CC BY
1
НАУЧНАЯ СТАТЬЯ УДК 541.1 + 544.18
МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ КОМПЛЕКСОВ КЛАСТЕРОВ СЕРЕБРА С АНТИБАКТЕРИАЛЬНЫМ ПРЕПАРАТОМ ДИОКСИДИНОМ
Андрей Владимирович Соловьев1, Александр Юрьевич Ермилов1, Юрий 12 12 Николаевич Морозов ' , Татьяна Игоревна Шабатина '
1 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, химический факультет
2 МГТУ им. Н.Э. Баумана, факультет фундаментальных наук Автор, ответственный за переписку: Татьяна Игоревна Шабатина, tatyanashabatina@yandex.ru
Аннотация: Методом функционала электронной плотности в варианте DFT/B3LYP5 рассчитаны структуры малых кластеров серебра (Agn, п = 1-3, 13) и их комплексов с молекулами антибактериального препарата 2,3-бис-(гидроксиметил)хиноксалин-К,№-диоксида - диоксидина (Dx). Рассмотрены особенности геометрического строения и энергии взаимодействия «металлический кластер - лиганд диоксидина» в зависимости от размера (нуклеарности) металлического кластера. Для небольших кластеров (п = 1-3) выявлена тенденция координации металла только к одному из кислородных атомов молекулы лиганда. Наиболее стабильными оказываются комплексы тримеров серебра Dx-Ag3 и икосаэдрического кластера серебра Dx-Ag13, которые координируются сразу по двум кислородным атомам гидроксильных групп молекулы диокси-дина. Показано отличие полученных оптимизированных структур комплексов «серебро - диоксидин» от ранее изученных комплексов серебра с гидроксидны-ми лигандами, для которых при взаимодействии происходит вытеснение атома водорода гидроксильной группы лиганда.
Ключевые слова: Метод функционала электронной плотности, кластеры серебра, молекулярные комплексы с антибактериальным препаратом диоксидином
DOI: 10.55959/MSU0579-9384-2-2024-65-1-31-38
Финансирование. Работа выполнена в рамках государственного задания МГУ имени М.В. Ломоносова, тема № АААА-А21-121011590090-7.
Для цитирования: Соловьев А.В., Ермилов А.Ю., Морозов Ю.Н., Шабатина Т.И. Моделирование структуры комплексов кластеров серебра с антибактериальным препаратом диоксидином // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 2. Химия. 2024. Т. 65. № 1. С. 31-38.
© Соловьев А.В., Ермилов А.Ю., Морозов Ю.Н., Шабатина Т.И., 2024
ORIGINAL ARTICLE
MODELLING OF SILVER CLUSTER COMPLEXES WITH ANTIBACTERIAL MEDICATION DIOXIDINE
1 1 12 Andrey V. Soloviev , Alexander Yu. Ermilov , Yurii N. Morosov ' ,
1 2
Tatyana I. Shabatina
1 Lomonosov Moscow State University, Faculty of Chemistry
2 Bauman Moscow State Technical University, Faculty of Fundamental Sciences Corresponding author: Tatyana I. Shabatina, tatyanashabatina@yandex.ru, tsh@kinet.chem.msu.ru
Abstract. By the method of the electron density functional in the variant DFT/B3L-YP5 the structures of small silver clusters (Agn, n = 1-3, 13) and their molecular complexes with antibacterial medication dioxidine (Dx) were calculated. The features in the geometric structure and energy of the interaction "metal cluster - dioxidine li-gand" depending on the size (nuclearity) of the metal cluster are considered. For small clusters (n = 1-3), the tendency of metal coordination to only one of the oxygen atoms of the ligand molecule was revealed. The most stable are the complexes of silver trimers Dx-Ag3 and the icosahedral cluster of silver Dx-Ag13. These complexes are coordinated by two oxygen atoms of the hydroxyl groups of the dioxydine molecule at once. The difference between the obtained optimized structures of the silver-diox-idine complexes and the previously studied silver complexes with hydroxide ligands, for which the hydrogen atom of the hydroxyl group of the ligand is displaced during interaction, is shown.
Keywords: Electron density functional method, silver clusters, molecular complexes with the antibacterial drug dioxidine
Financial Support: The work was carried out within the framework of the state assignment of the Lomonosov Moscow State University, topic № AAAAA 21121011590090-7.
For citation: Soloviev A.V., Ermilov A.Yu., Morosov Yu. N., Shabatina T. I. Modelling of silver cluster complexes with antibacterial medication dioxidine // Vestn. Mosk. un-ta. Ser. 2. Chemistry. 2024. T. 65. № 1. S. 31-38.
