CC BY
65
microextraction combined with liquid chromatography with fluorescence detection // J. Chromatogr. A. 2004. Vol. 1025, № 2. P. 163-168. 7. Cornell S., Maragos C. M. Capillary electrophoresis with laser induced fluorescence: method for ochratoxin A // J. Agr. and Food Chem. 1998. Vol. 46, № 8. P. 3162-3165.
8. Рикунова Е. Н., Гугучкина Т. И. Определение содержания охратоксина А в виноградных винах // Изв. вузов. Пищевая технология. 2005. № 1. С. 107-108
9. Горячева И. Ю., Русанова Т. Ю., Бурмистрова Н. А. Иммунохимические методы определения микотокси-нов // Журн. аналит. химии. 2009. Т. 64, № 8. С. 788-806.
УДК 544.169
КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ АНАЛИЗ КОНСТАНТ ДИССОЦИАЦИИ НЕКОТОРЫХ ГИДРОКСИБЕНЗОЙНЫХ КИСЛОТ
М. В. Пожаров, Т. В. Захарова
Саратовский государственный университет E-mail: [email protected]
Изучена геометрия и электронное строение молекул гидрок-сибензойных, в частности замещенных салициловых кислот, различными квантово-химическими методами. Найдена корреляция между энергией депротонирования и константой диссоциации карбоксильной группы для исследованных соединений. Ключевые слова: ab initio расчеты, методы DFT, замещенные салициловые кислоты.
Correlation Analysis of the Dissociation Constants Some Hydroxybenzoate
M. V. Pozharov, T. V. Zacharova
Geometry and electronic structure of several hydroxybenzoic acids including substituted salicylic acids was studied by several quantum chemical algorithms. A correlation between deprotonation energy and carboxylic group dissociation constant was found. Key words: ab initio calculations, DFT, substituted salicylic acids.
Введение
Гидроксибензойные кислоты, в частности салициловая (2-гидроксибензойная) кислота и ее замещенные, широко используются в науке и технике. Так, салициловая кислота является прекрасной моделью для изучения механизма внутри- и межмолекулярных водородных связей [1-3]. Гидроксибензойные кислоты, адсорбированные на поверхности наночастиц серебра, могут использоваться для поверхностно-усиленного комбинационного рассеяния [4]. Наиболее широко данные соединения применяются в медицине в качестве антибактериальных и антимикробных агентов [5-8].
Одним из важнейших параметров, определяющих биологическую активность соединений, является pKa, где Ka - константа равновесия реакции депротонирования [9]. Величина pKa
играет очень важную роль в определении таких качеств потенциального лекарственного средства, как адсорбция, распределение, метаболизм и выделение. В большинстве лекарственных препаратов содержится, по крайней мере, одна группа, способная обратимо присоединять или отщеплять протон. Согласно уравнению Хен-дерсона-Хассельбаха, логарифм отношения концентрации непротонированной формы вещества к концентрации протонированной формы равен разности величин рН и рКа. Соотношение протонированной и депротонированной форм лекарственного средства является ключевым фактором, определяющим его связывающие и транспортные свойства.
рКа связана с величиной свободной энергии Гиббса (АОач) для реакции протонирования соотношением:
рКа = АОаЧ/(ЯГ 1п10) = АОщ / (2.303ЯТ ), (1)
где Я - универсальная газовая постоянная, Т -абсолютная температура.
В связи с этим для получения достоверного прогноза величины рКа необходимо очень точно рассчитать величину АОад, поскольку ошибка в 5,69 кДж/моль при расчете АОад равносильна ошибке на порядок при расчете рКа при комнатной температуре [9].
Свойства органических кислот в газовой фазе весьма значительно отличаются от их поведения в водном растворе. В результате расчеты, произведенные в газовой фазе, не могут быть использованы для достоверного и точного предсказания констант диссоциации этих кислот в воде. Использование современ-
© Пожаров М. В., Захарова Т. В., 2014
ных сольватационных моделей, в частности модели СОБМО [10], в сочетании с теорией функционала плотности или теории возмущений Мёллера-Плессета позволяет достаточно точно предсказывать константы диссоциации различных соединений, в том числе ароматических кислот [9]. Однако основным недостатком таких расчетов является их ресурсоемкость и большие временные затраты.
