CC BY
12
ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
УДК: 547.587.11 https://doi.org/10.24412/2071-8268-2023-3-4-10-14
физико-химические свойства ацетилсалициловой кислоты (amilodipin) и трийодо- и тетрайодотиронина
Колчина Г.Ю.1, Мовсумзаде М.М.2, Колчин А.В.3, Мовсумзаде Э.М.4,
Логинова М.Е.4
1Стерлитамакский филиал Уфимского университета науки и технологий,
Стерлитамак, Россия 2Амстердамский университет (UvA), 1012 WX Амстердам, Нидерланды 3ООО «Газпром нефтехим Салават», Салават, Россия 4Уфимский государственный нефтяной технический университет, Уфа, Россия
В работе представлены результаты определения и интерпретации свойств и состояния ацетилсалициловой кислоты и гормонов щитовидной железы. Достижение цели осуществлено применением вычислительной, компьютерной химии, что позволило получить, практически все параметры структурных, химических, физических и термодинамических свойств. Взаимное подтверждение свойств и характеристик параметров дало основание показать, какие возможности, химические, и даже предположительно физические поведения данных систем.
Ключевые слова: ацетилсалициловая кислота, трийодотиронин, тетрайодотиронин, граничные орбитали, энергия, термодинамические параметры, структура.
Для цитирования: Колчина Г.Ю., Мовсумзаде М.М., Колчин А.В., Мовсумзаде Э.М., Логинова М.Е. Физико-химические свойства ацетилсалициловой кислоты (amilodipin) и трийодо- и тетрайодоти-ронина // Промышленное производство и использование эластомеров, 2023, № 3-4, С. 10-14. DOI: 10.24412/2071-8268-2023-3-4-10-14.
physico-chemical properties of acetylsalicylic acid (amilodipin) and triiodo- and tetraiodothyronine
Kolchina Galina Yu.1, Movsumzade Mireldar M.2, Kolchin Andrey V.3, Movsumzade Eldar M.4, Loginova Marianna E.4
1Sterlitamak branch of the Ufa University of Science and Technology, Sterlitamak, Russia 2University of Amsterdam (UvA), Amsterdam, Netherlands
3Gazprom neftekhim Salavat LLC, Salavat, Russia 4Ufa State Petroleum Technological University, Ufa, Russia
Abstract. The paper presents the results of determining and interpreting the properties and state of acetylsalicylic acid and thyroid hormones. The goal was achieved using computational chemistry, which made it possible to obtain almost all parameters of structural, chemical, physical and thermodynamic properties. Mutual confirmation of the properties and characteristics of the parameters provided the basis to show what the capabilities, chemical, and even presumably physical behavior of these systems are.
Key words: acetylsalicylic acid, triiodothyronine, tetraiodothyronine, frontier orbitals, energy, thermodynamic parameters, structure.
For citation: Kolchina G.Yu., Movsumzade M.M., Kolchin An.V., Movsumzade E.M., Loginova M.E. Physico-chemical properties of acetylsalicylic acid (amilodipin) and triiodo- and tetraiodothyronine. Prom. Proizvod. Ispol'z. Elastomerov, 2023, no. 3-4, pp. 10-14. DOI: 10.24412/2071-8268-2023-3-4-1014. (In Russ.).
Важной задачей в теоретической органической химии является определение физико-химических свойств веществ, исходя из их химической структуры. Данные свойства заключены в структуре соединений, поэтому умение находить и вычислять соотношения «структура-свойство» в дальнейшем способствует расшиф-
ровке этих свойств и определению реакционной способности соединений. Ежегодно во всем мире ученые-экспериментаторы синтезируют большое количество новых веществ, имеющих широкий практический спектр применения, поэтому выявление взаимосвязи «структура-свойство» является одним из наиболее актуальных вопро-
сов сегодня [1-5]. Поэтому при решении данной задачи важно установить данную взаимосвязь между структурой и проявляемыми свойствами вещества для дальнейшего прогнозирования физико-химических свойств гипотетических молекул и синтеза соединений с заранее заданными свойствами. Чтобы найти взаимосвязь между строением и проявляемыми свойствами исследуемых соединений используются различные методы математического моделирования. Их выбор зависит не только от природы химических веществ, но и от анализируемых свойств [6-8]. Среди этих методов особое место занимают квантово-химические расчеты. При решении задач «структура-свойство» данный подход является достаточно перспективным, быстрым и удобным, так как обладает высокой информативностью и широкими аналитическими и прогнозирующими возможностями [9-12].
