В последние годы значительно увеличился интерес к изучению водородной связи. Быстро растет число публикаций, посвященных ее исследованию как традиционными, так и новыми методами (импульсная Фурье-спектроскопия в сверхзвуковых пучках, неупругое рассеяние нейтронов, кинетическая лазерная спектроскопия и др.). Теоретические расчеты, выполненные для простых комплексов в газовой фазе, дают результаты, уже не уступающие в точности экспериментальным методам. Регулярно проводятся международные конференции и публикуются монографии, посвященные различным аспектам водородной связи. Особое внимание привлечено к исследованию наиболее сильных водородных связей, что определяется ключевой ролью, которую они играют во многих явлениях физики, химии и биологии. Для физика основной интерес представляет своеобразное движение протона в двухямном потенциале, высота барьера в котором сравнима с положением основного колебательного уровня, и проявление этого движения в оптических и в ЯМР спектрахвозможность управления переходом протона за счет внешних воздействий и его практическое применение, например для создания элементной базы молекулярной электроники, для записи информации и т. д. Для химика сильная водородная связь являет пример &bdquo-неклассической" химической связи с формально двухвалентным водородом, которую можно охарактеризовать как трехцентровую четырехэлектронную связь, с яркими сопутствующими эффектами кооперативности, что служит одним из механизмов нацеленного синтеза сложных высокоупорядоченных молекулярных структур (супрамолекулярная химия, молекулярное узнавание). Среди многообразия процессов молекулярной биологии, в которых водородная связь играет важнуюа часто и определяющую — роль (вторичная и третичная структура белков и нуклеиновых кислот, репликация ДНК, передача наследственной информации и механизм мутаций и др.), в последние годы особое внимание привлечено к ферментативному катализу, в котором основополагающей стадией является, как считают, образование сильной низкобарьерной связи.
Таким образом, исследование сильной водородной связи представляет собой типичную междисциплинарную проблему, в которой различные экспериментальные методы (оптическая и ЯМР спектроскопия, рентгеноструктурный анализ, нейтронография) эффективно сочетаются с теоретическими расчетами и любой успех на каждом направлении немедленно инициирует активность в смежных областях.
В настоящей работе методом низкотемпературной (94−200 К) спектроскопии ЯМР проведены экспериментальные исследования различных молекулярных и ионных комплексов с водородной связью, образуемых в растворах в сжиженной смеси фреонов. Трактовка экспериментальных данных подтверждена результатами модельных теоретических расчетов.
Предпринята попытка исследования структуры и динамики комплексов с сильной водородной связью АН. В методом ЯМР спектроскопии на ядрах всех трех атомов, образующих водородный мостик. Успех работы определяется возможностью достижения такого режима медленного протонного и молекулярного обмена, в котором сигналы магнитно неэквивалентных ядер наблюдаются раздельно. Объектами исследования выбраны комплексы, образуемые наиболее сильным из протонодоноров — фтористым водородом, с фторид-ионом — самым сильным из известных акцепторов или азотосодержащим акцептором (коллидином), а также комплексы с участием некоторых карбоновых кислот и их анионов — классических объектов при исследовании водородной связи.
Основные цели работы:
Получение спектров ЯМР комплексов донор-акцептор протона различного состава и определение структуры этих комплексов.
Изучение изотопных H/D эффектов на ядрах атомов, образующих водородный мостик, использование полученных данных для характеристики вида потенциальной функции связывающего протона и кооперативных эффектов в сложных комплексах.
Исследование спектров гомосопряженных ионов (АНА)" и (ВНВ)+ типа и их дейтерированных форм для определения симметрии и равновесной геометрии этих структур.
Проведение модельных теоретических расчетов для уточнения физического смысла обнаруженных эффектов.
Основные положения, выносимые на защиту:
Впервые обнаружено значительное (2JAU ~ 100 Гц) косвенное спин-спиновое взаимодействие между ядрами тяжелых атомов в сильной водородной связи, указывающее на ее частично ковалентный характер.
Предложен критерий для установления вида потенциальной функции протона в гомосопряженных ионах (АНА)" и (ВНВ)+ типов, основанный на знаке первичного H/D изотопного эффекта, — для центросимметричного расположения протонов дейтерирование ведет к усилению водородной связи.
Впервые обнаружен положительный H/D изотопный эффект в комплексе с сильной водородной связью, образованном нейтральными молекулами (коллидин.-HF), однозначно указывающий на низкобарьерный характер водородной связи в данном комплексе.
