Расчёты методом функционала плотности ступенчатого депротонирования кверцетина в водных растворах

УДК 541.49:541.64:539.192

Е. И. Мигачева, А. М. Кузнецов РАСЧЁТЫ МЕТОДОМ ФУНКЦИОНАЛА ПЛОТНОСТИ СТУПЕНЧАТОГО ДЕПРОТОНИРОВАНИЯ

КВЕРЦЕТИНА В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ

Ключевые слова: квантово-химические расчеты, DFT, B3LYP, PCM, кверцетин, депротонирование.

Проведены квантово-химические расчеты на уровне B3LYP/6-311+G(d,p) c учетом влияния растворителя в модели РСМ молекулы кверцетина и ее пяти депротонированных форм. Установлена последовательность ступенчатого отщепления каждого из пяти кислотных протонов.

Key words: quantum-chemical calculations, DFT, B3LYP, PCM, quercetin, deprotonation.

Quantum-chemical calculations at the B3LYP/6-311+G(d,p) level with account of solvent effects (PCM model) of the quercetin molecule as well as of its five deprotonated species have been performed. A sequence of step-wise cleavage of each of the five acidic protons has been proposed.

Введение

Кверцетин (3,3',4',5,7-пентагвдроксилфлавон) -биологически активное вещество, которое содержится во многих растениях, таких как лук, чеснок, морковь, черника и др., а также в красном вине и зеленом чае. Он широко используется в медицине и фармацевтике. В частности, его применяют для профилактики и лечения онкозаболеваний, в особенности он препятствует развитию лейкемии. Кверцетин - один из наиболее распространенных пищевых флавонолов, имеющий различные биологические свойства, связанные с его сильной способностью к захвату радикалов и антиоксидантной способностью [1-8]. Структура кверцетина, показанная на рисунке 1, характеризуется двумя ароматическими кольцами, связанными кислородсодержащим гетероциклом, и имеет почти плоское строение [9]. Кверцетин обладает большой способностью хелатировать катионы многих металлов [10-22]. В последние годы хелатирование между кверцетином и ионами переходных металлов привлекает все большее внимание исследователей, поскольку образующиеся при этом комплексы обладают очень высокой антиоксидантной и противоопухолевой активностью [11,12]. В поставленные нами задачи входит изучение комплексообразования между

кверцетином и ионами Сг(111) в водных средах, чему будут посвящены наши последующие публикации. В данной же статье мы приводим результаты квантово-химического исследования ступенчатой депротонизации молекулярной формы кверцетина, которая имеет место в водных растворах несмотря на довольно плохую растворимость кверцетина в воде. Современные методы квантовой химии являются перспективным прогнозирующим инструментом исследования в дополнение к различным физическим и физико-химическим методам, особенно в изучении больших молекулярных систем (см., например, [23-30]).

Методика исследования

Квантово-химические расчеты проводились с помощью программного пакета ваш81ап09 [31] в рамках теории функционала плотности (ББТ) с

использованием функционала B3LYP (гибридный обменный трехпараметрический функционал Бекке [32] и нелокальный корреляционный функционал Ли, Янга и Парра [33]).

Полная оптимизация геометрии исходной молекулы кверцетина (QC) и ее

монодепротонированных форм проводилась без каких-либо ограничений по симметрии c учетом влияния водного раствора в самосогласованной модели реактивного поля, а именно, версии поляризуемого континуума (PCM) с использованием формализма интегрального уравнения (IEFPCM) [34]. При построении диэлектрических полостей в модели РСМ применялись эффективные атомные радиусы, определенные по методике Universal Force Field (UFF) [34]. Для оптимизированных структур проводился расчет частот колебательного спектра. Отсутствие в спектре мнимых значений частот подтверждало достижение минимума на поверхности потенциальной энергии (ППЭ). Из проведенного термохимического анализа рассчитывались полные энтропии, энтальпии и свободные энергии Гиббса при стандартных значениях температуры 298,15 К и давлении 1 атм.

Результаты и обсуждение

Оптимизированная структура молекулы кверцетина (QC) с нумерацией атомов приведена на рисунке 1. Мы не будем обсуждать геометрические параметры (длины связей, валентные и диэдральные углы), поскольку они довольно близки к типичным экспериментальным значениям этих параметров. Отметим только, что расчеты показывают наличие в молекуле внутримолекулярной водородной связи между атомами O2, H4 и O3.

Первая ступень депротонирования молекулы QC в водном растворе описывается уравнением

QC

В молекуле QC имеется пять кислотных атомов Н, связанных с гидроксильными атомами О (Н3, H4, H5, H9 и H10). Энергетику реакции (1) можно рассчитать по полной энергии Гиббса аниона QC-depr, отсчитанной относительно энергетически

наиболее выгодной формы этого аниона для разных отщепленных протонов. Полученные таким образом относительные энергии приведены в таблице 1.

