плоскостью (и, а) для амида пиридин-4-карбоновой кислоты представлены на рисунке 4.
Из представленного выше рисунка 4 следует, что кривые потенциальной энергии, рассчитанные методами РМ3 и АМ1, имеют сходный характер. Кривые имеют два глобальных минимума, которые соответствуют симметричному повороту пептидной группы СОМН2 относительно плоскости кольца по
0 20 40 60 80 100120 140 160 180 200 220240260 280 300 320 340 360
Рис. 3. Кривые сечения поверхности потенциальной энергии плоскостью (и, а) для амида пиридин-3-карбоновой кислоты
-1119.
-1120.
-1120.
-1121.
-1121.
гТ-1122
N
'© -1122. 5^-1123. ^-1123. £3-1124. -1124. -1125. -1125. -1126.
40 60 80 1 00 1 20 1 40 1 60 1 8 0 20 0 2 2 0 240 2 6 0 2 80 3 00 32 0 34 0 360
Рис. 4. Кривые сечения поверхности потенциальной энергии плоскостью (и, а) для амида пиридин-4-карбоновой кислоты
часовой и против часовой стрелки. Минимумы, рассчитанные методом РМ3, соответствуют ±125°, а методом АМ1 - ±140°. Высота потенциального барьера внутреннего вращения молекулы амида пиридин-4-карбоновой кислоты, рассчитанная методом РМ3, равна 1,2*10-23 кДж, а методом АМ1 - 2,36*10-23 кДж.
После анализа полученных данных для двух молекул можно сделать вывод о том, что результаты, рассчитанные методами РМ3 и АМ1, оказываются разными. Однако поверхности потенциальной энергии молекул амида пиридин-3-карбоновых и пиридин-4-карбоно-вых кислот качественно совпадают, но количественно различаются.
Кривые сечения поверхности потенциальной энергии плоскостью (и, а) для амида пиридин-2-карбоновой кислоты представлены на рисунке 5.
Как следует из рисунка 5, результаты рассчитанные методами РМ3 и АМ1, оказываются близкими. Кривая, полученная методом АМ1, имеет широкий минимум энергии, который расположен так, что образует своеобразное «плато» от 150° до 210°. Поверхность потенциальной энергии, рассчитанная методом РМ3, в свою очередь имеет два минимума, разделенных потенциальным барьером, равным 0,05*10-23 кДж. Высота потенциального барьера внутреннего вращения молекулы амида пиридин-3-карбоновой кислоты, рассчитанная методом РМ3, равна 4,49*10-23 кДж, а методом АМ1 - 6,83*10-23 кДж.
Анализируя рисунки 3-5 и учитывая, что энергия теплового движения получается
порядка 414*10-23 Дж, можно сделать вывод, что высота потенциального барьера для трех видов пиридинкарбоновых кислот, рассчитанных двумя полуэмпирическими методами РМ3 и АМ1, существенно больше энергии теплового движения.
Результаты расчета показали, что кривые потенциальной энергии для амидов пиридин-3- и пиридин-4-карбоновых кислот практически совпадают, а для амида пиридин-2-карбоновой кислоты кривая потенциальной энергии существенно отличается. Такое различие косвенно подтверждается аналогичными отличиями в растворимости пиридин-3-, пиридин-4-, пиридин-2-карбоновых кислот и тем фактом, что пиридин-2-карбоновая кислота дает окрашенные комплексы с солями Си (II) и Fe (II), в отличие от пиридин-3- и пи-ридин-4-карбоновых кислот, что используется в аналитической практике.
Заключение
Амиды пиридин-3-карбоновой и пиридин-
4-карбоновой кислот имеют практически совпадающие поверхности потенциальной энергии. Из результатов расчета методом АМ1 следует, что амиды пиридин-3-карбоновой и пиридин-4-карбоновой кислот могут существовать в форме двух ротамеров, отличающихся поворотом пептидной группы на 140° по часовой и против часовой стрелки. Как показали результаты расчета методом РМ3, амиды пиридин-3-карбоновой и пиридин-4-карбоновой кислот могут существовать в любых поворотно-изомерных формах, соответствующих ди-
0 2 0 4 0 6 0 80 1 00 1 20 1 40 1 60 1 8 0 20 0 2 20 2 40 26 0 280 3 00 3 20 340 360
Рис. 5. Кривые сечения поверхности потенциальной энергии плоскостью (и, а) для амида пиридин-2-карбоновой кислоты
апазону углов от 60° до 300°. Результаты расчета пиридин-2-карбоновой кислоты дают несколько иную кривую потенциальной энергии, которая имеет один широкий минимум. Эта молекула может существовать в форме поворотных изомеров, угол между пептидной связью и пиридиновым кольцом в которых изменяется от 110° до 250°.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Баранов, В. И. Расчет и интерпретация электронно-колебательных спектров пиридина и транс-1,2-ди(2’-пиридил)этилена во втором приближении параметрического метода / В. И. Баранов, А. Н. Соловьев // Оптика и спектроскопия. - 2008. - Т. 104, № 3. -С. 357-364.
2. Березин, К. В. Квантово- механический расчет частот нормальных колебаний и интенсивности полос в инфракрасных спектрах и спектрах комбинационного рассеяния ^окиси пиридина / К. В. Березин // Оптика и спектроскопия. - 2008. -Т. 94, № 3. - С. 209-213.
3. Березин, К. В. Электронный спектр поглощения N-окиси пиридина в газовой фазе. Общая характеристика / К. В. Березин // Журнал структурной химии. - Т. 36, N° 2. - С. 345-349.
4. Дашевский, В. Г. Конформационный анализ органических молекул / В. Г. Дашевский. - М. : Химия, 1982. - 272 с.
5. Ким, А. М. Органическая химия / А. М. Ким. -М. : Просвещение, 2002. - 917 с.
6. Кобзев, Г И. Применение неэмпирических и полуэмпирических методов в квантово-химических расчетах : учеб. пособие / Г. И. Кобзев. -Оренбург : ГОУ ОГУ, 2004. - 150 с.
7. Овчинников, Ю. А. Биоорганическая химия / Ю. А. Овчинников. - М. : Просвещение, 1987. -815 с.
8. Степанов, Н. Ф. Квантовая механика и квантовая химия / Н. Ф. Степанов. - М. : Мир, 2001. - 519 с.
9. Эмануэль, Н. М. Курс химической кинетики / Н. М. Эмануэль, Д. Г Кнорре. - М. : Высш. шк., 1984. - 463 с.
10. Mochizuki, Y. Fluorescence spectrum from N state of pyridine vapor / Y. Mochizuki, К. Kaya, M. Ito // J. Phys. Chem. - 1978. - Vol. 69. - P. 935-936.
CONFORMATIONAL AND THE ISOMERIC ANALYSIS OF PYRIDINECARBOXYLIC ACID AMIDES
R.Sh. Zatrudina, M.A. Kornaukhova
The potential energy profile calculations by quantum mechanic semi-empirical methods AM1 and PM3 for three types of the pyridinecarboxylic acids amides are carried out. It is shown that the potential energy surfaces of pyridine-3-carboxylic and pyridine-4-carboxylic acids have two global minimums and are almost identical while the pyridine-2-carboxylic acid amide potential energy surface has only one broad minimum.
Key words:pyridinecarboxylic acids, conformational analysis, quantum-mechanical calculations, semiempirical methods, the potential energy surface.
