Spectroscopie IR/UV: structure et conformations d’agrégats d’interet biologique. F. O. Talbot, L. C. Snoek, P. Butz, M. R. Hockridge, N. A. Macleod, E. G. Robertson (Monash, Australie), et J. P. Simons. Physical and Theoretical Chemistry Laboratory, University of Oxford. R. T. Kroemer, Italy M. Mons, Saclay Site internet: http://physchem.ox.ac.uk/~jps/

Problèmes Vaporisation: /chauffage /évaporation par désorption laser Flèxibilité/Multiples conformations: /faire le tri, /identifier les conformères, /trouver une recette pour les calculs Solvatation: /où vont les premières molécules d’eau? /comment affectent-elles le système?

Calculs ab initio mot clé: COMPROMIS Recette: Générer un grand nombre de structures Optimiser a un bas niveau (HF/6-31G*) “Single point” a un meilleur niveau Optimiser à un meilleur niveau (B3LYP/6-31+G*) “Single point” à haut niveau (MP2/6-311+G**) Calculs CIS fournissent les constantes de rotation dans l’état excité.

Méthodes expérimentales Jet moléculaire: /molécules isolées, /formation d’agrégats Séparation des espèces: /R2PI/spectro. de masse (TOFMS) /UV/UV ion dip Analyse/identification: /contour de bande de fluorescence a “haute” résolution /IR/UV ion-dip

Electronic Spectroscopy Resonant 2 Photon Ionisation (R2PI) Laser Induced Fluorescence (LIF) * Frequency of electronic transition * Mass of species.

UV Holeburning Spectroscopy * Frequency of electronic transition * Mass of species.

UV Holeburning Spectroscopy Spectre UV de l’espèce monitorée par hn2.

IR/UV Holeburning Spectroscopy Spectre IR de l’espèce monitorée par hn2.

Conformations du tryptophane L.C. Snoek , R.T. Kroemer , M.R. Hockridge and J.P. Simons, Phys. Chem. Chem. Phys., 2001, 3(10), 1819-1826.

Prédictions ab initio: MP2/6-311+G(d,p) // B3LYP/6-31+G(d) Ces structures sont accessibles interactivement (vrml) sur notre site web: http://physchem.ox.ac.uk/~jps/ (section “results”)

R2PI et Déplétion UV/UV 6 différents conformères observés.

Déplétion IR/UV Le sNH de l’indole est le même pour tous les conformers. La position du sOH indique si le groupe est en interaction. Une minutieuse comparaison avec les calculs permet de faire les attributions.

Identification des conformères

Conformations du tryptophane Grâce aux spectroscopies UV/UV et IR/UV, il a été possible de séparer et d’identifier les 6 conformations préférées de la molecule de tryptophane. Ces conformations sont identiques à celles de la phénylalanine, mais differentes dans l’ordre de celles de la Glycine. Futur proche: Etude des clusters d’eau. Formation de zwitterions?? Combien de molecules d’eau faut-il??

Hydratation de N-phenyl-formamide (formanilide): Un modèle d’hydratation de la liaison peptide J.A. Dickinson et al., J. Phys. Chem. A 1999, 103, 6938-6949. E.G. Robertson, Chem. Phys. Letters 325 2000 299–307. M. Mons et al., J. Phys. Chem. A 2001, 105, 969–973.

La liaison peptide est rigide, plane, et est presque toujours en conformation trans. Le formanilide peut adopter soit la conformation trans, soit la conformation cis.

Formanilide R2PI spectrum cis (0.0 kJmol-1) trans (0.2 kJmol-1) Erel, MP2/6-31G* + zp correction

Formanilide ab initio band contours MP2/6-31G*, HF/6-31G*, CIS/6-31G* calculations of: * stable conformer structures -> rotational constants * transition moment alignments -> hybrid band character * relative energies -> populations

R2PI spectra - formanilide water clusters La plupart des bandes apparaissent dans le canal n=1. La fragmentation complique les attributions.

R2PI holeburning - formanilide water clusters

FA(H2O) ab initio structures

Formanilide IR-UV ion depletion

Hydratation du formanilide Les 2 conformères du complexe 1:1 sont observés. Cet effet est probablement dû à la proximité de l’anneau aromatique. Seul le conformère où l’eau est sur le C=O est observé pour le N-benzylformamide.

4-phenylimidazole: un modèle pour l’anneau d’imidazole M.R. Hockridge, E.G. Robertson, J.P. Simons, Chemical Physics Letters 302 1999 538–548 M.R. Hockridge, E.G. Robertson, J.P. Simons, D.R. Borst, T.M. Korter, D.W. Pratt, Chem. Phys. Letters 334, 2001 31-38

Les serine protease ont toutes la même triade impliquée dans leur activité catalytique. 4-phenylimidazole (4-PI) possède un anneau phenyl qui sert d’espion spectroscopique.

Spectre R2PI 2 conformères sont présents

Déplétion UV/UV Il y a bien 2 conformères différents Le systeme B correspond au 4-PI Le systeme A correspond au 5-PI. L’étude à haute résolution a montré que: Il y a bien 2 conformères différents L’un d’eux (A) a un double minimum dans S0.

Clusters d’eau Les spectres restent discrets même avec 5 molécules d’eau attachées au 4-PI. Il faut, a priori, plus de 5 molécules d’eau pour abaisser suffisament la barrière de transfert de proton.

Déplétion IR/UV monomère 4-PI(H2O)

Déplétion IR de 4PI(H2O)3 Conformer W3A W3B : DE = 1.63 kJ/mol W3C : DE = 1.67 kJ/mol W3D : DE = 2.10 kJ/mol

Déplétion IR de 4PI(H2O)4 Conformer W4A E=0 Conformer W4B DE=13.45 kJ/mol Conformer W4C DE=17.06 kJ/mol Conformer W4D DE=31.76 kJ/mol Conformer W4E DE=32.95 kJ/mol

Bien que le tautomère 5PI-(H2O)4 soit quasi-dégénéré avec le 4PI-(H2O)4, la barrière pour transférrer un proton est toutefois trop élevée (69kJ/mol).

Conclusion Le site NH est préféré pour l’hydratation Même aidée par la coopérativité d’une chaîne de liaisons hydrogènes, le transfert de proton ne se fait pas. Il faut essayer un meilleur accepteur que l’eau.