Site Loader

Содержание

(PDF) Электронное строение молекулы Rh3

Электронная конфигурация с незаполненной вырожденной  молекулярной

орбиталью (МО) порождает сразу три спектроскопических состояния: 3

, 3

,

3разделить энергии которых в рамках применяемого метода не представляется

возможным. Для разделения энергий состояний необходим учет большего количество

исходных детерминантов.

Минимум на потенциальной кривой для рассчитанной электронной конфигурации

отвечает межатомному расстоянию   Это значение находится в разумном

соответствии с оценкой   выполненной авторами [3], но значительно

меньше равновесного расстояние, полученного в расчете методом ССП-КВ 

 которое автор [1] считает завышенным.

На рис. 1 приведены рассчитанные уровни энергии уровней молекулы для α и β-

спиновых состояний. Как видно из рисунка, порядок уровней обуславливает

заполнение МО неспаренными электронами, порождая три парамагнитных

состояния.

В процессе ионизации из основного триплетного состояния могут возникать

квартетные и дублетные возбужденные состояния. Рассчитанные потенциалы

ионизации (ПИ) в квартетные и дублетные состояния ( ) приведены в табл. 1. Из

таблицы 1 видно что первый ПИ отвечает ионизации с МО, несмотря на то, что

энергия  МО в конфигурации основного состояния ниже энергии верхней

заполненной  МО. Эта особенность в ионизации двухатомных молекул в

переходных металлов отмечалось ранее для других молекул в [7] и связана с

особенностями заполнения  и    атомных орбиталей атомов переходных

металлов: в атомах первой заполняется   соответственно в димерах  МО,

состоящая из  , имеет наименьший ПИ.

В заключение выражаю благодарность Гуцеву Г.Л. за предоставление программы

расчёта, а также Левину А.А. и Клягиной А.П. за проведение полезных дискуссий.

Литература

1. M. Morse Chem. Rev. 1986, Vol. 86, p.1049

2. I. Shim, Kgl. Danske Vid. Selsk. Matt.-Fys. Medd, 1985, Vol.41, p.147

3. P.L. Cocke, K.A. Gingerich J.Chem.Phys., 1974, Vol. 60, p.1958

4. G.L. Gutsev, A.A. Levin Chem. Phys., 1980, Vol.51, № 3, p.459

5. C. Roetti, E. Clementi Chem. Phys., 1974, Vol.60, № 12, p. 4725

6. K. Schwarz Theor. Chim. Acta, 1974, Vol.34, № 3, p.225

Научно достоверная 3D-модель инсулина

Инсулин — это гормон, который разносится кровью и дает клеткам сигнал забирать из нее глюкозу, чтобы расщепить и получить энергию. Нарушения в синтезе или реакции тканей на инсулин приводит к развитию сахарного диабета первого или второго типа соответственно. При этом хроническом заболевании ткани организма не получают нужного количества глюкозы, тогда как в крови ее концентрация сильно возрастает. Это состояние носит название гипергликемии. По данным Всемирной оорганизации здравохранения, от сахарного диабета и гипергликемии в настоящее время в год погибает до 3,5 миллионов человек (1).

Строение и выработка инсулина

Инсулин — это небольшой белок, состоящий из двух полипептидных цепей. Цепь, А (обозначена белым) состоит из 21 аминокислотного остатка, а цепь B (обозначена оранжевым) — из 30. Цепи связаны между собой двумя дисульфидными связями. Еще одна связь находится внутри А-цепи.

Инсулин — очень древняя и консервативная молекула. Даже у круглых червей этот гормон похож на наш. Это первый белок, последовательность аминокислот в котором была определена в начала 50-х годов прошлого века (2).

Связываясь с атомом цинка, инсулин может формировать комплексы из шести молекул. Сами комплексы не активны, но могут постепенно распадаться на активные белки. Это используется для создания препаратов инсулина с более длительным действием.

