Scientific journal
Advances in current natural sciences
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,653

DETERMINATION OF Α-ALANINE CONFORMATIONAL COMPOSITION IN THE GAS PHASE

Ten G.N. 1 Scherbakova N.E. 2 Baranov V.I. 3
1 N.G. Chernyshevsky Saratov State University
2 Russian Research Anti-Plague Institute «Microbe»
3 V.I. Vernadskiy Institute of Geochemistry and Analytical Chemistry of the Russian Academy of Sciences
Выполнена интерпретация ИК-спектров трёх конформеров незаряженного a-аланина, имеющих разную ориентацию карбоксильной и аминной групп друг относительно друга и характеризующихся образованием внутримолекулярных водородных связей ОН…О и OH…N в случае конформеров I и III соответственно. Конформер II может быть получен вращением связи ОН конформера III относительно связи СО на 148 град. Энергии конформеров I и II выше на 1,44 и 2,44 ккал/моль энергии конформера III, что предполагает возможность их одновременного существования. Для определения конформационного состава Ala в газовой фазе был выполнен расчёт частот нормальных колебаний конформеров Ala в гармоническом и ангармоническом приближениях. Оптимизация геометрии и расчёт колебательных спектров проводился методом DFT в приближении B3LYP и базисного набора 6-311++g(d,p). Согласно выполненному расчёту существует ряд полос, появление которых нельзя объяснить наличием только одного конформера, например Ala I, в теоретическом спектре которого отсутствуют экспериментально наблюдаемые полосы поглощения в области 3500 и 1400 см-1. Кроме того, в вычисленных колебательных спектрах всех конформеров Ala отсутствует полоса поглощения с частотой 1590 см-1, наличие которой также фиксируется в экспериментальном спектре. Для определения конформационного состава Ala в газовой фазе был вычислен суммарный спектр, представляющий суперпозицию всех трёх конформеров со следующим процентным содержанием в смеси: 50 % Ala I, 40 % Ala III и 10 % Аla II. Полученный суммарный вычисленный спектр хорошо согласуется с экспериментальным ИК-спектром Ala.
Performed was interpretation of IR spectra of the three conformers I, II, III of uncharged a-alanine with different orientation of the carboxyl and amine groups in relation to each other and characterized by the formation of intramolecular hydrogen bonds ОН...O and OH...N in the case of conformers I and III, respectively. The conformer II can be obtained by revolving OH connection of conformer III with respect to CO connection through 148 deg. Energies of conformers I and II are 1,44 and 2,44 kcal/mol higher respectively than that of conformer III, which suggests the possibility of their simultaneous existence. To determine the conformational composition of Ala in the gas phase calculated were frequencies of normal vibrations of the conformers of Ala in harmonic and anharmonic approximations. Geometry optimization and calculation of vibrational spectra were carried out using DFT at the B3LYP approach and the basis set 6-311++g(d,p). According to the calculation, there exist a number of bands, the occurrence of which cannot be explained by the presence of only one conformer, such as Ala I, in the theoretical spectrum of which experimentally observable absorption bands in the region 3500 and 1400 cm-1 are absent. In addition, in the calculated vibrational spectra of all Ala conformers absorption band with a frequency of 1590 cm-1 is absent, which is fixed in the experimental spectrum. To determine the conformational composition of Ala in the gas phase the total spectrum was calculated which represents the superposition of all three conformers with the following percentage in the mixture: 50 % Ala I, 40 % Ala III and 10 % Аla II. The obtained total calculated spectrum is in good agreement with the experimental IR spectrum of Ala.
α-alanine
gas phase
infrared vibrational spectrum
of anharmonic approximation
interpretation
conformational composition
1. Pearson J.F., Slifkin M.A. The infrared spectra of amino acids and dipeptides // Spectrohim. Acta. 1972. V. 28A. P. 2403–2417.
2. Michaux S., Wouters J., Perpete E., Jacquemin D. Modeling the Microhydration of Protonated Alanine // J. Phys. Chem. B. 2008. V. 112. P. 9896–9902.
3. Dokmaisrijan S., Lee V. S., Nimmanpipug P. The gas phase conformers and vibrational spectra of valine, leucine and isoleucine: An ab initio study // J. of Mol. Structure: Theochem. 2010. V. 953. P. 28–38.
4. Hernandez B., Pfluger F., Nsangou M., Ghomi M. Vibrational Analysis of Amino Acids and Short Peptides in Hydrated Media. IV. Amino Acids with Hydrophobic Side Chains: L-Alanine, L-Valine, and L-Isoleucine // J. Phys. Chem. B. 2009. V. 113. P. 3169–3178.
5. Ten G.N., Kadrov D.M., Baranov V.I. Vlijanie gidrofobnogo radikala na strukturu i kolebatelnye spektry cvitter-ionnyh form glicina i alanina v kondensirovannyh sostojanijah. // Zhurnal prikl. spektr. 2014. T. 81, no. 2. рр. 178–186.
6. 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.
7. Linder R., Nispel M., Haber T., Kleinermanns K. Gas-phase. FT-IR-spectra of natural amino acids // Chem. Phys. Lett. 2005. V. 409. P. 260-264.
8. Frisch M.J., Trucks G.W., Schlegel H.B. et al. Gaussian 09. Gaussian Inc., Wallingford CT. 2009. 394 p.

