Определение типа механизма разрыва P-O связи

Химические реакции, протекающие через образование или разрыв связи фосфор-кислород, играют важную роль не только в биохимии, но и в других областях (промышленность, сельское хозяйство). Наиболее часто встречающимися реакциями в фосфорорганической химии являются реакции нуклеофильного замещения, когда атакующая частица нуклеофил (Nu) способствует образованию связи P-O_Nu и разрыва связи фосфора с уходящей группой P-O_LG. В зависимости от степени образования связи P-O_Nu и разрыва связи P-O_LG различают диссоциативный и ассоциативный механизмы. Кроме того, реакции разрыва Р-О связи могут происходить ступенчато с образованием устойчивого интермедиата, либо согласовано через переходное состояние.

Для того чтобы определить тип механизма разрыва P-O связи раньше необходимо было воспроизводить весь механизм (строить энергетический профиль реакции), сейчас это можно сделать на основе анализа электронной плотности фермент-субстратного комплекса. Удобным дескриптором для описания электронной плотности является её лапласиан (∇²ρ(r)), который показывает области концентрации электронной плотности (∇²ρ(r)<0) или её деконцентрации (∇²ρ(r)>0) вокруг данной точки r.

Карты лапласиана электронной плотности в плоскости атомов O_Nu—P—O_LG. Линии соответствуют значениям ∇²ρ(r) = ±2•10ⁿ, ±4•10ⁿ,±8•10ⁿ ат. ед., –2 ≤ n ≤ 1, пунктирные линии — областям деконцентрации электронной плотности (∇²ρ(r) > 0), тонкие сплошные линии — областям концентрации электронной плотности (∇²ρ(r) < 0), жирная сплошная линия отвечает ∇²ρ(r) = 0; области концентрации электронной плотности ∇²ρ(r) < 0 имеют заливку.

На картах лапласиана электронной плотности в области образования и разрыва Р-О связей видно различие: при ассоциативном механизме на линии разрываемой связи P-O_LG наблюдается концентрация электронной плотности (∇²ρ(r) < 0). Удобнее это различие изучать в форме графика лапласиана вдоль линии разрываемой связи.

Лапласиан электронной плотности (ат. ед.) вдоль линии связи P—O_LG. Синяя линия — система RAS-GAP (диссоциативный механизм), розовая линия — система EAL (ассоциативный механизм).

Методика определения типа механизма разрыва P-O связи:

- Провести оптимизацию геометрии фермент-субстратного комплекса в любом квантово-химическом пакете (например NWChem / ORCA / ChemShell + TURBOMOLE)

- Рассчитать электронную плотность в оптимизированной геометрии, сохранить её в формате *.molden или *.wfn (например в программах NWChem / ORCA / TURBOMOLE)

- Получить карту лапласиана электронной плотности или значение лапласиана вдоль линии разрываемой P-O_LG связи (например в программе Multiwfn)

- Определить знак лапласиана в области плато между атомами P-O. Если знак положительный — механизм диссоциативный, если знак отрицательный — механизм ассоциативный.