CC BY
17
УДК 547.514.72:544.183.26
В. А. Бабкин, Д. С. Андреев, А. В. Игнатов, В. С. Белоусова, О. В. Стоянов, Г. Е. Заиков
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА КИСЛОТНОЙ СИЛЫ ГЕКСОПРЕНАЛИНА
Ключевые слова: квантово-химическийрасчет, MNDO, DFT-PBE0/6-311G**, гексопреналин, кислотная сила.
Впервые выполнен квантово-химический расчет молекулы гексопреналина методами MNDO и DFT-PBE0/6-31Ю**с оптимизацией геометрии по всем параметрам стандартным градиентным методом. Получено оптимизированное геометрическое и электронное строение этого соединения. Теоретически оценена его кислотная сила (pKa=11). Установлено, что молекула гексопреналина относится к классу слабых H-кислот (9<pKa<14).
Keywords: quantim-chemical calculation, MNDO, DFT-PBE0/6-311G**, hexoprenaline, acid strength.
First quantum-chemical calculation of the molecule of hexoprenaline by MNDO and DFT-PBE0/6-311G** methods with geometry optimization of all parameters by standard gradient method has been performed. The optimized geometric and electronic structure of this compound has been obtained. Its acid strength (pKa=11) has been theoretically evaluated.We have established that the molecule of hexoprenaline relates to a class ofweak acids (9<pKa<14).
Гексопреналин — известный лекарственный препарат [1, 2]. Оказывает токолитическое, бронхорасширяющее действие [2]. Несмотря на свою известность, до настоящего времени геометрическое и электронное строение этого препарата на электронном наноуровне не изучено методом БРТ.
В связи с этим, целью настоящей работы является квантово-химический расчет молекулы гексопреналина [2] методом БРТ-РВЕ0/6-31Ш** и, для сравнения, методом ММЭО с оптимизацией геометрии по всем параметрам стандартным градиентным методом, встроенным в РСвЛМЕ88[3], в приближении изолированной молекулы в газовой фазе, изучение его геометрического и электронного строения, и теоретическая оценка его кислотной силы. Для визуального представления модели молекулы использовалась известная программа МасМо1РИ [4].
Результаты расчетов
Оптимизированное геометрическое и электронное строение, общая энергия и электронная энергия молекулы гексопреналина получены методами ММЭО иБРТ-РВЕ0/6-31Ш** и показаны на рис.1,2 и в табл.1-3. Используя формулы (для М^БО — рКа = 42.11-147.^^+ [5], ^та*Н+ = +0.21 — максимальный заряд на атоме водорода, рКа — универсальный показатель кислотности см. табл. 1) и формулу БРТ-РВЕ0/6-31Ш** — рКа=51.048-150.078qmaXH+ ^тахН+ = +0.27, табл. 2), полученную авторами по методике, предложенной в [5], но для метода БРТ РВЕ0/6-31Ш**, находим значение кислотной силы, равное рКа=11.
Таким образом, нами впервые выполнен квантово-химический расчет молекулы
гексопреналина методами ММЭО и БРТ-РВЕ0/6-31Ш**. Получено оптимизированное
геометрическое и электронное строение этого соединения. Теоретически оценена его кислотная сила Оба метода показали одинаковый результат — рКа=11. Установлено, что гексопреналин относится к классу слабых Н-кислот (9<рКа<14).
<0.21
Рис. 1 - Геометрическое и электронное строение
молекулы гексопреналина методом MNDO. (Е0= -541577 кДж/моль, Еэл= -3755821 Дж/моль)
Рис. 2 - Геометрическое и электронное строение молекулы гексопреналина методом DFT-PBE0/6-311G**.
