CC BY
34
УДК 539.193/.194;535/.33/34
В.Ф. Пулин, П.М. Элькин
МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СПЕКТРОВ КЛОФЕЛИНА
На основании неэмпирических квантовых расчетов параметров адиабатического потенциала предложена интерпретация фундаментальных колебаний клофелина.
Колебательные состояния, адиабатический потенциал, клофелин
V.F. Pulin, P.M. Elkin MODELLING OF STRUCTURES AND SPECTRA FOR CLOPHELINUM
Interpretation of the fundamental vibration based on non-empirical calculation of clophelinum has been proposed.
Vibrational state, adiabatic potential, clophelinum
Введение
Клофелин (клонидин) - широко известный медицинский препарат. Объяснить результаты его биологической активности на молекулярном уровне представляется возможным лишь после оценки параметров его адиабатического потенциала, определяющего основные физико-химические свойства молекулярных систем.
Наиболее наглядно форма адиабатического потенциала проявляется в оптических спектрах молекул, в первую очередь в их колебательных спектрах [1]. Однако в периодической литературе надежные экспериментальные данные по ИК и КР спектрам клофелина нами не обнаружены. В таких случаях для моделирования колебательных состояний используются возможности неэмпирических и гибридных методов квантовой механики молекулярных систем.
В данной работе на основании модельных расчетов параметров адиабатического потенциала молекулы клофелина в рамках метода функционала плотности DFT/b3LYP [2] предложена теоретическая интерпретация колебательного спектра соединения.
Результаты модельных расчетов структуры и спектра
Результаты оптимизации исходной неплоской конфигурации клофелина (рисунок) представлены в табл. 1. Отклонение неприведенных значений валентных углов шестичленного фрагмента от соответствующих углов в бензоле не превышает 2°. Выбор базиса расчета принципиального значения не имеет.
Для теоретической оценки положения полос в колебательном спектре соединения использована известная ангармоническая модель [3]
Ev = vs(ns + 1/2) + Xsr(ns + 1/2)(nr + 1/2) (1)
Для ангармонических констант xsr использованы выражения из публикации [4]
Xss = 1/16FSSSS- 5/48(Fsss)2/Vs + 1/32(FsJ(Q(s;s;-r)- Q(s;s;r) - 12Q(r;r; r)) (1-8„) (2)
Xsr = 1/16Fssrr - 1/8(Fssr)2(Q(s;s;-r)+ Q(s;s;r)(1Ssr) + 3/8(Fsrt)2(Q(s;r;t) - Q(s;r;-t) +
Q(s;-r;t) - Q(s;-r;-t))(1SSr)(1Sst)(1Srt)+ L(a;sr)2/( Q(s; r;0)+ Q(s;-r;0))/2 (3)
Оценочные значения ангармонических силовых констант (Fsrt и Fsrv) для связей NH заимствованы из публикации [5].
Интерпретация спектра выполнена в предположении, что набор фундаментальных колебаний клофелина можно разделить на две части. Первая часть связана с колебаниями бензольного фрагмента (1-3 - тип тризамещенных бензола [1]). Второй набор колебаний касается имидазольного фрагмента. Для молекулы имидазола интерпретация колебательного спектра считается устоявшейся. Достаточно указать на обширный список в публикациях [6]. Для замещенных имидазола такими данными мы не располагаем. Поэтому использован следующий прием. Интерпретация колебательного спектра имидазольного фрагмента клофелина строится на сопоставлении результатов квантовых расчетов имидазола и его 2-аминозамещенного аналога в предположении, что влияние монозамещения носит локальный характер [7]. В табл. 2 приводятся результаты такого исследования.
Как следует из представленных в табл. 2 данных, выбор базиса расчета не влияет на результаты интерпретации колебательного спектра имидазола и 2-КИ2-имидазола, имеет место предполагаемый локальный характер влияния замещения на силовое поле пятичленного цикла, результаты квантовых расчетов хорошо согласуются с имеющимися экспериментальными данными.
