CC BY
30
pharmaceutical technology and biotechnology
DOI: 10.19163/2307-9266-2019-7-1-53-66
УДК 547.814.5:544.18
H
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ АНТИРАДИКАЛЬНОЙ (НО) АКТИВНОСТИ РОДСТВЕННЫХ СТРУКТУР, СОДЕРЖАЩИХ ЦИННАМОИЛЬНЫЙ ФРАГМЕНТ. I. ПРОИЗВОДНЫЕ КОРИЧНОЙ КИСЛОТЫ, ХАЛКОНА И ФЛАВАНОНА
Э.Т. Оганесян, С.С. Шатохин, А.А. Глушко
Пятигорский медико-фармацевтический институт - филиал ФГБОУ ВО ВолгГМУ Минздрава России,
357532, Россия, Пятигорск, пр. Калинина, 11
Изучено 45 соединений, объединяющих 3 группы производных коричной кислоты, халкона и флаванона, каждая из которых включает по 15 веществ. Анализируемые соединения содержат общий структурный фрагмент, представляющий собой остаток коричной кислоты (циннамоильный фрагмент). Цель работы - изучение квантово-химиче-ских параметров перечисленных групп соединений с целью прогнозирования возможных путей их взаимодействия с наиболее агрессивным и опасным из числа активных форм кислорода (АФК) гидроксильным радикалом. Материалы и методы. Для анализируемых структур определены Малликеновские заряды (а.е.), связевые числа (Ыц), индекс ненасыщенности (1иА) и величины электронной плотности на всех 9-атомах углерода циннамоильного фрагмента. Расчеты осуществлены на рабочей станции с процессором 1Ме1ХеопЕ5-1620 3,5 ГГц, 20 Гб оперативной памяти, при этом использован полуэмпирический метод РМ7 (программа WinMopac 2016). Для расчетов энергий гомолитического расщепления связи О—Н использована программа ORCA 4.1. Результаты. Анализ величин Малликеновских зарядов (а.е.), связевых чисел (Ыц), индексов ненасыщенности (1иА) и электронной плотности позволил выявить ряд закономерностей, на основании которых можно делать выводы о том, что с учетом природы заместителей наиболее вероятными для присоединения в арильном остатке являются положения С-1, С-2, С-3, С-4 и С-5. В пропеноновом фрагменте радикал НО* в первую очередь атакует положение 8, затем 7. Для гидроксизамещенных определена энергия гомолитического разрыва связи Н-О и установлено, что у пространственно затрудненных фенолов (соединения 13к, 13х, 13ф, 14к, 14х, 14ф) энергия разрыва связи Н-О наименьшая и в среднем составляет - 160,63 кДж/моль. Установлено также, что,чем выше положительный Малликеновский заряд на атоме углерода, с которым связан фе-нольный гидроксил, тем ниже энергия гомолитического разрыва связи Н-О и тем более устойчив образующийся фе-ноксильный радикал. Заключение. Проведенные квантово-химические расчеты позволяют сделать вывод о том, что изучаемые классы соединений могут быть использованы для связывания образующегося в организме гидроксильного радикала, вызывающего различного рода мутации, приводящие, в том числе, к развитию онкологических заболеваний. Ключевые слова: гидроксильный радикал, производные коричной кислоты, халконы, флаваноны, Малликеновские заряды, связевые числа, индекс ненасыщенности, электронная плотность
Для цитирования: Э.Т. Оганесян, С.С. Шатохин, А.А. Глушко. Использование квантово-химических параметров для прогнозирования антирадикальной (НО) активности родственных структур, содержащих циннамоильный фрагмент. I. Производные коричной кислоты, халкона и флаванона. Фармация и фармакология. 2019;7(1): 53-66. DOI:10.19163/2307-9266-2019-7-1-53-66 © Э.Т. Оганесян, С.С. Шатохин, А.А. Глушко, 2019
For citation: E.T. Oganesyan, S.S. Shatokhin, A.A. Glushko. Using quantum-chemical parameters for predicting anti-radical (НО-) activity of related structures containing a cinnamic mold fragment. I. Derivatives of cinnamic acid, chalcon and flavanon. Pharmacy & Pharmacology. 2019;7(1):53-66. DOI:10.19163/2307-9266-2019-7-1-53-66
E-mail: [email protected]
Поступила в редакцию: 23.12.2018
Принята к печати: 20.02.2019
ISSN 2307-9266 e-ISSN 2413-2241
ФАРМАЦИЯ И ФАРМАКОЛОГИЯ
USING QUANTUM-CHEMICAL PARAMETERS FOR PREDICTING ANTI-RADICAL (HO) ACTIVITY OF RELATED STRUCTURES CONTAINING A CINNAMIC MOLD FRAGMENT. I. DERIVATIVES OF CINNAMIC ACID, CHALCON AND FLAVANON
E.T. Oganesyan, S.S. Shatokhin, A.A. Glushko
Pyatigorsk Medical and Pharmaceutical Institute - branch of Volgograd State Medical University, 11, Kalinin Ave., Pyatigorsk, Russia, 357532
E-mail: [email protected] Received: 23.12.2018 Accepted for publication: 20.02.2019
45 compounds uniting 3 groups of derivatives of cinnamic acid, chalcone and flavanone, have been studied. Each of them includes 15 substances. The analyzed compounds contain a common structural fragment, which is a cinnamic acid residue (cinnamoyl fragment). The aim is to study the quantum-chemical parameters of the listed groups of the compounds in order to predict possible ways of their interaction with the most aggressive and dangerous of the active oxygen species (ROS) -a hydroxyl radical. Materials and methods. For the analyzed structures, the Mulliken charges (a.u.), bond numbers (Np), unsaturation index (IUA), and electron density values on all 9-carbon atoms of the cinnamoylfragment have been determined. The calculations have been carried out on a workstation with an Intel Xeon E5-1620 3.5 GHz processor, 20 GB of RAM. The semi-empirical methodPM7 was used (WinMopac 2016program). The ORCA 4.1 program was used to calculate the energies of homolytic cleavage of the O - H bond. Results. The analysis of Mulliken charges (a.u.), bonded numbers (Np), unsaturation indices (IUA), and electron density revealed a number of regularities on the basis of which it can be concluded, that taking into account the nature of the substituent, the most probable for addition in the aryl residueare positions C-1, C-2, C-3, C-4 and C-5. In the propenone fragment, the radical HO^ first attacks position 8, then 7. For the hydroxy-substituted, the energy of the homolytic breaking of the H - O bond has been determined and it has been established that the spatial difficulty of phenols (compounds 13k, 13x, 13f 14k, 14x, 14f) H-O bonds are the smallest and on average are -160.63 kJ/mol. It has also been established that the higher the positive Mulliken charge on the carbon atom with which the phenolic hydroxyl is bound, the lower the energy of the homolytic breaking of the H - O bond and the more stable the resulting phenoxy radicalis. Conclusion. The carried out quantum chemical calculations allow us to conclude that the studied classes of compounds can be used to bind the hydroxyl radical formed in the body, causing various kinds of mutations, leading, among other things, to the development of oncological diseases.