(Е0= -3720150 кДж/моль, Еэл= -10331039 Дж/моль)
Таблица 1 - Оптимизированные длины связей, валентные углы и заряды на атомах молекулы гексопреналина (метод МКБО)
Длины связей Валентные углы Град
С(2)-С(1) 1.43 С(5)-С(6)-С(1) 121
С(3)-С(2) 1.42 С(1)-С(2)-С(3) 120
С(4)-С(3) 1.41 0(29)-С(2)-С(3) 123
С(5)-С(4) 1.41 С(2)-С(3)-С(4) 121
С(6)-С(5) 1.40 С(3)-С(4)-С(5) 118
С(6)-С(1) 1.42 С(7)-С(4)-С(5) 123
С(7)-С(4) 1.54 С(4)-С(5)-С(6) 122
С(8)-С(7) 1.57 С(2)-С(1)-С(6) 118
М(9)-С(8) 1.47 С(3)-С(4)-С(7) 119
С(10)-М(9) 1.47 С(4)-С(7)-С(8) 111
С(11)-С(10) 1.55 0(28)-С(7)-С(8) 115
С(12)-С(11) 1.54 С(7)-С(8)-М(9) 112
С(13)-С(12) 1.54 С(8)-М(9)-С(10) 117
С(14)-С(13) 1.54 М(9)-С(10)-С(11) 111
С(15)-С(14) 1.55 С(10)-С(11)-С(12) 113
М(16)-С(15) 1.47 С(11)-С(12)-С(13) 114
С(17)-М(16) 1.47 С(12)-С(13)-С(14) 114
С(17)-С(18) 1.57 С(13)-С(14)-С(15) 113
С(18)-С(19) 1.53 С(14)-С(15)-Щ16) 111
С(19)-С(24) 1.46 С(18)-С(17)-Щ16) 111
С(20)-С(19) 1.47 С(15)-М(16)-С(17) 116
С(21)-С(20) 1.36 С(19)-С(18)-С(17) 111
С(22)-С(21) 1.47 0(27)-С(18)-С(17) 109
С(23)-С(22) 1.49 С(24)-С(19)-С(18) 120
С(24)-С(23) 1.37 С(20)-С(19)-С( 18) 123
0(25)-С(22) 1.34 С(23)-С(24)-С( 19) 121
0(26)-С(23) 1.36 С(24)-С(19)-С(20) 118
0(27)-С(18) 1.40 С(19)-С(20)-С(21) 122
0(28)-С(7) 1.40 С(20)-С(21)-С(22) 121
0(29)-С(2) 1.36 С(21)-С(22)-С(23) 118
0(30)-С(1) 1.36 0(25)-С(22)-С(23) 125
Н(31)-С(3) 1.09 С(22)-С(23)-С(24) 120
Н(32)-С(5) 1.09 0(26)-С(23)-С(24) 124
Н(33)-С(6) 1.09 С(21)-С(22)-0(25) 117
Н(34)-С(7) 1.13 С(22)-С(23)-0(26) 115
Н(35)-С(8) 1.12 С(19)-С(18)-0(27) 112
Н(36)-С(8) 1.12 С(4)-С(7)-0(28) 112
Н(37)-М(9) 1.01 С(1)-С(2)-0(29) 117
Н(38)-С(10) 1.12 С(2)-С(1)-0(30) 125
Н(39)-С(10) 1.12 С(2)-С(3)-Н(31) 119
Н(40)-С(11) 1.11 С(4)-С(5)-Н(32) 121
Н(41)-С(11) 1.11 С(5)-С(6)-Н(33) 119
Н(42)-С(12) 1.11 С(1)-С(6)-Н(33) 120
Н(43)-С(12) 1.11 С(4)-С(7)-Н(34) 108
Н(44)-С(13) 1.11 С(7)-С(8)-Н(35) 110
Н(45)-С(13) 1.11 С(7)-С(8)-Н(36) 107
Н(46)-С(14) 1.11 С(8)-М(9)-Н(37) 110
Н(47)-С(14) 1.11 М(9)-С(10)-Н(38) 109
Н(48)-С(15) 1.12 М(9)-С(10)-Н(39) 112
Н(49)-С(15) 1.12 С(10)-С(11)-Н(40) 109
Н(50)-М(16) 1.01 С(10)-С(11)-Н(41) 109
Н(51)-С(17) 1.12 С(11)-С(12)-Н(42) 109
Н(52)-С(17) 1.12 С(11)-С(12)-Н(43) 109
Н(53)-С(18) 1.13 С(12)-С(13)-Н(44) 109
Н(54)-С(20) 1.09 С(12)-С(13)-Н(45) 109
Н(55)-С(21) 1.09 С(13)-С(14)-Н(46) 109
Н(56)-С(24) 1.09 С(13)-С(14)-Н(47) 109
Н(57)-0(25) 0.95 С(14)-С(15)-Н(48) 109
Н(58)-0(26) 0.95 С(14)-С(15)-Н(49) 110
Н(59)-0(27) 0.95 С(15)-М(16)-Н(50) 109
Н(60)-0(28) 0.95 М(16)-С(17)-Н(51) 109
Н(61)-0(29) 0.95 С(18)-С(17)-Н(51) 108
Н(62)-0(30) 0.95 М(16)-С(17)-Н(52) 113
С( 18)-С( 17)-Н(52) 110
С(19)-С(18)-Н(53) 108
С( 19)-С(20)-Н(54) 118
С(20)-С(21)-Н(55) 121
С(23)-С(24)-Н(56) 121
С(22)-0(25)-Н(57) 115
С(23)-0(26)-Н(58) 113
С(18)-0(27)-Н(59) 111
С(7)-0(28)-Н(60) 113