Щитовидная железа — это железа внутренней секреции, синтезирующая гормоны, которые влияют на функции всего организма. С помощью нее регулируется работа половой, сердечно-сосудистой, нервной, пищеварительной систем, а также гормонами щитовидной железы в организме человека регулируются практически все обменные процессы. В норме щитовидка вырабатывает два эндокринных фактора — трийодтиронин (Т3) и тироксин (Т4) [13-15].
Прием лекарственного препарата салицила-та — ацетилсалициловой кислоты, представляющий собой нестероидный противовоспалительный препарат, который приводит к высвобождению гормона Т3 из связи с сывороточными белками [16, 17]. В фармакотерапии сердечно-сосудистых заболеваний, вероятно, нет более часто используемого препарата, чем ацетилсалициловая кислота. Данный препарат, который еще в XIX в. начал применяться в клинической практике для устранения боли и воспаления, в последней четверти ХХ в. стал одним из самых эффективных в лечении острой коронарной недостаточности, а в последующем — и хронических форм ишеми-ческой болезни сердца. Начиная с 1897 г. и на протяжении еще более чем 50 последующих лет ацетилсалициловая кислота применялась и применяется исключительно как противовоспалительное, жаропонижающее и анальгезирующее средство[18-25].
В результате квантово-химического моделирования в работе методами B3LYP/LANL2DZ и HF/6-31+G(d) рассчитаны геометрические, электронные, энергетические параметры и индексы реакционной способности ацетилсалициловой кислоты, трийодтиронина (Т3) и тироксина (Т4) с использованием программы FireFly
[26] с полной оптимизацией геометрии исследуемых структур. Методика расчетов заключалась в следующем: оптимизация геометрии молекул лекарственного вещества и гормонов щитовидной железы производилась при помощи итерационной процедуры поиска локального (в случае удачи — глобального) минимума на поверхности потенциальной энергии.
По химическому строению аспирин представляет собой производное салициловой кислоты. На рис. 1 представлена модель молекулы ацетилсалициловой кислоты, оптимизированной методом
Рис. 1. Оптимизированная структура ацетилсалициловой кислоты (Соединение 1)
В табл. 1 представлены геометрические параметры ацетилсалициловой кислоты в виде длин связей и валентных углов. Значения длин связей в ароматическом фенильном кольце варьируют от 1,381 до 1.395 А. Длина связи С11-О12 имеет значение несколько ниже, чем табличное значение между атомами кислорода и углерода, где углерод находится в состоянии sp2-гибриди-зации. Длины связей С2-О7 и О7-С8 имеют значения, отличающиеся в 0,027 А, что, по-видимому, связано с оттягиванием электронной плотности в сторону наиболее электроотрицательного атома кислорода.
В табл. 2 представлены значения зарядов на атомах молекулы ацетилсалициловой кислоты. Из полученных данных видно, что распределение зарядов в молекуле имеет своеобразный характер. В бензольном кольце имеется четыре углерода связанные с водородами, из которых у троих (С4, С5 и С6) отрицательные заряды. Наивысший положительный заряд (0,831) у углерода С1в фенильном кольце. Это связано с оттягиванием электронной пары в сторону карбоксильной группы. Также из рис. 1 можно увидеть, что максимальный отрицательный заряд сконцентрирован у атома кислорода О13. Эти полученные теоретические данные квантово-хи-мических расчетов подтверждаются информацией, полученной на практике.