Название инсулина происходит от латинского слова insula — островок, в честь небольших групп клеток поджелудочной железы, островков Лангерганса, которые этот гормон синтезируют. Островки Лангерганса открыли в результате жестокого эксперимента над собакой: ей перевязали проток поджелудочной железы и подождали, пока все клетки, секретирующие пищеварительные ферменты, умрут и утилизируются иммунитетом.

В результате такого опыта в поджелудочной животного осталась только соединительная ткань и группы клеток, синтезирующих инсулин (3).

Показать ссылки

Правильное питание в спорте. Жиры: строение и метаболизм

Поговорим о жирах. Долгое время считалось, что жиры — это зло: все ели обезжиренный йогурт и творог. Но жиры нужны и важны даже для тех, кто хочет похудеть.

Почему так 👇

🧱 Источник энергии и строительных материалов.

Жиры дают организму больше энергии, чем углеводы и белки: их калорийность — 9 килокалорий на грамм. Жиры — это своеобразная энергетическая бомба, которая добавляет сытости. Из жиров состоят клеточные оболочки или мембраны клеток. Также жиры нужны для синтеза половых гормонов, так что хорошая кожа — тоже по их части.

🧬 Строение жиров. Каждая молекула жира состоит из глицерина и трех остатков жирных кислот. Жирные кислоты делятся на два типа: насыщенные и ненасыщенные. Тип зависит от наличия в кислоте водорода: в насыщенных его будет больше.

🥑 Ненасыщенные жирные кислоты будут жидкими при комнатной температуре. Вы найдете их в орехах, льняных семенах, растительном масле (кроме кокосового), жирной рыбе и рыбьем жире. Стоит отдавать предпочтение ненасыщенным жирам, ведь в них есть Омега 3, 6, 9 жирные кислоты. Они делают много полезного: подавляют воспаления и улучшают работу мозга. Также они важны при беременности, чтобы помочь правильному росту и развитию плода.

🧈 Насыщенные жирные кислоты будут твердыми при комнатной температуре. Их вы найдете в животных жирах, сливочном и кокосовом масле. Они очень важны для синтеза половых гормонов. Но не стоит ими злоупотреблять: насыщенные жирные кислоты делают клеточные мембраны более жесткими и могут стимулировать образование холестериновых бляшек.

🚂 Метаболизм жира. Когда жир попадает в организм, он расщепляется в двенадцатиперстной кишке с помощью желчи. Затем он всасывается в кровь и переносится в форме пузырей (хиломикронов) по организму. Частицы жира идут в места, где они необходимы: печень, клеточные мембраны. Печень делает из жиров собственный холестерин и другие молекулы, которые нужны для синтеза гормонов. Если для строительства жир не нужен, он отложится в жировую ткань как запасной источник энергии.

«Мы разгадали тайну жизни!» Как была открыта двойная спираль ДНК

К 1950-м годам ученые не сомневались, что черты живых организмов в основном предопределены до рождения и передаются по наследству. У ребенка есть глаза, потому что глаза были у его родителей, не случаен и цвет глаз, как и склонность к близорукости. Чего исследователи не могли понять, так это где хранится вся эта информация. Долгое время считалось, что носитель — белки с их сложной структурой, которые обеспечивают все многообразие жизни. Но к середине 1940-х главной подозреваемой стала ДНК, огромная — у человека ее длина составляет порядка двух метров — молекула, обнаруженная почти во всех типах клеток.

ДНК была открыта еще в 1869 году швейцарцем Иоганном Фридрихом Мишером, но тот не придал находке большого значения: его интересовало строение белых кровяных телец. 

Кто разгадает первым

Обнаружить ДНК — дело нехитрое, и сделать это может любой человек, ученым быть не обязательно. Нужно аккуратно поскрести зубочисткой по внутренней стороне щеки, прополоскать рот водой или физраствором, чтобы смыть клетки эпителия, и сплюнуть в пробирку. Сверху нужно добавить немного мыльного раствора, а потом спирта. Вскоре в пробирке проступят белые нити — это и есть молекулы ДНК, вытекшие из клеток с растворенными оболочками.

