Изменения спектра поглощения никотинамида в водном растворе

Витамин В5, чаще называемый витамином РР (от англ. pellagra preventing factor – антипелларги-ческий фактор), химически представляет собой два вещества, обладающие одинаковой витаминной активностью: никотиновую кислоту и никотинамид. Никотиновая кислота и ее амид стали известны еще в прошлом веке в связи с исследованиями никотина. Однако связь тяжелого заболевания – пеллагры с недостатком в диете витамина РР была установлена позднее. Биохимическую роль витамин В5 играет в форме кофермента никотинамидадениндинуклеотида. Этот кофермент входит в многочисленную группу дегидрогеназ, принимающих участие почти в 150 различных биохимических реакциях дегидрирования, окисления, N-алкилирования, изомеризации, в восстановлении нитрата до нитрита и далее до аммиака, фотосинтезе, дыхании, энергетическом обмене, анаэробном расщеплении углеводов и т. д. [5]. На рисунке 1 представлена структурная формула никотинамида.

Рис. 1. Структурная формула никотинамида [5]

Большинство органических реакций протекает в жидкой фазе. Очень часто растворитель изменяет не только выходы конечных продуктов, но и механизм реакции [3]. Роль воды в клетках определяется ее химическими и структурными свойствами. Эти свойства связаны с малыми размерами молекул, их полярностью и способностью соединяться друг с другом водородными связями. Вода в клетке присутствует в двух формах: свободная и связанная. Свободная составляет 95 % всей воды в клетке, используется как растворитель и дисперсионная среда для коллоидной системы стратоплазмы. На долю связанной воды приходится 4–5 % от всей воды в клетке. Из-за симметричного распределения зарядов молекула воды действует как диполь. Дипольный момент обусловливает способность воды активно вступать во взаимодействие с различными веществами.

1.    Расчет спектра поглощения никотинамида

Для расчета спектра поглощения были использованы полуэмпирические версии метода Хартри-Фока, с которыми подобные задачи решаются достаточно надежно [3; 6; 8]. Методом PM3 осуществлялась оптимизация геометрии, проводился расчет колебательного спектра. Метод РМ3 является версией метода INDO (частичное пренебрежение дифференциальным перекрыванием), параметризованной для расчета органических молекул. В работе [8] показано, что метод РМ3 позволяет получать результаты, наиболее близкие к экспериментальным. Методом Zindo/S вычислялись электронные переходы никотинамида. Метод Zindo/S является версией метода INDO, параметры которой специально подобраны для воспроизведения УФ и видимых оптических переходов.

Методом РМ3 проводилась оптимизация геометрии никотинамида, затем для найденной конфигурации выполнялся расчет частот колебаний в гармоническом приближении. Структуре оптимизированной молекулы отвечал набор положительных частот нормальных колебаний и, следовательно, точка минимума на поверхности потенциальной энергии системы.

Методом Zindo/S с учетом конфигурационного взаимодействия вычислялся электронный спектр никотинамида. Электронно-колебательный спектр никотинамида аппроксимировался гауссовой кривой, ширина которой оценивалась по разности между верхней и нижней частотами колебательного спектра [1; 2; 4].

Для определения влияния воды на спектр поглощения никотинамида моделировались непрерывные с постоянной плотностью макроскопические условия, то есть создавались периодические граничные условия. Оптимизированная молекула никотинамида помещалась в периодический ящик, линейные размеры которого полагались равными удвоенным линейным размерам исследуемой молекулы. Затем, при данной начальной концентрации раствора, проводилась оптимизация геометрии и расчет электронного спектра. В процессе дальнейшего уменьшения концентрации раствора, путем пропорционального увеличения размеров периодического ящика, были рассчитаны длины волн электронных переходов никотинамида в растворе с различной концентрацией. Перед расчетом электронного перехода никотинамида в растворе с различной концентрацией проводилась предварительная оптимизация геометрии системы.

2.    Результаты и обсуждение

Зависимость длины волны электронного перехода из основного состояния в первое возбужденное никотинамида от концентрации раствора приведена на рисунке 2.

Рис. 2. Зависимость длины волны электронного перехода никотинамида от концентрации раствора

Из рисунка 2 видно, что максимальный сдвиг длины волны составляет 51 нм (концентрация 4,5 %), минимальный сдвиг длины волны составляет 11 нм (концентрация 5,6 %).

Спектры поглощения никотинамида в вакууме и реальном растворе [7] представлены на рисунке 3. Электронные переходы обозначены вертикальными линиями.

Рис. 3. Спектры поглощения никотинамида и электронные переходы: 1 – в вакууме; 2 – в растворе (опыт [7])

Обычно для описания взаимодействия растворенного соединения с растворителем рассматривают дискретные системы, содержащие 200–300 молекул растворителя [3]. Из рисунка 3 видно, что при концентрации раствора 2,2 % (300 молекул воды) для длины волны электронного перехода никотинамида наблюдается наилучшее согласие с экспериментом. Длинноволновый сдвиг электронного перехода никотинамида при данной концентрации составил 19 нм по сравнению с вакуумом. Расчет при концентрации раствора менее 2,2 % не был реализован в связи с недостатком вычислительных ресурсов.

На рисунке 4 представлена трехмерная модель молекулы никотинамида в периодическом ящике при концентрации раствора 2,2 % и комплекс, образованный молекулой никотинамида и связанными с ней водородными связями молекулами воды.

Рис. 4. Трехмерная модель молекулы никотинамида в периодическом ящике при концентрации раствора 2,2 % и комплекс, образованный молекулой никотинамида и связанными с ней водородными связями молекулами воды

100 Е.П. Конькова, Р.Ш. Затрудина. Изменения спектра поглощения никотинамида в водном растворе

Из рисунка 4 видно, что общее число молекул воды, принявших участие в образовании комплекса, равно 6. Четыре молекулы воды образуют незамкнутую цепочку, в которой атом кислорода одной молекулы связан водородной связью с атомом водорода другой. Непосредственно с молекулой никотинамида связаны водородной связью 2 молекулы воды. Одиночная молекула воды связана с атомом азота карбонильной группы никотинамида.

В зависимости от концентрации раствора в образовании водородных связей с никотинамидом принимало участие разное количество молекул воды. Однако во всех случаях образования комплекса присутствовала также связь молекулы воды с атомом азота карбонильной группы никотинамида.

Существование связи между атомом азота молекулы никотинамида и атомом водорода молекулы воды свидетельствует о перераспределении заряда внутри молекулы никотинамида в растворе, в результате которого в области карбонильной группы образовалась повышенная плотность отрицательного заряда, а в районе пиридинового кольца – повышенная плотность положительного заряда. Такое распределение заряда внутри молекулы никотинамида привело к повышению энергии электронного перехода, локализованного преимущественно на связи N=С пиридинового кольца. Этим обусловливается длинноволновой сдвиг спектра поглощения никотинамида в растворе.

3.    Выводы

Длинноволновой сдвиг спектра поглощения никотинамида в растворе связан с образованием повышенной плотности положительного заряда в районе пиридинового кольца молекулы, что приводит к повышению энергии электронного перехода, локализованного преимущественно на связи N=С пиридинового кольца.