Спектральное исследование колебательных спектров цвиттер-ионных форм a-аланина (Ala) для конденсированных состояний проводилось неоднократно – и экспериментально, и теоретически [1–5]. Одной из причин, не позволившей ранее уделить изучению ИК- и КР-спектров незаряженных конформеров Ala в газовой фазе бoльшего внимания, являлось отсутствие соответствующих экспериментальных спектров. Теоретические спектры, несмотря на высокий уровень прогнозирования расчётов колебательных спектров, выполненных с помощью современных программных продуктов, таких как, например, Gaussian, без сравнения с соответствующими экспериментальными спектрами не давали возможности определить конформационный состав Ala в газовой фазе. Авторам работ [6, 7] удалось создать необходимые экспериментальные условия и выполнить регистрацию колебательных ИК Фурье-спектров некоторых аминокислот, в том числе и Ala, при температуре 520 К.

Цель данной работы – выполнить расчёт колебательных (ИК и КР) спектров трёх конформеров Ala в гармоническом и ангармоническом приближениях и провести интерпретацию колебательных спектров с целью определения качественного и количественного конформационного состава Ala в газовой фазе.

Оптимизация геометрии и расчёт колебательных спектров проводился по программе Gaussian-09 [8] с использованием метода DFT в приближении B3LYP и базисного набора 6-311++g(d,p).

Результаты исследования и их обсуждение

Молекулярные диаграммы трёх конформеров Ala, полученных в результате поворота фрагмента СООН относительно аминной группы NH2, приведены на рис. 1, а вычисленные значения частот в гармоническом и ангармоническом приближениях – в табл. 1 и 2.

ten1a.tif ten1b.tif ten1c.tif

Ala I Ala II Ala III

Рис. 1. Молекулярные диаграммы трёх конформеров Ala с обозначением атомов

Таблица 1

Вычисленные значения частот колебаний конформеров Ala в гармоническом (νгарм, cм-1) приближении

Ala I

Ala II

Ala III

νгарм

Отнесение

νгарм

Отнесение

νгарм

Отнесение

1

60

τ(COOH)

52

τ(COOH)

58

τ(COOH)

2

210

τ(NH2)

224

τ(CH3)

233

τ(CH3)

3

230

τ(CH3)

236

δ(CCC)

274

δ(CCC)

4

265

δ(CCC)

244

τ(NH2)

281

τ(NH2)

5

331

δ(CCО)

304

δ(CCO)

354

δ(CCO)

6

416

δ(CCN)

362

δ(CCN)

405

δ(CCN)

7

493

δ(COO)

528

δ(COO)

529

δ(COO)

8

559

τ(C-O)

585

τ(C-O)

567

δ(COO)

9

617

ω(COO)

608

δ(COO)

737

τ(C-O)

10

730

δ(COO)

769

ω(COO)

802

ω(COO)

11

797

ν(C-COOH)

786

ν(C-COOH)

846

ω(NH2)

12

825

ω(NH2)

835

ω(NH2)

880

ν(C-COOH)

13

938

ν(C-CH3)

913

ν(C-CH3)

935

ν(C-CH3)

14

1024

ρ(CH3)

1021

ρ(CH3)

1018

ρ(CH3)

15

1102

ρ(CH3)

1075

ρ(CH3)

1074

ρ(CH3)

16

1133

ν(CN)

1096

ν(C-O)

1142

ν(CN)

17

1185

ν(C-O)

1185

ν(CN)

