CC BY
24
УДК 541.49:541.64:539.192
Е. И. Мигачева, Е. Е. Стародубец, А. М. Кузнецов
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ КОМПЛЕКСОВ Cr(III) С КВЕРЦЕТИНОМ В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ ПО ДАННЫМ КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ
Ключевые слова: кверцетин, комплексы Cr(III), мруктуры, квантово-химические расчеты, B3LYP, PCM.
Проведены квантово-химические расчеты на уровне B3LYP/6-311+G(d,p) c учетом влияния растворителя в модели РСМ структуры нескольких возможных комплексов Cr(III) c кверцетином. Проведен сравнительный анализ термодинамической вероятности их образования.
Key words: quercetin, Cr(III) complexes, structures, quantum-chemical calculations, B3LYP, PCM.
Quantum-chemical B3LYP/6-311+G(d,p) calculations with account of solvent effects (PCM model) of several potential quercetin- Cr(III) complexes have been performed. Comparative analysis of their thermodynamic likelihood of formation has been carried out.
Введение
Кверцетин (3,3',4',5,7-пентагидроксилфлавон) -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 (ОС) - один из наиболее распространенных пищевых флавонолов, имеющий различные биологические свойства, связанные с его сильной способностью к захвату радикалов и антиоксидантной способностью [1-8]. Структура ОС, показанная на рисунке 1, характеризуется двумя ароматическими кольцами, связанными кислородсодержащим гетероциклом, и имеет почти плоское строение [9]. ОС обладает большой способностью хелатировать катионы многих металлов [10-21]. В последние годы хелатирование между ОС 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 ОС и ионами Сг(111) в водных средах. В нашем предыдущем сообщении мы исследовали ОС в водных растворах [22]. В данной статье мы приводим результаты квантово-химического исследования возможных структур комплексов, которые могут формироваться в водных растворах между ОС и ионами Сг(111). На первом шаге мы ограничимся рассмотрением комплексов при соотношении кверцетин-Сг(Ш) как 1:1. В наших последующих сообщениях мы представим результаты квантово-химических расчетов структур комплексов в случае достаточного избытка кверцетина как лиганда, а также электронно-абсорбционных спектров наиболее стабильных комплексов кверцетин-Сг(!!1) в сопоставлении с имеющимися экспериментальными данными. 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 Gaussian09 [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]).
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 G0 при стандартных значениях температуры 298,15 К 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 комплексо-образования 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:
ДС0298=ЕС0рГО^С0Геай+ПРТ1п([Н2О]) (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 ДС°298 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([Н2О])=2.378 ккал/моль. Коэффициент п отражает число молей Н2О в правой части реакции. В нашем случае п = 1 для реакций I - V и п = 2 для реакций VI - XI, приведенных в таблице 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
С°(Н+(ад))=С0(Н+(да8))+Диу^°(Н+)+РТ1п(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]):
дО°^*=-Т AS°^*=RTln(V0/V*)=RTln (24.46)= 1.89 ккал/моль (Т = 298.15 К)
(3)
Для свободной энергии протона в газовой фазе С0(Н+(да5)} точный статистико-термодинамический расчет при Т=298.15 К и давлении 1 атм. дает С0(Н+(да5)}=-6.28 ккал/моль (детали см. в [40]).
В качестве экспериментального значения энергии Гиббса гидратации протона мы использовали ДьуСС0(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+(ад)} получается значение -0.428678 Хартри (1 Хартри=627.5095 ккал/моль).
Результаты и обсуждение
В природных условиях в водных растворах хром существует в форме Сг(111) или Ог(У!), которая
является более токсичной. Свободный гидратированный ион Ог(!!!), а именно, аквакомплекс Ог(Н2О)63+ (рис. 1), стабилен только при низких рН, поскольку он легко гидролизуется с образованием в зависимости от рН комплексов ОгОН2+, Ог(ОН)2+, Ог(ОН)з' Ог(ОН)4- в разбавленных растворах, а также может образовывать целый ряд полиядерных комплексов при высоких рН или концентрациях [35,36]. Поэтому детальное изучение комплексообразующей способности Ог(!!!) с природными органическими молекулами представляет собой более сложную задачу по сравнению с такими ионами, как, например, №(!!) или Ои(!!).
