CC BY
6УДК 539.193/. 194;535/33.34
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ АДИАБАТИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА КЛОФЕЛИНА
Эрман Евгений Анатольевич, кандидат технических наук, доцент, Астраханский государственный университет, 414056, Российская Федерация, г. Астрахань, ул. Татищева, 20а, тел. 8 (8512) 61-08-84, e-mail: elkinmd@mail.ru, kof@aspu.ru
Алыкова Ольга Михайловна, кандидат педагогических наук, доцент, Астраханский государственный университет, 414056, Российская Федерация, г. Астрахань, ул. Татищева, 20а, тел. 8 (8512) 61-08-84, e-mail: elkinmd@mail.ru, kof@aspu.ru
Амантаева Луиза Садыховна, ассистент, Астраханский государственный университет, 414056, Российская Федерация, г. Астрахань, ул. Татищева, 20а, тел. 8 (8512) 61-08-84, e-mail: elkinmd@mail.ru, kof@aspu.ru
Гречухина Оксана Николаевна, старший преподаватель, доцент, Астраханский государственный университет, 414056, Российская Федерация, г. Астрахань, ул. Татищева, 20а, тел. 8 (8512) 61-08-84, e-mail: elkinmd@mail.ru, kof@aspu.ru
Карташов Максим Вячеславович, магистрант, Астраханский государственный университет, 414056, Российская Федерация, г. Астрахань, ул. Татищева, 20а, тел. 8 (8512) 6108-84, e-mail: elkinmd@mail.ru, kof@aspu.ru
Попов Андрей Александрович, магистрант, Астраханский государственный университет, 414056, Российская Федерация, г. Астрахань, ул. Татищева, 20а, тел. 8 (8512) 61-0884, e-mail: elkinmd@mail.ru, kof@aspu.ru
Клофелин (клонидин, 2-(2,6-дихлорфениламино)) - известный широко используемый медицинский препарат, в частности в наркологии. В периодической литературе надежных экспериментальных данных о его структуре и колебательных спектрах нами не обнаружено. В данной статье осуществлен модельный расчет параметров адиабатического потенциала молекулы клофелина. Предложена теоретическая интерпретация колебательных состояний соединения и выявлены признаки его спектральной идентификации; приведено сравнение с экспериментальными данными по ИК и КР спектрам тризамещенных бензола и имидазола. Расчет проводился квантовым методом функционала плотности DFT/B3LYP для базисных наборов 6-311G*, 6-311G**, 6-311+G*. Показано, что данный метод может быть использован для моделирования геометрических параметров молекул и электронной структуры различных замещенных бензола. Он позволяет построить на основе численных расчетов структурно-динамические модели указанного класса соединений.
Ключевые слова: клофелин, колебательные спектры, молекулярные спектры, ИК спектры, адиабатический потенциал, силовые постоянные
MODELING PARAMETERS FOR THE ADIABATIC POTENTIAL OF CLONIDINE
Erman Yevgeniy A., Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Astrakhan State University, 20a Tatishchev St., Astrakhan, 414056, Russian Federation, phone 8 (8512) 61-08-84, e-mail: elkinmd@mail.ru, kof@aspu.ru
Alykova Olga M., Ph.D. (Pedagogics), Associate Professor, Astrakhan State University, 20a Tatishchev St., Astrakhan, 414056, Russian Federation, phone 8 (8512) 61-08-84, e-mail: elkinmd@mail.ru, kof@aspu.ru
Amantaeva Luiza S., Assistant, Astrakhan State University, 20a Tatishchev St., Astrakhan, 414056, Russian Federation, phone 8 (8512) 61-08-84, e-mail: elkinmd@mail.ru, kof@aspu.ru
Grechukhina Oksana N., Senior Lecturer, Astrakhan State University, 20a Tatishchev St., Astrakhan, 414056, Russian Federation, phone 8 (8512) 61-08-84, e-mail: elkinmd@mail.ru, kof@aspu.ru