Получение новых антибактериальных препаратов и модификация уже существующих является необходимостью в современном мире ввиду растущей проблемы резистентности штаммов патогенных организмов к существующим препаратам [1]. Гибридные системы на основе антибактериальных лекарственных препаратов с наночастицами металлов позволяют добиться большей биологической активности за счет си-нергического действия ее компонентов [2-3], что было продемонстрировано на примере системы диоксидин - серебро [4]. Один из механизмов си-нергического действия гибридных систем антибактериальное вещество - металл заключается в образовании устойчивых комплексов лекарственной молекулы с кластерами металла, способных
достичь пораженной ткани и оказать действие на микроорганизмы, одновременно используя индивидуальные механизмы антибактериального воздействия как металла, так и лекарственной молекулы, а в некоторых случаях возможно совместное антибактериальное действие компонентов в виде их комплексов [5, 6]. Практический интерес к таким исследованиям стимулирует необходимость теоретических разработок с привлечением современных квантово-химических методов расчета комплексов [7-12]. Настоящая работа посвящена неэмпирическим расчетам систем малых кластеров серебра (Ag, Ag2, Ag3, Ag13) и их комплексов с антибактериальным препаратом 2,3-бис-(гидроксиметил)хиноксалин-Ы,№-диоксидом - диоксидином (Эх).
Методика расчета
Для расчета геометрического строения был выбран метод функционала плотности в параметризации Б3ЬУР5, хорошо зарекомендовавший себя при моделировании систем холестерин - серебро [7]. На всех атомах (Ag, С, О, Н) выбран атомный базис def2-svp [13]. Для описания атомов серебра использовано приближение «штутгартовского» псевдопотенциала, введенного в варианте БСР28МВР [13]. Все расчеты выполнены с помощью программы ОАМЕ88-Ш [14].
Результаты расчетов Кластеры серебра Agn (п = 2, 3,13)
Молекула Ag2. Димер серебра (Ag2), согласно экспериментальным данным [15], имеет энергию диссоциации (Э0), равную 38,4±2,5 ккал/моль. Проведенный в работе расчет позволил получить оценку 35,0 ккал/моль, что вполне приемлемо. Воспроизведение частоты колебания юе и длины связи так же вполне разумно: 175,1 см-1 и 2,600 А против значений 192,4 см-1 и 2,531 А в эксперименте.
Молекула Ag3. Тример серебра искажен по Яну-Теллеру в основном состоянии, и частоты колебаний оценены как ~180 и 67 см-1 для валентной симметричной и деформационной частот соответственно. Проведенный в работе расчет позволил получить значения частот 169,5 и 49,4 см-1 соответственно, что согласуется с экспериментом [16]. Тример серебра имеет вид равнобедренного треугольника с валентным углом 67,7°. Энергия связи молекулы в пересчете на атом составляет 16,7 ккал/моль.
Молекула Ag13. Система Ag13 представляет собой первый объемный кластер серебра, обладающий повышенной устойчивостью и имеющий структуру правильного икосаэдра с дополнительным атомом в центре. Важно, что в данной конфигурации столь высокой симметрии 5 неспаренных электронов формируют наполовину заполненную оболочку, что можно считать причиной повышенной устойчивости кластера. Согласно расчетным оценкам, расстояние Ag-Ag между центральным и поверхностным атомами составляет 2,846 А, между образующими грань икосаэдра атомами - 2,990 А. Расчет гессиана подтверждает отсутствие мнимых частот и устойчивость икосаэдрической конфигурации кластера. Система Ag13 стабильна: согласно расчетам, энергия связи на атом до-
стигает 27,4 ккал/моль, что превышает значения для димера и тримера серебра.
Молекула диоксидина. Равновесная структура молекулы лиганда (диоксидин) приведена на рис. 1.
В молекуле лиганда диоксидина имеются две гидроксидные группы, причем оптимизированная молекулярная структура диоксидина дополнительно стабилизирована двумя внутримолекулярными водородными связями длиной 1,91 А. Обе гидроксидные ОН-группы могут быть задействованы при образовании комплекса с металлическим кластером. В ряде случаев многоатомный металлический кластер может также координироваться по атомам кислорода нитроксидных МО-групп.