В то же время имеются сведения о хорошей корреляции между рассчитанными для газовой фазы теоретическими дескрипторами молекул и экспериментально определенными константами кислотности. В литературе описаны корреляционные зависимости, определенные для уксусной кислоты и ее замещенных [11], алкилзамещен-ных спиртов [12], п-замещенных фенолов [13]. Имеются данные об изучении кислотности ги-дроксильной группы в цеолитах [14]. Хорошая корреляция между значениями рКа для большого ряда органических кислот и рассчитанными значениями энергии депротонирования этих кислот позволила оценить кислотность гидро-фуллеренов [15]. Достаточно достоверные корреляции между теоретическими дескрипторами и константами кислотно-основного равновесия были получены для таких классов органических соединений, как амины [16, 17], спирты и тиолы [18] и галогенуксусные кислоты [19].
Поскольку для нахождения корреляционной зависимости допустима более высокая погрешность при расчете энергических характеристик молекулы, то вместо А00г в соотношении (1) можно использовать энтальпию реакции де-протонирования (АН0Г), и представить рКа как линейную функцию от величины ДН [20,21]: рКЛ(0 = аг -АН°Г + Ъг, (2),
где / обозначает класс ионизируемых соединений, таких как, например, карбоновые кислоты.
Для кислоты НА реакцию депротонирования можно условно записать в виде НА ^ Н+ + А-, соответственно ДН0Г для такого процесса находится как разность энергий (Е(А- ) + Е(Н+)) - Е (НА), рассчитанных теоретически. Эмпирические параметры а^ и Ъ^ определяются по методу наименьших квадратов для класса соединений f и учитывают систематическую ошибку выбранного метода квантово-химических расчетов (а также соль-ватационной модели, если таковая используется) и энтропийных эффектов. Нахождение
значений данных параметров позволяет быстро и точно оценить величину рКа для вещества, относящегося к классу f на основании относительно простых и малозатратных расчетов энергии.
В связи с этим целью данной работы является установление взаимосвязей между полученными экспериментально значениями величин рКа и рассчитанными значениями энтальпии депротонирования карбоксильной группы в вышеуказанных кислотах.
Экспериментальная часть
Электронная структура и геометрия молекул кислот рассчитаны полуэмпирическими методами AM1 [22] и RM1 [23] и неэмпирическими методами UHF/3-21G(d,p) [24, 25] и 6-31G(d,p) [26-28], в том числе с учетом теории возмущений Мёллера-Плессета 2-го порядка (MP2), и при помощи DFT-потенциалов OLYP [29,30] и B3PW91 [30, 31], с использованием комплекса Firefly v. 8.0 [32], программный код которого частично основан на программном коде Gamess (US) [33]. Графические формулы объектов исследования представлены на рис. 1.
Результаты и их обсуждение
Для оценки точности использованных методов рассчитанные параметры геометрии молекулы салициловой кислоты были сопоставлены с результатами ее кристаллографического исследования [1] (табл. 1).
Как видно из табл. 1, в целом использованные методы достаточно хорошо описывают геометрические характеристики «остова». В то же время существуют некоторые различия между рассчитанными и экспериментальными значениями длин связей (в частности, Сб - С1 внутримолекулярной водородной связи О1 ••• Н5), которые варьируются в зависимости от метода.
Рассчитанные значения разницы между энергиями протонированной и депротониро-ванной формы кислот (с учетом эмпирически определенного значения энергии протона в газовой фазе) сопоставлены с экспериментальными данными о константах диссоциации. Результаты сопоставления представлены в табл. 2.
