CC BY
7УДК 537.5
1 2 Мансаф Масхутович Таюпов, Ангелина Вячеславовна Маркова, Алексей
Владимирович Рыбальченко
12Институт физики молекул и кристаллов УФИЦ РАН, Уфа, Россия, [email protected], https://orcid.org/0000-0002-2876-3910 [email protected], https://orcid.org/0000-0002-7846-6500
3Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, Москва, Россия, [email protected], https://orcid.org/0000-0001-5828-7268
Автор, ответственный за переписку: Мансаф Масхутович Таюпов, tayupovmansaf@yandex. ru
КОМПЛЕКСНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ЭЛЕКТРОННЫХ ОРБИТАЛЕЙ МОЛЕКУЛ ПЕНТАХЛОРФЕНОЛА. ЭКСПЕРИМЕНТЫ И
МОДЕЛИРОВАНИЕ
Аннотация. С использованием методов теории функционала плотности (ТФП), оптической спектрометии, масс-спектроскопии отрицательных ионов резонансного захвата электронов (МС ОИ РЗЭ) и циклической вольтамперметрии была исследована структура электронных орбиталей молекул пентахлорфенола (ПХФ), который имеет широкое распространение в качестве пестицида. Были сделаны выводы о целесообразности использования квантово-химических расчетов для моделирования механизмов токсичности в живых клетках.
Ключевые слова: электронная структура, токсичность, пентахлорфенол.
1 2 Mansaf Maskhutovich Tayupov , Angelina Vyacheslavovna Markova , Alexey
Vladimirovich Rybalchenko
1,2Institute of Physics of Molecules and Crystals UFRC RAS, Ufa, Russia, [email protected], https://orcid.org/0000-0002-2876-3910 [email protected], https://orcid.org/0000-0002-7846-6500
3M. V. Lomonosov Moscow State University, Moscow, Russia, [email protected], https://orcid.org/0000-0001-5828- 7268
Corresponding author: MansafM.Tayupov, [email protected]
COMPREHENSIVE STUDY OF THE STRUCTURE OF ELECTRONIC ORBITALS OF PENTACHLOROPHENOL MOLECULES
Abstract. Density functional theory (DFT), optical spectrometry, resonant electron capture negative ion mass spectroscopy (RI REE MS) and cyclic voltammetry were used to study the structure of electron orbitals of pentachlorophenol molecules, which is widely used as a pesticide. Conclusions were drawn about the advisability of using quantum chemical calculations to model the mechanisms of toxicity in living cells.
Keywords: electronic structure, toxicity, pentachlorophenol
Согласно закону, подписанному президентом Джо Байденом в конце декабря 2022 года, новые лекарства не нужно тестировать на животных, чтобы получить одобрение Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) [10]. Этот закон, вышел вместо положения 1938 года о том, что потенциальные лекарства должны тестироваться на безопасность и эффективность на животных, т.е. закон
позволял FDA разрешать лекарство или биологический препарат (более крупные молекулы, такие, например, как антитела) для испытаний на людях только после испытаний на животных. Группа Дрейка и некоммерческая организация Animal Wellness Action, которые, среди прочих, настаивали на изменениях, утверждают, что при допуске лекарств к испытаниям на людях агентство должно в большей степени полагаться на компьютерное моделирование, искусственные органы и другие «неживотные методы», которые были разработаны за последние 10-15 лет.
Несмотря на некоторые успехи в этом направлении [4], экспертное сообщество все же пока со скепсисом относится к данного рода типу исследований. Например, существуют теоретические обоснования того, что лекарственный препараты могут оказывать токсическое воздействие на организм не в виде исходной молекулы, а в виде продуктов диссоциативного переноса электронов через нее в цитохроме 450 (в виде свободных радикалов и токсичных нейтральных фрагментов) [7]. Каналы такого рода диссоциации, на данный момент считаются в большинстве своем спонтанными и невозможными для квантово-химического моделирования. Ранее нами было показано, что хоть квантово-химические расчеты и не имеют предсказательной способности, с помощью них все-таки возможно описать процессы, происходящие при взаимодействии различных молекул с электронами низких энергий (до 4 эВ) на эксперименте МС ОИ РЗЭ [2, 8].
