Các mô hình cho các thụ thể axit boronic: nghiên cứu cấu trúc, liên kết và nhiệt hóa học bằng phương pháp tính toán của bề mặt năng lượng tiềm năng HB(OH)2∙H2O∙NH3 và HB(-O-CH2-CH2-O-)∙NH3∙H2O

Structural Chemistry - Tập 32 - Trang 607-621 - 2021
George D. Markham1, Joseph D. Larkin2, Charles W. Bock3
1Naples, USA
2Chemistry Department, Eckerd College, St. Petersburg, USA
3Department of Chemistry and Biochemistry, Jefferson University, Philadelphia, USA

Tóm tắt

Kết quả của các tính toán cấu trúc và nhiệt hóa học liên quan đến axit boronic, HB(OH)2, và este glycol etylic tương ứng, HB(-O-CH2-CH2-O-), trong sự hiện diện của các phân tử NH3 và/hoặc H2O rõ ràng được báo cáo. Các tính toán đã được thực hiện trong mô hình liên tục phân cực (PCM) dung dịch nước và trong pha khí bằng cách sử dụng lý thuyết hàm mật độ (DFT) và lý thuyết nhiễu loạn bậc hai Moller-Plesset (MP2) với tập cơ sở Dunning-Woon aug-cc-pVTZ. Các lớp địa phương tối thiểu khác nhau trên các bề mặt năng lượng tiềm năng (PES) HB(OH)2·NH3·H2O và HB(-O-CH2-CH2-O-)·NH3·H2O trong dung dịch nước PCM đã được xác định: (1) các cấu trúc có liên kết dative N→B, [H3N→BH(OH)2]·H2O và [H3N→B(H)(-O-CH2-CH2-O-)]·H2O, trong đó H2O tham gia vào liên kết hydro; (2) các cấu trúc chèn nước liên quan đến một liên kết dative O→B mới, H3N·H(H)O→BH(OH)2 và H3N···H(H)O→B(H)(-O-CH2-CH2-O-) trong đó phân tử H2O vẫn gần như nguyên vẹn hoặc các sắp xếp zwitterionic có năng lượng thấp hơn trong đó một nguyên tử H của nước đã được chuyển đến amoniac, [H4N]+[HO-BH(OH)2]− và [H4N]+[BH(OH)(-OCH2-CH2-O-)]−; (3) các cấu trúc trong đó cả phân tử NH3 và H2O đều hoàn toàn tham gia vào liên kết hydro. Trong các hệ mô hình đơn giản này, các sắp xếp có liên kết dative N→B, và một số cấu trúc chỉ có các liên kết hydro O···H và N···H, có năng lượng thấp hơn khoảng 5–6 kcal/mol so với bất kỳ các cấu trúc chèn nước tương ứng nào.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

