CC BY
41
И. Ф. Даутова (асп.)1, С. Л. Хурсан (д.х.н., проф., гл. н.с.)2
Реакционная способность таутомеров 5-гидрокси-6-метилурацила при отрыве атома водорода пероксильными радикалами
1 Башкирский государственный университет, кафедра физической химии и химической экологии 450074, г. Уфа, ул. З. Валиди, 32, тел. (347) 2736727, е-mail: [email protected] 2Институт органической химии Уфимского научного центра Российской академии наук,
лаборатория химической кинетики 450054, г. Уфа, пр. Октября 71, тел. (347) 2921419, e-mail: [email protected]
I. F. Dautova1, S. L. Khursan2
Reactivity of 5-hydroxy-6-methyluracil’s tautomers in the detachment of hydrogen atom by the peroxyl radicals
1 Bashkir State University 32, Z Validi Street, 450074 Ufa, Russia, ph. (347) 2736727, e-mail: [email protected]
2 Institute of Organic Chemistry of Ufa Scientific Centre of Russian Academy of Sciences 71, Oktyabrya Pr, 450054 Ufa, Russia, ph. (347) 2921419, e-mail: [email protected]
Методами квантовой химии и пересекающихся парабол определены энергии активации реакций отрыва атома водорода гидропероксильным и метилпероксильным радикалами от таутомеров 5-гидрокси-6-метилурацила в газовой и водной фазе. Показано, что с кинетической и термодинамической точек зрения в этих реакциях образуется единственно возможный радикал г1, причем наиболее вероятное его формирование происходит за счет атаки ^Н связи дикето-тау-томера 5-гидрокси-6-метилурацила. Следовательно, эффективность ингибирования радикально- цепного окисления органических соединений урацилами главным образом будет определяться дальнейшими превращениями радикала г1.
Ключевые слова: 5-гидрокси-6-метилурацил; квантово-химический расчет; модель пересекающихся парабол; радикал; таутомер.
The reaction activation energies of hydrogen atom abstraction by hydroperoxyl and methylperoxyl radicals from the 5-hydroxy-6-methyluracil tautomers in the gas and aqueous media were determined by quantum chemistry approach as well as by the method of intersecting parabolas. Both kinetic and thermodynamic reasons indicate that the only possible radical which can form in these reactions is r1. The most probable pathway of the r1 formation occurs via peroxy radical attack on the NjH bond of the 5-hydroxy-6-methyluracil diketo-tautomer. Consequently, the effectiveness of inhibition of radical-chain oxidation of organic compounds by uracils will be mainly determined by further transformations of the radical r1.
Key words: 5-hydroxy-6-methyluracil; intersecting parabolas model; quantum-chemical calculation; radical; tautomer.
Эффективность 5-гидрокси-6-метилура-цила (ОМУ) при терапии инфекций тесно связана с его антиокислительным действием, восстанавливающим нарушенное равновесие «антиокислительная активность — перекисное окисление липидов (ПОЛ) клеточных мембран» в клетках живых организмов 1. Процесс ПОЛ представляет собой радикально-цепную реакцию окисления пероксильными радикалами.
Дата поступления 28.12.09
В работе 2 в качестве модельной реакции при изучении антиокислительной эффективности урацилов был выбран процесс радикальноцепного окисления изопропилового спирта. Проявление ингибирующей активности ОМУ авторы связывают с реакцией последнего с пе-роксирадикалами по механизму отрыва атома водорода 2. Поскольку для урацилов характерна кето-енольная таутомерия, необходимо выяснить, какой таутомер участвует в рассматриваемой реакции.
ОМУ может существовать в виде одной дикето- (а) и 12 енольных форм, 5 из которых (Ь-0 получаются из дикето-таутомера в процессе внутримолекулярной передачи протона, а другие — его вращением в гидроксильной группе. На рис. 1 приведены наиболее стабильные конформеры 3.
Поскольку экспериментальное исследование минорных таутомеров затруднено, методами теории функционала плотности (РБК/37) были определены строение и энергия тауто-мерных форм ОМУ и их комплексов с водой состава 1:п (п = 1^4) с учетом эффекта воды, как растворителя. Несмотря на то, что дикето-таутомер остается наиболее стабильной формой и в растворе, для гидратированных молекул наблюдается существенное уменьшение разницы энергий (кДж/моль) между дикето-и енольными таутомерами Ь-ё по сравнению с рядом устойчивости в газовой фазе 3:
Относительные энергии таутомеров а ь с б е Г
В газовой фазе 0.0 39.3 57.6 63.5 65.0 102.2
В водном растворе 0.0 28.9 32.5 27.0 45.3 83.2
Учитывая растущую вероятность кето-енольной таутомерии ОМУ в водной фазе, можно предположить, что его ингибирующие свойства будут определяться высокой активностью какого-либо енольного таутомера (схема 1).