В данной работе было проведено исследование структуры электронных молекулярных орбиталей ПХФ. Это одно из токсичных фенольных соединений, которое используется в основном в составе фунгицидов и пестицидов. Несмотря на полный его запрет в одних странах и строгое ограничение использования в других, он применяется, главным образом, в средствах защиты древесины на целлюлозно-бумажных предприятиях. Широкое распространение таких производств в XX в. привело к значительному загрязнению окружающей среды ПХФ во всем мире [11]. Как показали исследования, у людей это вещество достаточно легко всасывается при приеме внутрь и вдыхании, хуже всасывается через кожу [6]. Как показал эксперимент МС ОИ РЗЭ, в диапазоне энергий существующих во внутриклеточной среде электронов (0-4 эВ), при диссоциативном захвате электронов ПХФ, образуется достаточно большое количество токсичных и потенциально токсичных фрагментов. Самые интенсивные из них, это осколки, имеющие нейтральный заряд- С12 (боевой отравляющий газ), НС1 (вызывает ожоги внутренних органов), СНС10 (хлорформалин, используется дезинфекции). Все эти вещества потенциально опасные для жизнедеятельности человека и их образование может быть причиной невозвратимых отрицательных последствий внутри клеток.
Энергия (эВ)
0.08
3.21
m
-0.25
Рис. 1: Схематическое изображение и энергии первых трех вакантных МО п-типа Как показали расчеты с помощью стандартного метода теории функционала плотности (ТФП) B3LYP/6-31G(d) и последующее масштабирование [9], каналы распада связанные с образованием фрагментов С1- , [М-Н]-, [М-НС1]- скорее всего связаны с захватом электронов , по механизму резонанса формы, на вторую вакантную молекулярную орбиталь
п-типа, расположенную при энергии 0,08 эВ. Кроме того, с помощью данного метода был проведен расчет энергетической разницы, для отдельной молекулы, между ВЗМО и НВМО, которая составила 8,61 эВ. Причем, НВМО в данном случае находится в связанной области энергий и отвечает образованию стабильных состояний ОМИ. Это говорит о том, что данная молекула обладает очень сильными электрон-акцепторными свойствами.
Для того, чтобы оценить ширину запрещенной зоны ДEg на эксперименте, данное вещество было исследовано на оптическом спектрографе, на основании того факта, что ДЕ§ можно рассчитать по началу роста поглощения (по-другому эта точка называется онсет). Можно рассмотреть (хоть и весьма приближенно), что а(ю)~100 1 / с м (коэффициент поглощения) при Ьу = А Ед . Отсюда можно найти, границу поглощения, и величину А Ед =
Ку0 = где А0 измеряется в нанометрах, а А Ед - в электронвольтах.
Ло
ОН
Ск ril XI
сг kJ Cl
Cl
ЗЗОпт - 3.75 eV
I.........I.........I.........I.........I.........I.........I.........I.........I
300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 Л (nm)
Рис. 2: Спектр оптического поглощения пентахлорфенола
Эксперимент проводился на оборудовании, представляющем из себя спектрограф для получения спектров оптического поглощения. В этой роли применялся прибор типа оптоволоконного спектрометра UV/Vis/NIR AvaSpec-2048 (Avantes). Регистрация электронных спектров поглощения и люминесценции проводилась в спектральном диапазоне 200-1100 нм, с помощью источника излучения AvaLight-DH-S-BAL, погружным пробником для регистрации спектров поглощения и люминесценции в диапазоне 250-2500 нм с изменяемой длиной оптического пути (0.5-20 мм) FDP-7UVIR200-2-VAR-PK. После усиления сигнал в виде спектра отображается на мониторе и накапливался на магнитном носителе управляющем ПК. Экспериментальные образцы подготавливались путем растворения исследуемых веществ при Т = 293 ° К, в толуоле очищенном на Na, в концентрации около 30 моль/л. Из толуола предварительно убирались молекулы О 2 методом нагрева-охлаждения при высоком вакууме. Результаты эксперимента можно видеть на рис.2.
Так же, в ходе квантово-химического моделирования, были количественно оценены величины для молекул пентахлорфенола с использованием разности полных энергий нейтральной молекулы и анион-радикала, полученных методом B3LYP/6-31+G(d), т.е. в базисе с минимальными добавлением диффузных функций. В вакууме данная величина составила 1,4 эВ, но в связи с тем, что на эксперименте МС ОИ РЗЭ, ОМИ не наблюдались, было невозможно определить данный параметр с помощью эксперимента.