Kartashov Maksim V., undergraduate student, Astrakhan State University, 20a Tatishchev St., Astrakhan, 414056, Russian Federation, phone 8 (8512) 61-08-84, e-mail: elkinmd@mail.ru, kof@aspu.ru
Popov Andrey A., undergraduate student, Astrakhan State University, 20a Tatishchev St., Astrakhan, 414056, Russian Federation, phone 8 (8512) 61-08-84, e-mail: elkinmd@mail.ru, kof@aspu.ru
The article discusses clonidine, indicating that the medication has a wide sphere of medical applications, particularly in narcology (the study of drug and alcohol abuse and associated treatments). It adds that data accruing from experimental research on clonidine's structure and shake spectrum are not found in periodic literature. The research work implements the potential adiabatic parameters of clonidine calculations. For the investigated compound, the document provides a theoretical interpretation of the spectrum that deduces the signs of its spectral authentication. It also gives a comparison of that medication with experimental data on IR and Raman spectra. The calculation was conducted, the critique relates, by applying the DFT/B3LYP quantum-density functional method with bases 6-311G**, 6-311G** and 6-311+G**. According to the commentary, this method could also be used for modeling the molecular geometrical parameters and electronic structure of various benzoyl substitutes. It would allow a solution for this class of compounds to be constructed from numerical calculations and structural-dynamic models.
Keywords: clonidine, vibrational spectra, molecular spectra, IR spectra, adiabatic potential, force constants
Введение. Клофелин (клонидин,2-(2,6-дихлорфениламино)) - известный медицинский препарат, широко используемый не только в наркологических клиниках. Объяснить результаты биологической активности соединения на молекулярном уровне представляется возможным лишь после оценки параметров его адиабатического потенциала, поскольку, согласно современным научным воззрениям, именно адиабатический потенциал определяет основные физико-химические свойства молекулярных систем.
Наиболее наглядно форма адиабатического потенциала проявляется в оптических спектрах молекул, в первую очередь в их колебательных спектрах. Однако в периодической литературе надежные экспериментальные данные по ИК и КР спектрам клофелина, на основании интерпретации которых в рамках классических методов молекулярной динамики [2] можно было бы хотя бы качественно оценить его электронное строение, нами не обнаружены.
Возможность построения структурно-динамической модели соединения для установления связи между его структурой и спектром предоставляют неэмпирические и гибридные методы квантовой механики молекулярных систем. Отметим, что установление связи «свойства - структура - спектр» является одной из фундаментальных задач молекулярного моделирования.
В данной работе на основании модельных расчетов параметров адиабатического потенциала молекулы клофелина в рамках метода функционала плотности DFT/b3LYP [9] предложена теоретическая интерпретация колебательного спектра соединения.
Результаты модельных расчетов структуры и спектра. Результаты оптимизации исходной неплоской конфигурации клофелина (рис.) представлены в табл. 1.
Рис. Молекулярная диаграмма клофелина
Отклонение неприведенных значений валентных углов шестичленного фрагмента от соответствующих углов в бензоле не превышает 2°. Выбор базиса расчета принципиального значения не имеет.