СН3
Поэтому цель нашей работы — определение относительной реакционной способности таутомеров ОМУ в реакции отрыва Н-атома радикалами НОО' и СН300. Выбор гидропе-роксильного радикала обусловлен тем, что он ведет цепь при окислении изопропилового спирта 2. Метилпероксильный радикал моделирует органический пероксильный радикал.
Методическая часть
Расчеты исследуемых соединений проведены композитным методом G3MP2B3 4, все геометрические параметры находили полной оптимизацией строения частицы без ограничения по симметрии. Абсолютную энтальпию соединения рассчитывали в виде суммы полной энергии, энергии нулевых колебаний и термической поправки на нагревание от 0 до 298 К. При решении колебательной задачи для реагентов и продуктов реакций не обнаружены мнимые частоты, т. е. все найденные структуры представляют собой минимумы на поверхности потенциальной энергии системы.
Из абсолютных энтальпий таутомеров, соответствующих радикалов и атома Н (-0.499780 Хартри) вычислены прочности N—H и О—Н связей:
Б Ш-Н) = Ио(К-) + Ио(Н') - ИЧИН), (1)
а также найдены тепловые эффекты АИе реакций отрыва Н атома радикалами НОО'
Рис. 1'
о 116.3>Ы 168.4 117
1.24
а1 (1939І)
а3 (1224І)
с р
с
1.16
02 2 Н 1 2^.и3.2 177.2^
Ф
с2 (1556І)
“
Ь2 (1684І)
о
Т
1.3<£ 1 17 іфІОІ-і (Ц^,, 1.25
176.6
сі (1896І)
У
* » сі4 (1579І)
Р
І
к
Рис. 2. Структура переходных состояний (С3МР2Б3) для реакций гидропероксильного ра&жала с тауто-мерами ОМУ по направлениям а1, Ь2, а3, с1, с2 и d4. Величины длин связей выражены в А, валентных углов — в градусах. Мнимые частоты колебаний приведены в см-1
и СИ300' от всех исследованных таутомеров ОМУ.
Свободные энергии Гиббса (О) ОМУ и его таутомеров рассчитаны по уравнению О = Н — Т5, где энтропию (5) соединения вычисляли с помощью известных уравнений статистической термодинамики при температуре (Т) 298 К.
Для вычисления ряда энергий активации (Еакт) реакции пероксильных радикалов с тау-томерами ОМУ в приближении С3МР2Б3 были локализованы переходные состояния (ПС), истинность которых подтверждена наличием одной отрицательной частоты, полученной решением колебательной задачи (рис. 2). Показано, что мнимая частота соответствует переносу атомов водорода по координате реакции.
Величины Еакт остальных реакций оценивали эмпирическим методом пересекающихся парабол (МПП) Денисова. В этой модели каждая реакция характеризуется следующими величинами 56:
— энтальпия АНе, включающая разность нулевых колебаний разрываемой и образующейся связей;
— энергия активации Ее, с учетом энергии нулевого колебания разрываемой связи;
— параметр ге — сумма амплитуд колебаний разрываемой и образующейся связей в ПС;
— параметр Ь (2Ь2 — силовая постоянная разрываемой и образующейся связей);
— параметр а (а2 равен отношению силовых постоянных разрываемой и образующейся связей):
а = Уг4^г / ) , (2)
где /Л{, ^ц, V;, VI — приведенные массы атомов и частоты валентных колебаний рвущейся и образующейся связей соответственно;
— предэкспоненциальный множитель Ад в расчете на одну реагирующую связь.
Параметры AHe и Ee характеризуют индивидуальные реакции, а величины a, b, Ад и re — классы реакций. Перечисленные выше параметры связаны друг с другом соотношением:
ЬГе =аEe -AHe +4^* (3)
С помощью реакций, для которых локализованы ПС, по уравнению (3) мы вычислили величины bre в газовой фазе и в водном растворе, используя найденные квантово-химически тепловые эффекты и энергии активации этих реакций, а также параметр а (уравнение (2)). Локализованные ПС (рис. 1) отвечают двум типам реакций радикального отрыва H атома — атака пероксильным радикалом NH или OH связи таутомера ОМУ. Затем для обоих типов реакций рассчитано среднее значение bre. Подставляя в уравнение (3) известные тепловые эффекты AHe и соответствующее среднее значение bre, мы оценили энергии активации реакций, для которых не были найдены ПС.
Неспецифическая сольватация учтена при единичных расчетах соединений и переходных состояний методом поляризованного континуума (Gaussian 98 7, COSMO 89, B3LYP/6-311+G(2d, p)) в рамках которого вода представляет собой поляризованную среду с диэлектрической константой е = 78.39.