1206

ν(C-O)

18

1233

τ(NH2)

1247

τ(NH2)

1231

τ(NH2)

19

1320

δ(CОH)

1340

δ(CH)

1311

δ(CH)

20

1344

δ(CH)

1343

δ(CОH)

1390

δ(CH)

21

1403

δ(CH3) sym

1400

δ(CH3) sym

1409

δ(CH3) sym

22

1416

δ(CH)

1416

δ(CH)

1414

δ(COH)

23

1495

δ(CH3) asym

1490

δ(CH3) asym

1491

δ(CH3) asym

24

1500

δ(CH3) asym

1500

δ(CH3) asym

1501

δ(CH3) asym

25

1639

δ(NH2)

1635

δ(NH2)

1659

δ(NH2)

26

1808

ν(C=O)

1819

ν(C=O)

1835

ν(C=O)

27

2920

ν(CH)

3024

ν(CH3) sym

3029

ν(CH3) sym

28

3040

ν(CH3) sym

3075

ν(CH)

3041

ν(CH)

29

3105

ν(CH3) asym

3094

ν(CH3) asym

3093

ν(CH3) asym

30

3127

ν(CH3) asym

3103

ν(CH3) asym

3128

ν(CH3) asym

31

3516

ν(NH2) sym

3502

ν(NH2) sym

3476

ν(OH)

32

3603

ν(NH2) asym

3585

ν(NH2) asym

3511

ν(NH2) sym

33

3760

ν(OH)

3761

ν(OH)

3596

ν(NH2) asym

Примечание. ν – валентные колебания связи; δ – деформационные колебания; ω – веерные, ρ – маятниковые и τ – крутильные колебания.

Таблица 2

Экспериментальные [6] (νэксп, cм-1) и вычисленные значения частот и интенсивностей ИК-спектров (Iр,ИК, км/моль) конформеров Ala в ангармоническом (νангарм, cм-1) приближении

[6]

Ala I

Ala II

Ala III

νэксп (Iотн)

νангарм

Iр,ИК

νангарм

Iр,ИК

νангарм

Iр,ИК

1

 

56

1,0

45

1,0

22

0,8

2

 

223

37,5

274

10,1

221

0,3

3

 

242

6,5

243

0,3

256

14,7

4

 

272

0,5

290

269

200

12,7

5

 

336

0,1

303

12,4

341

11,3

6

 

411

13,1

357

5,6

408

4,2

7

 

494

9,1

522

9,4

520

1,5

8

 

562

38,9

556

73,1

568

4,0

9

 

609

65,9

594

54,6

728

9,7

10

 

721

54,4

752

59,1

788

7,1

11

 

774

57,4

769

14,9

746

111,2

12

 

615

105,8

587

135,2

825

77,4

13

 

912

4,0

889

16,6

907

39,1

14

 

1004

1,2

998

39,2

1000

0,9

15

 

1072

7,9

1040

17,2

1028

45,4

16

1114 (0,92)

1101

240

1065

119,1

1109

13,7

17

 

1150

73

1144

97,3

1160

26,7

18

 

1195

8,7

1208

34,2

1202

11,5

19

 

1262

24,0

1303

18,3

1268

6,7

20

 

1297

5,2

1279

26,9

1352

8,4

21

 

1364

8,5

1369

5,1

1374

17,8

22

1372 (0,2)

1380

4,2

1378

18,9

1360

378,2

23

 

1470

8,6

1476

3,3

1475

3,7

24

 

1484

10,2

1490

12,6

1486

11,3

25

1590 (0,15)

1627 (0,14)

1463

67,4

1477

38,5

1595

35,5

26

1785 (1,0)

1775

316,0

1785

341,1

1799

342,9

27

2924 (0,17)

2788

44,8

2904

17,5

2901

12,6

28

2903

19,8

2935

2,8

2907

14,0

29

2964

21,5

2951

23,3

2951

27,2

30

2991 (0,18)

2981

16,0

2960

27,6

2983

6,7

31

 

3373

4,7

3364

1,7

3203

288,9

32

 

3444

11,2

3423

4,7

3378

4,3

33

3575 (0,31)

3573

74,6

3558

72,4

3424

11,6

Разница энергий DЕ = ЕI,II – ЕIII для конформеров Ala I и II по сравнению с энергией конформера Ala III, обладающего, как показал расчёт, наименьшей энергией среди конформеров I–III, составляет 1,44 и 2,44 ккал/моль соответственно, что предполагает возможность одновременного существования нескольких конформеров Ala в газовой фазе.