Продолжение

Когда в октябре 1951 года Уотсон начал работать с Фрэнсисом Криком в одном кабинете в Кембриджском университете, о ДНК было известно, что она состоит из четырех повторяющихся кирпичиков-оснований с сахаром и остатком фосфорной кислоты, причем аденина в ней столько же, сколько тимина, а гуанина — как цитозина. Но каким образом связаны эти составляющие, ученые понятия не имели.

Только предполагалось, что ДНК напоминала спираль, точнее, винт, но двойной ли, тройной или какой-нибудь другой, как в нем располагались основания, как эта структура могла хранить и воспроизводить наследственную информацию, если вообще могла, — все это оставалось загадкой. Познакомившись, Уотсон и Крик быстро поняли, что хотят вместе ее разгадать.

Кроме Уотсона и Крика структуру ДНК пытались выяснить еще две группы ученых. В Лондоне Морис Уилкинс и Розалинд Франклин, постоянно ругаясь, всматривались в рентгеновские снимки кристаллизованных молекул, а в Калифорнийском технологическом институте над загадкой жизни бился знаменитый химик Лайнус Полинг, который до этого первым определил строение компонентов белков.

На эту тему

За исследования химических связей в 1954 году ему присудят Нобелевскую премию. На его фоне Крик и Уотсон выглядели случайными прохожими: первый был по образованию физиком и только за четыре года до того переключился на биологию, а второму исполнилось всего 23 года.

Правда, к тому времени у Уотсона уже была докторская степень.

Первая модель ДНК, разработанная Уотсоном и Криком, состояла из трех цепочек с фосфатными остовами в середине. Когда модель показали Франклин, та подняла коллег на смех: она была уверена, что остатки фосфорной кислоты должны располагаться с внешней стороны молекулы, а не в центре. Начальник Уотсона и Крика — Лоуренс Брэгг — так разозлился из-за этой неудачи, что запретил им дальше заниматься ДНК.

Еще не все пропало

Однако спустя год Брэгг поменял свое решение. В его лаборатории работал сын Лайнуса Полинга, который рассказал, что отец создал свою модель ДНК. В Брэгге взыграло самолюбие.

Они с Полингом были крупнейшими в мире специалистами в своей области, но американец первым определил строение и больших неорганических молекул, и белковой альфа-спирали. Брэгг был — и остается до сих пор — самым молодым лауреатом Нобелевской премии по физике, которую ему и его отцу вручили еще в 1915 году. Но с конца 1920-х он вечно оставался позади Полинга.

Через месяц в Кембридже раздобыли еще не опубликованную статью Полинга с описанием модели. Ко всеобщему удивлению, ДНК в ней представала тройной спиралью с фосфатными остовами в центре, как за год до того предлагали Крик и Уотсон. В автобиографии Уотсон вспоминал: «Пока Френсис поражался новаторскому подходу Полинга к химии, я начал дышать спокойнее. К этому моменту я знал, что мы все еще в игре».

Морис Уилкинс

© AP Photo/Anthony Camerano

По рассказам Уотсона, он приезжал в Лондон, чтобы обсудить статью Полинга с Франклин, но та не разделила его энтузиазм и сказала, что молекула ДНК не может быть спиральной. Возможно, Уотсон приврал: в лабораторном журнале Франклин сохранились более ранние записи о том, что одна из двух форм ДНК может представлять собой именно спираль. Со слов Уотсона, этот случай стал последней каплей для работавшего с Франклин Мориса Уилкинса. Ее упрямство так надоело, что он в сердцах достал из ящика рентгеновский снимок ДНК и показал его Уотсону.

У того отпала челюсть.

Квадратная пластинка размером всего несколько сантиметров вошла в историю как «Фотография 51». Чтобы сделать этот кадр, Франклин положила вытянутый в нить и кристаллизованный образец человеческой ДНК в специальную камеру, где рентгеновские лучи больше 60 часов отскакивали от него на пленку, формируя изображение — полосатый крест. Для Уотсона этот крест стал очевидным доказательством того, что ДНК состоит из двух закрученных цепочек. Франклин же этого не разглядела. 

