Mezimolekulové interakce Martin Novák NCBR 16. října 2015 Martin Novák (NCBR) Mezimolekulové interakce 16. října 2015 1/12 Otázky na rozjezd O Vyjmenujte souřadné systémy, které znáte. O Co je to vlastní funkce operátoru? O Je e2x vlastní funkcí operátoru derivace? O Co je to Born-Oppenheimerova aproximace? O Co je to hyperplocha potenciální energie (PES)? O Co je stupeň volnosti? Martin Novák (NCBR) Mezimolekulové interakce 16. října 2015 2/12 Úloha 1: Mezimolekulové interakce • Jaké mezimolekulové interakce znáte? Seřaďte je z hlediska síly (velikosti stabilizace). Zkuste odhadnout, jaká je fyzikální podstata jednotlivých interakcí. Martin Novák (NCBR) Mezimolekulové interakce 16. října 2015 3/12 Úloha 1: Mezimolekulové interakce • Jaké mezimolekulové interakce znáte? Seřaďte je z hlediska síly (velikosti stabilizace). Zkuste odhadnout, jaká je fyzikální podstata jednotlivých interakcí. O Vodíková vazba: Elektrostatická aktrakce a orbitalová interakce O Elektrostatické interakce: náboj - náboj, náboj - dipól... indukovaný dipól - indukovaný dipól O Stacking, van der Waals: Disperzní interakce O „Sigma díra" (halogenové vazby, chalkogenové vazby...): Elektrostatická atrakce a orbitalová interakce O CH-7r: Velice komplexní a těžko určitelné O ion-7r: Velice komplexní a těžko určitelné Martin Novák (NCBR) Mezimolekulové interakce 16. října 2015 3/12 Úloha 2: Nukleotidy • Nakreslete dusíkové báze nacházející se v DNA a naznačte jejich dipólový moment. Martin Novák (NCBR) Mezimolekulové interakce 16. října 2015 4/12 Úloha 2: Nukleotidy • Nakreslete dusíkové báze nacházející se v DNA a naznačte jejich dipólový moment. Thymin Adenin CT Martin Novák (NCBR) Mezimolekulové interakce 16. října 2015 4/12 Úloha 3: Vodíkové vazby v nukleotidech Kolik vodíkových vazeb je v kanonických párech bazí A-T a G-C? Martin Novák (NCBR) Mezimolekulové interakce 16. října 2015 5/12 Úloha 3: Vodíkové vazby v nukleotidech Kolik vodíkových vazeb je v kanonických párech bazí A-T a G-C? Q Stabilizována elektrostatickými, kovalentními a disperzními silami O Atomy X-H jsou kovalentně vázány, vazba je polarizována a síla vodíkové vazby vzrůstá s elektronegativitou atomu X Q Vznik vodíkové vazby zpravidla indukuje prodloužení vazby X-H, pozorujeme červený posun v IR spektrech pro vibrace vazby X-H a nové vibrační módy, které náleží vzniku vodíkové vazby Q Úhel X-H- • • Y je blízký 180° a je tím lineárnější, čím je vodíková vazba kratší Q Uskupení X-H- • • Y lze zaznamenat pomocí NMR. Proton ve vodíkové vazbě je zpravidla odstíněn oproti stejnému protonu mimo vodíkovou vazbu. O Gibbsova energie související s formací vodíkové vazby by měla být větší než termální fluktuace. Arunan, E. et al, Pure Appl. Chem. 2011, 83, 1637-1641. Martin Novák (NCBR) Mezimolekulové interakce 16. října 2015 5/12 Úloha 3: Nukleotidy - řešení • G-C pár bazí je spojen ve Watson-Crickově konformaci třemi "učebnicovými" vodíkovými vazbami N-H- • • O a N-H- • • N • A-T pár bazí je spojen dvěmi takovými vazbami a dále je možné uvažovat kontakt C2-H2- • • 02 jako třetí stabilizující kontakt: • + Aromatický uhlík C2 je elektronegativnější než vodík • + Vazba C2-H2 se po spárování mírně prodlužuje • + V elektronové hustotě vzniká tzv. "bond path" (Obr. na straně 5) • - Vzdálenost mezi kyslíkem a vodíkem je mnohem větší než součet vdW poloměrů těchto prvků (2,73 Ä vs. 2,60 Ä) • - Vazebný úhel se velmi liší od linearity (přibližně 120°) • Energetický příspěvek nelze určit • Pohled na A-T pár bazí spojený dvěmi vodíkovými vazbami je pravděpodobně bližší realitě* *Ale filozofické debaty mohou pokračovat. Martin Novák (NCBR) Mezimolekulové interakce 16. října 2015 6/12 Úloha 4: Vliv solventu na vodíkové vazby a stacking Vysvětlete, čím je zapříčiněna dramatická změna interakční energie mezi dvěmi bázemi v případě Watson-Crickova párování. Proč je stacking ovlivněn pouze minimálně? 