Jin S, Cheng Y, Reid S, Li M, Wang B (2010) Carbohydrate recognition by boronolectins, small molecules, and lectins. Med Res Rev 30:171–257 Yang W, Gao S, Gao X, Karnati VV, Ni W, Wang B, Hooks WB, Carson J, Weston B (2002) Diboronic acids as fluorescent probes for cells expressing Sialyl Lewis X. Bioorg Med Chem Lett 12:2175–2177 Murrey HE, Hsieh-Wilson LC (2008) Chemical neurobiology of carbohydrates. Chem Rev 108:1708–1731 Sun X, Zhai W, Fossey JS, James TD (2016). Boronic acids for fluorescence imaging of carbohydrates. Chem Commun 52:3456–3469 James TD, Sandanayake KRAS, Nakashima K, Shinkai S (1994) A glucose-selective molecular fluorencence sensor. Chem Commun 1621–1622 James TD, Sandanayake KRAS, Shinkai S (1995) Chiral discrimination of monosaccharides usin a fluorescent molecular sensor. Nature 374:345–347 Ni W, Kaur G, Springsteen G, Wang B, Franzen S (2004) Regulating the fluorescence intensity of an anthracene boronic acid system: a B-N bond or a hydrolysis mechanism? Bioorg Chem 32:571–581 Chapin BM, Metola P, Vankayala SL, Woodcock HL, Mooibroek TJ, Lynch VM, Larkin JD, Anslyn EV (2017) Disaggregation is a mechanism for emission turn-on of ortho-aminomethylphenylboronic acid-based saccharide sensors. J Am Chem Soc 139:5568 Sun X, James TD, Anslyn EV (2018) Arresting “loose bolt” internal conversion from −B(OH)2 groups is the mechanism for emission turn-on in ortho-aminomethylphenylboronic acid-based saccharide sensors. J Am Chem Soc 140:2348–2354 Sun X, Chapin BM, Metola P, Collins B, Wang B, James TD, Anslyn EV (2019) The mechanisms of boronate ester formation and fluorescent turn-on in ortho-aminomethylphenylboronic acids. Nat Chem 11:768–778 Ernzerhof M, Perdew JP (1998) Generalized gradient approximation to the angle- and system-averaged exchange hole. J Chem Phys 108:3313–3320 Perdew JP, Burke K, Ernzerhof M (1996) Generalized gradient approximation made simple. Phys Rev Lett 77:3865–3868 Perdew JP, Burke K, Ernzerhof M (1997) Errata: generalized gradient approximation made simple. Phys Rev Lett 1396 Dunning Jr TH (1989) Gaussian basis sets for use in correlated molecular calculations. I. The atoms boron through neon and hydrogen. J Chem Phys 90:1007–1023 Kendall RA, Dunning Jr TH, Harrison RJ (1992) Electron affinities of the first-row atoms revisited. Systematic basis sets and wave functions. J Chem Phys 96:6796–6806 Peterson KA, Woon DE, Dunning Jr TH (1994) Benchmark calculations with correlated molecular wave functions. IV. The classical barrier height of the H + H2→ H2 + H reaction. J Chem Phys 100:7410–7415 Woon DE, Dunning Jr TH (1993) Gaussian basis sets for use in correlated molecular calculations. III The atoms aluminum through argon. J Chem Phys 98:1358–1371 Frisch MJ, Trucks GW, Schlegel HB, Scuseria GE, Robb MA, Cheeseman JR al., e. Gaussian 09 Revision D.01 Tomasi J, Mennucci B, Cammi T (2005) Quantum mechanical continuum solvation models. Chem Rev 105(8):2999–3094 Grimme S, Antony J, Erlich S, Krieg H (2010) A consistent and accurate ab initio parameterization of density functional dispersion correction (DFT-D) for the 94 elements H-Pu. J Chem Phys 132:154104 Grimme S, Ehrlich S, Goerigk L (2011) Effect of damping function in dispersion corrected density functional theory. J Comput Chem 32(7):1456–1465 Frisch MJ, Head-Gordon M, Pople JA (1990) A direct MP2 gradient method. Chem Phys Lett 166:275–280 Head-Gordon M, Pople JA, Frisch MJ (1988) MP2 energy evaluation by direct methods. Phys Lett 153:503–506 Moller C, Plesset MS (1934) Note on the approximation treatment for many-electron systems. Phys Rev 46:0618–0622 Rao NZ, Larkin JD, Bock CW (2016) A comparison of the structure and bonding in the aliphatic boronic R-B(OH)2 and borinic R-BH(OH) acids (R=H, NH2, OH, and F): a computational investigation. Struct Chem 27:1081–1091 Buhl M, Steinke T, Schleyer P v R, Boese R (1991) Solvation effects on geometry and chemical shifts. An ab initio study. Angew Chem Int Ed Eng 30:1160 Hopfl H (1999) The tetrahedral character of the boron atom newly defined - a useful tool to evaluate the N-->B bond. J Organomet Chem 581:129–149 Jiao H, Schleyer P (1994) Large effects of medium on geometries. An ab Initio Study. v. R. J Am Chem Soc 116:7429 Larkin JD, Bock CW (2018) A comparison of the structure and bonding in the donor-acceptor complexes H3N→BR(OH)2 and H3N→BRH(OH) (R = H; NH2, OH, and F): a computational investigation. Struct Chem 30:361–368 Larkin JD, Fossey JS, James TD, Brooks BR, Bock CW (2010) A comparison of the structure and bonding in the donor-acceptor complexes H3N→BR(OH)2 and H3N→BRH(OH) (R = H; NH2, OH, and F): a computational investigation. J Phys Chem A 114:12531 Collins BE, Sorey S, Hargrove AE, Shabbir SH, Lynch VM, Anslyn EV (2009) Probing intramolecular B-N interactions in ortho-aminomethyl arylboronic acids. J Organomet Chem 11:4055–4060 Zhu L, Shabbir SH, Gray M, Lynch VM, Sorey S, Anslyn EV (2006) A structural investigation of the N-B interaction in an o-(N,N-dialkylaminomethyl)arylboronate system. J Am Chem Soc 128:1222–1232 Franzen S, Ni W, Wang B (2003) Study of the mechanism of electron-transfer quenching by boron−nitrogen adducts in fluorescent sensors. J Phys Chem B 107:12942–12948