С15

С14

С12

нт СЮ

СЗ

С13

СИ

С4

Сб

Cl

С2

С5 02

С9

07

01

НЗ

се

03

Рис. 1 - Структура молекулы кверцетина и нумерация атомов

Таблица 1 - Полные энергии Гиббса 0°2д8 пяти депротонированных форм кверцетина и их энергии, отсчитанные относительно

энергетически наиболее выгодной формы

Депротонированная форма G 298, Хартри A, ккал/моль

QC-deprH3 -1103.898725 0.

QC-deprH4 -1103.887127 7.28

QC-deprH5 -1103.890729 5.02

QC-deprH9 -1103.893025 3.58

QC-deprH10 -1103.895276 2.16

Как видно, с наибольшей термодинамической вероятностью отщепляется протон атома Н3, а энергия отщепления каждого из протонов описывается последовательностью

H3<H10<H9<H5<H4

Из этой последовательности следует, что последним отщепляется в форме протона атом Щ. По-видимому, это объясняется его дополнительным связыванием в молекуле QC за счет внутримолекулярной водородной связи, о которой говорилось выше.

Таким образом, в кислой области (при низких значениях рН) ступенчатое депротонирование QC начинается с атома Ш и завершается отщеплением

всех пяти кислотных протонов в сильнощелочной среде.

Дополнительным подтверждением полученной закономерности могут служить проведенные нами квантово-химические расчеты электронно-абсорбционных УФ спектров пяти монодепротонированных форм молекулы QC, приведенных в таблице 1, выполненные на уровне зависящей от времени теории функционала плотности (TD DFT) c функционалом PBE1PBE [35] в атомном базисе 6-311+G(d,p).

По данным расчетов, для изолированной молекулы QC кривая поглощения УФ спектра имеет главный максимум при Х=369,9 нм, что хорошо согласуется с экспериментальным спектром, полученным для кислой области при рН около 4,5 (369-372 нм. C небольшим ростом рН (около 6) максимум поглощения смещается примерно к 400 нм. Можно считать, что в этой области рН начинается первая ступень депротонирования QC, связанная с отщеплением первого протона. Для пяти монодепротонированных форм QC нами были получены из расчетов УФ спектров длины волн главного максимума, приведенные в таблице 2.

Таблица 2 - Длины волн главного максимума поглощения в УФ спектре пяти депротонированных форм кверцетина, рассчитанные на уровне ТО БРТ РВЕ1РВЕ/6-311+0

Депротонированная форма ^max, нм

QC-deprH3 405,5

QC-deprH4 414,5

QC-deprH5 441,6

QC-deprH9 441,9

QC-deprH10 483,8

Как видно из этой таблицы, наиболее близкое значение длины волны максимума поглощения к экспериментальному пику при 400 нм отвечает монодепротонированная форма QC-deprH3, связанная с отщеплением протона водородного атома H3. Таким образом, сопоставление расчетных и экспериментальных УФ спектров убедительно подтверждает приведенные выше

термодинамические данные в пользу того, что при небольших значениях рН ступенчатое депротонирование QC начинается с отщепления протона H3. К сожалению, для полного сопоставления теории и эксперимента не удается получить надежные экспериментальные данные по УФ спектрам QC при больших значениях р^ поскольку при этом проявляются трудно контролируемые процессы окисления QC.

Литература

1. M. Leopoldini, T. Marino, N. Russo, M. Toscano, J. Phys.

Chem. A 108, 4916-4922 (2004).

2. Y.T. Chen, R.L. Zheng, Z.J. Jia, Y. Ju, Free Radic. Biol.

Med. 9, 19-21(1990).

3. C. Angeloni, J.P.E. Spencer, E. Leoncini, P.L. Biagi, S.

Hrelia, Biochimie, 89, 73-82 (2007).

4. Y.J. Kim, Y.C. Bae, K.T. Suh, J.S. Jung, Biochem. Pharmacol. 72, 1268-1278 (2006).

5. P. Yao, A. Nussler, L. Liu, L.P. Hao, F.F. Song, A. Schirmeier, N. Nussler, J. Hepatol.47, 253-261 (2007).

6. A.I. Morales, C. Vicente-Sanchez, J.M. Santiago Sandoval, J. Egido, P. Mayoral, M.A. Arevalo,

M. Fernandez-Tagarro, J.M. Lopez-No voa, F. Perez -Barriocanal, Food Chem. Toxicol. 44, 2092-2100 (2006).

7. S. Luangaram, U. Kukongviriyapan, P. Pakdeechote, V. Kukongviriyapan, P. Pannangpetch, Food Chem. Toxicol. 45, 448-455 (2007).