Как видно из табл. 2, между значениями энергии депротонирования исследуемых кислот, полученных полуэмпирическими методами (AM1, RM1), и экспериментально определенными значениями рКа наблюдается слабая
I - XII
XIII
XIV
Рис. 1. Строение молекул исследуемых кислот (ЪХШ - 2-гидроксибензойная (салициловая) и ее производные (I - Х1= -Ш2, Х2= -Ы02; II - Х1 = -С1, Х2 = -Ы02; III - Х1 = -Ш2, Х2 = -Н; IV - Х1 = -Н, Х2 = -Ы02; V -
Х2 = -С1; VI - Х1 = -ЫН2, Х2 = -Б03Н; VII - Х1 = -С1, Х2 = -Н; VIII ■
Х1 = -С1,
Х1 = -Н, Х2 = -С1; !Х - Х1 = -Н, Х2 = -Б03Н;
Х - Х1 = -Н, Х2 = -Н; Х! - Х1 = -Н, Х2 = -ЫН2; ХП - Х1 = -Н, Х2 = -СН3; ХШ - 3-гидроксибензойная; Х^ - 4-гидрокси-
бензойная)
Таблица 1
Параметры геометрии молекулы салициловой кислоты, рассчитанные различными методами, и их сравнение с экспериментальными данными (длина связей, А; углы, °)
Параметр АМ1 т1 3-210(а,р) 3-210 (а,р) /0ЬУР 3-210(4р) /Б3РШ91 3-210(а,р) /МР2 Эксп., [1]
С - С (кольцо) 1,39 ± 0,02 1,40 ± 0,02 1,40 ± 0,01 1,41 ± 0,01 1,40 ± 0,02 1,41 ± 0,02 1,42 ± 0,02
С2 - С7 1,46 1,45 1,46 1,46 1,45 1,47 1,47
С7 - 02 1,36 1,34 1,35 1,38 1,37 1,39 1,31
С7 = 01 1,24 1,24 1,22 1,26 1,25 1,25 1,24
02 - Н4 0,94 0,99 0,99 1,00 0,99 0,96 0,99
С3 - 03 1,36 1,34 1,36 1,38 1,36 1,39 1,37
03 - Н3 0,95 0,97 0,97 0,97 0,97 0,96 0,96
О1...Н5 2,03 1,73 1,83 1,63 1,68 1,82 1,77
Таблица 2
Корреляция между энергиями депротонирования (АН°Г) кислот, рассчитанными различными методами (в кДж/моль), и экспериментально определенными значениями рКа
Кислота рКа (эксп.) ДН°Г (т1) ДН0Г (АМ1) ДН0Г (3-210 (¿,р)) ДН0Г (3-210 (а,р)/о1ур) ДН0Г (3-210 ((1,р)/тр2) ДН0Г (3-210 ((!,р)/Ь3р%г91) ДН0Г (6-3110 (¿,р))
I 0,13 [34] 1033 1082 1311 1294 1349 1288 1019
II 1,33 [34] 1057 1094 1350 1323 1375 1319 1055
III 1,78 [34] 1059 1110 1383 1356 1402 1347 1084
IV 1,98 [34] 1107 1130 1421 1351 1407 1347 1084
V 2,05 [34] 1092 1130 1402 1365 1406 1361 1101
VI 2,14 [35] 1176 1129 1420 1449 1458 1439 1102
Окончание табл. 2
Кислота рКа (эксп.) ДН°Г (ЯМ1) ДН0Г (АМ1) ДН0Г (3-210 (¿,р)) ДН0Г (3-210 (адыур) ДН0Г (3-210 (<1,р)/шр2) ДН0Г (3-210 ((!,р)/Ь3р%г91) ДН0Г (6-3110 (¿,р))
VII 2,36 [34] 1114 1156 1430 1390 1432 1386 1125
VIII 2,56 [34] 1117 1156 1436 1395 1439 1391 1131
IX 2,85 [35] 1125 1156 1344 1352 1380 1345 1039
X 2,98 [36] 1185 1180 1473 1422 1473 1419 1163
XI 3,00 [37] 1172 1153 1448 1402 1455 1404 1130
XII 3,23 [34] 1186 1180 1472 1425 1473 1422 1165
XIII 4,08 [36] 1262 1204 1515 1496 1529 1491 1196
XIV 4,57 [36] 1252 1195 1528 1509 1539 1504 1210
корреляция (Я2 = 0,62-0,64). Для ряда кислот, содержащих сильные электроакцепторные группы (например, для 3-нитросалициловой и 3-амино-5-сульфосалициловой кислот), наблюдаются существенные расхождения рассчитанных энергий с экспериментальными значениями. Это может быть обусловлено недостаточным учетом влияния таких функциональных групп на распределение электронной плотности в молекуле, что приводит к ухудшению корреляции.
