Химики СПбГУ объяснили особенности движения протонов в водородных связях

Коллектив авторов. Слева направо: Марк Капланский, Елена Тупикина и Даниил Шитов. Источник: Анна Титова

Ученые СПбГУ разработали вычислительную модель, точно описывающую поведение положительно заряженных частиц (протонов) в молекулах с прочными водородными связями. Авторы установили, что при расчетах важно учитывать не только тип растворителя, в котором находится исследуемая молекула, но и самопроизвольное движение протона и «неопределенность» его расположения в молекуле. Такой подход значительно повысит точность компьютерных моделей для анализа химических соединений, используемых при разработке новых лекарств и материалов. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Journal of Chemical Information and Modeling.

Водородные связи — взаимодействие между атомом водорода и двумя электроотрицательными атомами других элементов, например кислорода, — присутствуют во многих биологических соединениях и играют важную роль в их взаимодействии между собой, с молекулами воды и другими веществами. Один из способов, которым пользуются ученые для изучения структуры таких связей, — метод спектроскопии ядерного магнитного резонанса. В рамках этого подхода вещество помещают в магнитное поле и отслеживают, как в таких условиях ведут себя атомы. В результате ученые получают спектры — наборы «пиков», по которым можно исследовать особенности строения химических соединений, так как спектр ядерного магнитного резонанса представляет собой «отпечаток пальцев» исследуемого соединения.

Под воздействием внешнего магнитного поля собственные магнитные поля атомов тоже меняются, это зависит от типа и расположения в пространстве атомов‑соседей. Такое явление называется химическим сдвигом. Их экспериментальное наблюдение либо компьютерное моделирование позволяет установить химическую структуру молекул и прочность химических связей. Обычно для таких измерений к исследуемому веществу добавляют специальный растворитель и таким образом оценивают, как окружающая среда влияет на поведение протонов и показатель химического сдвига.

Однако при проведении компьютерного эксперимента по вычислению сдвигов не всегда достаточно просто добавить некоторое количество молекул растворителя к исследуемой системе, так как такой подход не учитывает особенности динамики частиц — их движение, согласно законам механики, под влиянием внешних факторов. При этом точность в таких расчетах очень важна: она позволяет ученым лучше понимать тонкие процессы, происходящие на атомарном уровне, такие как электронное строение и принцип работы разных типов веществ, например ферментов — «ускорителей» химических реакций.

Исследователи из Санкт‑Петербургского государственного университета впервые при моделировании учли и количественно оценили влияние трех основных факторов на химические сдвиги атомов водорода: присутствия молекул растворителя, ядерной динамики протона и квантовой делокализации (отсутствия «закрепленности» протона в конкретной области пространства, возможность его нахождения в разных точках одновременно).

Чтобы оценить влияние этих факторов, химики СПбГУ использовали несколько методов: квантово-химические расчеты, компьютерное моделирование методом молекулярной динамики, а также серию решений уравнения Шредингера. Уравнение Шредингера широко применяется в квантовой химии для вычисления вероятности обнаружения делокализованной частицы в заданной точке пространства. Все вычисления ученые провели на суперкомпьютерах.

Авторы смоделировали химические сдвиги в атоме водорода на примере трех соединений с сильными водородными связями: аниона бифторида (соединение из одного атома водорода и двух атомов фтора), катиона Цунделя (соединение, в котором дополнительный протон «зажат» между двумя молекулами воды) и катиона пиридина-пиридиния, состоящего из атомов водорода, азота и углерода. Эти вещества хорошо изучены химиками, что позволило авторам сравнить полученные результаты с измерениями других ученых и лучше оценить их точность.

Расчеты показали, что включение в модель факторов движения атомов и делокализации протона существенно меняет рассчитанные значения химического сдвига. Например, если при растворении статичного катиона пиридина-пиридиния во фреоне (соединении, содержащем углерод, водород и атом галогена) показатель сдвига составил 20,8 миллионных долей (единиц, в которых принято оценивать химический сдвиг), то с учетом динамики протона при растворении в том же веществе — уже 22 миллионные единицы, что ближе к данным, полученным ранее в ходе экспериментов. Результаты подчеркивают, что комплексный анализ факторов, влияющих на химический сдвиг, повышает точность его вычисления.

«Результаты нашего исследования важны для специалистов в области моделирования систем с водородными связями, так как дают готовые “рецепты” улучшения согласованности расчетных данных с экспериментальными. Кроме того, наше исследование помогает лучше понять феномен водородной связи, что важно для разработки новых лекарств, материалов и катализаторов, поскольку связи этого типа играют ключевую роль в биологических процессах и современных технологиях. Более точные методы моделирования позволят лучше понять, как работают ферменты, и разработать новые материалы для энергетики и медицины», — сказала руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, доцент кафедры физической органической химии Санкт‑Петербургского государственного университета Елена Тупикина.

В 2025 году Елена Тупикина стала лауреатом премии имени Л. Эйлера правительства Санкт-Петербурга за разработку новых методов оценки параметров оценки водородной связи в биомолекулах.

Информация и фото предоставлены пресс-службой СПбГУ