Рис. 1 - Структура молекулы кверцетина с нумерацией атомов (A, B и С - возможные участки хелатирования ионов металлов) и аквакомплекса Сг(Н2О)б3+ (длины связей в ангстремах из расчета на уровне B3LYP/6-311+G(d,p) в модели PCM)
Оптимизированная структура молекулы QC с нумерацией атомов приведена на рисунке 1. В этой молекуле имеется пять кислотных атомов водорода (H3, H4, H5, H9 и H10). При отщеплении любого из этих атомов в форме протона оставшийся анион кверцетина может выступать в роли монодентатного лиганда по отношению к иону Cr(III). Если исходный ион Cr(III) представляет собой аквакомплекс Cr(H2O)6 (рис. 1), то монодентатная координация аниона кверцетина по отношению к иону Cr(III) будет сопровождаться отщеплением одной молекулы H2O из внутренней сферы аквакомплекса. Пять возможных (I - V) оптимизированных структур с монодентатной
координацией аниона кверцетина представлены на наиболее выгодна (наименьшее значение AG 298)
рисунке 3, а соответствующие им реакции (I - V) структура III, которой предшествует отщепление
приведены в таблице 1. В этих уравнениях в протона Н5 в кверцетине. Наименее вероятна
формулах образующихся комплексов в круглых структура I, а три другие - примерно
скобках указывается, какие протоны отщепляются равновероятны. от QC. Из приведенных в таблице значений энергии Гиббса образования комплексов с монодентатной координацией видно, что термодинамически
Таблица 1 - Уравнения, описывающие образование монодентатных и бидентатных комплексов Cr(III) с
кверцетином (QC) из исходных аквакомплексов [Cr(H2O)6 ]
2+
из гидроксокомплекса [Cr(H2O)5OH] (IX-XI). Пр! с учетом влияния водного раствора в модели РСМ
3+
(I - VIII), а также бидентатных комплексов 2+ 0 из гидроксокомплекса [Cr(H2O)5OH] (IX-XI). Приведены рассчитанные свободные энергии Гиббса AG 2gs
Монодентатные комплексы (рис. 2)
I
II
III
IV
V
[Cr(H2Ü)6 ]3+(aq) + QC(aq) =
[Cr(H2Ü)6 ]3
(aq)
" QC(aq) -
[Cr(H2O)6 ]3+(aq) + QC(aq) -
[Cr(H2O)6 ]3 [Cr(H2O)6 ]3
(aq) (aq)
" QC(aq) -
QC(aq) -
[Cr(H2O)5(QC-H3)]2+(aq) [Cr(H2O)5(QC-H4)]2+(aq) [Cr(H2O)5(QC-H5)]2+(aq) [Cr(H2O)5(QC-H9)]2+(aq) [Cr(H2O)5(QC-H10)]2
(aq)
+ H2O(aq) + H+(aq> + H2O(aq) + H+(aq), + H2O(aq) + H+(aq)= + H2O(aq) + H+(aq)= + H2O(aq) + H+(aq);
AG 298--16.4 ккал/моль AG°298--20.5 ккал/моль AG0298--24.9 ккал/моль AG°298--20.3 ккал/моль AG°298--21.0 ккал/моль
Бидентатные комплексы (рис. 3)
VI
VII
VIII
[Cr(H2O)6]3+(aq) + QC(aq) -[Cr(H2O)6]3+(aq) + QC(aq) -
[Cr(H2O)4(QC-H9-H10)] [Cr(H2O)4(QC-H4)]2
(aq)
[Cr(H2O)6]3
(aq)
QC(aq) -
[Cr(H2O)4(QC-H5)]2
(aq) (aq)
+ 2H2°(aq) +2H+(aq), + 2H2O(aq) + H+(aq), + 2H2O(aq) + H+(aq);
AG 298--40.1 ккал/моль AG°298--37.7 ккал/моль AG°298--36.6 ккал/моль
Бидентатные гидроксокомплексы (рис. 4)
IX
X
XI
[Cr(H2O)5OH]2+(aq) + QC(aq) -
[Cr(H2O)5OH]2
(aq)
QC(aq) -
[Cr(H2O)5OH]2+(aq) + QC(aq)-
[Cr(H2O)3OH(QC-H9-H10)] 0(aq) [Cr(H2O)3OH(QC-H4)]+(aq) [Cr(H2O)3OH(QC-H5)]+ (aq)
+ 2H2O(aq) +2H+(aq), AG0 298--16.7 ккал/моль AG°298--20.7 ккал/моль
+ 2H2O(aq) + H+(aq)j + 2H2O(aq) + H+(aq),
AG 298--20.0 ккал/моль
Рис. 2 - Оптимизированные структуры комплексов Cr(III) с кверцетином в роли монодентатного лиганда (реакции I - V в таблице 1)
Как уже отмечалось во Введении, наибольший интерес представляет хелатная координация QC при комплексообразовании с ионом Cr(III). В этой координации лиганд занимает два координационных места во внутренней сфере комплекса, вытесняя из нее две молекулы H2O. Возможные участки хелатирования (А, В и С) молекулы QC показаны на рисунке 1. В варианте хелатирования А отщепляется протон Н4, а в комплексообразовании участвуют атомы кислорода О2 и О3. В варианте хелатирования В отщепляется протон Н5, а в
комплексообразовании участвуют атомы кислорода О2 и О4. И, наконец, в варианте С отщепляются протоны Н9 и Н10 обеих гидроксильных групп ароматического кольца, а координация осуществляется через атомы О6 и О7. Оптимизированные структуры для этих трех вариантов хелатирования показаны на рисунке 4, а втаблице 1 приведены соответствующие им реакции VI - VIII и рассчитанные энергии Гиббса.