С(2)-0(29)-Н(61) 113
С( 1 )-0(30)-Н(62) 114
Таблица 2 - Оптимизированные длины связей, валентные углы и заряды на атомах молекулы гексопреналина (метод DFT-PBE0/6-311G**)
Длины связей Я,Л Валентные углы Град
1 2 3 4
С(2)-С(1) 1.40 С(4)-С(3)-С(2) 121
С(3)-С(2) 1.38 С(1)-С(2)-С(3) 121
С(3)-С(4) 1.40 С(5)-С(4)-С(3) 118
С(4)-С(5) 1.39 0(29)-С(2)-С(3) 125
С(5)-С(6) 1.39 С(7)-С(4)-С(3) 121
С(6)-С(1) 1.39 С(6)-С(5)-С(4) 121
С(7)-С(4) 1.51 С(1)-С(6)-С(5) 120
С(8)-С(7) 1.54 С(2)-С(1)-С(6) 119
М(9)-С(8) 1.45 С(5)-С(4)-С(7) 121
С(10)-М(9) 1.45 С(4)-С(7)-С(8) 113
С(11)-С(10) 1.52 0(28)-С(7)-С(8) 109
С(12)-С(11) 1.52 С(7)-С(8)-М(9) 114
С(13)-С(12) 1.52 С(8)-М(9)-С(10) 115
С(14)-С(13) 1.52 М(9)-С(10)-С(11) 110
С(15)-С(14) 1.52 С(10)-С(11)-С(12) 114
М(16)-С(15) 1.45 С(11)-С(12)-С(13) 113
С(17)-М(16) 1.45 С(12)-С(13)-С(14) 113
С(17)-С(18) 1.52 С(13)-С(14)-С(15) 113
С(18)-С(19) 1.51 С(14)-С(15)-Щ16) 111
С(19)-С(24) 1.40 С(18)-С(17)-Щ16) 110
С(20)-С(19) 1.39 С(15)-М(16)-С(17) 114
С(21)-С(20) 1.39 С(19)-С(18)-С(17) 112
С(22)-С(21) 1.39 0(27)-С(18)-С(17) 106
С(23)-С(22) 1.40 С(24)-С(19)-С(18) 120
С(24)-С(23) 1.38 С(20)-С(19)-С( 18) 121
0(25)-С(22) 1.35 С(23)-С(24)-С( 19) 120
0(26)-С(23) 1.37 С(24)-С(19)-С(20) 119
0(27)-С(18) 1.42 С(19)-С(20)-С(21) 121
0(28)-С(7) 1.43 С(20)-С(21)-С(22) 120
0(29)-С(2) 1.37 С(21)-С(22)-С(23) 119
0(30)-С(1) 1.35 0(25)-С(22)-С(23) 120
Н(31)-С(3) 1.09 С(22)-С(23)-С(24) 121
Н(32)-С(5) 1.09 0(26)-С(23)-С(24) 125
Н(33)-С(6) 1.08 С(21)-С(22)-0(25) 121
Н(34)-С(7) 1.09 С(22)-С(23)-0(26) 115
Н(35)-С(8) 1.10 С(19)-С(18)-0(27) 112
Н(36)-С(8) 1.10 С(4)-С(7)-0(28) 112
Н(37)-М(9) 1.02 С(1)-С(2)-0(29) 115
Н(38)-С(10) 1.10 С(2)-С(1)-0(30) 120
Н(39)-С(10) 1.11 С(2)-С(3)-Н(31) 119
Н(40)-С(11) 1.10 С(4)-С(3)-Н(31) 120
Н(41)-С(11) 1.10 С(6)-С(5)-Н(32) 119
Н(42)-С(12) 1.10 С(1)-С(6)-Н(33) 118
Н(43)-С(12) 1.10 С(4)-С(7)-Н(34) 109
Н(44)-С(13) 1.10 С(7)-С(8)-Н(35) 109
Н(45)-С(13) 1.10 С(7)-С(8)-Н(36) 110
Н(46)-С(14) 1.10 С(8)-М(9)-Н(37) 108
Н(47)-С(14) 1.10 М(9)-С(10)-Н(38) 108
Н(48)-С(15) 1.10 М(9)-С(10)-Н(39) 114
Н(49)-С(15) 1.11 С(10)-С(11)-Н(40) 109
Н(50)-М(16) 1.02 С(10)-С(11)-Н(41) 108
Н(51)-С(17) 1.10 С(11)-С(12)-Н(42) 109
Н(52)-С(17) 1.11 С(11)-С(12)-Н(43) 110
Н(53)-С(18) 1.10 С(12)-С(13)-Н(44) 109
Н(54)-С(20) 1.08 С(12)-С(13)-Н(45) 109
Н(55)-С(21) 1.08 С(13)-С(14)-Н(46) 109
Н(56)-С(24) 1.09 С(13)-С(14)-Н(47) 110
Н(57)-0(25) 0.96 С(14)-С(15)-Н(48) 109
Н(58)-0(26) 0.96 С(14)-С(15)-Н(49) 109
Н(59)-0(27) 0.96 С(15)-М(16)-Н(50) 110
Окончание табл. 2
1 2 3 4
H(60)-0(28) 0.96 N(16)-C(17)-H(51) 109
H(61)-0(29) 0.96 C(18)-C(17)-H(51) 109
H(62)-0(30) 0.96 N(16)-C(17)-H(52) 114
C( 18)-C( 17)-H(52) 108
C(19)-C(18)-H(53) 109
C(19)-C(20)-H(54) 119
C(20)-C(21 )-H(5 5) 121
C(23)-C(24)-H(56) 120
C(22)-0(25)-H(57) 107