Keywords: hydroxyl radical, cinnamic acid derivatives, chalcones, flavanones, Mulliken charges, bond numbers, unsaturation index, electron density
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время экспериментальная биохимия и клиническая фармакология накопили обширный материал, свидетельствующий о взаимосвязи процессов свободнорадикального окисления с участием активных форм кислорода (АФК) и многих заболеваний. Известно, что при нарушении механизмов антиоксидантной защиты в организме происходит накопление АФК, из которых наиболее опасным является радикал НО\ Он способен взаимодействовать с азотистыми основаниями ДНК и РНК, что способствует формированию различных видов мутаций [1, 2], а также реагирует с фосфолипидами клеточных мембран, повышая уровень их перекисного окисления. Следствием этого являются реперфузионные повреждения тканей, канцерогенез и другие патологические процессы [2, 3].
При нарушениях равновесных процессов с участием АФК важное значение приобретают природные соединения - производные коричной кислоты, халконы и флаваноны, содержащие общий циннамо-ильный фрагмент, который во флавоноидах является главной цепью сопряжения и по существу, представ-
ляет собой остаток коричной кислоты. Эти три группы соединений взаимосвязаны между собой биогенетическими превращениями [4-6].
Перечисленные представители полифенольных соединений характеризуются широким спектром фармакологической активности, что, вероятно, связано с их высокой антирадикальной активностью.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Изучение квантово-химических характеристик производных коричной кислоты, а также халконов и флаванонов, содержащих заместители в арильном фрагменте главной цепи сопряжения для прогнозирования их возможного взаимодействия с гидрок-сильным радикалом НО\
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Объектами исследования явились гидрокси- и метоксизамещенные в арильном остатке циннамо-ильного фрагмента производные коричной кислоты, халкона и флаванона, всего 45 соединений. Кванто-во-химические параметры анализируемых структур рассчитывались на рабочей станции с процессо-
DOI: 10.19163/2307-9266-2019-7-1-53-66
ром 1Пе1ХеопЕ5-1620 3,5 ГГц, 20 Гб оперативной памяти.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Из числа активных форм кислорода (АФК) наибольшую опасность представляет гидроксильный радикал НО-, продолжительность жизни которого в биологической среде составляет около 10-9 сек.
Одним из путей образования гидроксильного радикала в организме может быть реакция Фентона или окисление Fe2+ до Fe3+ гипохлорит-анионом, который, в свою очередь, образуется в фагоцитах.
Доказано, что выход гидроксильного радикала НО- во втором случае выше, чем в реакции Фентона [8].
Этот же радикал может образоваться по реакции Хабера-Вайса [8].
Последствия приведенных реакций с участием двухвалентного железа очевидны: происходит «извлечение» Fe2+ - катиона из содержащих его систем и последующее окисление до Fe3+, что само по себе чрезвычайно опасно, ибо это способствует разрушению гема крови и железосодержащих эндогенных веществ.
С другой стороны, гидроксильный радикал, взаимодействуя с аминокислотными фрагментами белков, вызывает денатурацию последних и последующую инактивацию ферментов.
Существует мнение, что радикал НО- способен избирательно накапливаться вблизи ДНК [9].
Обладая достаточно высокими электрофильными свойствами, он способен не только гидроксилировать
азотистые основания нуклеиновых кислот, но и способствовать последующему разрыву как углеводных мостиков между нуклеотидами, так и водородных связей «переплетенных» полинуклеотидных цепей [2]. Понятно, что далее будут происходить процессы мутаций или повреждение генов.
В липидном слое клеточных мембран радикал НО- инициирует цепную реакцию окисления липи-дов по радикальному механизму, что приводит к повреждению и гибели клеток.
Биохимические процессы с участием АФК в физиологической норме контролируются как ферментными, так и неферментными компонентами клеток. При нарушениях равновесных процессов с участием АФК важное значение приобретают природные анти-оксиданты, к которым относятся такие полифеноль-ные соединения, как производные коричной кислоты, а также флавоноиды (халконы, флаваноны, флавоны и флавонолы).
Благодаря структурному многообразию, а также совокупности проявляемых фармакологических эффектов, они занимают особое место среди природных антиоксидантов.
Известно, что в биосинтезе флавоноидов коричная кислота принимает непосредственное участие [4]. Сопоставляя между собой структуры коричной кислоты и флавоноидов, легко убедиться, что общим структурным фрагментом для всех соединений является циннамоильный фрагмент, который, по существу, представляет собой остаток коричной кислоты (рис. 1).
НО
Коричная кислота 2
В
2 '-Гид роксихалкон
о
Флаванон
Рисунок 1. Структурные признаки халкона, флаванона и флавона
Необходимо отметить, что при незначительных изменениях рН-среды халконы переходят в флавано-ны и наоборот: в кислой среде преобладает флаванон, а в щелочной - халкон. Данное обстоятельство имеет важное значение с точки зрения биологической активности халконов и флаванонов.
Из представленных структур явствует, что благодаря циннамоильному фрагменту формируется главная цепь сопряжения, через которую происходит передача электронных эффектов, оказываемых заместителями в кольце В.