Рис. 3 - Оптимизированные структуры комплексов Cr(III) с кверцетином в роли бидентатного лиганда (реакции VI - VIII в таблице 1)
Рис. 4 - Оптимизированные структуры комплексов Сг(111) с кверцетином в роли бидентатного лиганда (реакции IX - XI в таблице 1) с одной гидроксогруппой во внутренней сфере
По приведенным в этой таблице отрицательным значениям энергии Гиббса видно, что все три варианта хелатирования термодинамически возможны и существенно более вероятны по сравнению с вариантами I - V монодентатной координации. При этом наиболее вероятна координация VI по так называемому катехольному участку, которая становится возможной в результате отщепления протонов Н9 и Н10 ароматического кольца в кверцетине.
Отметим, что рассмотренные выше варианты комплексообразования подразумевают, что исходная форма Ог(!!!) представляет собой гексааквакомплекс Ог(Н2О)б3 (рис. 1), что, как уже отмечалось, может иметь место в сильно кислых растворах (при низких рН). В естественных природных водоемах рН составляет около 6, а ионы Сг(Ш) преимущественно находятся в гидролизованной форме [Ог(Н2О)5ОН]2+. Поэтому мы также рассмотрели случай хелатной координации, допуская, что исходной формой является именно этот комплекс (реакции IX - XI в таблице 1).
Как видно из данных в таблице 1, координации X и XI (рис. 4) термодинамически приблизительно равновероятны, о чем свидетельствуют близкие отрицательные значения ДС0298 реакций X и XI. Из них координация X имеет преимущество менее, чем на 1 ккал/моль. Координация IX проигрывает в ДС0298 на 4-5 ккал/моль.
Таким образом, проведенные расчеты структур и оценка термодинамической вероятности
образования комплексов между
депротонированными формами молекулы кверцетина и ионов Ог(!!!) в водном растворе показывают, что в природных условиях в водоемах доминирует хелатная форма комплекса (X на рисунке 4). В этом случае комплексообразование приводит к формированию шестичленного цикла, который оказывается энергетически менее
напряженным по сравнению с циклами при других вариантах хелатирования. Это справедливо при соотношении кверцетин-Cr(III), близком к 1:1. Однако, нельзя исключать случаи, когда во внутреннюю сферу комплекса Cr(III) включаются два лиганда в виде депротонированного кверцетина. Очевидно, что вероятность существования таких комплексов возрастает с увеличением концентрации кверцетина в водном растворе. Результаты исследований подобного рода вариантов комплексообразования будут описаны в нашей следующей публикации.
Следует обратить особое внимание на тот факт, что результаты проведенных выше расчетов оказываются зависимыми от учета возможного гидролиза акваионов Cr(III), а именно, от включения во внутреннюю сферу комплекса одного гидроксильного аниона. Можно допустить, что при моделировании комплексообразования в щелочной области рН следует принимать во внимание возможность участия в комплексообразовании комплексных частиц Cr(OH)2+, Cr(OH)3' Cr(OH)4-, о которых говорилось в начале данного раздела. Целесообразность этого определяется тем, имеются ли экспериментальные данные по электронно-абсорбционным спектрам таких водных растворов в широкой области рН. К сожалению, на данный момент мы не имеем таких литературных сведений.
Литература
1. M. Leopoldini, T. Marino, N. Russo, M. Toscano, J. Phys. Chem. A IOS, 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, S9, 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. 651-65З, 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. ЗЗ, 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, 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. 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, А.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. 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. неорганической химии КНИТУ, miga4eva-e@ya.ru; Е. Е. Стародубец - к.х.н, доцент той же кафедры, КНИТУ, estarodubets@yandex.ru; А. М. Кузнецов - д.х.н., проф., зав. каф. неорган. химии КНИТУ, am_kuznetsov@kstu.ru.
© E. I. Migacheva - Master Student, Department of Inorganic Chemistry, KNRTU, miga4eva-e@ya.ru; E. E. Starodubets - PhD (Chem.), Associate Professor of the same Department, KNRTU, estarodubets@yandex.ru; A. M. Kuznetsov - Dr.Sci. (Chem.), Professor, Head of the same Department, KNRTU, am_kuznetsov@kstu.ru.
