Методы вычисления конформационных энергий

МЕТОДЫ ВЫЧИСЛЕНИЯ КОНФОРМАЦИОННЫХ ЭНЕРГИЙ [c.90]

В предыдущих главах были детально рассмотрены эмпирические методы расчета геометрии молекул и свойств, связанных с геометрией энергии образования, конформационной энергии, барьеров внутреннего вращения, частот колебательных спектров и даже энергии активации некоторых реакций. Понятно, что все эти свойства в принципе могут быть рассчитаны на основании фундаментальных законов физики, и лишь трудности, связанные с непомерно большим объемом вычислений, заставляют прибегать к модельным методам. Тем не менее многие задачи конформационного анализа, благодаря большим успехам квантовой химии, стали теперь уже разрешимы. К ним, в частности, относятся задачи предсказания геометрии и барьеров внутреннего вращения простых органических молекул. [c.289]

Книга состоит из введения и 7 глав. В гл. 1 рассмотрено применение представлений конформационного анализа к ациклическим соединениям. Содержанием гл. 2 является приложение принципов конформационного анализа к производным цикло-гексана. Гл. 3 касается применения физических методов (в том числе ЯМР-спектроскопии, масс-спектрометрии и дисперсии оптического вращения) для решения структурных и стереохимических проблем. В гл. 4 дано применение конформационного анализа к циклическим системам всех размеров, включая конденсированные циклы и гетероциклические соединения. Гл. 5 посвящена приложению конформационного анализа к стероидам, тритерпеноидам и алкалоидам. Конформационный анализ углеводов рассмотрен в гл. 6. В гл. 7 приведена таблица и методы априорного вычисления энергий конформаций производных циклогексана. [c.6]

Особенность указанного подхода состоит в отсутствии простой связи новой системы внутренних координат с действительными декартовыми координатами молекулы. Это значит, что поиск в пространстве углов вращения (случайным образом или с помощью постоянных приращений) не эквивалентен поиску в реальном конформационном пространстве, определяемом декартовыми координатами всех атомов. Математическая связь частных производных по декартовым переменным и внутренним координатам обеспечивается с помощью элементов специального определителя (якобиана), который можно считать корректировочным множителем при выполнении вычислений. На практике якобианом почти всегда пренебрегают, за исключением тех случаев, когда его вычисление достаточно просто, например нри учете вращения молекул воды в случае моделирования методом Монте-Карло поведения растворов. Можно предположить также, что пренебрежение якобианом впол- 1е оправдано для молекул с глубоким минимумом потенциальной энергии и в особенности в случаях, когда интерес представляет только минимальное значение функции (например, в процедуре минимизации). [c.581]

В большинстве случаев поворотные потенциальные функции для каждой связи в длинном полимере усложняются из-за взаимозависимости отдельных поворотов. Это означает, что стерические препятствия при изменении угла <г>, зависят от значений углов ф , и Фi , соседних по отношению к рассматриваемому. Связано это с тем, что в полимере могут иметь место взаимодействия, например стерические ограничения между атомами, разделенными более чем одним углом вращения (рис. 18.11 см. также гл. 5, в которой рассматриваются энергетические диаграммы для полипептидов). Поэтому обычно выбираются такие поворотно-изомерные состояния, у которых минимальной является энергия пар соседних связей, а не отдельных связей. Средние значения конформационных параметров обычно вычисляются с помощью математических методов, включающих использование матриц, которые очень хорошо подходят для такого рода расчетов. Энергетические функции, необходимые для этих вычислений, строятся методами, рассмотренными в гл. 5 применительно к полипептидам. Результаты вычислений, основанных на поворотно-изомерной модели, во многих случаях очень хорошо согласуются с экспериментальными данными. [c.137]

Прямое количественное определение конформационных энергий связей Ср2—СРа было осуществлено посредством анализа динольных моментов а,й)-дигидроперфторалканов Н(Ср2) Н методами конфигурационной статистики цепных молекул [14, 15]. Экспериментальные дипольные. моменты этих соединений с п = 4, 6, 7, 8, 10 были определены из измерений диэлектрических проницаемостей и показателей преломления разбавленных ( 1% по весу) растворов этих соединений в бензоле при 25 °С. Сравнение экспериментальных и теоретически вычисленных ди-польных моментов дает требуемые конформационные энергии. [c.373]

О степени надежности метода ° ILO могут дать представление некоторые результаты расчетов конформационных энергий простых молекул. В циклогексане, например, конформация ванны, согласно расчету [62], менее стабильна, чем конформация кресла, на 5,8 ккал/моль в циклопентане полукресло стабильнее конверта на 0,7 ккал/моль (этот результат не вполне удовлетворителен, поскольку псевдовращение в циклопентане происходит практически без торможения) транс-декалин стабильнее г ис-декалина на 2,0 ккал/моль. Далее, по данным работы [64], вычисленные значения барьера внутреннего вращения в пропилене составляют [c.302]