В сложных комплексах с несколькими водородными связями обнаружены вторичные H/D изотопные эффекты, величина и знак которых могут служить для определения характера кооперативности водородных связей.
Впервые удалось экспериментально проследить за процессом формирования комплекса с низкобарьерной водородной связью при плавном увеличении диэлектрической проницаемости растворителя за счет понижения температуры.
Обнаруженное в настоящей работе значительное спин-спиновое взаимодействие между ядрами тяжелых атомов, образующих водородный мостик, может трактоваться как наличие у сильной водородной связи частично ковалентного характера. Поэтому при описании таких связей необходимо учитывать структуру всего водородного мостика как единого целого. Это становится особенно важным при рассмотрении низкобарьерной водородной связи, которая, как показано в работе, при определенных условиях может образовываться в полярном растворителе. Выявление экспериментального критерия существования такой связи дает возможность проведения дальнейших исследований ее характеристик и условий появления. Изотопные эффекты, проявляющиеся в спектрах ЯМР комплексов с несколькими водородными связями при частичном или полном дейтерировании водородных мостиков, позволяют исследовать механизмы взаимного влияния водородных связей в подобных комплексах. Полученные результаты дают основу для развития модели ферментативного катализа в классической триаде: Ser.Asp.His.
Результаты работы доложены на следующих научных конференциях: Joint 29 AMPERE — 13 ISMAR International Conference «Magnetic Resonance and Related Phenomena», (Berlin, 1998) — International Conference «Acid-base properties of organic compounds», (Przesieka, Poland, 1998) — Всероссийская Конференция по Теоретической Химии (Казань, 1997) — International Discussion Meeting «Hydrogen Transfer: Experiment and Theory» (Berlin, 1997) — XII International ConferenceWorkshop «Horizons in Hydrogen Bond Research» (Niederoblarn, Austria, 1997) — Konferenz «Chemie in Berlin and Potsdam» (Potsdam, 1996) и др.
Основное содержание работы изложено в 2 статьях и 4 тезисах докладов.
Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка цитированной литературы из 195 наименований и содержит 81 страницу машинописного текста, в том числе 24 рисунка и 3 таблицы.
6.3. ВЫВОДЫ.
Использование вторичных изотопных эффектов, наблюдаемых в частично дейтерированных по водородным связям сложных комплексах, позволяет установить величину и знак кооперативного взаимодействияпроанализировать перераспределение электронной плотности в донорно-акцепторных группах, вызванное изменением прочности связейточнее описать структуру исследуемого комплекса.
Впервые обнаружена интересная особенность взаимного влияния водородных связей в симметричных комплексах типа |ТН]П.Р". При частичном дейтерировании водородных связей длина мостиков Б.Б.Б" возрастает, а Р.Н.Р", наоборот, уменьшается, т. е. взаимодействие носит антикооперативный характер. Однако в полностью дейтерированном комплексе (ТТ)]П.Р" прочность водородных связей выше, по сравнению с исходным [ТН]П.Р.
ГЛАВА 7.
ПРИЧИНЫ ЗАВИСИМОСТИ ЗНАЧЕНИЙ ХИМИЧЕСКОГО СДВИГА СИГНАЛА МОСТИКОВОГО ПРОТОНА ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ.
В пятой главе диссертации были подробно рассмотрены причины сильной зависимости от температуры спектральных характеристик комплекса коллидин. НР]. Для большинства исследованных в работе структур влияние температуры на значения химических сдвигов и констант скалярного спин-спинового взаимодействия гораздо слабее, чем в приведенном примере. Тем не менее мы сочли необходимым коротко описать основные причины, ответственные за возникновение этих эффектов.
7.1. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ РАСТВОРИТЕЛЯ С ДИПОЛЬНЫМ МОМЕНТОМ КОМПЛЕКСА. На рисунке 7.1 приведены температурные зависимости химических сдвигов сигналов мостиковых протонов для ряда исследованных в работе комплексов. Отчетливо видно, что значительные эффекты наблюдаются только для комплексов коллидина с молекулами НР состава 1:1 и 1:2, которые изначально имеют не равный нулю дипольный момент. С другой стороны, для симметричных структур, не имеющих дипольного момента, влияние температуры на 8('Н) пренебрежимо мало. Дополнительные эксперименты показали отсутствие изменений в.
Рисунок 7.1 Влияние температуры на величину химического сдвига сигнала мостикового протона в различных комплексах с водородной связью.
20;
О. О.
18-ю 17- [+ЫН. НЫ+] [Р. н. Н.
16- [ы — н]+. ^.н-н.