Таблица 1
Оптимизированные значения геометрических параметров клофелина
R(3,4) 1,41 R(14,15) 1,31 A(4,10,13) 111,7 A(16,17,20) 132,7 D(3,4,10,14) -57
R(3,9) 1,76 R(15,16) 1,38 A(13,10,14) 112,6 A(18,17,20) 122,2 D(5,4,10,13) -8
R(4,5) 1,41 R(16,17) 1,37 A(10,14,15) 127,8 A(17,18,21) 127,2 D(5,4,10,14) 127
R(4,10) 1,40 R(17,18) 1,38 A(14,15,16) 105,2 D(1,2,3,9) -176 D(4,10,14,15) -38
R(5,11) 1,77 A(3,4,5) 116,0 A(15,16,17) 110,8 D(8,2,3,9) 3 D(13,10,14,15) 96
R(10,14) 1,41 A(3,4,10) 122,5 A(17,16,19) 128,1 D(9,3,4,5) 176 D(16,17,18,21) -173
Rcc 1.39 A(4,5,6) 122,7 A(16,17,18) 105,0 D(3,4,10,13) 168 D(20,17,18,21) 8
Примечание. Длины связей R(ij) в А, валентные A(ijk) и двугранные углы D(i,j,k,t) в
Для теоретической оценки положения полос в колебательном спектре соединения использована известная ангармоническая модель [10]
ev [n. + 2)+*.r [n.+2|”, + 1].
Для ангармонических констант xsr использованы выражения из работы [6]
(1)
„ = 1F - A F. 1 ^ )2
A- ss i s ssss л о
16 48 v
+32 (Fssr)2 № s;-r )-^(s;s;r)- 12^(r;r;r ))(1 -б .r), (2)
\2/
11 3
^ = — pssrr - 88 (Fssr)2 (Q(s; s;-r)+Q(s;s;r )(1 - ^))+88 (Fr)2 Hs;r;t) - Q(s;r ;-t)+Q(s;-r;t) - Q(s;-r ;-t)) x
x (1 -Sr)(1 -S„ )(1 -S„)+L(a; sr)2 n(s; r-0)+n(s; r;0).
(3)
Оценочные значения ангармонических силовых констант (Fsrt и Fsrtv) для связей NH заимствованы из работ [4, 5, 7, 8].
Естественным является предположение, что набор фундаментальных колебаний клофелина можно разделить на две части. Первая часть связана с колебаниями бензольного фрагмента (1,2,3 - тип тризамещенных бензола). В монографии [2] для указанного типа замещенных бензола предложена теоретическая интерпретация характеристических колеба-
0
ний. Второй набор колебаний касается имидазольного фрагмента (монозамещенные имида-зола). Для молекулы имидазола интерпретация колебательного спектра считается устоявшейся. Достаточно указать на обширный список в работах [3, 11]. Для замещенных имидазола такими данными мы не располагаем. Поэтому для теоретической интерпретации его колебательного спектра использован следующий прием. Теоретическая интерпретация колебательного спектра имидазольного фрагмента клофелина строится на сопоставлении результатов модельных квантовых расчетов имидазола и его 2-аминозамещенного аналога, в предположении, что влияние монозамещения носит локальный характер [1]. В табл. 2 приводятся результаты такого исследования. Отметим, что представленные в работах [4, 5, 7, 8] результаты модельных расчетов замещенных пятичленных циклических соединений согласуются с указанным предположением.
Таблица 2
Имидазол 2^Н2-Имидазол
Форма колебаний "^эксп [10] ^анг 6311G* 6311G** 6311+G* 6311G**
ИК КР ИК КР ИК КР ^анг ИК КР
qNH - 3491 37 124 52 122 58 130 3478 48 106
в Pnh,q 1529 1525 13 1,7 12 1,7 12 3,0 1508 21 39
в, Q 1487 1471 17 11 17 12 21 22 1476 58 1,4
Pn& q 1427 1390 15 8,0 14 7,8 16 12 1352 5,5 12
Q Pn& в 1328 1328 6,7 22 6,4 23 6,5 31 1282 1,9 3,1
в Pnh 1259 1255 0,4 7,7 0,4 7,4 0,4 9,8 1177 9,0 5,4
Q, в 1164 1132 4,8 18 4,8 18 5,0 22 1116 1,4 18,3
Pn& в 1100 1121 2,2 10 2,6 11 4,0 9,1 1098 3,7 9,5
eN& в 1070 1062* 59 4,5 58 4,7 62 3,8 1057 48 0,7
Q, в 933 931 2,1 1,4 2,0 1,4 2,1 1,7 979 8,4 3,4
Q eNH 917 897 9,1 0,9 8,8 0,9 6,6 1,1 914 1,4 3,4
P 859 5,9 0,4 4,2 0,4 4,4 1,1 839 11 06
P 798 38 0,1 34 0,1 38 0,5 - - -
P 713 36 0,3 36 0,3 44 1,6 701 81 8,5
P, X 670 6,1 0,2 4,8 0,2 5,3 0,1 660 40 0,5
P, X 632 12 0,2 11 0,2 10 0,2 620 22 0,7
pNH 513 102 1,5 94 1,6 99 0,2 467 71 1,8
Примечание. Частоты колебаний в см-, интенсивности в спектрах ИК в км/моль, в спектрах кр в А4/ аем. Символом * помечены дублеты.