Также были рассчитаны основные характеристики гормонов щитовидной железы (рис. 2, рис. 3).
ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
Таблица 1
Рассчитанные геометрические параметры (длины связей (А) и валентные углы) ацетилсалициловой кислоты методом №/6-31 + G(d)
С1-С6 С1-С2 С2-С3 С3-С4 С4-С5 С5-С6 С1-С11 С11-О12
1,395 1,393 1,383 1,384 1,387 1,381 1,492 1,192
С11-О13 С2-О7 О7-С8 С8-О9 С8-С10
1,328 1,372 1,345 1,183 1,500
¿С6С1С2 ¿С1С2С3 ¿С6С1С11 ¿С1С11О13 ¿О12С11О13 ¿С2О7С8 ¿О7С8СЮ ¿О7С8О9
118,23 120,73 115,94 115,63 121,25 119,72 110,58 123,26
Таблица 2
Рассчитанные заряды на атомах по Малликену ацетилсалициловой кислоты методом №/6-31 + G(d)
С1 С2 С3 С4 С5 С6 С11 О12 О13 О7 С8 О9 С10
0,831 -0,812 0,216 -0,373 -0,299 -0,512 0,936 -0,558 -0,833 -0,405 0,582 -0,463 -0,730
Рис. 2. Оптимизированная структура 3,5,3'-трийодотиронин (Т3) (Соединение 2)
Рис. 3. Оптимизированная структура 3,5,3',5'-тетрайодотиронина (Т4) (Соединение 3)
В работе рассчитаны их геометрические, электронные и энергетические параметры, а также термодинамика исследуемых соединений (табл. 3-5).
При рассмотрении зарядов на атомах у соединений 2 и 3 (табл. 4) наибольший положительный заряд концентрируется на атоме С2, причем у Т4 значение больше (0,583). Наибольший отрицательный заряд концентрируется на С7 и он больше у соединения Т3 (-0,508). Однако данный индекс реакционной способности можно использовать только для прогнозирования регио-селективности протекания реакции в каждом конкретном соединении.
Особо важное значение для дескрипторного описания молекулы ацетилсалициловой кислоты имеют энергии верхней занятой и нижней свободной молекулярных орбиталей (ВЗМО и НСМО, граничные орбитали). Ими характеризуется реакционная способность молекулы. Были получены численные значения энергий граничных орбиталей ацетилсалициловой кислоты и гормонов Т3 и Т4, которые представлены в табл. 5. Значение ВЗМО свидетельствует о том, что молекула ацетилсалициловой кислоты является донором электронов и можно сделать вывод, что исследуемую молекулу возможно отнести к мягким реагентам.
Известно, что общее распределение всех зарядов в пространстве составляет диполь. Поскольку дипольный момент молекулы количественно отображает статическую поляризацию частицы, его величина является мерой, которая определяет активность химического взаимодействия. Дипольный момент молекулы соответствует сумме дипольных моментов отдельных химических связей и направлен от центра отрицательных зарядов к центру положительных зарядов (табл. 5). Ацетилсалициловая кислота имеет значение ди-польного момента, равное 3,033 D, что говорит о ее полярности. Гормон Т3 менее полярен, чем гормон Т4. Исходя из значений граничных орбиталей, наиболее реакционноспособным соединением является гормон Т4 (3). Данный факт подтверждают рассчитанные значения индексов электрофильности. Наибольшее значение (1,872) у соединения 3.