Для анализа смеси конформеров Ala в газовой фазе – выяснения качественного и количественного состава – был выполнен расчёт частот нормальных колебаний трёх конформеров Ala в гармоническом и ангармоническом приближениях.

Анализ форм нормальных колебаний Ala I, II и III показал, что имеются некоторые отличия в интерпретации колебаний 2–4, 8–12, 16–22 и 31–33, что связано с разным пространственным расположением аминной группы относительно связи ОН. Например, возможное образование внутримолекулярной водородной связи N…HO в конформере Ala III приводит к понижению частоты валентного колебания связи ОН на 285 см-1, а частота деформационного колебания δ(NH2) повышается на 25 см-1 по сравнению с частотами аналогичных колебаний конформеров Ala I и Ala II (табл. 1).

В работе [6] интерпретация колебательного спектра Ala в газовой фазе была выполнена для Ala, структура которого отвечает конформеру Ala I, т.е. согласно авторам этой работы состав газовой фазы определяется только присутствием Ala I. Действительно, сравнение ИК-спектра Ala I (рис. 2, а) с экспериментальным ИК-спектром Ala, зарегистрированным в газовой фазе (рис. 3, а), показывает их достаточно хорошее согласие. В то же время существует ряд полос, появление которых нельзя объяснить присутствием в газовой фазе только одного конформера Ala I. Например, отсутствие в вычисленном ИК-спектре Ala I полос поглощения в области ~ 3500 и 1400 см-1. Кроме того, в вычисленных спектрах всех конформеров Ala отсутствует полоса поглощения с частотой 1590 см-1, присутствие которой фиксируется в экспериментальном спектре.

Для уточнения структурного состава Ala в газовой фазе был выполнен расчёт частот нормальных колебаний трёх конформеров Ala I, II, III в ангармоническом приближении, результаты которого отражены в табл. 2.

Как показывает сравнение вычисленных и экспериментальных частот в области 1000–1800 см-1, в газовой фазе обязательно присутствие конформера Ala III, т.к. именно в спектре Ala III проявляется колебание 25 с частотой 1590 см-1. Аналогичное сравнение в высокочастотной спектральной области 2000–4000 см-1 говорит о присутствии одного или обоих конформеров Ala I и Ala II, т.к. колебательные спектры этих конформеров содержат колебание 33 с частотой 3575 см-1. Экспериментальное колебание с частотой 1627 см-1 может быть отнесено к составному колебанию 8 + 16 конформера Ala II. При этом интенсивность составного колебания сопоставима с интенсивностью основного колебания с частотой 1590 см-1, что является следствием резонанса Ферми, приводящего к перераспределению интенсивностей между фундаментальными и составными колебаниями.

На рис. 2 приведены теоретические ИК-спектры таутомеров Ala I, Ala II и Ala III.

ten2.tif

Рис. 2. ИК-спектры конформеров Ala I (а), Ala II (б) и Ala III (в)

ten3.tif

Рис. 3. Экспериментальный (а) [6] и вычисленный (б) ИК-спектр смеси конформеров Ala I (50 %), Ala III (40 %) и Аla II (10 %)

Для определения конформационного состава Ala в газовой фазе был вычислен суммарный спектр, представляющий суперпозицию спектров всех трёх конформеров со следующим процентным содержанием в смеси: 50 % Ala I, 40 % Ala III и 10 % Аla II. Точность определения конформационного состава составляет 3–5 %. Полученный вычисленный спектр, хорошо согласующийся с экспериментальным ИК-спектром Ala (рис. 3, а), представлен на рис. 3, б.

Выводы

В данной работе было выполнено моделирование структуры и колебательных спектров трёх конформеров Ala I, II и III, энергии которых отличаются друг от друга на 1,44 и 2,44 ккал/моль, что предполагает возможность их одновременного существования в газовой фазе.

Расчёт частот нормальных колебаний конформеров Ala I, II и III в ангармоническом приближении позволил выполнить надёжную интерпретацию колебательного спектра и определить состав Ala в газовой фазе как смесь трёх конформеров Ala I (50 %), Ala III (40 %) и Аla II (10 %). Полученный суммарный ИК-спектр находится в хорошем согласии с экспериментальным спектром поглощения Ala, зарегистрированным в газовой фазе.