В продолжение более ранних исследований
ISSN 2307-9266 e-ISSN 2413-2241
ФАРМАЦИЯ И ФАРМАКОЛОГИЯ
[10-13], а также с учетом структурной близости коричной кислоты, халконов и флаванонов (наличие циннамоильного фрагмента). Мы сочли целесообразным априори исследовать активость халконов и флаванонов в отношении гидроксильного радикала НО- с использованием таких квантово-химических параметров, как Малликеновские заряды (а.е), свя-
зевые числа ^д), теоретическая валентность ^д), индекс ненасыщенности (ША) и электронная плотность.
В таблице 1 представлены анализируемые соединения, которые обозначены соответственно 1к-15к (производные коричной кислоты), 1х-15х (производные халкона), 1ф-15ф (производные флаванона).
Таблица 1. Производные коричной кислоты (к), халкона (х)* и флаванона (ф) с заместителями в ароматическом ядре главной цепи сопряжения
r1 r
2
о
з R3
№ п/п положение заместителей
к х* ф 1 2 3 4
1к 1х 1ф Н Н Н Н
2к 2х 2ф OH H H H
Зк_3х_3ф_CH3O_H_H_H
4к 4х 4ф H OH H H
5к_5х_5ф_H_CH3O_H_H
6к 6х 6ф H H OH H
7к_7х_7ф_H_H_CH3O_H
8к 8х 8ф H OH OH H
9к_9х_9ф_H_CH3O_OH_H
10к 10х 10ф H OH CH3O H
11к_11х_11ф_H_CH3O_CH3O_H
12к 12х 12ф H OH OH OH
13к_13х_13ф_н_сн3о_ОН_сн3о_
14к_14х_14ф_Н_С(СН3)3_ОН_С(СН3)3
15к_15х_15ф_Н_СН3О_СН3О_СН3Р_
* Примечание: рассматриваются производные халкона, содержащие ОН-группу в орто-положении к карбонилу, поскольку в его отсутствии невозможен переход халкон-флаванон
Ранее нами полуэмпирическими квантово-химиче-скими методами были изучены индексы реакционной способности производных коричной кислоты в отношении гидроксильного радикала [10]. Это позволило выявить наиболее реакционноспособные центры в циннамоильном фрагменте: взаимодействие коричной кислоты с электрофильным по свойствам радикалом НО- происходит в первую очередь по положению С-8, т.к. этот атом характеризуется наименьшей степенью «насыщенности» (наименьшим связевым числом), наибольшей электронной плотностью и наибольшим отрицательным зарядом по сравнению с его двумя ближайшими атомами. Дальнейшее взаимодействие коричной кислоты с образованием соответствующих аддуктов возможно по положениям С-7, С-6, С-1 и С-51.
Учитывая выявленные для коричной кислоты закономерности, мы сочли целесообразным определить наиболее вероятные центры первичной атаки радикалом НО- халкона и флаванона.
Перечисленные выше квантово-химические характеристики были рассчитаны полуэмпирическим методом РМ7 (программа WinMopac 2016) для халконов и флаванонов, содержащих гидрокси- и метоксигруппы в арильном фрагменте главной цепи сопряжения.
В таблицах 2, 3, 4 представлено распределение Малликеновских зарядов (а.е), связевых чисел (Ыд), индекса ненасыщенности (ША) и электронной плотности на атомах углерода циннамоильного фрагмента двух производных коричной кислоты (6к и 7к), халкона (6х и 7х) и флаванона (6ф и 7ф).
1 Здесь и далее по тексту статьи нумерация атомов в анализируемых структурах приводится не в соответствии с правилами ШРАК, а согласно с расчетными программами. Для коричной кислоты показана нумерация атомов углерода, генерируемая программами. Чтобы легче и удобно было сравнивать полученные результаты, данная нумерация сохранена авторами для халконов и флаванонов.
DOI: 10.19163/2307-9266-2019-7-1-53-66
§ v©
7k -0.321 3.787 0.158 4.321 7x -0.342 3.803 0.147 4.342 -0.440 3.820 0.114 4.440
00
6k -0.316 3.790 0.157 4.316 6x -0.337 3.805 0.147 4.337 6$ -0.441 3.818 0.115 4.441
7k 800 0 3.864 0.080 3.991 7x 0.016 3.849 0.091 3.983 0.141 3.839 0.162 3.859
6k 0.002 3.866 0.079 3.997 6x 0.009 3.851 0.091 3.990 6$ 0.138 3.838 0.064 3.861
7k -0.138 3.832 0.150 4.134 7x -0.138 3.835 0.148 3.983 -0.162 3.819 0.162 4.162
vo
6k -0.134 3.836 0.148 4.134 6x -0.134 3.836 0.147 4.134 6$ -0.161 3.821 0.160 4.161
7k -0.046 3.810 0.156 4.046 7x -0.047 3.810 0.156 4.047 -0.057 3.826 0.140 4.057
in
6k -0.042 3.811 0.154 4.042 6x -0.044 3.809 0.156 4.044 6$ -0.050 3.826 0.139 4.050
7k -0.317 3.774 0.176 4.317 7x -0.314 3.774 0.177 4.314 -0.305 3.774 0.179 4.305
6k -0.326 3.777 0.173 4.326 6x -0.322 3.777 0.173 4.322 6$ -0.316 3.777 0.175 4.316
7k 0.217 3.774 0.149 3.722 7x <N 0. 3.775 0.148 ZZL'i 0.265 3.785 0.142 3.735
m
6k 0.317 3.774 0.132 3.683 6x 0.317 3.773 0.133 3.683 6$ 0.306 3.783 0.126 3.693
7k -0.269 3.782 0.174 4.270 7x 2 <N 0. - 3.783 0.173 4.272 -0.253 3.780 0.179 4.253
<N
6k -0.262 3.789 0.167 4.262 6x -0.265 3.788 0.169 4.265 6$ -0.248 3.786 0.172 4.248
7k -0.043 3.813 0.151 4.043 7x -0.046 3.814 0.152 4.046 -0.069 3.222 0.139 4.070
6k -0.044 3.810 0.154 4.044 6x -0.047 3.810 0.156 4.047 6$ -0.068 3.826 0.140 4.068
a.e. A £ vni an.nn a.e. A £ vni an.nn a.e. A £ vni
ISSN 2307-9266 e-ISSN 2413-2241
ФАРМАЦИЯ И ФАРМАКОЛОГИЯ
^
9к vo о m 9 vo in vo о m 9х 00 <N m 0 00 00 2 9ф in m ^ 0 2 in m
о 1 ro CD ^f CD 1 ro 0. 0. 1 on 0.