Таблица 3
Рассчитанные геометрические параметры (длины связей (А) и валентные углы) Т3 и Т4 методом B3LYP/LANL2DZ
Соединение О1-С2 С2-С3 С3-С4 С4-С5 С5-С6 С6-С7 С7-С2
2 1,393 1,412 1,398 1,406 1,402 1,408 1,410
3 1,386 1,413 1,405 1,401 1,404 1,400 1,417
Соединение С7-18 С3-124 С5-09 09-С10 С10-С11 С11-С13 С11-Л2
2 2,146 — 1,418 1,401 1,413 1,404 2,132
3 2,127 2,147 1,416 1,402 1,412 1,406 2,131
Соединение С13-С14 С14-С15 С15-С16 С16-С10 С16-Л7 С14-С18 С18-С19
2 1,412 1,411 1,406 1,412 2,132 1,519 1,555
3 1,411 1,412 1,405 1,413 2,132 1.519 1.556
Соединение С19-С20 С20-021 С20-022 С19-№3
2 1,527 1,238 1,388 1,466
3 1,528 1,238 1,388 1,465
Соединение ¿01С2С3 ¿ЛС2С7 ZC2C7J8 ZC2C3J24
2 116,35 124,82 120,01 —
3 124,23 117,64 119,59 119,64
Соединение ¿С509С10 ¿С10С11Л2 ¿С10С16Л7 ¿С14С18С19
2 120,70 120,25 120,17 112,03
3 120,80 120,30 120,18 111,99
Соединение ¿С19С20021 ^С18С19№3 ¿С19С20022
2 126,24 111,38 126,24
3 126,12 111,48 112,07
Таблица 4
Рассчитанные заряды на атомах по Малликену Т3 и Т4 методом B3LYP/LANL2DZ
Соединение О1 С2 С3 С4 С5 С6 С7 J8 J24
2 -0,449 0,415 -0,270 -0,349 0,377 -0,245 -0,508 0,110 —
3 -0,438 0,583 -0,437 -0,339 0,393 -0,253 -0,487 0,124 0,154
Соединение 09 Л2 Л7 N23 О21 О22
2 -0, 335 0, 148 0,147 -0,646 -0,288 -0,465
3 -0,334 0,150 0,151 -0,648 -0,258 -0,465
Таблица 5
Рассчитанные термодинамические величины и индексы реакционной способности ацетилсалициловой кислоты методом HF/6-31+G(d)
Соединение ВЗМО, эВ НСМО, эВ Н, РеЬуе Ж, эВ S, эВ нХП, эВ
1 -9,574 1,792 3,033 5,683 2,842 3,891
2 -6,169 -1,718 2,856 2,225 1,113 3,944
3 -6,309 -1,857 3,973 2,226 1,113 4,083
Соединение ЛНоР 298 So, 298 ЛGof, 298 ^ 298 Е w, эВ
1 -531,03 100,58 -562,87 37,98 -531,60 0,666
2 -798,94 171,91 -852,55 81,43 -799,53 1,747
3 -815,44 183,21 -872,76 85,94 -816,03 1,872
Так если сравнить термодинамические параметры соединений 1, 2, 3, то можно предположить объяснение поведения их участия в протекании реакции, т.е. их действие друг против друга. Также в обсуждении могут быть использованы значения порядков связи, потенциал ионизации и дипольного момента.
Так, если обратиться к энтропии «Б», как к характеристике степени неупорядоченности
системы, то можно обратить внимание, что в соединении 1 оно меньше, чем в соединении 2 и 3 (Б1<Б2<Б3). Значения полных энергий исследуемых систем говорят об устойчивости рассматриваемых состояний.
Таким образом, история применения аскорбиновой кислоты насчитывает более 50 лет, и сегодня она остается одним из самых востребованных препаратов. В результате проведенных
исследовании установлены основные геометрические и энергетические параметры молекулы ацетилсалициловой кислоты и гормонов Т3 и Т4. Согласно значениям ВЗМО и НВМО соединения являются полярными и мягкими реагентами. Установленные квантово-химические свойства ацетилсалициловой кислоты и гормонов щитовидной железы могут быть основой молекулярных механизмов их фармакологического действия.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Химические приложения топологии и теории графов / под ред. Р. Кинга. М.: Мир, 1987. — 560 с.
2. Минкин В.И., Симкин Б.Я., Миняев Р.М. Теория строения молекул. Р.-Д.: Феникс. — 1997. — 556 с.