Предлагаемая теоретическая интерпретация спектра фундаментальных колебаний мономера клофелина представлена в табл. 3. Курсивом помечены колебания имидазольного фрагмента. Отметим значительную щель (~ 100 см-1) между валентными колебаниями связей NH, что обусловлено различной гибридизацией атома азота в пирамидальном (NHC2) фрагменте и в имидазольном цикле. Расчетные значения ангармонических силовые постоянные связи NН в этом цикле оцениваются величинами, характерными для всех пуриновых оснований: Kqqq ~ 2330 см-1, Kqqqq ~ 1340 см-1.
Следует ожидать, как и в димерах пурина, что образование димеров клофелина (механизм водородной связи между атомами азота имидазольного цикла и атомом водорода связи NH) спектраль-
но проявится в смещении полосы, интерпретированной как валентное колебание связи NN (##н) в длинноволновый диапазон на величину ~ 300 см-1. В коротковолновый диапазон на величину ~ 50 см-1 сместится полоса, интерпретированная как неплоское деформационное колебание связи КИ (рт) пятичленного цикла.
Заключение
Представленные результаты дают основание утверждать, что метод функционала плотности позволяет получить достоверную оценку параметров адиабатического потенциала исследуемого молекулярного объекта и осуществлять предсказательную теоретическую интерпретацию его колебательного спектра.
Рис. Молекулярная диаграмма клофелина
Таблица 1
Оптимизированные значения геометрических параметров клофелина
К(3,4) 1.41 И(14,15) 1.31 А(4,10,13) 111 А(16,17,20) 132 0(3,4,10,14) -57
Я(3,9) 1.76 И(15,16) 1.38 А(13,10,14) 112 А(18,17,20) 122 0(5,4,10,13) -8
Р(4,5) 1.41 ^(16,17) 1.37 А(10,14,15) 127 А(17,18,21) 127 0(5,4,10,14) 127
^(4,10) 1.40 ^(17,18) 1.38 А(14,15,16) 105 0(1,2,3,9) -176 0(4,10,14,15) -38
Я(5,11) 1.77 А(3,4,5) 116 А(15,16,17) 110 0(8,2,3,9) 3 0(13,10,14,15) 96
И(10,14) 1.41 А(3,4,10) 122 А(17,16,19) 128 0(9,3,4,5) 176 0(16,17,18,21) -173
Всс 1.39 А(4,5,6) 122 А(16,17,18) 105 0(3,4,10,13) 168 0(20,17,18,21) 8
Примечание. Длины связей Ящ) в А, валентные А(у,к) и двугранные углы Б(у,кД) в °.
Таблица 2
Интерпретация колебательного спектра имидазола и 2-ЫИ2-имидазола
Имидазол 2-МИ2-Имидазол
Форма колебан vэксп [7] ^нг 631Ю* 631Ю** 6311+0* 631Ю**
ИК КР ИК КР ИК КР ^нг ИК КР
Яш - 3491 37 124 52 122 58 130 3478 48 106
в,ві\іи,0 1529 1525 13 1.7 12 1.7 12 3.0 1508 21 39
О О! 1487 1471 17 11 17 12 21 22 1476 58 1,4
Рии,0 1427 1390 15 8.0 14 7.8 16 12 1352 5.5 12
0,Річи,Р 1328 1328 6.7 22 6.4 23 6.5 31 1282 1.9 3.1
Р,Рі\іи 1259 1255 0.4 7.7 0.4 7.4 0.4 9.8 1177 9.0 5.4
Р 1164 1132 4.8 18 4.8 18 5.0 22 1116 1,4 18.3
ві\іи,в 1100 1121 2.2 10 2.6 11 4.0 9.1 1098 3.7 9.5
рии,р 1070 1062* 59 4.5 58 4.7 62 3.8 1057 48 0.7
0,річи 917 897 9.1 0.9 8.8 0.9 6.6 1.1 914 1.4 3.4
Примечание. Частоты колебаний в см"1, интенсивности в спектрах ИК в км/моль, в спектрах кр в А4/ аем. Символом * помечены дублеты.