1 ' 1 ¦ 1 ' 1 ¦ 1 1 ¦ 1 110 120 130 140 150 160 170 Т (К) положении сигналов при варьировании абсолютной концентрации комплексов в растворе. Это позволяет исключить возможность существования специфических взаимодействий между молекулами исследуемых комплексов или их ассоциации с молекулами растворителя при низкой температуре. Более того, подобные процессы вызывали бы асимметризацию формально симметричных комплексов, что привело бы к появлению у них дипольного момента, а значит и зависимости значений химических сдвигов от температуры.
По нашему мнению обсуждаемые эффекты обусловлены, в первую очередь, возрастанием статической диэлектрической проницаемости растворителя при его охлаждении. Движущей силой, вызывающей перенос протона от донорной к акцепторной молекуле, является реактивное электрическое поле, созданное дипольными моментами отдельных молекул полярного растворителя. Понижение температуры сопровождается их упорядочиванием, а значит и увеличением эффективного электрического поля растворителя в месте расположения исследуемого полярного комплекса. Из-за хаотического движения отдельных молекул, данное поле не может вызвать появление дипольного момента у изначально симметричного комплекса, однако, через механизм поляризуемости, оно окажет влияние на геометрию асимметричного комплекса. Первоначально, минимизация энергии подобного комплекса в полярном окружении осуществляется за счет возрастания его дипольного момента путем удлинения А-Н связи. Одновременно происходит усиление водородной связи с акцепторной молекулой. Как мы уже неоднократно отмечали, этот процесс сопровождается укорочением водородного мостика и может привести к образованию низкобарьерной водородной связи. Дальнейшее возрастание электрического поля растворителя приведет к переходу протона к акцепторной молекуле и необходимость увеличения дипольного момента потребует удлинения водородного мостика. Данная трактовка подтверждается выводами, сделанными в работе [164] на основе ab initio расчетов геометрии донорно-акцепторных комплексов в сильном электрическом поле.
Таким образом, при наличии у комплекса собственного дипольного момента, изменение статической диэлектрической проницаемости растворителя приводит к изменению равновесной ядерной конфигурации, а значит и прочности водородной связи. Это заметно сказывается на экранировке исследуемых ядер и вызывает появление зависимости от температуры значений химических сдвигов соответствующих им сигналов.
7.2. ДИНАМИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС В КОМПЛЕКСЕ [КОЛЛИДИН-Н]+. [РНЕ]" .
Особый анализ потребовался для объяснения причин сильной зависимости от температуры формы и положения низкопольных протонных сигналов комплекса [коллидин-Н+]. ТНР] Известно, что в кристаллах СзНР2, КНР2, и 11ЬНР2 наблюдается процесс быстрой переориентации асимметричного аниона [?.№]" относительно катиона [193,194]. Энергия активации данного процесса при высоких температурах (331−393 К) равняется 7.0 ± 0.5 ккал/моль, а после осуществления фазового перехода второго рода (203−331 К) уменьшается до 3.5 ± 0.5 ккал/моль Это приводит к усреднению наблюдаемых в спектрах сигналов и сопровождатся одновременным переносом протона внутри аниона.
На рисунке 7.2 (жирная линия) приведены экспериментальные 'Н спектры данного комплекса, полученные в интервале температур 115 — 94 К. Из полученных нами спектров видно, что хотя переориентация [Р.НР]" относительно водородной связи с катионом коллидиния: [коллидин-Н]+. Р*.НР]~ ^ [коллидин-Н]+. Р. НР*]", происходит относительно быстро даже при минимально достижимой температуре 94 К, уширение сигналов в спектре уже достаточно велико для проведения корректного анализа динамических характеристик процесса.
С помощью компьютерной симуляции экспериментальных спектров (Рис. 7.2, тонкая линия) были определены константы скорости данного динамического процесса, в интересующем интервале температур. Процедура расчетов позволяла учесть изменение с температурой разности химических сдвигов двух мультиплетов, констант скалярного взаимодействия и различное.
Рисунок 7.2.
Н спектры комплекса коллидин. НР]2 в интервале температур 115−94 К. Экспериментальные спектры — жирная линия, теоретические — тонкая линия.
СНз снз С? ы" н" «г» «н» г.
СНз.
Rotation rate s.
115 К.
110 К.
105 К.
101 К.
97 К.
94 К.
5/ррт уширение их индивидуальных компонент.
