CC BY
24
УДК 541.49:541.64:539.192
Е. И. Мигачева, Е. Е. Стародубец, А. М. Кузнецов
БИС-ХЕЛАТНЫЕ КОМПЛЕКСЫ Cr(III) С КВЕРЦЕТИНОМ В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ ПО ДАННЫМ КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ
Ключевые слова: кверцетин, бис-хелатные комплексы Cr(III), структуры, квантово-химические расчеты, B3LYP, PCM.
Выполнены квантово-химические расчеты на уровне B3LYP/6-311+G(d,p) структуры возможных бис-хелатных комплексов Cr(III) c кверцетином c учетом влияния растворителя в модели РСМ. Проведен также сравнительный анализ термодинамической вероятности их образования.
Key words: quercetin, bis-chelate Cr(III) complexes, structures, quantum-chemical calculations, B3LYP, PCM.
Quantum-chemical B3LYP/6-311+G(d,p) calculations of potential bis-chelate Cr(III) complexes with quercetin within the framework of PCM model for solvent effects have been performed. Comparative analysis of their thermodynamic likelihood of formation has been carried out as well.
Введение
Кверцетин - (3,3',4',5,7-пентагидро-
ксилфлавон) - один из наиболее распространенных пищевых флавонолов, имеющий различные биологические свойства, связанные с его сильной способностью к захвату радикалов и антиоксидантной способностью [1-8]. Это биологически активное вещество содержится во многих растениях, таких как лук, чеснок, морковь, черника и др., а также в красном вине и зеленом чае. РС широко используется в медицине и фармацевтике. В частности, его применяют для профилактики и лечения онкозаболеваний. QC обладает большой способностью хелатировать катионы многих металлов [9-21]. В последние годы хелатирование между QC 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 QC и ионами ^(Ш) в водных средах. В нашем предыдущем сообщении мы ограничились рассмотрением структуры возможных хелатных комплексов при соотношении кверцетин-Сг(Ш) как 1:1 [22]. В данной статье мы приводим результаты квантово-химического исследования возможных структур бис-хелатных комплексов, которые могут формироваться в водных растворах между QC и ионами ^(Ш) при достаточном избытке кверцетина как лиганда. Поставленные задачи могут быть решены только с использованием современных методов квантовой химии, которые являются перспективным прогнозирующим инструментом исследований 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 0аи5$1ап09 [31] в рамках теории функционала плотности (DFT) с использованием функционала B3LYP (гибридный
обменный трехпараметрический функционал Бекке [32] и нелокальный корреляционный функционал Ли, Янга и Парра [33]). В основном состоянии рассматриваемые комплексы содержат три неспаренных электрона, что отвечает мультиплетности 2S+1=4 (квартетное состояние).
Полная оптимизация геометрии возможных комплексов Cr(III) c кверцетином 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 свободные энергии Гиббса G при стандартных значениях температуры 298,15К и давлении 1 атм. Полученные значения для продуктов реакции и исходных реагентов использовались для расчета энергии Гиббса реакций AG0, по значениям которых делался вывод о термодинамической вероятности реакции.
В рассмотренных реакциях комплексообразования наряду с комплексами участвуют молекулы воды и протоны (см. ниже). Поэтому остановимся на процедуре расчетов свободной энергии Гиббса реакций, приведенных в таблице 1. Эта энергия может быть рассчитана из следующего соотношения:
AG0298=SG0
prod-
-EG0react+nRTln([H2O])
(1)
Здесь первые два слагаемых представляют собой суммы полных свободных энергий Гиббса продуктов и исходных реагентов реакции, которые получаются из квантово-химической процедуры термохимического анализа для температуры 298.15
К и давлении 1 атм. Третье слагаемое в выражении (1) обусловлено тем, что при расчете стандартного значения ДС0298 реакции в растворе концентрации всех реагентов и продуктов реакции должны составлять 1 моль/л, в то время как концентрация воды в жидкой воде при стандартной температуре и давлении равна 55.34 моль/л, откуда следует, что РТ!п([И20])=2.378 ккал/моль. Коэффициент п отражает число молей Н20 в правой части реакции. В нашем случае п = 1 для реакций I - V и п = 2 для реакций VI - XI, приведенных в табл. 1.