C(23)-0(26)-H(58) 110
C(18)-0(27)-H(59) 108
C(7)-0(28)-H(60) 107
C(2)-0(29)-H(61) 110
C(1)-0(30)-H(62) 107
Таблица 3 - Общая энергия (Е0), электронная энергия (Еэл), максимальный заряд на атоме водорода (qmax ) и универсальный показатель кислотности (pKa) молекулыгексопреналина
№ Метод -Е0 (kDg/mol) -Еэл (kDg/mol) qmax + pKa
1 MND0 541577 3755821 0.21 11
2 DFT- PBE0/6- 311G** 3720150 10331039 0.27 11
Кроме того, необходимо отметить, что эти расчёты точно совпадают с расчётом методом AM1, оценка кислотной силы которым также даёт pKa=11 [7].
Литература
1. Pinder RM, Brogden RN, Speight TM, Avery GS. Hexoprenaline: a review of its pharmacological properties and therapeutic efficacy with particular reference to asthma. Drugs. 1977 Jul;14(1):1-28. PMID 195789
2. http://ru.wikipedia.org/wiki/Гексопреналин
3.M.W. Shmidt, K.K. Baldrosge, J.A. Elbert, M.S. Gordon, J.H. Enseh, S.Koseki, N.Matsvnaga., K.A. Nguyen, S. J. SU, andanothers. J. Comput. Chem.14, 1347-1363, (1993).
4. Bode, B. M. andGordon, M. S. J. Mol. GraphicsMod., 16, 1998, 133-138.
5. Babkin V.A., Fedunov R.G., Minsker K.S. and anothers. Oxidation communication, 2002, №1, 25, 21-47.
6. Бабкин В.А., Андреев Д.С., Игнатов А.В., Белоусова
B.С., Стоянов О.В., Заиков Г.Е. Гексопреналин. Геометрическое и электронное строение. Кислотная сила // Вестник Казан. технол. ун-та. 2014, Т.17, №11,
C.13-15.
© В. А. Бабкин — д-р хим. наук, проф., нач. научн. отдела Себряковского филиала Волгоградского госуд. архитектурно-строительного ун-та, Babkin_v.a@mail.ru; Д. С. Андреев — асп. того же вуза, power_words@mail.ru; А. В. Игнатов - студ. того же вуза, dmitriev1987@mail.ru; В. С. Белоусова — канд. мед. наук, Первый Московский государственный университет имени И.М. Сеченова, desdemosha@mail.ru; О. В. Стоянов — д-р техн. наук, проф., зав. каф. технологии пластических масс КНИТУ, stoyanov@mail.ru; Г. Е. Заиков — д-р хим. наук, проф. той же кафедры, chembio@sky.chph.ras.ru.
© V. A. Babkin - doctor of chemical sciences, head of research department of Volgograd State University of Architecture and Civil Engineering, Sebryakovsky branch, Mikhailovka, Russian Federation, Babkin_v.a@mail.ru; D. S. Andreev — postgraduate student, Volgograd State University of Architecture and Civil Engineering, power_words@mail.ru; A. V. Ignatov - student, Volgograd State University of Architecture and Civil Engineering, Sebryakovsky branch, Mikhailovka, Russian Federation, dmitriev1987@mail.ru; V. S. Belousova — First Moscow State University of name I.M. Sechenov, desdemosha@mail.ru; O. V. Stoyanov — doctor of technical sciences, professor, Department of technology of plastic materials KNRTU; G. E. Zaikov - professor, Department of technology of plastic materials KNRTU, chembio@sky.chph.ras.ru.