В связи с тем, что существуют работы [3], которые показывают, что данные о ЕА полученные с помощью МС ОИ РЗЭ коррелируются с данными полученными из экспериментов по циклической вольт-амперметрии (ЦВА) и их можно линейно масштабировать, было принято решение провести исследования с помощью ЦВА. Измерения проводили в условиях инертной атмосферы аргона в перчаточном боксе
MBRAUN Labstar. Регистрацию кривых ЦВА регистрировали со скоростью развертки потенциала 100 мВ с-1 при помощи потенциостата Элинс Пи-50-Про-3 (Electrochemical Instruments, Россия) при температуре окружающей среды 20 °С ( Т = 29 3 ° К) в самодельной односекционной ячейке с дисковым платиновым электродом, платиновым спиральным противоэлектродом и электродом сравнения представляющим из себя серебряную проволоку, погруженную в раствор 0.01 М AgNO3 и 0.1 М BU4NBF4 в ацетонитриле, отделённая от основного отсека мембраной Coralpor® в пропиленкарбонате с использованием 0,10 М Bu4NBF4 в качестве фонового электролита. Орто-дихлорбензол (оДХБ) и пропиленкарбонат очищали фракционной перегонкой при пониженном давлении в присутствии CaH2 с последующей пропусканием через колонку с SiO2. После эксперимента в ячейку добавляли ферроцен в качестве внутреннего стандарта. Потенциал редокс пары Fc+/0 в пропиленкарбонате составил -0.015 В относительно пары Ag/AgNO3.
Энергии НВМО и ВЗМО были рассчитаны с использованием следующих уравнений: Евзмоэх = -е(£ок0шй +5.1) эВ и £Нвмоэх = -е(£вост0шй +5.1) эВ, где £вост°ше и £ок0ше -потенциалы в точке отрыва от базовой линии катодного и анодного пиков, потенциал пары Fc+/0 относительно уровня вакуума взят равным -5,1 эВ, как более соответствующий литературным данным [5], в отличие от -4,81 эВ. Электрохимические ширины запрещенной зоны рассчитывали, как разницу между началом первых пиков окисления и восстановления. Результаты исследования представлены на рис.3.
-73. SuL Fc 87-86-5 Pentachlorophenol 8.4mM n-Bu4NBF4 0.2M in o-DCB Pi small Ag wire +1800...-2000 sens=20000nA 100 mVs ¡R=30000 Of
Время, с Потенциал, мВ Ток, мкА
-1,23 -
.....I.........I.........I.........I.........I.........I.........I.........I.........
-2,500 -2,000 -1,500 -1,000 -0,500 0,000 0,500 1,000 Potential vs Fc, V
Рис 2. График ЦВА для пентахлорфенола
Анализируя полученные данные, можно сделать вывод о том, что расчеты с помощью теории функционала плотности в базисе B3LYP, в принципе, могут достаточно объективно описывать структуру первых вакантных МО п-типа, величину сродства к электрону в вакууме, но в то же время, очень сильно завышают величину запрещенной зоны, а так же плохо описывают такие характеристики как потенциал ионизации и сродство к электрону, в том случае, когда молекула исследуемого вещества находится в окружении молекул растворителя. К тому же, если учесть литературные данные, можно увидеть, что расчеты методом ТФП могут систематически увеличивать величину EA для различных групп органических соединений [1].
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Таюпов М.М., Рахмеев Р.Г., Асфандиаров Н.Л., Пшеничнюк С.А. Определение сродства к электрону на основе экспериментально измеренных времен жизни отрицательных
молекулярных ионов производных кумарина // Математическая физика и компьютерное моделирование. 2020. Т. 23. № 3. С. 45-59.
2. Таюпов М. М. Рахмеев Р.Г., Маркова А.В., Сафронов А.М. Методы спектроскопии диссоциативного захвата электронов и теории функционала плотности для моделирования биологической активности производных хиноксалина // Математическая физика и компьютерное моделирование. 2021. Т. 24. № 2. С. 54-67.
3. Goryunkov A.A., Asfandiarov N.L., Rakhmeev R.G., Markova A.V., Pshenichnyuk S.A., Rybalchenko A.V., Lukonina N.S., Ioffe I.N. Dissociative electron attachment to hexachlorobenzene // ChemPhysChem. 2022. P. 38.
4. Luo S., Huang K., Zhao X., Cong Y., John Z.H. Zhang, Duan L. Inhibition mechanism and hot-spot prediction of nine potential drugs for SARS-CoV-2 M pro by large-scale molecular dynamic simulations combined with accurate binding free energy calculations // Nanoscale. 2021. Т. 13. № 17. P. 8313-8332.
5. Pommerehne J., Vestweber H., Guss W., Mahrt R.F., Bassler H., Porsch M., Daub J. Efficient two layer leds on a polymer blend basis // Adv. Mater. 1995. № 7. P. 551-554.