Как следует из представленных в табл. 2 данных, выбор базиса расчета не влияет на результаты интерпретации колебательного спектра имидазола и 2^Н2-имидазола, имеет предполагаемый локальный характер влияния замещения на силовое поле пятичленного цикла, результаты квантовых расчетов хорошо согласуются с имеющимися экспериментальными данными.
Предлагаемая теоретическая интерпретация спектра фундаментальных колебаний мономера клофелина представлена в табл. 3. Курсивом помечены колебания имидазольного фрагмента. Отметим значительную щель (~ 100 см-1) между валентными колебаниями связей NH, что связано с различной гибридизацией атома азота в пирамидальном (1ЧНС2) фрагменте и в имидазольном цикле. Расчетные значения ангармонических силовых постоянных связи NN в этом цикле оцениваются величинами, характерными для всех пуриновых оснований: Kqqq ~ 2330 см-1, Kqqqq ~ 1340 см-1. Согласно соотношению (2), оценка ангармонического смещения полос хорошо совпадает с оценкой, полученной с помощью масштабирующего соотношения с параметрами из работ [4, 5, 7, 8].
Таблица 3
Интерпретация колебательного спектра клофелина
Форма колебаний ^эксп [6, 10] ^анг 631Ш* 631Ш** 631^*
ИК КР ИК КР ИК КР
%18Н 3506 3477 52 100 67 100 70 101
%10Н 3339 3370 30 99 42 104 47 116
Q, в 1604 1599 3,2 83 3,9 84 4,0 97
Q, в 1582 1584 30 14 28 13 28 18
Q, р.^с 1541 1560 122 12 127 13 121 10
в 1530 1505 67 3,0 77 2,7 75 2,8
в 1520 1481 17 117 18 117 23 160
в 1475 1460 141 2,7 134 2,7 136 1,7
Q, в Рт 1420 1443 110 18 117 17 108 18
в - 1423 33 14 28 15 28 13
Q, в 1316 1376 12 31 10 28 10 28
1320 1290 41 26 38 27 35 27
1256 1263 20 15 22 17 22 21
Q, в 1220 1245 13 9,8 13 8,6 12 11
в, Q 1190 1205 15 16 17 15 16 18
Q, в 1177 1155 6,9 14 7,2 13 8,6 17
в, Q 1092 1103 0,9 17 1,2 17 0,7 20
в, Q, в** 1074 1081 53 25 56 26 60 32
в У 953 986 15 5,4 15 5,3 13 5,5
р™ 855 858 26 18 27 17 28 18
р 815 842 16 2,9 6,1 1,4 3,8 3,2
& р, Рссі* 762 748 109 1,8 110 1,7 103 3,1
Р, Рт X* 724 713 91 4,2 84 3,8 90 6,1
X 632 646 27 8,7 23 ,8 8, 21 11
X 620 594 23 4,2 21 3,6 19 5,6
Рт 518 534 73 2,1 68 1,9 67 1,9
X 482 517 11 1,7 9,7 1,7 13 0,7
всы 397 416 6,4 13 6,3 13 6,0 14
вСС1 349 352 22 3,6 21 3,5 21 3,6
Примечание. Экспериментальные значения для qNl0H взяты из диметиламина [1].
