CC BY
1
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ И КВАНТОВАЯ ХИМИЯ
DOI - 10.32743/UniChem.2024.124.10.18208
КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО СТРОЕНИЯ КЕМФЕРОЛА
Мамарахмонов Мухаматдин Хомидович
PhD, доцент,
кафедра химии, Андижанский госуниверситет, Республика Узбекистан, г. Андижан E-mail: muhamatdin@mail. ru
Рустамов Сардор Рустам угли
преп. кафедры Органической химии, Каршинский госуниверситет, Республика Узбекистан, г. Карши
Кодиров Абдуахад Абдурахимович
DSc, доц., зав. кафедрой Органической Химии, Каршинский государственный университет, Республика Узбекистан, г. Карши E-mail: [email protected]
Тошова Мохигул Дустбобо кизи
магистрант,
Каршинский государственный университет, Республика Узбекистан, г. Карши
QUANTUM-CHEMICAL STUDY OF THE ELECTRONIC STRUCTURE OF KEMFEROL
Mukhamatdin Mamarakhmonov
PhD, Associate professor, Department Chemistry, Andijan State University, Republic of Uzbekistan, Andijan
Sardor Rustamov
Lecturer of Depertment Organic chemistry Qarshi State University Republic of Uzbekistan, Qarshi
Abduaxad Kodirov
DSc, docent, Chief of department Organic Chemistry,
Qarshi State University, Republic of Uzbekistan, Qarshi
Mokhigul Toshova
Master's student Qarshi State University Republic of Uzbekistan, Qarshi
АННОТАЦИЯ
Кемферол является биологически активным соединением класса флавоноидов, которые в большинстве случаев получают из различных частей растений или продуктов растительного происхождения, путем выделения из них [7]. Будучи фитоэстрогеном, кемферол является исходным реагентом синтеза многочисленных лекарственных средств или биологически активных добавок [4]. Большое количество доклинических исследований подтвердили положительную роль кемферола в профилактике и лечении рака молочной железы [3].
Библиографическое описание: КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО СТРОЕНИЯ КЕМФЕРОЛА // Universum: химия и биология : электрон. научн. журн. Мамарахмонов М.Х. [и др.]. 2024. 10(124). URL: https://7universum.com/ru/nature/archive/item/18208
В последнее время все больше растет интерес к синтетическим лекарственным средствам и биологически активным добавкам природного происхождения без побочных действий на живой организм. Является актуальным проведение глубокого изучения квантово-химическими методами выявления метаболизма кемферола в любом организме посредством данных электронной структуры и реакционной способности. Сделанные в данной статье выводы могут быть полезными для выявления биологической активности ряда соединений класса флавоноидов.
ABSTRACT
Kaemferol is a biologically active compound of the flavonoid class, which are mostly obtained from various parts of plants or plant products, by isolation [7]. Being a phytoestrogen, kaemferol is the initial reagent for the synthesis of numerous drugs or dietary supplements [4]. A large number of preclinical studies have confirmed the positive role of kaemferol in the prevention and treatment of breast cancer [3]. Recently, there has been an increasing interest in synthetic drugs and dietary supplements of natural origin without side effects on the living organism. It is relevant to conduct a deep study using quantum-chemical methods to identify the metabolism of kaemferol in the body using data on the electronic structure and reactivity. The conclusions made in this article can serve as a scientific approach to identifying the biological activity of a number of flavonoid compounds.
Ключевые слова: кемферол, флавоноид, квантово-химический расчет, метод DFT-B3LYP, геометрия, электронное строение, молекулярные орбитали, реакционная способность, биологическая активность, радикал, антиоксидант, имунный сигнал, клеточный апоптоз, метаболизм, рак молочной железы.
Keywords: kemferol, flavonoid, quantum chemical calculation, DFT-B3LYP method, geometry, electronic structure, molecular orbitals, reactivity, biological activity, radical, antioxidant, immune signal, cellular apoptosis, metabolism, breast cancer.