Обсуждение результатов
Реакционную способность наименее устойчивой енольной формы f не рассматривали. Кроме того, связь OH при 5 атоме углерода неактивна ввиду ее высокой прочности и дополнительной стабилизации за счет внутримолекулярной водородной связи C5OH---OC4.
При отрыве атома водорода от таутомеров а-e образуются делокализованные структуры 5
O 1 'i¥ O^N^XH3 r1 0.0 0 О хГг O^^N^CH3 1 r2 32.9 О I XO^N^XH3 r3 33.8 O 1 .O *N A X ^^CH3 1 r4 74.9 /X O^**N^XH3 r5 78.2
а1 (373.7), b2 (338.0) b3 (370.9), e4 (353.8) cl (352.4) a3 (446.7), c2 (391.6), d4 (384.8) d1 (390.0), e2 (399.1)
типов, т. е. в ряде случаев из разных таутоме-ров образуются одинаковые радикалы. Здесь цифрой рядом с таутомером обозначен атом пиримидинового кольца, при котором расположена атакуемая связь, в скобках указана ее прочность (кДж/моль). Также приведена избыточная энергия радикалов (кДж/моль), вычисленная относительно энергии наиболее стабильного радикала г1.
Поскольку дикето-таутомер наиболее стабилен как в газовой фазе, так и в растворе, а прочность Ы3—И связи намного превышает прочность Ы1—И связи 10, за основу сравнения реакционной способности таутомеров принята реакция пероксильных радикалов и таутомера а с образованием радикала г1 . Реакционная способность таутомеров оценена, как отношение скоростей реакций по направлению а1 и другим направлениям:
К, _ ка1[а][КОО’ ] _ ка1 К- _ Г Е, - Еа1 - О0а + 0, Ш к,[г][КОО'] к, а 1
КТ
, (4)
где ^;, к; и Е; — скорость, константа скорости и энергия активации реакции по соответствующему направлению;
Ка; — константа кето-енольного равновесия тау-томеров а и I;
Оо; — свободные энергии таутомеров.
При выводе формулы полагали равенство предэкспоненциальных множителей констант скорости ка1 и к;.
Для направлений а1, Ь2, а3, с1, с2 и ё4 локализованы переходные состояния, из энтальпий реагентов и ПС вычислены энергии активации (табл. 1). В качестве примера на рис. 1 приведены ПС реакций таутомеров ОМУ с гидропероксильным радикалом. Величины Еакт по остальным направлениям оценивали МПП, используя найденные квантовохимически тепловые эффекты реакций, параметры а и среднее значение Ьге. По уравнению (4) определена реакционная способность таутоме-ров (333 К) относительно наиболее выгодного
направления а1 , результаты вычислений представлены в табл. 2.
Из этих данных следует, что дикето-тау-томер ОМУ является наиболее реакционноспособным в реакции отрыва Иатома перок-сильными радикалами. Данный вывод согласуется с результатами работы 3, в которой предположено, что связь Ы1-Н дикето-таутоме-ра является ответственной за элементарный акт ингибирования окисления органических соединений в присутствии урацилов. Из енольных таутомеров наиболее активен тауто-мер Ь, поскольку он относительно стабилен и обладает наименее прочной связью 0И в ряду изученных таутомеров. Тем не менее, его реакционная способность на 1—2 порядка ниже реакционной способности дикето-тауто-мера. Остальные таутомеры значительно менее активны в реакции отрыва атома водорода пероксильными радикалами, поэтому проявлением их ингибирующей активности можно пренебречь. Важно отметить, что в наиболее вероятных конкурирующих реакциях таутоме-ров а и Ь с пероксильными радикалами образуется самый устойчивый радикал г1 . Следовательно, эффективность ингибирования радикально-цепного окисления органических соединений урацилами будет в решающей степени определяться дальнейшими превращениями радикала г1 . Ранее мы отмечали 10, что стабильность этого радикала во многом определяется природой заместителя в пятом положении пиримидинового кольца, что объясняет сильно различающуюся антирадикальную активность урацилов различного строения и удивительно большой диапазон значений прочности связи Д(М1—Н) в этих урацилах.
Таким образом, с кинетической и термодинамической точек зрения единственно возможным радикалом при отрыве атома водорода пероксильными радикалами от таутомеров 5-гидрокси-6-метилурацила является радикал г1 , причем наиболее вероятное его образование происходит за счет атаки Ы1И связи дике-то-таутомера ОМУ.