Для расчета полной энергии Гиббса протона С°(Н+(ад)) в водном растворе мы использовали подход, в котором под Н (ад) подразумевается протон, гидратированный бесконечно большим количеством молекул воды с энергией гидратацией, равной экспериментальному значению. В этом случае полную свободную энергию Гиббса иона Н (ад) в водном растворе можно представить как
G0(H+(aq))=G0(H+(gas))+ДhydG0(H+)+RTln(24.46) (2)
Такой прием ранее использовался, например, в работе [37]. В правой части выражения (2) третье слагаемое связано с различием стандартных состояний в газовой фазе и в растворе. В газовой фазе в качестве стандартного состояния идеального газа принято давление 1 атм. (24.46 л/моль при стандартной температуре 298.15 К), а в растворе стандартной является концентрация 1М (1 моль/л). Поскольку по определению свободная энергия гидратации связана с переходом 1 моля газообразного вещества в раствор, изменение свободной энергии 1 М идеального газа при переходе от 1 атм. (24.46 л/моль) к 1М в растворе (1 моль/л) можно рассчитать по следующей формуле (см., например, [38,39]):
дС°^*=-Т Д80^^Т!П(У°/У*^Т!П(24.46)= 1.89 ккал/моль (Т = 298.15 К) (3)
Для свободной энергии протона в газовой фазе ^°(Н+(да<5)) точный статистико-термодинамический расчет при Т=298.15 К и давлении 1 атм. дает С0(Н+(да£;))=-6.28 ккал/моль (детали см. в [40]).
В качестве экспериментального значения энергии Гиббса гидратации протона мы использовали Дг,уС|С0(Н+)=-264.61 ккал/моль, которое в настоящее время считается наиболее надежным среди других известных экспериментальных значений [41,42]. С учетом всего сказанного для С0(Н+(аС|)) получается значение -0.428678 Хартри (1 Хартри=627.5095 ккал/моль).
Результаты и обсуждение
Структура ОС, показанная на рисунке 1, характеризуется двумя ароматическими кольцами, связанными кислородсодержащим гетероциклом, и имеет почти плоское строение. В нашей предыдущей работе [22] были рассмотрены различные варианты координации ОС и Сг(111) в водном растворе при соотношении металл-лиганд
1:1 как моно-, так и бидентатные, приводящие к хелатированию. Свойства монодентатного лиганда молекула РС может проявлять в результате ее одноступенчатого депротонирования, а именно, отщепления кислотных протонов Н1, Н4, Н5, Н9 и Н10 (рисунок 1). В роли бидентатного лиганда ОС может выступать при хелатировании по участку А (при отщеплении Н4), по участку В (при отщеплении Н5) и по участку С (при отщеплении Н9 и Н10).
Рис. 1 - Структура молекулы кверцетина с нумерацией атомов (A, B и С - возможные участки хелатирования ионов металлов)
В [22] было установлено, что термодинамически наиболее вероятно образование комплексов Cr(III) с участием QC как бидентатного лиганда, причем наиболее выгодным оказывается хелатирование по участку А, в результате чего образуется шестичленный цикл. Энергетически несколько менее выгодно хелатирование по участку B. Наконец, примерно на 4-5 ккал/моль невыгодным по сравнению с А и В оказывается вариант хелатирования по участку С. Принимая во внимание такую специфику, мы оптимизировали структуры трех бис-хелатных комплексов Cr(III) с двумя депротонированными кверцетиновыми лигандами во внутренней сфере, которые предположительно могут формироваться в результате хелатирования отдельно по всем трем участкам А, В и С. Их оптимизированные структуры показаны на рисунках 2-4, а в таблице 1 приведены уравнения реакций и энергии Гиббса их образования.
Как видно из этой табл. 1, наиболее отрицательные значения AG°298 получаются для структуры II, что свидетельствует о ее наибольшей термодинамической вероятности. По энергии соизмерима с ней структура III, а структура I заметно энергетически менее выгодна. Близость по энергии структур II и III позволяет предположить, что в растворе может также сосуществовать комбинированная структура, в которой один из лигандов QC хелатирует ион Cr(III) по участку А, а второй - по участку B.