Строение комплексов кластеров серебра сдиоксидином
Комплекс Ag-Dx. Комплекс атома серебра с молекулой диоксидина имеет структуру, в которой металл координирован с неподеленной эдек-тронной парой атома кислорода (рис. 2). Для комплекса А) расстояние Ag-O достигает 2,5 А, что значительно выше, чем типичная длина связи Ag-O (~2А), когда атом серебра замещает водород в спиртовой группе диоксидина. Валентный угол C-O-Ag составляет ~130°. Энергия диссоциация комплекса структуры А составляет 4,7 ккал/моль. При этом наблюдается вызванное образованием комплекса искажение структуры молекулы диоксидина: длины внутримолекулярных водородных связей изменяются на величину до 0,15 А. Для комплекса Ag-Dx взаимодействие атома Ag и молекулы диоксидина слабо выражено, длина связи Ag-O составляет ~2,85 А, угол C-O-Ag равен ~170°, а значение энергии диссоциации равно 1,4 ккал/моль. Фрагмент молекулы диоксидина практически не искажен в комплексе структуры В.
Комплекс Ag2-Dx. Для комплексов диокси-дина с димером серебра атомы металла коорди-нированны по атомам кислорода гидроксильной и нитроксидной группе (рис. 3). В обоих случаях и для структуры комплекса А, и для структуры комплекса В димера серебра с молекулой диок-сидина, концевой атом кластера металла координируется лишь к одному из кислородных атомов, и расстояние «Ag-O» заметно короче (2,369 и 2,315 А для комплексов А и В соответственно), чем в комплексах атома серебра с молекулой ди-оксидина Ag-Dx. Длины связей Ag-Ag (2,594 и 2,605 А) практически совпадают с аналогич-
Рис. 1. Структура молекулы диоксидина
Рис. 2. Строение комплексов Ag-Dx структуры А и В
ным расстоянием в индивидуальном димере серебра (2,600 А). Значения энергии диссоциации комплексов составляют 10,6 и 9,6 ккал/ моль для комплексов структуры А и В соответственно, что намного выше, чем в системе с одним атомом серебра. Следует также отметить нарушение одной из внутримолекулярных водородных связей диоксидина для образования комплекса с димером серебра Ag2.
Комплекс Ag3-Dx. Строение комплексов диоксидина с кластером Ag3 приведено на рис. 4. Наиболее стабильные структуры в случае фор-
мирования связей серебра как с гидроксильной группой, так и с нитроксидной, возникают при образовании двух связей Ag-O с двумя атомами Ag тримера Ag3. При сравнении аналогичных связей с комплексами Ag2-Dx длины связи Ag-O оказываются короче и составляют 2,256 и 2,254 А для комплексов А и В соответственно. Положение атомов металла в комплексах тримеров серебра относительно молекулы ди-оксидина подобно положению димеров металла в структуре комплексов А и В, что выражается в сходстве углов Ag-O-C. Энергия диссоциа-
ции комплексов достигает 25,7 и 15,0 ккал/моль для случаев А и В соответственно. В отличие от комплексов диоксидина с димером серебра Ag2 в комплексах диоксидина с тримером серебра Ag3 обе внутримолекулярные водородные связи оптимизированной структуры молекулы диоксидина сохраняются, причем становятся короче, чем для индивидуальной молекулы лиганда.
Комплекс Ag13-Dx. Структура комплекса Ag13-Dx приведена на рис. 5. Икосаэдр Ag13 мало искажен по сравнению с изолированным кластером серебра и координирован сразу по двум атомам кислорода гидроксидных групп. Длина связи Ag-O составляет 2,434 А, а расстояние комплексов Ag-Ag, связанных с лигандом, достигает 3,1 А. Энергия диссоциации комплекса составляет 19,5 ккал/моль. Таким образом, координация более жесткой структуры икоса-эдрического кластера Ag13 к молекуле диоксиди-на становится менее выгодной, чем координация
тримера серебра Ag3. Вероятно, по этой же причине не было обнаружено стабильного комплекса Ag13-Dx с координацией молекулы лиганда по атомам кислорода нитроксидных Н-О-групп.
Обсуждение результатов
Результаты расчетов убедительно показывают тенденцию координации небольших (п = 1-2) кластеров металла к одному из кислородных атомов молекулы диоксидинового лиган-да. Для больших кластеров металла, начиная с п = 3, появляется тенденция к координации атомов металла по двум кислородным атомам ги-дроксильных групп молекулы диоксидина. Эту же тенденцию подтверждают расчеты системы с икосаэдрическим кластером Ag13, где кластер металла координируется сразу по двум атомам кислорода молекулы диоксидина. Комплекс Ag3-Dx оказывается наиболее прочным с энергией диссоциации 25,7 ккал/моль, энергия дис-
Рис. 4. Строение комплексов Ag3-Dx структуры А и В
социации комплекса Ag13-Dx ниже и составляет 19,5 ккал/моль. Следует отметить, что в кластерах большого размера нельзя исключать возможность дополнительной координации атомов металла по атомам кислорода нитроксидных МО-групп молекулы диоксидина. Тенденции в строении комплексов сильно отличаются от исследованных нами ранее систем, в которых атом металла замещает атом водорода в гидроксильной группе [7].