Следует ожидать, как и в димерах пурина, что образование димеров клофелина (механизм водородной связи между атомами азота имидазольного цикла и атомом водорода связи ЫИ) спектрально проявится в смещении полосы, интерпретированной как валентное колебание связи КН ^щ) в длинноволновый диапазон на величину ~ 300 см-1. В коротковолновый диапазон на величину ~ 50 см-1 сместится полоса, интерпретированная как неплоское деформационное колебание связи КН (рт) пятичленного цикла.
Заключение. Представленные модельные расчеты колебательных состояний молекулы клофелина, сравнительный анализ колебательных спектров бензольного и имидазоль-ного фрагментов соединения с имеющимися экспериментальными данными по ИК и КР спектрам тризамещенных бензола и имидазола дают основание утверждать следующее. Метод функционала плотности позволяет получить достоверную оценку параметров адиабатического потенциала исследуемого молекулярного объекта и осуществлять предсказательную теоретическую интерпретацию его колебательного спектра.
Список литературы
1. Березин В. И. Учет влияния замещения на силовое поле ароматического кольца / В. И. Березин, М. Д. Элькин // Журнал прикладной спектроскопии. - 1974. - Т. 37, № 2. - С. 237-240.
2. Свердлов Л. М. Колебательные спектры многоатомных молекул / Л. М. Свердлов, М. А. Ковнер, Е. П. Крайнов. - Москва : Наука, 1970. - 559 с.
3. Тен Г. Н. Проявление внутримолекулярного переноса протона в имидазоле в электронном спектре / Г. Н. Тен, В. И. Баранов // Журнал прикладной спектроскопии. - 2008. - Т. 75, № 2. -С. 164-169.
4. Элькин М. Д. Квантовый анализ колебательных спектров таутомерных форм димеров пурина / М. Д. Элькин, О. В. Пулин, Е. А. Джалмухамбетова // Проблемы оптической физики : мат-лы 11-ой Междунар. школы по оптике, лазерной физике и биофизике. - Саратов, 2008. - С. 171-175.
5. Элькин М. Д. Структурно-динамические модели и ангармонический анализ колебательных состояний пятичленных циклических соединений / М. Д. Элькин, М. А. Эрман, В. Ф. Пулин // Вестник Саратовского государственного технического университета. - 2006. - Вып. 4, № 4. - С. 38-44.
6. Элькин М. Д. Учет ангармонического смещения полос в модельных расчетах колебательных спектров димеров с водородной связью / М. Д. Элькин, Л. М. Бабков // Известия Саратовского государственного университета. - 2011. - Т. 11, вып. 1. - С. 20-25.
7. Элькин П. М. Квантово-химический расчет нормальных колебаний молекул замещенных пятичленных гетероциклических соединений с учетом ангармонизма / П. М. Элькин, Е. А. Эрман, О. В. Пулин // Журнал прикладной спектроскопии. - 2009. - Т. 76, № 2. - С. 170-175.
8. Элькин П. М. Теоретический анализ таутомерных форм пурина / П. М. Элькин, О. В. Пулин, Е. А. Джалмухамбетова // Журнал прикладной спектроскопии. - 2008. - Т. 75, № 1. - С. 23-27.
9. Frisch M. J. Gaussian 03. Revision B.03. - Pittsburg PA : Gaussian Inc., 2003.
10. Hoy A. R. Anharmonic force constants calculation / A. R. Hoy, I. M. Mills, G. Strey // J. Mol. Phys. - 1972. - Vol. 21, № 6. - P. 1265-1290.
11. Sadlej J. A theoretical study of vibrational spectra of imidazole and its different forms / J. Sadlej, A. Jaworsski, K. Miaskiewicz // J. Molecular Structure. - 1992. - Vol. 274. - P. 247-257.