00
и 00 m о СП 9 VO in m CD m 00 <N m 9 0 00 2 00 m ^ 00 00 in m
CD ■ ro CD CD 1 ro 0. ^r 0. ■ 0.
9к о CD \D 00 00 p о о 9х о о m in 00 0 9 c^ vo 9 c^ 9ф m m ^r 2 \D CD vo \D 0^
о 1 ro CD CD ro 0. ro 0. ro 0.
и 00 00 о CD 00 \D 00 00 о 00 о о 00 ).02 in 00 0 9 2 2 00 0 m 0 St \D CD 9 \D
CD 1 ro CD ^f 1 ro 0. 0. 0. ro
9к vo \D CD 9 m 00 <N in VO \D CD 9х vo о 00 m 00 m in 9ф 0 00 m m 00 in 0 00
CD i ro CD st 0. ro 0. 0. ■ 0.
vo
и 00 О VO CD 9 m 00 <N in CD \D CD 00 9 in о ^f 00 li^ 9 in 00 m CD m m 00 9 in m CD
CD i ro CD ^f 0. 1 ro 0. 0. i ro 0. st
9к VO О <N <N \D О <N VO О <N 9х 0 00 <N m \D vo 0 <N 0 2 9ф m in vo in st m
CD i ro CD 0. 1 ro 0. 0. ■ on 0. st
in
и 00 <N <N \D m CD <N <N <N 00 m <N VO \D m 0 с 00 m in 00 vo in m
CD i ro CD 0. 1 ro 0. 0. ■ 0. st
9к 9 CD VO \D m 00 in о c^ 9х 0 \D in 00 in 00 9ф 2 9 0 2 st <N
CD ro CD ro 0. ro 0. 0. 1 0.
и 00 VO <N VO <N m 00 00 9 <N vo 2 0 00 2 m 9 9 9 \D 2 m
CD ro CD rn 0. ro 0. 0. ■ 0.
9к in <N <N in in 00 in 9х 2 0 \D 9 00 0 00 9ф m \D vo 00 m
CD ro CD ro 0. ro 0. 0. on 0.
m
и 00 9 <N <N m \D <N о 00 00 2 <N m \D F^ 00 st 00 m 00 2 in
CD ro CD ro 0. 0. on 0. ro 0.
9к <N 00 00 00 <N 9х in 2 <N 0 00 m 00 in 2 9ф in \D vo 00 in m
CD i ro CD 0. 1 0. 0. 0. ro
<N
и 00 VO <N vo 00 VO vo <N 00 00 <N 00 00 in 00 <N 00 0 СЧ 2 \D m 9
CD i ro CD 0. 1 0. 0. 0. rn
9к in О <N о 00 9 \D in о 9х 9 0 vo 0 vo \D 9 о 9ф 00 9 0 \D in 0 00
CD СП CD 0. 1 0. 0. 1 0. ^f
и 00 in о m CD 00 00 \D in о 00 0 0 9 \D 0 00 vo 9 in \D vo
CD i ro CD 0. 1 0. 0. 1 ro 0.
а.е. £ vni эл.пл а.е. i vni эл.пл а.е. i vni эл.пл
DOI: 10.19163/2307-9266-2019-7-1-53-66
s
I ^
8 is
s ®
£ Sf
s
£ ^
y s «
8 «
s ^
« >8
Si s
^ §
^ 8
* S
si 8
§ 8
¡3 ^
S ?
* I ^ ©
! ®
8 5
-s IS
^ S
S ® 5 8 S
y
h H ©
s ^
s ^
8 8 8 S
S ©
8
> g « »
vis
§
13k -0.298 3.797 0.154 4.298 13x -0.303 3.811 0.150 4.303 13$ -0.430 3.818 0.116 4.430
00
M o -0.308 3.792 0.156 4.308 o -0.327 3.807 0.147 4.327 o -0.438 3.819 0.114 4.438
13k -0.01 3.867 0.08 4.001 13x -0.025 3.852 0.142 3.976 13$ 0.129 3.838 0.063 3.870
M o -0.002 3.866 0.081 4.002 o 0.002 3.853 0.09 3.998 o 0.132 3.841 0.062 3.867
M m 8 0 o 5 9 91 X m 3 <N o 2 5 00 2 6 m 4 0 o 5 3 00 7 in 4 o o
0. 3. 0. 3. 0. 3. 0. 3. 1 0. - 3. 0. 4.
vo
M o -0.063 3.837 0.154 4.063 X o -0.066 3.840 0.152 4.066 o -0.076 3.832 0.159 4.076
13k -0.268 3.738 0.219 4.268 13x -0.290 3.734 0.217 4.290 13$ -0.292 3.745 0.203 4.293
in
M o -0.218 3.765 0.205 4.218 o -0.206 3.761 0.208 4.206 o -0.140 3.815 0.157 4.140
« m VO 3 6 6 00 4 5 00 X m 0 6 0 3 00 m 6 5 0 00 3 <N 00
0. 3. 0. 3. 0. 3. 0. 3. 1 0. 3. 0. 3.
M o 0.138 3.760 0.175 3.861 X o 0.097 667.3 0.183 3.902 $ o -0.224 3.795 0.173 4.224
M m 2 o 2 4 3 <N 7 9 00 X m 7 5 o 9 9 5 3 <N 3 $ m 5 o 5 o 7 <N <N 9
0. 3. 0. 3. 0. 3. 0. 3. 1 0. 3. 0. 3.
m
M o 3 0 6 9 00 6 0 00 X o 4 <N <N 5 5 9 6 $ o 4 2 5 t^ 6 5 00 00
0. 3. 0. 3. 0. 3. 0. 3. 0. 3. 0. 3.