Введение. Кемферол - полифенольное биологически активное соединение, природный флавонол, разновидность флавоноидов [7], его обычно выделяют из частей различных растений, таких как чай, шпинат капуста, бобы и другие, а также получают синтетическим путем. Также кемферол участвует в образовании хелатных комплексов с ионами металлов и легко инициирует процесс перекисного окисления липидов [4]. Феноксильный радикал легко реагирует со свободными радикалами, проявляя антиоксидантную активность. Также возможно и проявление прооксидантного эффекта, если феноксиль-ный радикал взаимодействует с кислородом, что приводит к генерации активных форм кислорода [3]. Выраженная антиоксидантная активность характерна для кемферола, обладающего широким фармакологическим действием по отношению к воспалительным процессам, окислению и регуляции опухолей и вирусов [2]. Кемпферол оказывает положительное терапевтическое действие при заболевании печени защищая ее, посредством различных антиоксидантных и антиапоптотических механизмов [9]. Также он снижает иммунный воспалительный сигнал в печени, соответственно предотвращает клеточный апоптоз [6].
Постановка проблемы. Из-за высокой биологической активности кемферол широко используется в фармакологической и в медицинской практике, иногда в лечении трудноизлечимых заболеваний [5; 6; 11]. Теоретические исследования по выявлению механизма действия кемферола в живом организме не так многочисленны. Поэтому является актуальной теоретическое исследование структуры кемферола квантово-химическими методами, для установления реакционной способности посредством определения точной геометрии, распределения электронных зарядов и энергий граничных орбиталей [10].
Методика расчетов. В данной работе нами проведены квантово-химические исследования молекулы кемферола, для определения точной геометрии, электронной строении, реакционной способности и оценки биологической активности. Расчеты проведены по программе Gaussian98 методом DFT-B3LYP с использованием базисного набора 3-2Ш [8]. Условная нумерация атомов молекулы упрощает анализ полученных данных, однако такой метод удачно использован нами в работе [1].
Обсуждение результатов. По результатам наших расчетов полная энергия системы равно Еп= -1023.272 а.е., а дипольный момент равен ц =
3.72Д6, который показывает на полярность молекулы. Ниже в таблицах приведены результаты нами проведенных квантово-химических расчетов.
Распределение зарядов на атомах, геометрические данные кемферола
Таблица 1.
№ Атом Заряд, е Связь Длина, А Валентный угол, ф Градус
1. O1 -0.626 O1-C2 1.40 O1-C2-C3 118.28
2. C2 0.312 C2-C3 1.35 C2-C3-C4 123.40
3. C3 0.251 C3-C4 1.47 C3-C4-C5 115.97
4. C4 0.411 C4-C5 1.44 C5-C6-O1 121.28
5. C5 -0.075 C5-C6 1.41 C6-C5-C7 117.54
6. C6 0.325 C6-O1 1.38 C5-C7-C8 120.04
7. C7 0.319 C5-C7 1.42 C7-C8-C9 120.96
8. C8 -0.238 C7-C8 1.39 C8-C9-00 120.03
9. C9 0.304 C8-C9 1.40 C9-00-C6 118.95
10. «0 -0.195 C9-C10 1.39 O1-C2-O1 113.18
11. «1 -0.054 C10-C6 1.39 C2-01-02 119.92
12. «2 -0.173 C2-C11 1.46 01-02-03 120.87
13. 03 -0.182 01-02 1.41 02-03-04 120.35
14. «4 0.292 02-03 1.38 03-04-05 119.22
15. «5 -0.215 03-04 1.40 04-05-06 120.74
16. «6 -0.210 04-05 1.40 05-06-01 120.34