6. Proudfoot A. T. Pentachlorophenol poisoning // Toxicological reviews. 2003. Т. 22. № 1. С. 3-11.
7. Pshenichnyuk S.A., Modelli A. Can mitochondrial dysfunction be initiated by dissociative electron attachment to xenobiotics? // Physical Chemistry Chemical Physics. 2013. Т. 15. № 23. С. 9125-9135.
8. Pshenichnyuk S.A., Modelli A., Asfandiarov N.L., Rakhmeev R.G., Tayupov M.M., Komolov A.S. Electron attachment spectroscopy as a tool to study internal rotations in isolated negative ions // Physical Review Research. 2020. Т. 2. № 1.P. 012030.
9. Scheer A.M., Burrow P.D. п* Orbital System of Alternating Phenyl and Ethynyl Groups: Measurements and Calculations // J. Phys. Chem. B. 2006. № 110. P. 17751-17756.
10. Wadman M. FDA no longer needs to require animal tests before human drug trials // Science. 2023. V. 379. P. 127-128
11. Zheng W., Wang X., Yu H., Tao X., Zhou Y., Qu W. Global trends and diversity in pentachlorophenol levels in the environment and in humans: a meta-analysis // Environmental science & technology. 2011. Т. 45. № 11. P. 4668-4675.
REFERENCES
1. Tayupov M.M., Rakhmeev R.G., Asfandiarov N.L., Pshenichnyuk S.A. Determination of electron affinity based on experimentally measured lifetimes of negative molecular ions of coumarin derivatives // Mathematical physics and computer modeling. 2020. V. 23. No. 3. S. 45-59.
2. Tayupov M. M. Rakhmeev R. G., Markova A. V., Safronov A. M. Methods of dissociative electron capture spectroscopy and density functional theory for modeling the biological activity of quinoxaline derivatives // Mathematical physics and computer modeling. 2021. V. 24. No. 2. S. 54-67.
3. Goryunkov A.A., Asfandiarov N.L., Rakhmeev R.G., Markova A.V., Pshenichnyuk S.A., Rybalchenko A.V., Lukonina N.S., Ioffe I.N. Dissociative electron attachment to hexachlorobenzene // ChemPhysChem. 2022. P. 38.
4. Luo S., Huang K., Zhao X., Cong Y., John Z.H. Zhang, Duan L. Inhibition mechanism and hot-spot prediction of nine potential drugs for SARS-CoV-2 M pro by large-scale molecular dynamic simulations combined with accurate binding free energy calculations // Nanoscale. 2021. Т. 13. № 17. P. 8313-8332.
5. Pommerehne J., Vestweber H., Guss W., Mahrt R.F., Bassler H., Porsch M., Daub J. Efficient two layer leds on a polymer blend basis // Adv. Mater. 1995. № 7. P. 551-554.
6. Proudfoot A. T. Pentachlorophenol poisoning // Toxicological reviews. 2003. Т. 22. № 1. С. 3-11.
7. Pshenichnyuk S.A., Modelli A. Can mitochondrial dysfunction be initiated by dissociative electron attachment to xenobiotics? // Physical Chemistry Chemical Physics. 2013. Т. 15. № 23. С. 9125-9135.
8. Pshenichnyuk S.A., Modelli A., Asfandiarov N.L., Rakhmeev R.G., Tayupov M.M., Komolov A.S. Electron attachment spectroscopy as a tool to study internal rotations in isolated negative ions // Physical Review Research. 2020. Т. 2. № 1.P. 012030.
9. Scheer A.M., Burrow P.D. n* Orbital System of Alternating Phenyl and Ethynyl Groups: Measurements and Calculations // J. Phys. Chem. B. 2006. № 110. P. 17751-17756.
10. Wadman M. FDA no longer needs to require animal tests before human drug trials // Science. 2023. V. 379. P. 127-128
11. Zheng W., Wang X., Yu H., Tao X., Zhou Y., Qu W. Global trends and diversity in pentachlorophenol levels in the environment and in humans: a meta-analysis // Environmental science & technology. 2011. Т. 45. № 11. P. 4668-4675.
Информация об авторах
М.М. Таюпов - младший научный сотрудник;
А.В. Маркова - младший научный сотрудник;
А.В. Рыбальченко - кандидат химических наук, доцент.
Information about the authors
M.M. Tayupov - Junior Researcher;
A.V. Markova - Junior Researcher;.
A.V. Rybalchenko - PhD, Docent.