В случае использования неэмпирического базиса 3-210(^р) корреляция улучшается (Я2 = 0,67), при этом наилучший результат наблю-
дается при использовании ОБР-функционалов ОЬУР (Я2 = 0.89) и B3PW91 (Я2 = 0,88), что согласуется с литературными данными [9], в то время как учет теории возмущений Мелле-ра-Плессета 2-го порядка не приводит к столь значительным результатам (Я2 = 0,79). При этом увеличение базисного набора снижает показатель корреляции (Я2 = 0,62).
Согласно полученным результатам, для кислот, содержащих сульфогруппу, линейная зависимость рН от энергии депротонирования не наблюдается. Если исключить эти кислоты из корреляционной зависимости, показатели корреляции значительно улучшаются (рис. 2).
Рис. 2. Корреляция между энергиями депротонирования кислот (за исключением кислот, содержащих сульфогруппу), рассчитанными различными методами в газовой фазе, и экспериментально определенными значениями рКа
Заключение
Используя полуэмпирические и неэмпирические методы, рассчитаны параметры геометрии и электронной структуры гидроксибензойных кислот, в частности 2-гидроксибензойной кислоты и некоторых ее замещенных. Показано, что использование неэмпирического метода 3-21G(d,p) позволяет получить высокую корреляцию (R2 = = 0,97) между экспериментальными значениями констант диссоциации исследуемых кислот и рассчитанными значениями энергий их депрото-нирования при относительно низких временных затратах. Использование сольватационной модели РСМ, применение DFT-методов расчета, учет корреляционно-обменного потенциала (МР2), а также увеличение базисного набора не приводят к существенному увеличению качества корреляционной зависимости. Полученные корреляционные уравнения могут быть использованы для априорной оценки рН различных замещенных гидроксибензойных кислот.
Авторы статьи выражают благодарность С. П. Муштаковой, Н. А. Бурмистровой, А. В. Маркину за ценные советы и замечания.
Список литературы
1. Kwon Y. Theoretical study on salicylic acid and its analogues: intramolecular hydrogen bonding // J. of Molec. Structure (Theochem). 2000. Vol. 532. P. 227-237.
2. Boczar M., Boda L., Wojcik M. J. Theoretical modeling of infrared spectra of hydrogen-bonded crystals of salicylic acid // Spectrochim. Acta A. 2006. Vol. 64. P. 757-760.
3. Karabacak M., Kose E., Kurt M. FT-Raman, FT-IR spectra and DFT calculations on monomeric and dimeric structures of 5-fluoro- and 5-chloro-salicylic acid // J. Raman Spectrosc. 2010. Vol. 41 P. 1085-1097.
4. Castro J. L., Arenas J. F., López Ramírez M. R, Peláez D., Otero. J. C. Surface-enhanced Raman scattering of hydroxybenzoic acids adsorbed on silver nanoparticles // J. Colloid and Interface Science. 2009. Vol. 332, iss. 1. P. 130-135.
5. Khan I. M., Ahmad A., UllahM. F. Synthesis, spectroscopic investigations, antimicrobial and DNA binding studies of a new charge transfer complex of o-phenylenediamine with 3,5-dinitrosalicylic acid // Spectrochimica Acta PartA: Molecular and Biomolecular Spectroscopy. 2013. Vol. 102. P. 82-87.
6. Kantouch A., El Sayed A. A., Salama M., El Kheir A. A., Mowafi S. Salicylic acid and some of its derivatives as antibacterial agents for viscose fabric // Intern. J. of Biological Macromolecules. 2013. Vol. 62. P. 603-607.
7. Wen P., Chen J., Wan S., Kong W., Zhang P., Wang W., Zhan J., Pan Q., Huang W. Salicylic acid activates phe-nylalanine ammonia-lyase in grape berry in response to
high temperature stress // Plant Growth Regul. 2008. Vol. 55, iss. 1. P. 1-10.