17. O17 -0.616 05-06 1.39 C2-C3-07 124.32
18. O18 -0.520 06-01 1.41 C3-C4-08 115.81
19. O19 -0.575 C3-O17 1.37 C5-C7-09 117.58
20. 020 -0.597 C4-O18 1.26 C8-C9-C20 122.80
21. O21 -0.599 C7-O19 1.37 03-04-C21 117.22
22. H8 0.178 C9-O20 1.38 Двугранный угол, т Градус
23. Ш0 0.222 04^21 1.38 O1-C2-C3-C4 0.00
24. H12 0.203 O17-H17 1.02 C3-C4-C5-C6 -0.03
25. H13 0.202 O19-H19 0.99 C7-C8-C9-00 -0.00
26. H15 0.179 O20-H20 0.99 O1-C2-01-02 0.00
27. H16 0.236 O21-H21 0.99 01-02-03-04 -0.01
28. Ш7 0.367 C2-C3-O17-H 179.98
29. H19 0.360 C5-C6-09-H 179.99
30. H20 0.362 C8-C9-C20-H 0.03
31. H21 0.356 03-04-021-н -179.99
Заряды на атомах. Распределение электронных зарядов дает возможность сделать вывод о зарядовом контроле реакций. Согласно данным таблицы 1, среди атомов цикла A, B и C кемферола на атоме О1 сосредоточен максимальный отрицательный заряд равной q=-0.626е. Заряд на атомах кислорода гидроксильных групп О17, О19, 020, О21 равен q = -0.616е, -0.575е, -0.597е и -0.599е соответственно, согласно которым атом 021 цикла С является самым
реакционноспособным центром молекулы в реакциях контролируемые зарядами. Длина связей. Межатомные связи кольца А показывает, что связи С2-С3, С6-01 намного укорочены и равны d= 1.35А и 1.38А; длина связей 01-С2, С3-С4, С4-С5, С5-С6 равны d=1.40A, 1.47А, 1.44А, 1.41А. Межатомные связи С7-С8, С9-С10, С10-С6 кольца B одинаковы и равны d=1.39А, а длина связей C5-C7, C8-C9 равны d=1.42А, 1.40А соответственно. Межатомные связи С11-С12, С12-С13, С13-С14, С14-С15, С15-С16
кольца С близки по значению, симметрично относительно атома С14 и равны 1.41А, 1.38А, 1.40А, 1.40А, 1.39А и 1.41А. Длины экзоциклических связей С3-О17, С7-О19, С9-О20, С14-О21 равны 1.37А, 1.37А, 1.38А, 1.38А и длиннее чем длина карбоксильной группы С4-О18 равной d=1.26А, согласно вышеприведенным табличным данным. Валентные углы. Величины валентных углов О1-С2-С3, С3-С4-С5 меньше и равны 118.28°, 115.97°, а значения углов С2-С3-С4, С5-С6-О1 чуть увеличены от значения 5р гибридизованных карбоциклов за счет сильного электронного эффекта экзоциклических фенильных, гидроксильных и карбонильных групп кольца А. Такую тенденцию меньшего отклонения от значения незамещенного ароматического кольца можно наблюдать в значениях валентных углов кольца В С. Например, при уменьшении значения углов С6-С5-С7, С9-С10-С6 равные ф=117.54о, 118.95о соответственно,
остальные углы кольца В имеют стандартные значения, за исключением увеличения валентного угла С7-С8-С9 до 120.96о. В замещенном ароматическом кольце С все валентные углы очень близки к 120о, за исключением уменьшения угла С13-С14-С15, равной ф=119.22о, в которой находится замещенная гидроксильная группа. Торсионные углы. Все значения как внутренних, так и внешних двугранных углов в циклах А, В, С очень близки значению 0о или 180о, которые свидетельствуют о планарном расположении всех атомов молекулы.
Молекулярные орбитали. Результаты исследования по изучению энергии, заселенности электронами и картины электронной плотности у граничных молекулярных орбиталей молекулы приведены на рис. 2. На рис. 2 а и 2с представлены вид верхней заполненной молекулярной орбитали (ВЗМО) и низкой свободной молекулярной орбитали (НСМО) соответственно.