Следующий весьма важный момент для практического кон-формационного анализа связан с принципом разделения Борна — Оппенгеймера. Последний означает, что энергию системы целесообразно относить к строго фиксированной конфигурации ядер атомов без учета расположения электронов. Тем самым совокупность положений ядер определяет конформацию молекулы, которой можно однозначно приписать значение конформационной энергии. Согласно рис. 21,1, для расчета энергии применим метод аЬ initio, но на практике, однако, такие расчеты возможны только для очень простых химических молекул. На деле для получения квантовомеханическим методом даже приблизительного значения энергии требуется пройти несколько этапов, каждый из которых подразумевает различные степени приближения и упрощения. В целом мы остаемся на том же самом уровне приближения, т. е. все упрощения носят квантовомеханическую природу или являются аналитическими приближениями громоздких вычислений. В любом случае мы оцениваем энергию простой конформации, образовавшейся вследствие электронно-ядерного разделения Борна — Оппенгеймера, Теперь мы можем рассмотреть боковые ответвления на рис. 21.1. [c.569]

Программы для подобных вычислений доступны в виде стандартных пакетов. Типичными программами для вычислений методом аЬ initio являются пакеты GAUSSIAN70 и ATM0L/3, а программы для полуэмпирических расчетов известны под различными названиями в зависимости от характера применяемых приемов. Перед выполнением расчетов обычно задают декартовы координаты ядер, но в некоторых программах возможен расчет исходных координат и на основе представления геометрии системы через длины связей, валентные и торсионные углы. Для достижения наименьшей конформационной энергии обычно выполняют вычисления для серии конформаций, каждая из которых немного отличт[а от другой. Полученные результаты возможно представить в виде потенциальной поверхности табличным или графическим образом, и тем самым задать энергию как функцию конформации. [c.570]

При оценке значимости совпадения вычисленных и опытных значений двугранных углов нужно иметь в виду то обстоятельство, что по ряду причин они не являются удовлетворительными количественными характеристиками пространственного строения белка, найденного теоретическими экспериментальным путем. Их величины зависят от длин связей и валентных углов молекулы, которые в двух случаях не могли быть идентичны. Так, полученные Дж. Дайзенхофером и У. Стайгеманом [10] при уточнении кристаллической структуры БПТИ по методу Даймонда [13] величины валентных углов С(МС С ) обнаруживают существенный разброс (95-124°), который не может отвечать реальной ситуации. Приведение углов х(ЫС С ) к действительно наблюдаемым у пептидов значениям (интервал 106-114°) неминуемо повлечет изменение найденных в работе [Ю] двугранных углов ф, у. оо основной цепи и Х боковых цепей. В нашем расчете была выбрана иная валентная геометрия белковой цепи, основанная на параметрах Полинга для длин связей [14] и усредненных значениях валентных углов пептидной группы [15]. Другая причина неполной корректности сопоставления структур по двугранным углам связана с точностью их расчета. Небольшие ошибки в значениях отдельных двугранных углов, особенно основной цепи, могут привести к значительному изменению всей структуры. Поскольку в расчете они неизбежны, на первый взгляд представляется даже бесперспективным теоретический кон-формационньп анализ белков. На самом деле такое опасение оказалось сильно преувеличенным. Вследствие высокой конформационной чувствительности потенциальной энергии, уникальности трехмерной структуры белка и большой гибкости пептидной цепи на ряде участков аминокислотной последовательности двугранные углы не являются независимыми друг от друга и отклонения расчетных значений одних углов от их истинных величин в той или иной степени компенсируются отклонениями других. Поэтому допускаемые в определении углов погрешности радикальным образом не сказываются на окончательном результате. Однако при сопоставлении их опытных и теоретических значений трудно оценить, насколько серьезно наблюдаемое численное расхождение между ними. [c.464]

Во время написания этой книги (1961 г.) конформационный анализ колец, больших чем шестичленное, еще только зарождался, но он интенсивно развивается. Используются три метода физические измерения (рентгеноструктурный анализ [10], инфракрасная спектроскопия [11], измерение дипольных моментов [12]), вычисления с применением вращательных потенциальных функций [13—16] и химические методы (кинетические и равновесные) [17]. Инфракрасные полосы замещенных циклоалканов этого типа в отличие от полос замещенных циклогексанов (гл. 8) мало зависят от температуры [И], что указывает либо на существование этих молекул в фиксированной конформации, либо на примерно одинаковые энергии нескольких конформаций [17]. Вычисление действительной формы колец, больших чем шестичленные [13, 14], осложнено двумя взаимосвязанными факторами в таких кольцах могут существовать вандерваальсовы отталкивания между атомами водорода через кольцо во многих возможных конформациях (это легко можно видеть на масштабных моделях) в результате вандерваальсовых и крутильных взаимодействий часто в таких циклах энергетически выгоднее де рмация валентных углов с устранением этих взаимодействий. Энергия, требуемая для деформации валентных углов, очень мала принимая силовую константу углерод-углеродной связи равной эрг-радиан -моль , имеем = 0,0175 л , где Е — энергия угловой деформации в килокалориях на 1 моль, а л — деформация угла в градусах [16]. [c.245]