References
1. Berezin V. I., Elkin M. D. Uchet vliyaniya zameshcheniya na silovoe pole aromaticheskogo koltsa [Accounting of substitution influence on the force field of aromatic ring]. Zhurnal prikladnoy spektroskopii [Journal of Applied Spectroscopy], 1974, vol. 37, no. 2, pp. 237-240.
2. Sverdlov L. M., Kovner M. A., Kraynov Ye. P. Kolebatelnye spektry mnogoatomnykh molekul [Vibrational spectra of polyatomic molecules]. Moscow, Nauka, 1970. 559 p.
3. Ten G. N., Baranov V. I. Proyavlenie vnutrimolekulyarnogo perenosa protona v imidazole v elek-tronnom spektre [Demonstration of intermolecular proton transfer in imidazole in electronic spectrum]. Zhurnalprikladnoy spektroskopii [Journal of Applied Spectroscopy], 2008, vol. 75, no. 2, pp. 164-169.
4. Elkin M. D., Pulin O. V., Dzhalmukhambetova Ye. A. Kvantovyy analiz kolebatelnykh spektrov tautomernykh form dimerov purina [Quantum analysis of vibrational spectra of tautomeric forms of purine dimers]. Problemy opticheskoy fiziki: mat-ly 11-oy Mezhdunarodnoy shkoly po optike, lazernoy fizike i biofizike [Problems of optical physics: Proceedings of the Eleventh International School for Optics, Lazer Physics and Biophysics]. Saratov, 2008, pp. 171-175.
5. Elkin M. D., Erman M. A., Pulin V. F. Strukturno-dinamicheskie modeli i angarmonicheskiy analiz kolebatelnykh sostoyaniy pyatichlennykh tsiklicheskikh soedineniy [Structural and dynamic models and anharmonic analysis of vibrational states of pentamerous cyclic compounds]. Vestnik Saratovskogo go-sudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta [Bulletin of Saratov State Technical University], 2006, issue 4, no. 4, pp. 38-44.
6. Elkin M. D., Babkov L. M. Uchet angarmonicheskogo smeshcheniya polos v modelnykh ra-schetakh kolebatelnykh spektrov dimerov s vodorodnoy svyazyu [Accounting of anharmonic band shift in model calculations of vibrational spectra of dimmers with hydrogen bond]. Izvestiya Saratovskogo gosu-darstvennogo universiteta [News of Saratov State University], 2011, vol. 11, issue 1, pp. 20-25.
7. Elkin P. M., Erman Ye. A., Pulin O. V. Kvantovo-khimicheskiy raschet normalnykh kolebaniy molekul zameshchennykh pyatichlennykh geterotsiklicheskikh soedineniy s uchetom angarmonizma [Quantum and chemical calculation of normal vibrations of molecules of substituted pentamerous heterocyclic compounds subject to anharmonicity]. Zhurnal prikladnoy spektroskopii [Journal of Applied Spectroscopy], 2009, vol. 76, no. 2, pp. 170-175.
8. Elkin P. M., Pulin O. V., Dzhalmukhambetova Ye. A. Teoreticheskiy analiz tautomernykh form purina [Theoretical analysis of tautomeric forms of purine]. Zhurnal prikladnoy spektroskopii [Journal of Applied Spectroscopy], 2008, vol. 75, no. 1, pp. 23-27.
9. Frisch M. J. Gaussian 03. Revision B.03. Pittsburg PA, Gaussian Inc., 2003.
10. Hoy A. R., Mills I. M., Strey G. Anharmonic force constants calculation. J. Mol. Phys., 1972, vol. 21, no. 6, pp. 1265-1290.
11. Sadlej J., Jaworsski A., Miaskiewicz K. A theoretical study of vibrational spectra of imidazole and its different forms. J. Molecular Structure, 1992, vol. 274, pp. 247-257.