На рисунке 7.3 приведена диаграмма Арениуса, которая построена на основе полученных в ходе расчетов данных. Значение предэкспоненциального фактора порядка 1014, что типично для моно-молекулярных процессов. Энергия активации процесса равняется 5.0 ± 0.2 ккал/моль. Ее небольшая величина позволяет предположить, что переориентация аниона не требует полного разрыва водородной связи и является псевдовращением.
Рисунок 7.3 Диаграмма Арениуса динамического процесса в комплексе коллидин. НР]2.
9;
87 — X.
6- 1 1. , 1 1 1 4,4 4,6 4,8 5,0 1/РТ (моль/ккал).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
В ходе данной работы были проведены комплексные исследования сильных водородных связей различной природы, реализуемых в различных молекулярных системах в апротонном полярном растворителе. Использование метода низкотемпературной ЯМР спектроскопии сделало возможным выполнение экспериментов в режиме медленного протонного и молекулярного обмена. Были получены высокоразрешенные спектры ядер, непосредственно учавствующих в образовании водородной связи — 'Н, 2Н, I9 °F и 15N. Это позволило однозначно определить структуру комплексов и выявить специфические особенности водородных связей, образующихся в каждом конкретном случае. Особое внимание было обращено на проявление в спектрах ЯМР таких свойств сильной водородной связи, как ее частичная ковалентность, симметрия водородного мостика и наличие взаимного влияния связей в сложных комплексах (кооперативность). Для ряда систем были проведены модельные теоретические расчеты, позволившие уточнить физический смысл обнаруженных явлений.
Полученные результаты можно сформулировать в виде следующих выводов:
1. Впервые обнаружено значительное (^JAB ~ МО Гц) косвенное спин-спиновое взаимодействие между ядрами тяжелых атомов, вовлеченных в образование сильной водородной связи. Мы склонны трактовать данный факт как указание на наличие у подобных водородных связей частично ковалентного характера. При их описании необходимо учитывать структуру всего водородного мостика как единого целого. Такие связи можно характеризовать как трехцентровые четырехэлектронные связи типа А—Н-:В.
2. Впервые экспериментально доказана возможность использования знака первичного H/D изотопного эффекта в качестве критерия реализации низкобарьерной водородной связи. Положительный знак эффекта однозначно указывает на отсутствие барьера для переноса протона (дейтона) от донорной к акцепторной молекуле. В случае гомосопряженных ионов (АНА)" и (ВНВ)+ типов или подобных молекул с формально симметричной водородной связью, метод позволяет определить истинную геометрию водородного мостика и выявить процессы вырожденного протонного обмена.
3. Впервые удалось экспериментально проследить за процессом формирования комплекса с низкобаръерной водородной связью, образованного нейтральными молекулами (коллидин.НР), при плавном увеличении диэлектрической проницаемости растворителя за счет понижения температуры. Данный факт является экспериментальным подтверждением заключения, которое может быть сделано на основе многочисленных теоретических расчетов: если в комплексе с сильной водородной связью нет внешних препятствий для сближения тяжелых атомов водородного мостика, то, по мере увеличения полярности растворителя, последовательно происходит сначала усиление связи и переход от молекулярного комплекса к низкобарьерной водородной связи, а затем ее ослабление и образование ионного комплекса, т. е. А-Н.В —> А8″ .Н.В8+ —" [А]" .
Н-В]+. Если же минимальная длина водородного мостика в комплексе ограничена стерическими эффектами, то изменение полярности растворителя приведет к сдвигу равновесия в реакции переноса протона А-Н.В ^ [А]". Н-В]+.
4. Показано, что вторичные H/D изотопные эффекты, проявляющиеся в спектрах частично дейтерированных комплексов с несколькими водородными связями, могут служить для определения характера кооперативности водородных связей. Величина и знак этих эффектов позволяют описать механизм взаимного влияния водородных связей, обусловленных перераспределением электронной плотности в донорно-акцепторных группах, в каждом конкретном случае.
5. Впервые, на примере связи F. H, экспериментально наблюдалась инверсия знака константы скалярного спин-спинового взаимодействия при изменении расстояния между атомами. Константа Тщимеет положительный знак при взаимодействии через ковалентную связь или экстремально короткую водородную связь. Ее значение обращается в ноль, если расстояние между атомами водорода и фтора порядка 1.3 Л. При дальнейшем удлинении связи величина Чнр становится отрицательной, проходит через минимум и становится неизмеримо малой.
Уже по завершении работы над диссертацией, появилось сообщение, об обнаружении измеримого скалярного взаимодействия через водородный мостик между двумя атомами азота в молекуле РНК: 2JNN ~ 7 Гц [195]. Оно независимым образом подтверждает один из основных выводов настоящей работы.