Таблица 3
Интерпретация колебательного спектра клофелина
Форма колебаний ^ксп [5-7] ^нг ИК КР Форма колебаний ^ксп [5-7] ^нг ИК КР
4N1BH 3506 3477 70 101 Q,e 1177 1155 B.6 17
qN10H 3339 3370 47 116 e,Q 1092 1103 0.7 20
Q, в 1604 1599 4.0 97 P,Q,e** 1074 10B1 60 32
Q,P 15B2 15B4 2B 1B P,Y 953 9B6 13 5.5
Q,P,Qnc 1541 1560 121 10 Pcn B55 B5B 2B 1B
в 1530 1505 75 2.B P B15 B42 3.B 3.2
в 1520 14B1 23 160 X,P,Pcci* 762 74B 103 3.1
в 1475 1460 136 1.7 P,Pnh,X* 724 713 90 6.1
Q,e,eNH 1420 1443 10B 1B X 632 646 21 11
Q,e 1316 1376 10 2B X 620 594 19 5.6
Q,P,Qcn 1320 1290 35 27 Pnh 51B 534 67 1.9
Q,P,Qcn 1256 1263 22 21 X 4B2 517 13 0.7
Q,e 1220 1245 12 11 Pcn 397 416 6.0 14
,Q 1190 1205 16 1B Pcci 349 352 21 3.6
Примечание. Экспериментальные значения для qN1oH взяты из диметиламина [1].
ЛИТЕРАТУРА
1. Свердлов Л.М. Колебательные спектры многоатомных молекул / Л.М. Свердлов, М.А. Ковнер, Е.П. Крайнов. М.: Наука, 1970. 560 с.
2. Frisch M.J., Trucks G.W., Schlegel H.B. et al. 2003. Pittsburg PA:. Gaussian Inc.
3. Hoy A.R. Anharmonic force constants calculation / A.R. Hoy, I.M. Mills, G. Strey // J. Mol. Phys. 1972. Vol. 21. № 6. Р. 1265-1290.
4. Элькин М.Д. Учет ангармонического смещения полос в модельных расчетах колебательных спектров димеров с водородной связью / М.Д. Элькин, Л.М. Бабков // Известия Сарат. гос. ун-та. Серия Физика. 2011. Т. 11. Вып. 1. С. 20-25.
5. Элькин М.Д. Квантовый анализ колебательных спектров таутомерных форм димеров пурина / М.Д. Элькин, О.В. Пулин, Е.А. Джалмухамбетова // Проблемы оптической физики: материалы 11-й Междунар. школы по оптике, лазерной физике и биофизике. 2008. С. 171-175.
6. Sadlej J. A theoretical study of vibrational spectra of imidazole and its different forms / J. Sadlej, A. Jaworsski, K. Miaskiewicz // J. Molecular structure. 1992. Vol. 274. P. 247-257.
7. Тен Г.Н. Проявление внутримолекулярного переноса протона в имидазоле в электронном спектре / Г.Н. Тен, В.И. Баранов // Журн. приклад. спектр. 2008. Т. 75. № 2. С. 164-169.
8. Березин В.И. Учет влияния замещения на силовое поле ароматического кольца / В.И. Березин, М.Д. Элькин // Журн. приклад. спектр. 1974. Т. 37. № 2. С. 237-240.
Пулин Виктор Федотович -
кандидат физико-математических наук, доцент кафедры «Физика» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Viktor F. Puklin -
Ph. D., Associate Professor
Department of Physics
Gagarin Saratov State Technical University
Элькин Павел Михайлович -
кандидат физико-математических наук, доцент кафедры «Техническая физика и информационная технология» Энгельсского технологического института (филиала) Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Pavel M. Elkin -
Ph. D., Associate Professor
Department of Technical Physics
and Information Technology
Engels Technological Institute
Part of Gagarin Saratov State Technical University
Статья поступила в редакцию 16.07.12, принята к опубликованию 06.11.12