Красота — в простоте

Теперь ученые были уверены в спиралевидной форме молекулы. Но им еще нужно было объяснить, как в ДНК связаны кирпичики-основания с двух разных цепочек, — черные пятна на «Фотографии 51». Для этого Уотсон по-разному переставлял структурные формулы этих кирпичиков, но результата не было. А потом американский химик Джерри Донохью показал ему свежую статью, где были описаны немного другие формулы кирпичиков ДНК.

Несколько дней Уотсон и Крик обдумывали новую модель, а 21 февраля 1953-го Уотсон догадался, что аденин из одной цепочки соединяется только с тимином из другой, а цитозин — с гуанином. В таком случае молекула ДНК напоминает равномерно закрученную лестницу с краями из сахара, остатка фосфорной кислоты и с параллельными ступенями одинаковой длины. Эти сочетания объяснили, почему в любой молекуле ДНК содержится одинаковое количество аденина с тимином и цитозина с гуанином. Наконец, если у каждого кирпичика есть только одна пара, то молекула может разделиться пополам и образовать две копии с той же генетической информацией. Ученых поразило, каким простым и красивым оказалось объяснение.

«Мы разгадали тайну жизни!», — ставшую знаменитой фразу Фрэнсис Крик произнес в своем любимом баре в Кембридже, где они с Уотсоном праздновали открытие. Впрочем, до всеобщего признания было еще далеко. 

Новая загадка жизни

Первым делом выкладки показали Уилкинсу и Франклин. Те два дня сопоставляли их с рентгеновскими снимками и не нашли противоречий. В марте черновик статьи с описанием модели послали Полингу. Он похвалил коллег, но не понял, почему они отбросили гипотезу о тройной спирали. Для Полинга все встало на свои места, только когда он приехал в Кембридж и увидел фотографии Франклин.

Фрэнсис Крик, Джеймс Уотсон и Морис Уилкинс

© AP Photo

В апреле статья Крика и Уотсона вышла в Nature вместе с текстами Уилкинса и Франклин. В 1962 году Уотсону, Крику и Уилкинсу присудили Нобелевскую премию. Франклин умерла в 1958 году и осталась без награды. В последующие десятилетия другие ученые создали трехмерные компьютерные модели, расшифровали ДНК человека и других видов, а в последние годы научились редактировать записанные в ДНК гены. Возникла новая загадка — что станет с жизнью, если теперь ее программирует человек.

Марат Кузаев

Модульный урок «Строение молекулы бензола. Получение аренов»

№ УЭ

Учебный материал
с указанием заданий

Рекомендации по выполнению заданий

УЭ-0 Цель: в результате работ с модулем вы должны:

— углубить знания об углеводородах, расширить представления о многообразии органических соединений, познакомиться с новым типом химической связи, характерной для данной группы соединений на основе электронных представлений;

— исходя из знаний о строении бензола, уметь прогнозировать их химические свойства;

— сформировать представления о способах получения бензола и его гомологов.

Прочитав цель урока, повторите основные положения теории строения органических веществ А.М. Бутлерова.
УЭ-1 Цель: определите уровень своих знаний по теме “Алкины”

Выполните задание (Приложение 1)

За критериями оценок обратитесь к учителю.

Ваша оценка_____
УЭ-2 Цель: познакомиться с историей открытия бензола.

В 1812–1815 годах в Лондоне впервые появилось газовое освещение. Светильный газ, добывавшийся из жира морских животных, доставлялся в железных баллонах. Эти баллоны помещались обычно в подвале дома, из них газ по трубкам распределялся по всему помещению. Вскоре было замечено крайне неприятное обстоятельство – в сильные холода газ терял способность давать при горении яркий свет. Владельцы газового завода в 1825 г. обратились за советом к Фарадею, который нашёл, что те составные части, которые способны гореть ярким пламенем, собираются на дне баллона в виде прозрачного жидкого слоя. При исследовании этой жидкости Фарадей открыл новый углеводород – бензол. Название этому веществу дал Либих – (суффикс -ол указывает на его маслянистый характер, от латинского oleum – масло).