ВЗМО (2а) Энергия ГО (2b) НСМО (2c)
Рисунок 2. Вид и энергетическая диаграмма ГО Кемферола
Согласно рис 2а, атомы кислорода О17, О18, О21 кольца А и С по орбитальному контролю реакций является потенциальным центром для атаки электро-фильными реагентами. Вклад атомов О19, 020 в образовании ВЗМО относительно малы, поэтому атака на эти центры, очевидно будет слабыми. На рис. 2b приведена энергетическая диаграмма молекулярных орбиталей. Энергетическая разница между граничными орбиталями составляет всего АЕ=Евзмо-Енсмо=0.14эВ, при этом, очевидно, при малых затратах соответствующей энергии в систему, электрон может легко переходит из ВЗМО на НСМО.
Выводы. Таким образом, на основе полученных данных можно заключить, что полифенольное строение; конденсированные замещенные кольца А и В; замещенная фенильная группа определяет высокую биологическую активность молекулы. При этом гидроксильные, карбонильные группы цикла А, С, в структуре кемферола приводят к сильному перераспределению электронных зарядов у атомов и электронной плотности у ГО и являются основными реакционными центрами. Соответственно, в процессе дальнейшего метаболизма в живом организме именно рассмотренные авторами статьи группы в большей степени могут активно участвовать в дальнейших биохимических процессах.
Список литературы:
1. Мамарахмонов М.Х., Кодиров А.А., Абдурахмонов А.А., Эшбоева Г.Р. Квантово-химическое исследование электронного строения биологически активного витамина В1 // Universum: технические науки: электрон. научн. журн. - 2024. - № 4(121). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/17361 (дата обращения 30.06.2024 г.).
2. Меньщиков Е.Б., Ланкин В.З., Зенков Н.К., Бондарь И.А., Круговых Н.Ф., Труфакин В.А. Окислительный стресс. Прооксиданты и антиоксиданты. - М.: Слово, 2006. - 556 с.
3. Рассыпнова С.С., Турецкова В.Ф., Зверев Я.Ф. Изучение противовоспалительного действия экстракта из коры Populus tremula (Salicaceae) и входящих в его состав фенольных соединений // Растительные ресурсы. - 2010. -Т. 46. - Вып. 3. - С. 103-108.
4. Стругар Й., Орлова А.А., Понкратова А.О., Уэйли А.К., Повыдыш М.Н. Выделение индивидуальных соединений из травы сабельника болотного (Comarum palustre L.) и установление их структуры спектроскопическими методами // Методы анализа лекарственных средств Analytical Methods. - 2020. - С. 177-184.
5. Чиряпкин А.С., Чиряпкин А.С., Золотых Д.С., Поздняков Д.И. Обзор биологической активности флавоноидов: кверцетина и кемпферола // Juvenis Scientia. - 2023. - Т. 9. - № 2. - С. 5-20.
6. Calderon-Montano J.M., Burgos-Moron E., Perez-Guerrero C., Lopez-Lazaro M. A Review on the Dietary Flavonoid Kaempferol (англ.) // Mini-Reviews in Medicinal Chemistry. - Vol. 11. - Iss. 4. - Pp. 298-344.
7. Delage B. Flavonoids // Linus Pauling Institute. - Oregon State University, Corvallis, Oregon. - Jan. 26. - 2021.
8. Frisch M.J.F., Trucks G.W., Schlegel H.B., Scuseria G.E., Robb M.A. Gaussian 98. Revision A. 5. Gaussian Inc. -Pittsburgh (PA), 1998.
9. Holland, T. M., Agarwal, P., Wang, Y., Leurgans, S.E., Bennett, D.A., Booth, S.L., & Morris, M.C. Dietary flavonols and risk of Alzheimer dementia // Neurology. - 2020-04-21. - Vol. 94. - Iss. 16. - P. e1749-e1756.
10. María Belén Ruiz. Chapter 6. Analytical evaluation of Hylleraas-CI Coulomb and Hybrid two-center integrals over Slater-type orbitals // Advances in Quantum Chemistry. - Vol. 88. - 2023. - Pp. 99-118.
11. Xiaolin Xiao. Old wine in new bottles: Kaempferol is a promising agent for treating the trilogy of liver diseases // Pharmacological Research. - 2022. - 01-01. - Vol. 175. - P. 106005.