3. Мовсумзаде Э.М., Колчина Г.Ю., Гусейнова С.Н.К., Каримов Э.Х., Бахтина А.Ю., Логинова М.Е., Колчин А.В. Взаимосвязь биологической активности и расчетных параметров нитрилсиланов и нитрилсилоксанов // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. — 2023. — Т. 66. — № 5. — С. 120-127.
4. Колчина Г.Ю., Мовсумзаде Н.Ч., Гусейнова С.Н., Ха-санова З.Р., Логинова М.Е., Мовсумзаде Э.М. Начало исторического анализа математических методов как основы подготовки инженерных кадров // История и педагогика естествознания.
— 2023. — № 1. — С. 56-60.
5. Гусейнова С.Н., Мовсумзаде Э.М., Мовсум-заде Н.Ч., Колчина Г.Ю. Оценка состояния и свойств кремнийорганических гетероатомных систем // Промышленное производство и использование эластомеров. — 2022. — № 1. — С. 24-28. DOI: 10.24412/2071-8268-2022-1-24-28.
6. Мовсумзаде Э.М., Пахомов С.И., Полетаева О.Ю., Егоров М.П., Колчина Г.Ю. Анализ математических и компьютерно-цифровых методов как основы современной подготовки инженерных кадров // Нефтегазохимия. — 2020. — № 2. — С. 55-60.
7. Курбатова С.В., Колосова ЕА, Финкельштейн Е.Е. Топологические индексы в химических расчетах: учебное пособие. Самара: Самарский университет, 2014. — 32 с.
8. Колчина Г.Ю., Бахтина А.Ю., Мовсумзаде М.М., Логинова М.Е. Расчеты и определение параметров составляющих нафталанских нефтей и установление их состояния и предположительных активностей // Нефтегазохимия. — 2022. — № 1-2.
— С. 30-35.
9. Колчина Г.Ю., Бахтина А.Ю., Мухаметзянов И.З., Мов-сумзаде Э.М. Квантово-химические расчеты гетероциклических систем в нефтехимии. М.: ОБРАКАДЕМНАУКА, — 2020.
— 106 с.
10. Kolchina G.Yu, Movsumzade E.M. Comparative features of structure and properties of biomarkers of naphthalan petroleum // ChemChemTech. — 2020. — Т. 63. — № 7. — С. 82-87.
11. Колчина Г.Ю., Мовсум-заде Н.Ч., Бахтина А.Ю., Мовсумзаде Э.М. Квантовая химия - перспективы и достижения // Нефтегазохимия. — 2016. — № 1. — С. 51-60.
12. Мовсумзаде Н.Ч., Александрова Г.Ю. Корреляция структуры и свойства n-содержащих гетероциклов квантово-хими-ческими расчетами // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. — 2013. — Т. 56. — № 4. — С. 38-43.
13. Эндокринология. Национальное руководство. Краткое издание / под ред. И.И. Дедова, Г.А. Мельниченко. М.: ГЭОТАР-Медиа, 2013. — С. 69-73.
14. Henry's Clinical Diagnosis and Management by Laboratory Methods, 23e by Richard A. McPherson MD MSc (Author), Matthew R. Pincus MD PhD (Author). St. Louis, Missouri: Elsevier, 2016. — P. 372-376.
15. Скударнова И.М., Соболева Н.В., Мычка Н.В. Гормоны щитовидной железы: пособие для врачей. — Кольцово: Вектор-Бест, 2006. — 32 с.
16. Кузнецова Н.Б., Кузнецов П.Е. Применение метода функционала плотности для исследования возможного механизма действия гормонов щитовидной железы // AUDITORIUM. Электронный научный журнал Курского государственного университета, 2018. № 4. URL: http://auditorium.kursksu.ru/ pdf/020-001.pdf.
17. Кузнецова Н.Б., Кузнецов П.Е. Квантово-химическая модель гормонов щитовидной железы как доноров и переносчиков электронов // Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий, 2013. — № 4. — С. 179-184.