8. Singh Y. P., DasR., Singh R. A. Numerical simulation of the internal vibrations of COOH group in amino-salicylic acids // Afr. J. Biochem. 2007. Vol. 1 (2). P. 19-23.
9. Zhang S., Baker J., Pulay P. A Reliable and Efficient First Principles-Based Method for Predicting pKa Values. 1. Methodology // J. Phys. Chem. A 2010. Vol. 114. P. 425-431.
10. KlamtA., Schuurmann G. COSMO : a new approach to dielectric screening in solvents with explicit expressions for the screening energy and its gradient // J. Chem. Soc., Perkin Transactions 2. 1993. Iss. 5. P. 799-805.
11. De ProftF., Amira S., Choho K., GeerlingsP. Quantum-chemical Study of the Acidity of Substituted Acetic Acids with Density Functional Theory based Descriptors // J. Phys. Chem. 1994. Vol. 98 (20). P. 5227-5233.
12. De Proft F., Langenaeker W., Geerlings P. Acidity of Alkyl Substituted Alcohols: Are Alkyl Groups Electron-Donating or Electron-Withdrawing? // Tetrahedron. 1995. Vol. 51. P. 4021-4032.
13. Mendez F., Romero M. L., De Proft F., Geerlings P. p-Phenolic Nucleophiles Basicity and the EliminationSubstitution Ratio in Phenylethylbromide : A HSAB Theoretical Study //J. Org. Chem. 1998. Vol. 63 (17). P. 5774-5778.
14. Tielens F., Langenaeker W., Geerlings P. Ab initio study of the bridging hydroxyl acidity and stability in the 12-membered ring of zeolites // Theochem. 2000. Vol. 496. P. 153-162.
15. Choho K., Van Lier G., Van de Woude G., Geerlings P. Acidity of hydrofullerenes : a quantum chemical study // J. Chem. Soc. Perkin Transactions 2. 1996. Iss. 8. P. 1723-1732.
16. Yang W., Mortier W. J. The use of global and local molecular parameters for the analysis of the gas-phase basicity of amines // J. Am. Chem. Soc. 1986. Vol. 108. P. 5708-5711.
17. Contreras R., Fuentealba P., Galvan M., Perez P. A direct evaluation of regional Fukui functions in molecules // Chem.Phys. Lett. 1999. Vol. 304. P. 405-413.
18. Perez P., Simon-Manso Y., Aizman A., Fuentealba P., Contreras R. Empirical Energy-Density Relationships for the Analysis of Substituent Effects in Chemical Reactivity // J. Amer. Chem. Soc. 2000. Vol. 122. P. 4756-4762.
19. Perez P., Toro-Labbe A., Contreras R. Global and Local Analysis of the Gas-Phase Acidity of Haloacetic Acids // J. Phys. Chem. A. 2000. Vol. 104. P. 5882-5887.
20. Klamt A., Eckert F., Diedenhofen M., Beck M. First Principles Calculations of Aqueous pKa Values for Organic and Inorganic Acids Using COSMO-RS Reveal an Inconsistency in the Slope of the pKa Scale // J. Phys. Chem. A. 2003. Vol. 107. P. 9380-9386.
21. Adam K. R. New Density Functional and Atoms in Molecules Method of Computing Relative pKa Values in Solution // J. Phys. Chem. A. 2002. Vol. 106. P. 11963-11972.
22. Dewar M., Zoebisch E., Healy E., Stewart J. Development and use of quantum mechanical molecular
models. 76. AMI: a new general purpose quantum mechanical molecular model // J. Amer. Chem. Soc. 1985. Vol. 107(13). P. 3902-3909.
23. Rocha G., Freire R., Simas A., Stewart J. RM1: A repa-rameterization of AM1 for H, C, N, O, P, S, F, Cl, Br, and I // J. Comp. Chem. 2006. Vol. 27, iss. 10. P. 11011111.