Работайте самостоятельно
УЭ-3 Цель: получите представление об особенностях строения бензола.

Выполните задания.

1. Прочитайте фрагмент текста учебника. Ответьте на вопрос: Как называется циклическая группировка из шести атомов углерода?

2. Ознакомьтесь с другими моделями молекулы бензола.

12

стр. 63-64

Контроль учителя

Запишите основные характеристики строения молекулы бензола.

УЭ-4 Цель: изучите способы получения бензола.

Выполните задания:

1. Изучите текст учебника

2. Запишите уравнения реакций получения бензола и его гомологов. (Приложение 2)

Cтр. 64-65

Прослушайте объяснение учителя и изучите слайды.

УЭ-5 Цель: проверьте свои знания по изученной теме

Выберите и решите любую из предложенных задач

1. Вычислите объем выделившегося водорода (н.у.) при дегидрировании 2,24 л н-гексана. (3 балла)

2. Вычислите массу бензола, полученного из ацетилена объемом 6,72 л (н.у.), если выход продукта составил 75%. (4 балла)

3. Вычислите массу органического продукта реакции, полученного при взаимодействии 120 г хлорбензола и 44,8 л (н.у.) хлорметана с избытком натрия. (5 баллов)

Контроль учителя

Ваша оценка ________

УЭ-6 Домашнее задание:

п.12 (стр.63-65),
записи в тетради,
решить задачу №3 на стр. 69.

Корреляции между молекулярной структурой и биологической активностью в «логических рядах» пищевых производных хромона. в «логическом ряду» диетических производных хромона. ПЛОС ОДИН 15(8): е0229477. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0229477

Редактор: Анджани Кумар Тивари, Университет Бабасахеб Бхимрао Амбедкар (Центральный университет), ИНДИЯ

Получено: 6 февраля 2020 г. ; Принято: 28 июля 2020 г .; Опубликовано: 21 августа 2020 г.

Авторское право: © 2020 Lewandowski et al.Это статья с открытым доступом, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания автора и источника.

Доступность данных: Все соответствующие данные содержатся в документе и в его файлах вспомогательной информации.

Финансирование: Эта работа финансировалась Национальным научным центром Польши в рамках исследовательского проекта № 2015/17/B/NZ9/03581 и рабочего номера WZ/WB-IIS/5/2020, финансируемого из средств на обучение Министерство науки и высшего образования.Спонсоры не участвовали в разработке исследования, сборе и анализе данных, принятии решения о публикации или подготовке рукописи.

Конкурирующие интересы: Авторы заявили об отсутствии конкурирующих интересов.

Введение

Хромон (1-бензопиран-4-он) является основой многих флаванолов, флавонов, изофлавонов и флавоноидов, встречающихся в растительном мире и диетических продуктах. Хромоны активны в различных растительных циклах, в том числе в регуляции роста и стимуляции поглощения кислорода [1].Структурная система хромонов используется для синтеза многих анти-ВИЧ, противовоспалительных, антибактериальных и противоопухолевых препаратов, а также препаратов, применяемых при нейродегенеративных заболеваниях, воспалительных заболеваниях и диабете [1]. Исследования этого класса соединений показали, что они обладают перспективными свойствами в качестве ингибиторов тирозинкиназ, карбонатангидраз, фактора NF-κB, сиртуинов, топоизомераз, рецепторов аденозина A3, а также в качестве модуляторов сигнального пути Keap1-Nrf2. Интересно, что хромонметаллические комплексы Pd(II), Cu(II), Ru(II), Ni(II) проявляют относительно высокую цитотоксичность во многих опухолевых клеточных линиях.Текущие сообщения подтверждают, что цитотоксичность таких структур коррелирует с их формой, размером, поляризуемостью, электрическим состоянием и дипольным моментом, что дополнительно обосновывает целесообразность проведения химических модификаций производных хромона при создании новых фармакологических средств на основе природных продуктов [2]. . Хромоны представляют собой соединения, способные удалять многие типы радикальных форм кислорода (АФК) и ингибировать перекисное окисление липидов. Удаление свободных радикалов может происходить за счет быстрого переноса водорода.В связи с этим высокая реакционная способность гидроксильных заместителей в наибольшей степени влияет на антиоксидантную способность данного соединения [3]. Перенос электрона и стабильность соответствующих феноксильных радикалов, образующихся в результате Н-абстракции, также играют важную роль в этом процессе. Фактически, общая антиоксидантная способность и окислительно-восстановительный потенциал определяются несколькими конформационными факторами (паттерн замещения функциональных групп, включая гидроксильные группы), стабилизацией феноксильных радикалов и делокализации электронов в молекуле (энергия ВЗМО и НСМО молекулярных орбиталей) [4] .