18. Михайлова И.Е., Перепеч Н.Б. Ацетилсалициловая кислота: сфера клинического применения и доказательства эффективности // РМЖ. — 2007. — T. 15(22). — C. 1602-1608.
19. Левых А.Э., Мамчур В.И. Ацетилсалициловая кислота как эффективная и безопасная основа антиагрегантной терапии // Артериальная гипертензия. — №6(44). — 2015. — С. 57-63.
20. Элькин М.Д., Панкратов А.Н., Алыкова О.М. Моделирование структуры молекул и колебательных спектров конформеров и димеров ацетилсалициловой кислоты // Известия Саратовского университета. — 2012. — Т. 12. — Сер. Химия. Биология. Экология. — Вып. 2. — С. 42-49.
21. Wick J.Y. Aspirin: a history, a love story // Consult Pharm., 2012. — Vol. 27(5). — Р. 322-329.
22. Fuster V., Sweeny J.M. Aspirin. A historical and contemporary therapeutic overview // Circulation. — 2011. — Vol. 123. — Р. 768-778.
23. Лагута П.С., Карпов ЮА. Аспирин: история и современность // Русский медицинский журнал. — 2012. — № 20(25). — С. 1256-1263.
24. Карпов Ю.А. Ацетилсалициловая кислота: позиции во вторичной профилактике сохраняются // РМЖ. — 2017. — С. 1457-1462.
25. Машковский М.Д. Лекарственные средства. М.: Нов. Волна, 2012. — 1216 с.
26. Granovsky A.A. Firefly version 8.0. 2016. URL: http:// classic.chem.msu.su/gran/firefly/index.html.
информация об авторах/information about the authors
Колчина Галина Юрьевна, д.х.н., Стерлитамакский филиал Башкирского государственного университета, Стерлитамак, Россия.
ORCID: http://orcid.org/0000-0003-2808-4827.
E-mail: [email protected]
Мовсумзаде Мирэльдар Мирсамедович, студент, Амстердамский университет (UvA), Амстердам, Нидерланды
Колчин Андрей Владимирович, ООО «Газпром нефтехим Салават», 453256, г. Салават, Россия.
E-mail: [email protected]
Мовсумзаде Эльдар Мирсамедович, д.х.н., проф., чл.-корр. РАО, советник ректора, Уфимский государственный нефтяной технический университет, Российский государственный университет имени А.Н. Косыгина (Технологии. Дизайн. Искусство), Россия.
ORCID: http://orcid.org/ 0000-0002-7267-1351.
E-mail: [email protected]
Логинова Марианна Евгеньевна, канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры «Бурение нефтяных и газовых скважин» ФГБОУ ВО Уфимский государственный нефтяной технический университет (450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1). Россия.
ORCID: http://orcid.org/0000-0001-7077-8705.
E-mail: [email protected]
Kolchina Galina Yu., Dr. Sci. (Tech.), Sterlitamak branch of the Bashkir State University, Sterlitamak, Russia.
ORCID: http://orcid.org/0000-0003-2808-4827.
E-mail: [email protected]
Movsumzade Mireldar M., Student, University of Amsterdam (UvA), Amsterdam, Netherlands
Kolchin Andrey V., Gazprom neftekhim Salavat LLC, Salavat, Russia.
E-mail: [email protected]
Movsumzade Eldar M., Corresponding Member Russian Academy of education, Dr. Sci. (Chem.), Prof., Adviser to the Rector, Ufa State Petroleum Technological University, Kosygin Russian State University (Technology. Design. Art), Russia.
ORCID: http://orcid.org/ 0000-0002-7267-1351.
E-mail: [email protected]
Loginova Marianna E., Cand.Sci.(Phys. and Math.), Ufa State Petroleum Technological University, Faculty of Mining and Petroleum, docent at the Department of Oil and Gas Well Drilling (450062, Ufa, Cosmonavtov street, bld. 1). Russia.
ORCID: http://orcid.org/0000-0001-7077-8705.
E-mail: [email protected]
