ESTUDIO TEORICO DE TRANSFERENCIAS DE PROTON EN SISTEMAS CON ENLACES DE HIDROGENO DE BAJA BARRERA

ANGELINA, EMILIO; DUARTE, DARIO; PERUCHENA, NÉLIDA

Resistencia, Chaco

Jornada; Comunicaciones Cientificas y Tecnológicas 2009; 2009

SECyY-Universidad Nacional del Nordeste

La transferencia de protón de un átomo a otro es considerada la reacción más general e importante en química. Esta reacción elemental juega un rol crucial en gran número de procesos incluyendo la neutralización acido-base, adición electrofílica, reacciones de hidrólisis e isomerización y en muchas reacciones enzimáticas.  Particularmente, en las reacciones de transferencia de protón catalizadas por enzimas, tienen un papel importante los enlaces de hidrógeno cortos, muy fuertes y de baja barrera (LBHB) en el estado de transición (TS). Los LBHB se forman cuando el pKa del donor y aceptor de protón son similares. Una enzima convierte un enlace de hidrógeno débil en el complejo enzima-sustrato, en uno fuerte en el complejo enzima-TS,  modificando el pKa del sustrato de manera de que se asemeje al pKa del grupo enzimático al cual está unido por enlace de hidrógeno.  El sitio activo de las enzimas es no acuoso y su constante dieléctrica efectiva se parece más a la de los solventes orgánicos que a la del agua, por lo que un estudio teórico en fase gaseosa  puede brindar información valida. La topología de la densidad electrónica constituye una herramienta muy útil para abordar un estudio profundo de las propiedades electrónicas involucradas en las reacciones de transferencia protónica. Además, la topología del Laplaciano de la densidad electrónica permite localizar máximos de concentración de carga de la capa de valencia, VSCC, que reproducen número, ubicación y tamaño los pares electrónicos enlazantes (máximos enlazanntes de la VSCC) y los pares electrónicos libres (máximos no enlazantes de la VSCC) de los modelos de Lewis y VSEPR. Con el objeto de entender el comportamiento electrónico subyacente en las reacciones de transferencia de protón que ocurren en el sitio activo de las enzimas, se tomaron sistemas modelos sencillos, con enlaces de hidrógeno asistidos por carga, CAHB ([H2S-H...SH2]+, [H3N-H...NH3]+, [HO-H...OH]-, [F-H...F]-, [H2O-H...OH2]+) en los cuales el pKa del aceptor y el donor son similares, y algunos sistemas con enlaces de hidrógeno asistidos por resonancia RAHB (homodímeros cíclicos de ácido fórmico y de formamidina). Sobre estos sistemas se realizó un estudio teórico de la densidad electrónica sobre la coordenada de reacción de transferencia protónica. Los cálculos de estructura electrónica se realizaron con el programa Gaussian03 en el contexto de la teoría del funcional de la densidad utilizando el funcional híbrido BHandHLYP  y el conjunto de funciones bases 6-311++G**.  El análisis topológico de la densidad de carga electrónica y de su función Laplaciana, basado en la Teoría Cuántica de Atomos en Moléculas, se realizó con el programa AIM2000. El análisis energético revela que la barrera de energía para la transferencia de protón es mucho menor en los sistemas CAHB   que en los complejos con RAHB.   Los parámetros geométricos muestran que el acortamiento del enlace de hidrógeno Y...H es mayor que el alargamiento del enlace dador de hidrógeno H-X al avanzar en la coordenada de reacción hacia el TS, resultando en un acortamiento de la distancia Y-X en el TS. Además, cuando aumenta la altura de la barrera de energía  E# para la transferencia de protón, esta diferencia se acentúa. En línea con estos resultados, el análisis de la función Laplaciana de la densidad de carga revela que cuanto mayor es la diferencia de tamaño entre el máximo enlazante de concentración de carga del enlace dador de hidrógeno y el máximo no enlazante del aceptor de hidrógeno, en las especies reactivas, tanto mas alta es la barrera E# para la transferencia de protón.