M m 3 00 6 7 9 7 00 X m 3 o <N 4 t^ 6 6 t^ $ m 0 <N <N t^ 6 9 t^
0. 3. 0. 3. 0. 3. 0. 3. 1 0. 3. 0. 3.
<N
M o -0.223 3.779 0.184 4.223 X o -0.220 3.788 0.174 4.220 $ o 0.200 3.771 0.167 3.800
13k -0.271 3.728 0.228 4.271 13x -0.242 3.733 0.224 4.242 13$ -0.265 3.746 0.205 4.260
M o -0.105 3.806 0.165 4.105 o -0.109 3.802 0.170 4.109 $ o -0.194 667.3 0.196 4.194
a.e. A vni an.nn a.e. A vni an.nn a.e. A vni an.nn
ISSN 2307-9266 e-ISSN 2413-2241
ФАРМАЦИЯ И ФАРМАКОЛОГИЯ
Характерно, что здесь для атомов С-7 и С-8 наблюдается такая же динамика изменения параметров, какая имела место в коричной кислоте. В анализируемых структурах углеродный атом С-9 характеризуется значительно более низкой электронной плотностью и более высоким положительным Малликеновским зарядом, хотя связевое число незначительно (третий знак после запятой) выше по сравнению с таковыми для С-8 и С-7. На атоме С-8 всех трех типов рассматриваемых структур сосредоточены наибольшие отрицательный Малликеновский заряд и электронная плотность, а также наименьшие связевые числа по сравнению с двумя ближайшими атомами. Подобные электронные эффекты легко объяснить, если учесть, что по отношению к пропеноновому фрагменту электронодонорные гидрокси- и метоксигруппы в положениях 1 и 3 (орто-
и пара- положения по отношению к пропеновому звену) способствуют усилению полярного сопряжения и, следовательно, увеличению Малликеновского заряда и электронной плотности на С-8 (соединения 2, 3, 6, 7) по сравнению с родоначальной структурой каждой группы анализируемых соединений.
Если гидрокси- и метоксигрупы находятся в положении 2 арильного фрагмента (соединения 4 и 5), то электронная плотность и Малликеновский заряд убывают, однако эти же параметры возрастают на атомах С-1, С-3 и С-5, то есть в двух орто- (С-1 и С-3) и пара-положениях (С-5) (таблица 5). Эта зависимость повторяется у всех трех типов рассматриваемых структур - 4к, 4х, 4ф и 5к, 5х и 5ф. Подобные электронные эффекты хорошо согласуются с вкладом констант Тафта [14].
Таблица 5. Значения Малликеновских зарядов (а.е.), электронной плотности и связевых чисел (Пи), на атомах углерода в о- и п- положениях по отношению к заместителю у производных коричной кислоты, халкона и флаванона под номерами 2, 3 и 4
незамещенная коричная кислота_незамещенный халкон_незамещенный флавонон
Cv а.е эл.пл N^ а.е эл.пл N^ а.е эл.пл N^
1 -0.118 4.1180 3.812 -0.122 4.122 3.813 -0.141 4.141 3.827
2 -0.159 4.1590 3.852 -0.161 4.162 3.852 -0.145 4.145 3.849
3 -0.125 4.1249 3.836 -0.121 4.126 3.837 -0.135 4.135 3.845
4 -0.159 4.1595 3.854 -0.156 4.156 3.854 -0.151 4.151 3.852
5 -0.126 4.1260 3.816 -0.128 4.128 3.814 -0.132 4.133 3.829
6 -0.054 4.0540 3.858 -0.053 4.054 3.856 -0.081 4.081 3.840
7 -0.020 4.0200 3.869 -0.013 4.013 3.855 0.122 3.877 3.840
8 -0.298 4.9810 3.798 -0.319 4.319 3.814 -0.440 4.440 3.819
2к
2х
2ф
Cv а.е эл.пл N^ а.е эл.пл N^ а.е эл.пл N^
8 -0.288 4.288 3.798 -0.364 4.364 3.763 -0.446 4.442 3.812
2 -0.234 4.047 3.852 -0.268 4.268 3.787 -0.229 4.229 3.803
4 -0.149 4.062 3.854 -0.238 4.238 3.842 -0.197 4.197 3.844
1 -0.046 4.322 3.832 0.342 3.658 3.747 0.284 3.715 3.777
3к
3х
3ф
Cv а.е эл.пл N^ а.е эл.пл N^ а.е эл.пл N^
8 -0.301 4.301 3.781 -0.368 4.368 3.785 -0.439 4.439 3.819
2 -0.238 4.050 3.838 -0.270 4.270 3.780 -0.309 4.310 3.773
4 -0.161 4.060 3.783 -0.235 4.235 3.842 -0.227 4.228 3.834
1 -0.050 4.314 3.833 0.309 3.690 3.740 0.269 3.730 3.777
4к
4х
4ф
Cv а.е эл.пл N^ а.е эл.пл N^ а.е эл.пл N^
8 -0.283 4.283 3.804 -0.299 4.299 3.819 -0.437 4.437 3.818
1 -0.290 4.290 3.740 -0.230 4.230 3.750 -0.240 4.240 3.747
3 -0.228 4.228 3.779 -0.296 4.296 3.769 -0.303 4.303 3.774
5 -0.205 4.205 3.800 -0.210 4.210 3.803 -0.223 4.223 3.813
5к
5х
5ф
Cv_а.е_эл.пл_N^_а.е_эл.пл_N^_а.е_эл.пл_
8 -0.290 4.290 3.802 -0.303 4.303 3.819 -0.436 4.436 3.818
1 -0.278 4.278 3.737 -0.234 4.234 3.743 -0.252 4.252 3.757
3 -0.233 4.233 3.773 -0.285 4.285 3.766 -0.293 4.293 3.770
5 -0.204 4.204 3.798 -0.210 4.210 3.803 -0.215 4.210 3.814
* Примечание. К - коричная кислота, х - халкон, ф - флаванон
DOI: 10.19163/2307-9266-2019-7-1-53-66
PHARMACOLOGY
Таким образом, первичная атака электрофиль-ным гидроксильным радикалом будет проходить в первую очередь по положению С-8, а затем по положению С-7.