Таблица 1 - Реакции образования бис-хелатных комплексов Cr(III) с кверцетином (QC) из
2+ 0 гидроксокомплекса [Cr(H2O)5OH] (I-III). Приведены рассчитанные свободные энергии Гиббса AG 2gs с
учетом влияния водной среды в модели РСМ
_Реакции образования бис-хелатных комплексов Cr(III) с кверцетином (QC) (рис. 2)_
Ï [Cr(H2O)5OH]2+(aq) + 2QC(aq) = [Cr(H2O)3OH(QC-H9-H1ü)2]2-(aq) + 4H2OW +4H+(aq), AG0298=-6.76 ккал/моль
II [Cr(H2O)5OH]2+(aq) + 2QC(aq) = [Ct(H2O)3OH(QC-H4)2]" (aq) + 4H2O(aq) + 2H+(aq), AG0298=-29.O5 ккал/моль
III [Cr(H2O)5OH]2+(aq) + 2QC(aq) = [Cr(H2O)3OH(QC-H5)2]- ^ + 4H2O(aq) + 2H+faq), AG0298=-28.41 ккал/моль
Рис. 2 - Бис-хелатный комплекс Cr(III) с кверцетином, образующийся по реакции I (таблица 1). Показаны длины связей металл-лиганд в ангстремах
Рис. 3 - Бис-хелатный комплекс Cr(III) с кверцетином, образующийся по реакции II (таблица 1). Показаны длины связей металл-лиганд в ангстремах
Рис. 4 - Бис-хелатный комплекс Сг(111) с кверце Показаны длины связей металл-лиганд в ангстремах
Следует отметить, что относительная устойчивость трех рассмотренных выше бис-хелатных комплексов в целом коррелирует с длинами связей металл-лиганд, приведенными на рисунках 2-4.
ом, образующийся по реакции III (таблица 1).
Таким образом, приведенные квантово-химические расчеты показывают, что при достаточно высокой концентрации кверцетина в водном растворе в присутствии ионов Cr(III)
термодинамически наиболее выгодным является бис-хелатный комплекс, приведенный на рис. 3.
На наш взгляд, представляет интерес сопоставление имеющихся экспериментальных данных по электронно-абсорбционным спектрам поглощения в видимой и УФ области для данной системы с теоретически рассчитанными спектрами для комплексов, рассмотренных в данной работе и в нашем предыдущем сообщении [22]. Такие расчеты, выполненные в рамках зависящей от времени теории функционала плотности (TD- DFT), будут представлены в нашей последующей работе.
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-Novoa, 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. Е.И. Мигачева, Е.Е. Стародубец, А.М. Кузнецов, Вестник Казан. технол. ун-та, 19, 7, 29-31 (2016).
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. А.М. Кузнецов, Соросовский образовательный журнал, 6, 5, 45-51 (2000).
27. 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).
28. A.M. Kuznetsov, E.M. Zueva, A.N. Masliy, L.I. Krishtalik, Biochimica et Biophysica Acta (BBA) -Bioenergetics, 1797, 3, 347-359 (2010).
29. Т.Н. Гришаева, А.Н. Маслий, В.В. Баковец, А.М. Кузнецов, Журнал неорганической химии, 55, 10, 16891694 (2010).
30. H. Liu, A.M. Kuznetsov, A.N. Masliy, J.F. Ferguson, G.V. Korshin, Environmental Science and Technology, 46, 3, 1430-1438 (2012).
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. M. Sperling, S. Xu, B. Welz, Anal. Chem., 64, 24, 31013108 (1992).
36. N. Torapava, A. Radkevich, D. Davydov, A. Titova, I. Person, Inorg. Chem., 48, 21, 10383-10388 (2009).
37. M.D. Liptak, G.C. Shields, Int. J. Quantum Chem., 85, 727-741 (2001).
38. C.P. Kelly, C.J. Cramer D.G. Truhlar, J. Chem. Theory Comput., 1, 1133-1152 (2005).
39. C.P. Kelly, C.J. Cramer D.G. Truhlar, J. Phys. Chem. B, 110, 16066-16081 (2006).
40. G.J. Tawa, I.A. Topol, S.K. Burt, R.A. Caldwell, A.A. Rashin. J. Chem. Phys. 109, 4852-4863 (1998).
41. M.D. Liptak, G.C. Shields, J. Amer. Chem. Soc., 123, 7314-7319 (2001).
42. M.D. Liptak, K.C. Gross, P.G. Saybold, S. Feldgus, G.C. Shields, J. Amer. Chem. Soc., 124, 6421-6427 (2002). 182 с.
© Е. И. Мигачева - магистрант каф. неорган. химии КНИТУ, [email protected]; Е. Е. Стародубец - к.х.н, доцент той же кафедры, КНИТУ, [email protected]; А. М. Кузнецов - д.х.н., проф., зав. каф. неорган. химии КНИТУ, [email protected].
© E. I. Migacheva - Master Student, Department of Inorganic Chemistry, KNRTU, [email protected]; E. E. Starodubets - PhD (Chem.), Associate Professor of the same Department, KNRTU, [email protected]; A. M. Kuznetsov - Dr.Sci. (Chem.), Professor, Head of the same Department, KNRTU, [email protected].