Даже незначительное изменение одного из указанных факторов может привести к существенным различиям в физико-химических и биологических свойствах соединения. Поэтому в этой статье была исследована взаимосвязь между структурой и биологическими свойствами шести производных хромона, т.е. флавона, 3-гидроксифлавона, 3,7-дигидроксифлавона, галангина, кемпферола, кверцетина (рис. 1). Флавон образует гетероциклическую систему, которая является основной структурой флавоноидов. 3-гидроксифлавон представляет собой синтетическое соединение, не встречающееся в природе в растениях.Обладает флуоресцентными свойствами. Аналоги этого соединения являются перспективными препаратами для лечения диабета и инсулинорезистентности за счет увеличения поглощения глюкозы скелетными мышцами [5]. 3,7-Дигидроксифлавон обладает высоким потенциалом для лечения инфекций дыхательных путей ( Staphylococcus pneumoniae ), а его производные ингибируют рост опухолевых клеток in vitro . Галангин встречается, например. в Alpinia officinarum Hance и прополис. Обладает антибактериальными и противовирусными свойствами.Он ингибирует рост клеток рака молочной железы человека in vitro [6]. Галангин оказывает бактериостатическое действие на штаммов Staphylococcus aureus , как чувствительных к антибиотикам, так и метициллинрезистентных [7]. Кемпферол присутствует в листьях чая, цветках терновника, полевых цветах. Чаще всего встречается в виде гликозида агликона. Это соединение оказывает антипролиферативное, проапоптотическое действие на легкие, молочную железу, поджелудочную железу, желудок и другие клетки. Механизмы его действия включают апоптоз, остановку клеточного цикла в фазе G2/M, подавление маркеров, связанных с эпителиально-мезенхимальным переходом (EMT), и сигнальных путей фосфоинозитид-3-киназы/протеинкиназы B [8].Было показано, что кемпферол проявляет сильную клеточную антиоксидантную способность. Предварительная обработка кемпферолом значительно ослабляла индуцированный АФК гемолиз эритроцитов человека (гемолиз подавлялся на 87,4% при 100 мкг/мл) и снижала накопление токсического продукта перекисного окисления липидов малонового диальдегида (МДА) [9]. Антигемолитическая активность кемпферола в основном заключалась в удалении избыточных АФК и сохранении активности внутренних антиоксидантных ферментов (супероксиддисмутазы, SOD, каталазы, CAT и глутатионпероксидазы, GPx) на нормальном уровне [9].Показано, что кверцетин модулирует многие ферментативные пути, в том числе циклооксигеназные, липоксигеназные и тирозинкиназозависимые. Он проявляет противовоспалительную активность, подавляя высвобождение гистамина, провоспалительных цитокинов (включая ИЛ-4) и продукцию лейкотриенов [10]. Кверцетин представляет собой флавоноид, являющийся основой многих других флавоноидов, таких как рутин, гесперидин, нарингин, тангеритин.

Несколько работ посвящены химическому строению и биологической активности этих соединений [7, 8, 11, 12].Тем не менее исследований взаимосвязи между их молекулярной структурой и биологической активностью немного. Количество и положение гидроксильных заместителей в кольцах молекул влияют на распределение электронного заряда в молекуле и тем самым вызывают изменения ее полярности, липофильности и акцепторно-донорной способности. Все эти факторы оказывают существенное влияние на биологическую активность этих соединений, включая проницаемость клеточных мембран и антиоксидантную способность.