Подобный вывод справедлив и для рассматриваемых типов анализируемых соединений, что было показано нами ранее [11, 12].
Используя аналогичный подход для интерпретации возможных путей атаки НО--радикалом монозаме-щенных производных (соединения 2к, 2х, 2ф - 7к, 7х, 7ф) с учетом квантово-химических параметров можно предположить, что наиболее вероятными являются С-2 и С-4 положения для соединений 2 и 3, поскольку они характеризуются наибольшими значениями ЩА. Если заместитель находится в положении 2, то атака, вероятно, произойдет по С-1, С-3 или С-5 фенильного фрагмента всех трех типов рассматриваемых структур в связи с высокими значениями ЩА. Для соединений типов
6 и 7 атака гидроксильного радикала равновероятна по положениям С-2 и С-4 по тем же причинам, о чем говорилось выше (таблицы 2, 3, 4, 5).
В случае дизамещенных по арильному фрагменту динамика изменения Малликеновских зарядов, индекса ненасыщенности и электронной плотности в соединениях 8, 9 и 10 всех трех типов рассматриваемых структур практически совпадают между собой и фактически привносят одинаковый электронный вклад на С-8 пропенового звена.
Следует подчеркнуть, что две гидрокси- или ги-дрокси- и метоксигруппы в полжениях 2 и 3 ариль-ного фрагмента оказывают конкурирующее влияние на систему сопряжения: эффект пара-заместителя частично гасится несовпадающим влиянием такого же заместителя в положении 2. Данный вывод можно проиллюстрировать при помощи с-констант Тафта для -ОН и -ОСН3 групп [14]:
а =0,127
а =-0,370 Х=-0,243
0-ch
oh
3 а =0,115
а =-0,370 Х=-0,255
oh
0
ch,
а =0,127
а =-0,268 !=-0,141
Соединения 8к, 8х, 8ф
При интерпретации антирадикальной (НО-) активности полигидроксипроизводных коричной кислоты, халкона и флаванона следует учитывать их способность к связыванию активных форм кислорода не только при участии углеродных атомов арильного радикала, но и благодаря гомолитическому разрыву связи Н-О фенольной гидроксигруппы с образованием промежуточного аддукта - феноксильного радикала.
Ранее при анализе антирадикальной активности полигидроксихалконов нами были рассчитаны энергии гемолитического разрыва связей Н-О в моноги-дроксисоединениях, в которых гидроксигруппа расположена у С-3 или С-4, а также для дизамещенных, что показано ниже.
В продолжение этих исследований методом аЫпШо нами были рассчитаны энергии гомолитиче-ского разрыва связи Н-О с переходом атома водорода на гидроксильный радикал в дизамещенных по ариль-ному остатку циннамоильного фрагмента. Выявлена взаимосвязь между энергией разрыва связи Н-О, индексом ненасыщенности (ША) атома углерода, с которым связан заместитель. Для этого была исполь-
Соединения 10к, 10х, 10ф
зована программа ORCA 4.1. Оптимизация геометрии молекул производилась методом теории функционала плотности (UB3LYP) с применением набора базисных функций 3-2Ш*. Колебательный анализ, а также расчет термодинамических функций (энтальпия, энтропия и энергия Гиббса) производились при помощи теории функционала плотности (UB3LYP) с использованием набора базисных функций 6-31Ш** [18]. Установлено, что энергия разрыва связи тем ниже, чем выше значение ША (таблица 6).
Из представленных данных прослеживается четкая зависимость: чем больше величина индекса ненасыщенности (ША) арильного углеродного атома, с которым связана гидроксигруппа, тем ниже энергия гемолитического разрыва связи Н-О. Аналогичная зависимость существует и для связевых чисел (таблица 3).
В перечне соединений, подвергнутых кванто-во-химическому изучению, нами рассмотрены три типа соединений, содержащих в положениях 2, 3, 4 арильного фрагмента три заместителя и обозначенных номерами 12, 13 и 14.
Соединения 9к, 9х, 9ф
ISSN 2307-9266 e-ISSN 2413-2241
ФАРМАЦИЯ И ФАРМАКОЛОГИЯ
Таблица 6. Свободная энергия Гиббса гомолитического расщепления связи Н-0
Структурный фрагмент
Энергия разрыва связи О-Н
IUA (С-1)
IUA (С-2)
IUA (С-3)
HO
/
0,135 (2к)
-150,30
0,152 (2х)
0,145 (2ф)
0,132 (6к)
0,133 (6х)
0,126 (6ф)
-173,89
0,175 (8к)
0,173 (8х)
0,162 (8ф)
0,172 (8к)
0,172 (8х)
0,183 (8ф)
oh
o
ch„
-130,01
0,184 (10к)
0,174 (10х)
0,167 (10ф)
0,189 (10к)
0,179 (10х)
0,196 (10ф)
O-CH
-174,26
0,174 (9к)
0,183 (9х)
0,178 (9ф)
0,178 (9к)
0,189 (9х)
0,187 (9ф)
Для этих соединений рассчитаны энергии гомо- С-3 и присоединением атома водорода к гидроксиль-литического разрыва связи О-Н с образованием соот- ному радикалу, что, по нашему мнению, можно пред-ветствующего феноксильного радикала в положении ставить схемой.
Данная реакция была смоделирована методом молекулярной динамики в силовом поле 3-2Ш* с применением метода теории функционала плотности (UB3LYP) в течение 50 пс. В процессе моделирования гидроксильный радикал атакует фенольную ги-дроксильную группу, связываясь атомом водорода с ее кислородом. Далее в процессе колебаний феноль-
ной гидроксильной группы происходит ковалентное связывание атома водорода фенольного гидрокисла с атомом кислорода гидроксильного радикала. После этого образуется свободная молекула воды и феноль-ный радикал. На рисунке 2 приведен график зависимости потенциальной энергии моделируемой системы от времени.