8. A. Torreggiani, M. Tamba, A. Trinchero, S. Bonora, J. Mol. Struct. 744-747, 759-766 (2005).

9. M. Leopoldini, T. Marino, N. Russo, M. Toscano, Theor. Chem. Acc. 111, 210-216 (2004).

10. J.P. Cornard, J.C. Merlin, J. Mol. Struct. 651-653, 381387 (2003).

11. F.V. De Souza Rubens, F. De Giovani Wagner, Redox Rep. 9, 2 97-104 (2004).

12. M. Leopoldini, N. Russo, S. Chiodo, M. Toscano, J. Agric. Food Chem. 54, 6343-6351 (2006).

13. J. Zhou, L.F. Wang, J.Y. Wang, N. Tang, Transition Met. Chem. 26, 57-63 (2001).

14. M.E. Bodini, G. Copia, R. Tapia, F. Leighton, L. Herrera, Polyhedron, 18, 2233-2239 (1999).

15. J.P. Cornard, J.C. Merlin, J. Inorg. Biochem. 92, 19-27 (2002).

16. A.C. Gutierrez, M.H. Gehlen, Spectrochim. Acta, A 58, 83-89 (2002).

17. H. Deng, G.J. Van Berkel, J. Mass Spectrom. 33, 10801087 (1998).

18. A.C. Boudet, J.P. Cornard, J.C. Merlin, Spectrochim. Acta, A 56 829-839 (2000).

19. G.L. Nest, O. Caille, M. Woudstra, S. Roche, F. Guerlesquin, D. Lexa, Inorg. Chim.

Acta, 357, 775-784 (2004).

20. Y.N. Ni, S. Du, S. Kokot, Anal. Chim. Acta, 584, 19-27 (2007).

21. J. Tan, B.C. Wang, L.C. Zhu, Colloids Surf. B Biointerfaces, 55, 149-152 (2007).

22. J.P. Cornard, L. Dangleterre, C. Lapouge, J. Phys. Chem. A 109, 10044-10051 (2005).

23. An.M. Kuznetsov, W. Lorenz, Chemical Physics, 183, 1, 73-83 (1994).

24. An.M. Kuznetsov, W. Lorenz, Chemical Physics, 185, 3, 333-341 (1994).

25. An.M. Kuznetsov, W. Lorenz, Chemical Physics, 214, 2-3, 243-252 (1997).

26. A.A. Lamberov, An.M. Kuznetsov, M.S. Shapnik, A.N. Masliy, S.V. Borisevich, R.G. Romanova, S.R. Egorova, Journal of Molecular Catalysis A: Chemical. 158, 1, 481486 (2000).

27. A.M. Kuznetsov, E.M. Zueva, A.N. Masliy, L.I. Krishtalik, Biochimica et Biophysica Acta (BBA) -Bioenergetics, 1797, 3, 347-359 (2010).

28. Т.Н. Гришаева, А.Н. Маслий, В.В. Баковец, А.М. Кузнецов, Журнал неорганической химии, 55, 10, 16891694 (2010).

29. H. Liu, A.M. Kuznetsov, A.N. Masliy, J.F. Ferguson, G.V. Korshin, Environmental Science and Technology, 46, 3, 1430-1438 (2012).

30. А.Н. Маслий, Ан.М. Кузнецов, Вестник Казан. технол. ун-та, 16, 8, 29-33 (2013).

31. Gaussian 09, Revision B.01, M.J. Frisch et al. Gaussian, Inc., Wallingford CT, 2010.

32. A.D. Becke, J. Chem. Phys. 98, 5648-5652 (1993).

33. C. Lee, W. Yang, G. Parr, Phys. Rev. B, 37, 785-789 (1988).

34. V. Barone, M. Cossi, J. Phys. Chem. A, 102, 1995-2001 (1998).

35. J.P. Perdew, K. Burke, M. Ernzerhof, Phys. Rev. Lett. 77, 3865-3868 (1996).

© Е. И. Мигачева - магистрант каф. неорган. химии КНИТУ, miga4eva-e@ya.ru; А. М. Кузнецов - д.х.н., проф., зав. каф. неорган. химии КНИТУ, am_kuznetsov@kstu.ru.

© E. 1 Migacheva - Master Student, Department of Inorganic Chemistry, KNRTU, miga4eva-e@ya.ru; A. M. Kuznetsov - Dr.Sci. (Chem.), Professor, Head of Department of Inorganic Chemistry, KNRTU, am_kuznetsov@kstu.ru.