Заключение
Методом функционала электронной плотности в варианте Б3ЬУР5 рассчитаны струк-
туры малых кластеров серебра (Agn, п = 1-3, 13) и их комплексов с молекулами антибактериального препарата диоксидина фх). Установлено, что наиболее стабильными оказываются комплексы тримеров серебра Dx-Ag3 и икосаэдрического кластера серебра Dx-Ag13 с энергией диссоциации 25,7 и 19,5 ккал/моль соответственно. Эти комплексы координируются сразу по двум кислородным атомам гидроксильных групп молекулы диоксидина Показано различие полученных оптимизированных структур комплексов «серебро-ди-оксидин» с ранее изученными комплексами
Рис. 5. Строение комплекса Ag13-Dx
серебра с гидроксильными лигандами, для вытеснение атома водорода гидроксильной которых при взаимодействии происходит группы лиганда.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ipe D.S., Kumar P.T.S., Love R.M., Hamlet S.M. // Front. Microbiol. 2020. Vol. 11. P. 1074.
2. Ali M.R., Panikkanvalappil S.R., El-Sayed M.A. // J. Am. Chem. Soc. 2014. Vol. 136. P. 4464.
3. Zafar N., Uzair B., Menaa F., Khan B.A., Niazi M.B.K., Alaryani F.S., Majrashi K.A., Sajjad S. // Pharmaceutics. 2022. Vol. 14. P. 1719.
4. Vernaya O.I., Shabatin V.P., Nuzhdina A.V., Shabatina T.I. // Russ. Chem. Bull. 2017. Vol. 66. P. 2152.
5. Khurana C., Sharma P., Pandey O.P., Chudasama B. // J. Mater. Sci. Technol. 2016. Vol. 32. P. 524.
6. Huh, A.J., Kwon, Y.J. // J. Control. Release 2011. Vol. 156. P. 128.
7. Ермилов А.Ю., Лукьянова Е.С., Громова Я.А., Шабатина Т.И. // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 2. Химия. 2018. Т. 59. № 5. С. 377.
8. Tshougreeff A.L., Darkhovskii M.B. // Progress in Theoretical Chemistry and Physics. 2006. Vol. 15. P. 451.
9. Janet J.P., Kulik H.J. // Condensed Mat.-Materials Science. 2017. Vol. 1702. Р. 05771.
10. Compa P., Martin B. // Advances in Inorganic Chemistry. 2019. Vol. 78. P. 303.
11. Walaa H. El-Shwiniy, Manar A. Gamil, Sadeek A. Sadeek, Wael A. Zordok, Ahmed F. El-Farargy // Applied Organometallic Chemistry. 2020. Vol. 34, issue 8, e. 5696 (doi.org/ 10.1002/ aoc. 5696).
12. Eroshin A.V., Otlyotov A.A., Kuzmin I.A., Stuzhin P.A., Zhabanov Y.A. // Int. J. Mol. Sci. 2022, 23(2), 939 (https://doi.org/10.3390/ ijms23020939).
13. EMSL Basis Set Library (https://bse.pnl.gov/ bse/portal, https://www.basissetexchange.org).
14. Barca G.M.J. et al. GAMESS version 2022 R2, (https://www.msg.chem.iastate.edu/index.html).
15. Krasnov K.S., Filipenko N.V., Bobkova V.A., et al. // Molekulyarnye postoyannye neorganicheskikh soedinenii: spravochnik (Molecular Constants of Inorganic Compounds: A Reference Book), Krasnov K.S., Ed., Leningrad, 1979.
16. Ellis A.M., Robles E.S.J., Miller T.A. // Chem. Phys. Lett. 1993. Vol. 201. P 132.
Информация об авторах
Соловьев Андрей Владимирович - студент химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова (fa.andrey@mail.ru);
Ермилов Александр Юрьевич - ст. науч. сотр. кафедры физической химии химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, канд. хим. наук (8апсЫк-и@ yandex.ru);
Морозов Юрий Николаевич - ст. науч. сотр. кафедры физической химии химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, доцент кафедры химии факультета фундаментальных наук МГТУ им. Н.Э. Баумана, канд. хим. наук (уипшог@ mail.ru);
Шабатина Татьяна Игоревна - зав. лабораторией химии низких температур, вед. науч. сотр. химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, профессор кафедры химии факультета фундаментальных наук МГТУ им. Н.Э. Баумана, доктор хим. наук (tatyanashabatina@yandex.ru).
Вклад авторов
Все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Статья поступила в редакцию 05.06.2023; одобрена после рецензирования 03.09.2023; принята к публикации 02.10.2023.