DOI: 10.19163/2307-9266-2019-7-1-53-66
Рисунок 2. Динамика изменения потенциальной энергии в процессе моделирования гомолитическогорасщепления О-Н связи фенольного гидроксила
По результатам моделирования молекулярной динамики была определена энергия активации моделируемой реакции гомолитического расщепления фенльного гидроксила с переходом атома водорода на гидроксильный радикал. Энергия активации составила 34,918 кДж/моль, что свидетельствует о достаточно быстром протекании данной реакции при температуре тела человека (310 К).
Следует отметить, что данный фенольный ги-дроксил находится в окружении двух орто-замести-телей, которые оказывают экранирующий эффект. Образующийся за счет гидроксила С-3 феноксиль-ный радикал в структурах 12, 13 и 14 относится к пространственно затрудненным типам радикалов и поэтому более устойчив.
Таблица 7. Свободная энергия Гиббса гомолитического расщепления связи Н-0
Вещество
Структурный фрагмент
Энергия разрыва связи О-Н
12х
12к
12ф
O H
O H
-171,21
-170,72
-166,79
13х
13к
13ф
O H
-164,66
-117,04
-159,40
14х
14к
14ф
о H
-178,31
-181,29
-163,08
OCH3
ISSN 2307-9266 e-ISSN 2413-2241
ФАРМАЦИЯ И ФАРМАКОЛОГИЯ
Здесь наблюдается такая же зависимость, что и в случае дизамещенных, а именно энергия гемолитического разрыва связи Н-О в стерически затрудненных фенолах тем ниже, чем выше величины ША и положительного заряда атома углерода, с которым связан фенольный гидроксил (в данном случае С-3). Следует отметить, что соединение 14к (4-гидрок-си-3,5-ди-трет-бутилкоричная кислота) ранее нами было синтезировано в соответствии с прогнозом [11], поскольку для этого вещества прогнозировалась высокая активность. Экспериментальное изучение фармакологических свойств подтвердило наш прогноз: вещество характеризуется церебропротекторной [17], антиоксидантной [18], эндотелиопротекторной [19] и актопротекторной [20] активностью.
Можно с высокой долей вероятности прогнозировать такой же уровень активностей для соединений
14х и 14ф, поскольку их квантово-химические характеристики практически идентичны с соединением 14к.
Применительно к анализу структур всех трех типов мы сочли целесообразным учитывать молярную массу при характеристике связевых чисел (Мд), индекса ненасыщенности (ША) и электронной плотности. С этой целью для каждого соединения была определена суммарная величина перечисленных характеристик, которая далее была отнесена к молярной массе. Частное от деления суммарных величин Мд, ША и электронной плотности на молярную массу, по нашему мнению, характеризует удельную величину перечисленных параметров в пересчете на единицу массы молекулы. На наш взгляд, подобный показатель в дальнейшем может оказаться полезным для интерпретации биологически активных родственных соединений. Полученные результаты представлены ниже:
oh
c9h8o5 m=196
= 0.1734
V _ 33.99
M 196
ZША _ _1.41_(
м 196
У ЭЛ.ПЛ _ 35.685
м 196
c15h12o5 m=272
M
Z
IUA
34.04 272 1.41
m 272 i 35.874
M
272
= 0.1251 = 0.0051 = 0.1319
c15h12o5 m=272
= 0.1259
Z* "¡1 34
М 272
ZША 1.42
м 272
У 'эл.пл . 35.205
м 272
= 0.1294
ho
o-ch,
o-ch
o-ch,
o
c11h12o5 m=224
Z* р 33.94
М 224
ZША _ 1.49
м 224
У ^ЭЛ.ПЛ _ 35.798
м 224
o-ch,
o-ch
o-ch,
o
c15h16o5 m=276
jjy 34
— -—— = 0.1231
m 276
У 149 -—= ___ — 0.0054 m 276
s— = 35-974
m 276
= 0.1303
XH3
о 3
O-CH,
0
1
CH3
C15H16O5 M=276
^_3195 = 0Л230
276
M
z
m 276 i 35.906
'—'эл.пл _
m ~ 276
—= 0.0054
= 0.1301
DOI: 10.19163/2307-9266-2019-7-1-53-66
oh
o
c17h24o3 m=276
^_34Л2 = ашб
276
1 32
— - = 0.0047
M
~лг~ 276
x 35 974
= =0.1303 m 276
oh
o
c23h28o3 m=352
^-^ = 0.0972
352
M
352
i3,m = 36.204 m 352
1 31
— = 0.0037
= 0.1028
c23h28o3 m=352
-n 3413 -- ^^ = 0.0970
M I M
352
m 0.0386
352 36.116
-*эл.пл _
m ~ 352
= 0.1026
Обращают на себя внимание очень близкие значения удельных показателей связевых чисел, индексов ненасыщенности и электронной плотности для халко-на и флаванона, что еще раз подтверждает не только легкость их взаимопревращения, но и, по-видимому, одинаковый уровень фармакологических свойств.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Коричная кислота отличается от халкона и флаванона отсутствием в ее молекуле арильного остат-
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИй СПИСОК
1. Афанасьев И.Б. Кислородные радикалы в биологических процессах // Химико-фармацевтический журнал. - 1958. - Т. 19, №1. - C. 11-23.
2. Владимиров Ю.А. Свободные радикалы в биологических системах // Соросовский образовательный журнал. - 2000. - Т. 6, №12. - С. 13-19.
3. Владимиров Ю.А., Арчаков А.И. Перекисное окисление липидов в биологических мембранах. - М.: Наука, 1972. - 252 с.
4. Минаева В.Т. Флавоноиды в онтогенезе растений и их практическое использование. - М.: Наука, 1978. - 256 с.
5. Geissman T.A. The chemistry of flavonoid compounds. - New York: Pergamon Press, Oxford, 1962. - P. 666.
6. Plant flavonoids in biology and medicine. Biochemical, pharmacological, and structure-activity relationships. Proceedings of a symposium. Buffalo, New York, July 22-26, 1985 // Prog Clin Biol Res. - 1986. - №213. - P. 1-592.
