Комплексы с переносом заряда



Донорно-акцепторные свойства молекул

Наличие в одной молекуле слабосвязанных электронов, в другой вакантных орбиталей создает условия для образования комплекса между ними: комплекс возникает в результате переноса частиц электронного заряда от молекулы донора к молекуле акцептора. Молекулярные комплексы обычно неустойчивы; большое число их хорошо известно в органической химии.

Значение комплексов с переносом заряда для биологических систем, содержащих обширные сопряженные орбитали π-электронов, несомненно: лабильность и специфичность делают их особенно удобными средствами временного изменения состояния сопряженных π-электронных систем, что важно для пространственной ориентации, фиксации в данной точке молекулы, рецепторных эффектов лекарственных веществ и т. п.

Возможно, что в основе многих гормональных и фармакологических реакций лежит перенос заряда. Сент-Дьёрдьи (1964) высказал предположение, что транквилизирующее действие хлорпромазина обусловлено сильными донорными свойствами этого соединения, а галлюциногенное действие лизергиновой кислоты — делокализацией заряда атома С-3 индольного кольца. Он также считает, что в благоприятных условиях кортикостероиды могут вступать в донорно-акцепторные взаимодействия, отдавая целый электрон, и играют таким образом роль мощных доноров в процессе сильного переноса заряда. Другие стероиды (стиль-бэстрол, 17β-эстрадиол или родственные им вещества) действуют как акцепторы. Уже получены результаты, согласно которым эстрогены являются катализаторами-переносчиками электронов.

В более широком плане решение вопроса, в какой точке сложной молекулы вообще проявится тенденция к присоединению электрона, а в какой наоборот, может обнаружиться стремление отдать его соответствующему партнеру, потребовало кропотливого изучения распределения зарядов между атомами сложных молекул. В сложных молекулах взаимодействие электронов и соответствующее «расщепление» приводит к образованию большого числа энергетических уровней. Среди них имеются и вакантные уровни, т. е. незанятые электронами.

Приближенные квантовохимические методы позволяют оценить число уровней и энергию каждого из них. Таким образом, молекула характеризуется набором уровней, в котором различают высшие занятые уровни и низшие свободные. При межмолекулярном взаимодействии естественно совершается перенос заряда с высшего уровня на низший; это означает, что происходит образование некоторого комплекса и возникновение более или менее прочной связи.

За последние годы такой квантовомеханической обработке приближенными методами было подвергнуто большое число биологически активных молекул. Результаты, собранные в монографии Б. и А. Пюльман, позволяют сделать важные прогнозы относительно возможных точек связывания отдельных молекул друг с другом*.

При определении числа энергетических уровней молекулы пользуются уравнением, являющимся одним из следствий квантовомеханической теории: Е=α+Кβ, где β — резонансный, α — кулоновский интегралы; К — постоянная.

Оба эти интеграла отрицательны, поэтому большие положительные значения коэффициента К означают низшие энергетические уровни. Смысл резонансного интеграла в том, что его величина дает энергию взаимодействия той части электронного облака, которая выражается произведением атомных функций с одним из ядер; кулоновский интеграл представляет энергию взаимодействия электронного облака данного атома с ядром другого атома.

Соответственно этому интегралы имеют вид: резонансный

Комплексы с переносом заряда

кулоновский

Комплексы с переносом заряда

где dV—элемент объема. Каждое значение коэффициента К отвечает определенному уровню энергии.

Так, например, в аденине (свободном) имеется 12π-электронов, занимающих шесть молекулярных орбиталей (термин «орбиталь» означает волновую функцию, а не орбиту в старом понимании этого термина). Орбитали с низшим уровнем энергии занимаются первыми.

Чем больше самый высокий занятый уровень (меньше по абсолютной величине), тем активнее молекула как донор электрона; чем ниже находится самый низкий из свободных уровней, тем легче молекула ведет себя как акцептор электрона.

В молекуле аденина заняты уровни: 3,8106; 3,6542; 3,4268; 2,4668; 1,2632; 0,9739. Самый низкий из занятых уровень 0,9732. Наиболее низким свободным уровнем в аденине будет уровень 0,6138.

У гуанина наиболее низкий свободный уровень 0,5604 и соответственно аденин оказывается лучшим акцептором, чем гуанин. Еще лучшим акцептором, чем аденин, является тимин, у которого низший свободный уровень равен 1,2897. В то же время тимин — плохой донор, так как наивысший занятый уровень у него равен 1,8098.

Расчет того заряда, который на каждом атоме в молекуле гуанина обусловлен π-электронами («делокализованными»), показал, что на атоме кислорода (в положении 6) сосредоточен заряд —0,85 (т. е. состояние этого атома близко к иону О), а на атоме азота почти нет заряда (он практически нейтрален). Отсюда следует, что именно эти атомы имеют наибольшие возможности быть связанными водородной связью с соответствующими атомами молекулы цитозина.

* Иногда между взаимодействующими частицами появляется ион двухвалентного металла (марганца, магния и др.), осуществляющий мостиковую связь. Если в переносе заряда существенную роль играют π-электроны, то в случае мостиковой связи возможно участие и σ-электронов.


«Биохимическая фармакология»,
под ред. проф. П.В.Сергеева

Смотрите также на тему: