Квантовоlхимический расчет комплексообразования кверцетина в водной среде с анилином, бензоат-ионом и нитробензолом

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Лозинский В.И., Вайнерман Е.С., Домотенко Л.В. и др. Крио-тропное гелеобразование растворов поливинилового спирта // Успехи химии. - 1998. - Т. 67. - № 7. - С. 641-655.

2. Лозинский В.И., Вайнерман Е.С., Домотенко Л.В. и др. Характерные особенности замерзания концентрированных водных растворов поливинилового спирта: взаимосвязь со свойствами гидрогелей, получающихся после оттаивания // Коллоидный журнал. - 1989. - Т. 51. - № 4. - С. 685-690.

3. Лозинский В.И., Савина И.Н. Изучение криоструктурирова-ния полимерных систем. 22. Композитные криогели поливинилового спирта, наполненные дисперсными частицами различной гидрофильности и гидрофобности // Коллоидный журнал. - 2002. - Т. 64. - № 3. - С. 372-380.

4. Гуль И.У., Булатникова Л.И., Беляцкая О.Н. и др. Влияние крио-лиза на структуру жесткоцепных полимеров // Высокомолекулярные соединения. Сер. А. - 1976. - Т. 18. - № 1. - С. 118-121.

5. Труфакина Л.М., Кудешова Е.Г. Реологические свойства смесей полуразбавленных и концентрированных растворов поливинилового спирта и карбоксиметилцеллюлозы // Инженерно-физический журнал. - 2003. - Т. 76. - № 3. - С. 35-38.

6. Труфакина Л.М. Вязкоупругость и свойства поверхности смесей водных растворов поливинилового спирта и карбоксиме-тилцеллюлозы // Журнал прикладной химии. - 2006. - Т. 79. -Вып. 12. - С. 2037-2039.

7. Нильсен Л. Механические свойства полимеров и полимерных композиций. - М.: Химия, 1978. - 1078 с.

8. Медведева В.В., Мясникова Л.И., Семчиков Ю.Д. и др. Динамика координационных сеток в системе Na-карбоксиметил-целлюлоза - соль Cr3+ // Высокомолекулярные соединения. Сер. Б. - 1998. - Т. 40. - № 3. - С. 492-497.

9. Лопатин В.В., Аскадский А.А., Васильев В.Г. и др. Влияние условий получения на релаксационные свойства полиакриа-мидных гелей // Высокомолекулярные соединения. Сер. А. -2004. - Т. 40. - № 7. - С. 1217-1224.

10. Зимон А.Д. Адгезия плёнок и покрытий. - М.: Химия, 1977. -352 с.

11. Берлин А.А., Басин В.Е. Основы адгезии полимеров. - М.: Химия, 1974. - 391 с.

Поступила 21.04.2010 г.

УДК 543.067.2:543.8

КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ КОМПЛЕКСООБРАЗОВАНИЯ КВЕРЦЕТИНА В ВОДНОЙ СРЕДЕ С АНИЛИНОМ, БЕНЗОАТ-ИОНОМ И НИТРОБЕНЗОЛОМ

А.А. Бондарев, И.В. Смирнов, П.С. Постников*, М.Е. Трусова*, О.А. Мартынюк*

Алтайский государственный медицинский университет, г. Барнаул E-mail: alex_root@mail.ru *Томский политехнический университет E-mail: trusova@tpu.ru

Для объяснения экспериментальных данных повышения чувствительности вольтамперометрического определения кверцетина на органомодифицированных электродах проведен квантовохимический расчет. Наиболее прочный комплекс кверцетин образует с функциональной группой -Ph-COO- AG=-53,4 кДж/моль. Для групп -Ph-NH2 AG=-49,5 кДж/моль, и для -Ph-NO2 Ag=-38,6 кДж/моль. Полученные результаты по константам комплексообразования согласуются со сравнительными экспериментальными значениями чувствительности при вольтамперометрических определениях кверцетина. Механизм повышения чувствительности объясняется увеличением адсорбции кверцетина на поверхности электродов.

Ключевые слова:

Кверцетин, адсорбция, квантово-химический расчет. Key words:

Quercetin, adsorbtion, quanto-chemical calculation.

Введение

Кверцетин, относится к классу полифенольных соединений и входит в группу флавоноидов. Эти соединения широко применяются в медицинской практике и обладают рядом фармакологических свойств - антиоксидантным, капилляро- и гепато-протекторными а так же противовоспалительным действием. В связи с широким применением актуальна проблема аналитического определения кверцетина в растительном сырье и при контроле качества готовых препаратов [1].

В работе [2] авторами был разработан вольтампе-рометрический метод определения кверцетина на ор-гано-модифицированных электродах. Показано, что

чувствительность графитовых электродов в значительной степени зависит от вида функциональных групп, используемых для модификации поверхности.

Цель работы - объяснить повышение чувствительности при вольтамперометрическом определении кверцетина на органо-модифицированных электродах за счет повышенной адсорбции вещества на их поверхности.

Материалы и методы

Квантово-химические расчеты структур молекул проводились с использование метода функционала плотности DFT B3LYP с использованием базиса 6-31Ю++ (^р). Использование дополнитель-

Химия

ных p-функций в базисе необходимо для корректного расчета параметров водородной связи. Для оптимизированной геометрии был проведен расчет инфракрасного спектра. Отсутствие отрицательных частот в ИК-спектрах доказывает стабильность найденных структур.

Квантово-химический расчет выполнен с помощью программного комплекса PC GAMESS (Firefly), версия 7.1.С, разработанного группой под руководством проф. А.А. Грановского в лаборатории химической кибернетики МГУ [3, 4].

На первом этапе были оптимизированы геометрии комплексов кверцетина с C6H5NH2, C6H5COO-, C6H5NO2. Образование таких структур происходит за счет одной или нескольких водородных связей. Затем, исходя из конечных структур комплексов, были построены исходные системы, так, чтобы молекулы растворителя образовывали межмолекулярные водородные связи, подобные связям в структурах получающихся комплексов. Одним из требований, предъявляемых к рассматриваемым системам, является равенство числа водородных связей в исходных супермолекулах и в результирующем комплексе, т. к. в водной среде при температуре 298 K все водородные связи насыщены, что позволяет производить учет специфической сольватации. Для учета общей сольватации все системы, включая молекулы растворителя, были рассчитаны с пользованием модели Томази (PCM). В ходе процесса комлексообразо-вания молекула кверцетина замещает молекулы воды в сольватационной оболочке функциональных групп на поверхности электрода, и, наоборот, функциональные группы (-Ph-COO-, -Ph-NH2, -Ph-NO2) замещают молекулы воды в оболочке кверцетина. Таким образом, при образовании комплексов происходит частичное замещение молекул воды в сольватных оболочках. Высвобождаемые молекулы воды также образуют водородные связи с молекулами растворителя.

Результаты и обсуждение

1. Структура образуемых комплексов

н-о.

о-н

О—Н----NH

ООН

н-о.

0-Н-—о

V

о-н-

.—о

ООН

н-о.

о-н—о

/

о-н—-о

ООН

Рис. 2. Структуры наиболее прочных комплексов кверцетина: а) с молекулой анилина; б) с бензоат-ионом; в) с молекулой нитробензола

Таблица 1. Длины связей гидроксильных групп кверцетина и образуемой ими межмолекулярной водородной связи в комплексах с 2, С6Н5СОО-, С6Н^О2

Рис. 1. Атомы водорода в молекуле кверцетина, участвующие в образовании межмолекулярных водородных связей

Проведены расчеты всех вариантов взаимодействия молекулы кверцетина, рис. 1, с функциональными группами -РИ-КН2, -РЙ-СОО-, -РИ-К02, находящимися на поверхности модифицированных электродов. В качестве моделей использованы С6Н5Ш2, С6Н5СОО-, С6Н5Ш2, рис. 2. Для всех систем рассчитаны термодинамические поправки для 298 К.

Комплекс кверцетина с органическими молекулами Длина связи (O-H), А Длина водородной связи, А

Анилин (2) 0,977 1,812

Анилин (1) 0,998 1,789

Анилин (5) 0,996 1,820

Анилин (3) 0,992 1,864

Бензоат-ион (2) 1,037 1,475

Бензоат-ион (1) 1,058 1,430

Бензоат-ион (4,5) 1,012 1,010 1,581 1,566

Бензоат-ион (3) 1,074 1,374

Нитробензол(2) 0,978 1,846

Нитробензол (1) 0,979 1,832

Нитробензол (4,5) 0,974 0,974 1,982 1,891

Нитробензол(3) 0,983 2,022

В скобках указан номер атома водорода в молекуле кверцетина, участвующий в образовании комплекса.

Во всех структурах имеются одна или две наиболее прочных водородных связи между молекулами кверцетина и функциональными группами субстрата. Наименьшую длину имеют связи между кверцетином и бензоат-ионом, в этом случае следует ожидать наибольшую прочность комплекса.

2. Термодинамические параметры замещения

Для оценки прочности комплексов были рассчитаны термодинамические параметры процессов замещения, табл. 2:

(Кверцетин...пН20)рсм + (СЙ-Ш^.п^О^м = =(С6Н5-М02...Кверцетин)рсм + п^О.^О^м

(Кверцетин...пЩО)рсм + (СД-Ш^.п^О^м = =(С6Н5-Ш2...Кверцетин)рсм + п^О.^О^м

(Кверцетин...пН20)РСМ + (C6H5-COO-...nH2O)rcM = =(С6Н5-СОО-...Кверцетин)рсм + п(Н20...Н20)рсм Для всех вариантов взаимодействия были определены термодинамические параметры процесса ком-плексообразования с замещением молекул воды в сольватной оболочке. Рассчитаны значения констант прочности образующихся комплексов при 298 К.

Таблица 2. Термодинамика процессов образования комплексов с использованием комбинированной модели (специфическая сольватация и PCM) и показатели констант прочности образуемых комплексов

Комплекс кверцетина с органическими молекулами -Q И -Q ^ о < 2 Л _о О "Л АН, кДж/моль AG, кДж/моль PK

Анилин (2) 39,816 62,336 3,960 10,541 -8,045 -1,410

Анилин (1) -2,552 -38,986 3,866 3,097 14,721 2,580

Анилин (5) 38,080 54,296 -30,470 -33,321 -49,509 -8,680

Анилин (3) 21,314 14,474 -0,661 -3,112 -7,427 -1,300

Бензоат-ион (2) 24,846 33,654 -12,018 -23,513 -33,546 -5,880

Бензоат-ион (1) 11,006 -55,800 -13,444 -31,909 -15,271 -2,680

Бензоат-ион (4,5) 17,932 -6,301 -32,194 -55,230 -53,351 -9,350

Бензоат-ион (3) -37,355 -108,265 13,079 -3,760 28,521 5,010

Нитробензол(2) 15,428 6,387 9,853 8,063 6,159 1,080

Нитробензол (1) -34,350 -119,910 8,627 -3,921 31,831 5,580

Нитробензол (4,5) 29,681 25,949 -17,785 -30,895 -38,632 -6,770

Нитробензол (3) -2,889 -53,337 -0,319 -2,503 13,401 2,350

комплексов может значительно возрастать при взаимодействии с поверхностью сразу нескольких функциональных групп кверцетина. В этом случае для групп -РИ-СОО- АО составит -102,2 кДж/моль, а для -РИ-КН2 А0=-65,0 кДж/моль. Повышению прочности комплексов способствует и гидрофобный эффект, который для молекулы кверцетина может составлять величину порядка 30...40 кДж/моль.

Полученные результаты по константам комплек-сообразования хорошо согласуются со сравнительными экспериментальными значениями чувствительности при вольтамперометрических определениях кверцетина на модифицированных электродах. Наибольшая чувствительность наблюдается при модификации поверхности группами -РИ-СОО-. Близкие значения дают электроды, модифицированные -РИ-КН2 группой. При модификации -РИ-КО2 группами происходит незначительное повышение чувствительности метода в сравнении с немодифи-цированными электродами. Повышение чувствительности может быть объяснено концентрированием кверцетина в приэлектродном пространстве в результате образования комплексов с поверхностными группами -РЬ-Ш2, -РИ-СОО-, -РЬ-Ш2.

Обнаруженное явление адсорбции органических молекул (кверцетина) за счет образования более прочных водородных связей с другими органическими молекулами в водной среде представляет собой еще один способ повышения поверхностной активности веществ. В отличие от обычных поверхностно-активных веществ с большим гидрофобным эффектом, в данных системах поверхностная активность обусловлена специфическим взаимодействием молекул адсорбируемых вещества с субстратом.

Выводы

1. Впервые проведено теоретическое квантово-химическое исследование взаимодействий кверцетина с ароматическими соединениями, имеющими функциональные группы С6Н5КН2,

В скобках указан номер атома водорода в молекуле кверцетина, участвующий в образовании комплекса, полужирным шрифтом выделены более прочные комплексы.

Наиболее прочный комплекс образуется с поверхностью, модифицированной функциональной группой -РИ-СОО-, АО=-53,4 кДж/моль, другие функциональные группы также увеличивают адсорбцию кверцетина в сравнении с немодифициро-ванными электродами. Для электродов, модифицированных группами -РИ-КН2, АО=-49,5 кДж/моль, и для -РИ-КО2, АО=-38,6 кДж/моль, прочности

C6H5COO-

c6h5no2.

Вычислены константы комплексообразования, показано, что наиболее прочный комплекс образуется при взаимодействии кверцетина с СООН-функциональной группой. С использованием квантово-химических методов расчета термодинамических параметров показана возможность адсорбции кверцетина за счет образования более прочных водородных связей с другими органическими молекулами в водной среде.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Плотников М.Б., Тюкавкина Н.А., Плотникова Т.М. Лекарственные препараты на основе диквертина. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 2005. - 228 с.

2. Слепченко Г.Б., Мартынюк О.А., Постников П.С., Трусо-ва М.Е., Бондарев А.А., Смирнов И.В., Быстрицкий Е.Л. Новые возможности вольамперометрического определения фармацевтических препаратов на органо-модифицированных электродах // Сибирский медицинский журнал. - 2009. - № 2. - С. 21-24.

3. Granovsky A.A. PC GAMESS // Firefly version 7.1.С. 2010. URL: http://classic.chem.msu.su/gran/gamess/index.html (дата обращения: 12.05.2010).

4. Schmidt M.W, Baldridge K.K., Boatz J.A., et. al. General atomic and molecular electronic structure system // J. Comput. Chem. -1993. - V. 8. - № 14. - P. 1347-1363.

Поступила 13.07.2010 г.