10 A=T S -10 -20 GeC LU -20 -40 w-c 10 Stack H-bond in vacuum i H-bond in SMD a ~ 6 o E Stacking in vacuum • -Stacking in SMD taj 4 - • • • • Interaction Energy ■ŕ- po o po m • • V, -6 - 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 £ .5 3 3.5 4 4.5 Distance (Ä) Distance (Ä) H-bond in vacuum • H-bond in SMD 4 Stacking in vacuum » Stacking in SMD 2 E 1 ° / f _ f • • • • • • • • • Interaction Energy i i i • • • V -8 1 n - 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 E Distance (Á) 3 3.5 4 4.5 Distance (Ä) 5.0 A Martin Novák (NCBR) Mezimolekulové interakce 16. října 2015 7/12 Úloha 4: Řešení • Implicitní vs. Explicitní solvatační model: • Implicitní model tvoří pole s danými vlastnostmi, které ovlivňuje elektronovou hustotu solutu. Používá se zde selfkonzistentí řešení vzájemné polarizace solutu a solventu. Implicitní solvent popisuje dobře slabé solvatační efekty. Pokud ale například existují směrové interakce (např. vodíkové vazby, koordinace vody apod.), je nutné zahrnout "explicitní" molekuly rozpouštědla. • Na čem jsou založeny jednotlivé interakce? • Vodíkové vazby jsou založeny na elektrostatické atrakci a orbitalovém překryvu. • Stacking je primárně založen na disperzi, která vychází z elektronové korelace (kvantové jevy). • Jak solvent ovlivní chování oproti vakuu? o Elektrostatické interakce jsou právě atenuovány přítomnosti dielektrického pole. Z Coulombova zákona plyne, že energie je nepřímo závislá na dielektrické konstantě okolí. Interakce založené na elektrostatické stabilizaci jsou proto ovlivněny mnohem více. Martin Novák (NCBR) Mezimolekulové interakce 16. října 2015 8/12 Úloha 4: Řešení Bonus Co je to „Referenční stav"? Jaký referenční stav byl použit v tomto případě? Byla jeho volba vhodná? Referenčním stavem myslíme jednoznačně definovaný systém, ke kterému vztahujeme pozorovanou veličinu v našem systému. Obvykle přiřkneme referenčnímu stavu nulovou hodnotu. V příkladu byl zvolen jako referenční stav systému na konci skenu potenciální energie. (Pro tento stav systému byla zvolena nulová interakční energie) Nejvhodnější referenční stav při takto simulované chemické reakci je energie nekonečně vzdálených interagujících fragmentů. Toho je v praxi docíleno výpočtem energie každého fragmentu zvlášť a následným sečtením. Alternativně je možné výslednou křivku proložit Morseho funkcí a tím extrapolovat chování v nekonečnu. Zvolený referenční systém byl naprosto nevhodný ve většině případů, pouze u Watson-Crickova párování v implicitním modelu vody lze předpokládat, že křivky téměř zkonvergovaly do své limity. Martin Novák (NCBR) Mezimolekulové interakce 16. října 2015 9/12 Úloha 5: Guaninová tetráda • Při tvorbě tetrády ze čtyř guaninů v Hoogsteenově uspořádání je součet interakčních energií mezi guaninovými páry (4xG2) nižší než je celková interakční energie v tetrádě (1xG4). Vysvětlete příčinu tohoto pozorování. G G2 G4 Martin Novák (NCBR) Mezimolekulové interakce 16. října 2015 10/12 Úloha 5: Řešení • Při připojení guaninu dojde k polarizaci komplexu a k přesunu elektronové hustoty z akceptoru vodíkové vazby na donor. • Tím získá elektrondonorní část molekuly ještě více elektronové hustoty, a tedy může ještě silněji interagovat s dalším guaninem. G G2 Martin Novák (NCBR) Mezimolekulové interakce 16. října 2015 11/12 Luminiscenční metody Martin Novák (NCBR) Mezimolekulové interakce 16. října 2015 12/12