24. Binkley J., Pople J., Hehre W. Self-consistent molecular orbital methods. 21. Small split-valence basis sets for first-row elements // J. Amer. Chem. Soc. 1980. Vol. 102. P. 939-947
25. Gordon M., Binkley J., Pople J., Pietro W., Hehre W. Self-consistent molecular-orbital methods. 22. Small split-valence basis sets for second-row elements // J. Amer. Chem. Soc. 1982. Vol. 104. P. 2797-2803
26. DitchfieldR., Hehre W., Pople J. Self-Consistent Molecular Orbital Methods. IX. An Extended Gaussian-Type Basis for Molecular-Orbital Studies of Organic Molecules // J. Chem. Phys. 1971. Vol. 54, iss. 2. P. 724-729.
27. Hehre W., Ditchfield R., Pople J. Self-Consistent Molecular Orbital Methods. XII. Further Extensions of Gaussian-Type Basis Sets for Use in Molecular Orbital Studies of Organic Molecules // J. Chem. Phys. 1972. Vol. 56, iss. 5. P. 2257-2262.
28. Francl M., Pietro W., Hehre W., Binkley J., Gordon M., DeFrees D., Pople J. Self-consistent molecular orbital methods. XXIII. A polarization-type basis set for second-row elements // J. Chem. Phys. 1982. Vol. 77. P. 3654-3666.
29. Handy N., Cohen A. Left-right correlation energy // J. Mol. Phys. 2001. Vol. 99. P. 403-412.
30. Lee C., Yang W., Parr R. Development of the Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron density // Phys. Rev. B. 1988. Vol. 37, iss. 2. P. 785-790.
31. Becke A. Density-functional thermochemistry. III. The role of exact exchange // J. Chem. Phys. 1993. Vol. 98, iss. 7. P. 5648-5653.
32. Alex A. Granovsky, Firefly version 8.0. URL: www. http://classic.chem.msu.su/gran/firefly/index.html (дата обращения: 20.02.14).
33. Schmidt M., Baldridge K., Boatz J., Elbert S., Gordon M., Jensen J., Koseki S., Matsunaga N., Nguyen K., Su S., Windus T., Dupuis M., Montgomery J. General atomic and molecular electronic structure system // J. Comput. Chem. 1993. Vol. 14. P. 1347-1363.
34. Mock W., Morsch L. Low barrier hydrogen bonds within salicylate mono-anions // Tetrahedron. 2001. Vol. 57. P. 2957-2964.
35. Баранова Т. А. Синтез и физико химическое исследование соединений редкоземельных элементов с ароматическими кислотами, содержащими амино и сульфогруппы : дис. ... канд. хим. наук. Саратов, 1989.
36. CRC Handbook of Chemistry and Physics / Lide D. R. (ed.). 88th ed. CRC Press; Taylor and Francis, 2007. 2640 p.
37. Allgayer H., Sonnenbichler J., Kruis W., Paumgartner G. Determination of the pK values of 5-aminosalicylic acid and N-acetylaminosalicylic acid and comparison of the pH dependent lipid-water partition coefficients of sul-phasalazine and its metabolites // Arzneimittelforschung. 1985. Vol. 35(9). P. 1457-1459.
УДК 539.193/.194;535/33.34
СТРУКТУРНО-ДИНАМИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ И СПЕКТРОСКОПИЧЕСКАЯ ИДЕНТИФИКАЦИЯ ФЛАВОНОИДОВ
М. Д. Элькин1, А. Н. Панкратов2, А. Р. Гайсина3
1Саратовский государственный технический университет, Энгельсский технологический институт (филиал) E-mail: [email protected] 2Саратовский государственный университет E-mail: [email protected] 3Астраханский государственный университет E-mail: [email protected]
В рамках метода функционала плотности на основании модельных квантовохимических расчетов параметров адиабатического потенциала флавонола, хризина, апигенина и лютеолина предложена интерпретация колебательных спектров возможных кон-формеров соединений. Выявлены признаки их спектроскопической идентификации.
Ключевые слова: адиабатический потенциал, колебательные спектры, флавоноиды.
Structural Dynamic Models and Spectroscopic Identification of Flavonoids
M. D. Elkin, A. N. Pankratov, A. R. Gaisina
On the base of DFT quantum chemical computations of adiabatic potential parameters for flavonol, chrysin, apigenin, and luteolin, the interpretation of the possible conformers of the above com-
© Элькин М. Д., Панкратов А. Н., Гайсина А. Р., 2014