Таблица 1
Средние значения параметра Ьге для реакций пероксильных радикалов с Н-Ы- и Н-О-связями в газовой фазе и в водном растворе
Тип реакции ЬГе
Р = н Р = Ме
г.ф. вода г.ф. вода
РОО + и-ы- 16.10 19.65 15.33 19.14
РОО + и-о- 15.86 19.28 14.03 18.29
Таблица 2
Энергии активации и тепловые эффекты (кДж/моль) реакций пероксильных радикалов с таутомерами ОМУ и их относительная реакционная способность в газовой фазе
и в водном растворе
Таутомер, место атаки Еакт/AH, кДж/моль WalIWi
HOO' CHaOO' HOO' CH3OO'
г.ф. | вода г.ф. | вода г.ф. | вода г.ф. | вода
G3MP2B3 расчет
a1 78.1 10.2 107.7 6.8 74.7 16.2 102.5 7.7 1 1 1 1
b2 53.0 -25.5 87.0 -29.3 43.7 -19.6 77.3 -28.4 48 263 6 52
cl 54.2 -11.2 85.9 -8.0 51.3 -5.2 83.3 -7.1 1.0105 1.3103 1.2 105 3.2 •Ю3
a3 115.1 85.1 128.6 51.7 113.5 91.1 121.7 52.7 6.4-105 1.9-103 1.2 106 1.0 •Ю3
c2 80.4 29.9 95.1 10.7 69.5 35.9 83.8 11.7 1.3109 3.5104 8.6 107 3.8 •Ю3
d4 71.3 23.2 91.9 7.2 60.4 29.1 86.0 8.1 5.0108 1.5104 1.3 -107 1.1 104
Расчет с помощью МПП
ЬЗ 70.2 7.4 95.4 -7.6 67.0 13.3 90.6 -6.6 2.4-104 5.6-103 2.6 -104 6.4 •Ю3
d1 80.1 26.5 104.2 10.8 77.2 32.4 99.5 11.8 4.8109 1.3106 5.7 -10® 1.5 •Ю6
e2 81.7 35.6 95.0 4.8 72.0 41.5 86.0 5.8 4.7-108 5.8105 4.8 •Ю7 1.5 •Ю5
e4 58.1 -9.7 82.2 -22.1 47.3 -3.8 73.2 -21.1 9.4104 5.7-103 6.3 •103 1.5 •Ю3
Литература
Мышкин В. А. Коррекция перекисного окисления липидов при экспериментальных интоксикациях различными химическими веществами. Дисс. ... докт. мед. наук.— Челябинск, 1998. — 180 с.
Сафарова И. В. Урацилы как ингибиторы радикально-цепного окисления изопропилового спирта. Дисс....канд. хим. наук.— Уфа, 2007. — 97 с.
Даутова И. Ф., Иванов С. П., Хурсан С. Л. // ЖСХ.- 2009.- Т. 50, №6.- С. 1155.
Baboul A. G., Curtiss L. A. Redfern P. C., Raghavachari K. // J. Chem. Phys.- 1999. — V. 110, №16.- P. 7650.
Шестаков А. Ф., Денисов Е. Т. // Изв. АН. Сер. хим.- 2003.- № 1.- С. 306.
Денисов Е. Т., Шестаков А. Ф., Денисова Т. Г., Емельянова Н. С. // Изв. АН. Сер. хим.-2004.- № 4.- С. 693.
S.
9
Frisch M. J., Trucks G. W., Schlegel H. B. Scuseria G. E., Robb M. A., Cheeseman J. R. Zakrzewski V. G., Montgomery J. A., Jr. Stratmann R. E., Burant J. C., Dapprich S. Millam J. M., Daniels A. D., Kudin K. N., Stra in M. C., Farkas O., Tomasi J., Barone V., Cossi M. Cammi R., Mennucci B., Pomelli C., Adamo C. Clifford S., Ochterski J., Petersson G. A., Aya la P. Y., Cui Q., Morokuma K., Malick D. K. Rabuck A. D., Raghavachari K., Foresman J. B. Cioslowski J., Ortiz J. V., Baboul A. G. Stefanov B. B., Liu G., Liashenko A., Piskorz P. Komaromi I., Gomperts R., Martin R. L., Fox D. J. Keith T., Al-Laham M. A., Peng C. Y. Nanayakkara A., Gonzalez C., Challacombe M., W Gill P. M., Johnson B., Chen W., Wong M. W. Andres J. L., Gonzalez C., Head-Gordon M. Replogle E. S., Pople J. A. Gaussian 98. Revision A.7. Pittsburgh pA: Gaussian Inc, 1998.
Barone V., Cossi M. // J. Phys. Chem. A.-1998.- V. 102, №11.- P. 1995.
Chem.
Miertus S., Scrocco E., Tomasi J.
Phys.- 1981.- V. 55, №1.- P. 117.
10. Даутова И. Ф., Хурсан С. Л. // Вестник Баш-ГУ.- 2009.- Т. 14, № 1.- С. 57.
7