7. Осипов А.Н., Якутова Э.Ш., Владимиров Ю.А. Образование гидроксильных радикалов при взаимодействии гипохлорита с ионами железа // Биофизика. - 1993. - Т. 38, №3. - С. 390-396.
ка, непосредственно связанного с карбоксильным углеродом, отсюда и некоторые различия в значениях квантово-химических характеристик. Но так или иначе, все три типа соединений могут с успехом использоваться для связывания гидроксильного радикала с целью предотвращения тех пагубных последствий, которые способен вызвать гидроксильный радикал, являющийся, по образному выражению Владимирова Ю.А., радикалом-разрушителем, радикалом-убийцей.
8. Koppenol W.H. The Haber-Weiss cycle - 70 years later // Redox Rep. - 2001. - Vol. 6, №4. - P. 229234. DOI: 10.1179/135100001101536373.
9. Pryor W.A. Why is the hydroxyl radical the only radical that commonly adds to DNA? Hypothesis: it has a rare combination of high electrophilicity, high thermochemical reactivity, and a mode of production that can occur near DNA // Free Radic Biol Med. -1988. - Vol. 4, №4. - P. 219-223.
10. Агаджанаян В.С., Оганесян Э.Т. Применение квантово-химических методов анализа для интерпретации антирадикальной активности в ряду гидроксипроизводных коричной кислоты // Химико-фармацевтический журнал. -2008. - Т. 42, №11. - C. 12-17. DOI: https://doi. org/10.30906/0023-1134-2008-42-11-12-17.
11. Агаджанаян В.С., Оганесян Э.Т., Абаев В.Т. Целенаправленный поиск соединения-лидера в ряду производных коричной кислоты, обладающих антирадикальной активностью // Химико-фармацевтический журнал. - 2010. - Т. 44, №7. -C. 21-26. DOI: https://doi.org/10.30906/0023-1134-2010-44-7-21-26.
12. Оганесян Э.Т., Мальцев Ю.А., Творовский Д.Е. Исследование механизма реакции произво-
ISSN 2307-9266 e-ISSN 2413-2241
ФАРМАЦИЯ И ФАРМАКОЛОГИЯ
дных флавона с гидроксильным радикалом полуэмпирическими методами // Журнал общей химии. - 2001. - Т. 71, №6. - С.999-1005. DOI: 10.1023/A:1012395821594.
13. Оганесян Э.Т., Доркина Е.Г., Хочава М.Р., Тускаев В.А., Мальцев Ю.А. Использование квантово-хи-мических методов для обоснования антирадикального (НО-) действия полигидроксихалконов // Химико-фармацевтический журнал. - 2002. -Т. 36, №12. - C. 21-25.
14. Справочник химика. М.: Химия. - 1964. - Т. 3. -1005 с.
15. Bykov D., Petrenko T., Izsak R., Kossmann S., Becker U., Valeev E., Neese F. Efficient implementation of the analytic second derivatives of Hartree-Fock and hybrid DFT energies: a detailed analysis of different approximations // Molecular Physics. - 2015. - Vol. 113, №13-14. - Р. 1961-77. DOI: 10.1080/00268976.2015.1025114.
16. Минкин В.И., Симкин Б.Я., Миняев Р.М. Теория строения молекул. - Ростов-на-Дону, 1997. - 560 с.
17. Воронков А.В., Оганесян Э.Т., Поздняков Д.И., Абаев В.Т. Некоторые аспекты церебропротек-торной активности 4-гидрокси-3,5-дитретбу-тилкоричной кислоты при ишемическом по-
вреждении головного мозга в эксперименте // Медицинский вестник Северного Кавказа. -2018. - Т. 13, №1.1. - С. 90-93. DOI: https://doi. org/10.14300/mnnc.2018.13025.
18. Воронков А.В., Поздняков Д.И., Хури Е.И., Куль-бекова Ю.Е., Кобин А.А. Оценка антиоксидант-ной активности 4-гидрокси-3,5-дитретбутилко-ричной кислоты, мексидола и тиоктовой кислоты на модели фокальной ишемии головного мозга // Вопросы биологической, медицинской и фармацевтической химии. - 2017. - Т. 60, №2. -С. 48-52.
19. Воронков А.В., Оганесян Э.Т., Поздняков Д.И., Абаев В.Т. Изучение дозозависимого эндотелио-тропного влияния соединения ATACL в условиях ишемического повреждения головного мозга у крыс в эксперименте // Вестник Волгоградского государственного медицинского университета. -2017. - №1(61). - С. 54-58.
20. Воронков А.В., Оганесян Э.Т., Геращенко А.Д. Аспекты актопротекторной активности некоторых природных соединений различной химической структуры // Спортивная медицина: наука и практика. - 2017. - Т. 7, №1. - С. 92-96. DOI: 10.17238/ISSN2223-2524.2017.1.92.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Авторы
оганесян Эдуард Тоникович - доктор фармацевтических наук, профессор, зав. кафедрой органической химии, Пятигорский медико-фармацевтический институт - филиал ВолгГМУ Минздрава России. Область научных интересов: химия природных соединений и их синтетических аналогов; исследование промышленных отходов пищевого и фармацевтического производства как дополнительного источника получения лечебно-профилактических средств, медицинская химия. E-mail: [email protected]
Шатохин Станислав Сергеевич - аспирант, кафедра органической химии, Пятигорский
медико-фармацевтический институт - филиал ФГБОУ ВО ВолгГМУ МЗ РФ. Область научных интересов: синтез и изучение новых биологически активных производных хромона. E-mail: Shatohin. [email protected]
глушко Александр Алексеевич - кандидат фармацевтических наук, преподаватель, Пятигорский медико-фармацевтический институт - филиал ФГБОУ ВО ВолгГМУ Минздрава России. Область научных интересов: компьютерная химия, разработка программного обеспечения для молекулярного моделирования, молекулярный докинг, молекулярная динамика, QSAR. E-mail: [email protected]