Полученные знания о взаимосвязи между молекулярной структурой и распределением электронного заряда в молекулах природного происхождения являются основой для точного проектирования лекарств, пищевых добавок или средств защиты растений.Все группы соединений, которые в конечном итоге будут использоваться при контакте с живыми организмами, подробно охарактеризованы с точки зрения их токсичности и биодоступности, поэтому так важно знать влияние малых изменений в их структуре на биологический эффект. Кроме того, зная отношения структура-активность, их можно целенаправленно и точно модифицировать, чтобы максимально соответствовать ожидаемой функции. В этой статье мы сосредоточились на поиске корреляций между выбранными физико-химическими, структурными и биологическими дескрипторами популярных растительных метаболитов с уникальной химической структурой, упорядоченных в логическую структурную последовательность. Поэтому молекулярная структура лигандов характеризовалась экспериментальными (FT-IR, FT-Raman, 1 H и 13 C ЯМР), а также теоретическими параметрами, рассчитанными на уровне B3LYP/6-311++G** и затем обсуждалась их биологическая (антиоксидантная, цитотоксическая и липофильная) активность.

Материалы и методы

Материалы и спектроскопическая характеристика

Хромон и его производные, DPPH (2,2-дифенил-1-пикрилгидразил), 2,4,6-трипиридил-s-триазин (TPTZ), FeCl 3 ·6H 2 O, FeSO 4 куплена у Sigma-Aldrich Co.(Сент-Луис, Миссури, США) и использовали без очистки. Метанол был приобретен у Merck (Дармштадт, Германия).

Спектры FT-IR зарегистрированы в таблетках матрицы KBr на спектрометре Alfa Bruker (Бремен, Германия) в диапазоне 400–4000 см -1 с разрешением 2 см -1 . Спектры КР регистрировали в диапазоне 100–4000 см -1 на спектрометре MultiRam Bruker (Бремен, Германия) с разрешением 1 см -1 . 1 H (400.15 МГц) и 13 C (100,63 МГц) регистрировали на спектрометре Bruker Avance II 400 (Бремен, Германия) в растворе ДМСО-D6. ТМС использовали в качестве внутреннего эталона.

Оценка биологической активности

Анализы антиоксидантной активности.

Антирадикальную активность определяли по методу DPPH, описанному в [13]. Исходные метанольные растворы реагентов готовили в концентрации 500–50 мкМ и 60 мкМ по ДФПГ. В пробирки добавляли соответствующие объемы растворов испытуемых соединений и разбавляли метанолом до получения серии растворов с различной концентрацией (конечный объем 1 мл).Затем в каждую пробирку добавляли по 2 мл DPPH, встряхивали и инкубировали в темноте в течение 1 ч при 23°С. Конечная концентрация DPPH составляла 40 мкМ. Поглощение смеси измеряли при 516 нм против метанола в качестве контроля с использованием спектрофотометра Agilent Carry 5000. Контрольная проба — 2 мл раствора ДФПГ и 1 мл метанола. Антирадикальную активность соединений по отношению к радикалу ДФПГ рассчитывали по уравнению: где % I — % ингибирования радикала DPPH, А 516 контроль, — поглощение контроля, А 516 образец — поглощение образца. Затем наносили график зависимости концентрации испытуемых веществ от % ингибирования и значения ЕС 50 считывали с кривых очистки. Параметр ЕС 50 означает концентрацию вещества, которая ингибирует 50% радикала.

Железовосстанавливающую антиоксидантную активность определяли в анализе FRAP [14]. Для приготовления реагента FRAP 0,3 М ацетатный буфер (pH 3,6), 10 мМ TPTZ (в 40 мМ HCl) и 20 мМ FeCl 3 ·6H 2 O (в воде) смешивали в объемном соотношении 10:1: 1 непосредственно перед анализами.Затем реагент FRAP (3 мл) смешивали с тестируемым веществом (0,4 мл, конечные концентрации C = 20 мМ). Поглощение измеряли при 594 нм относительно холостой пробы (3 мл FRAP и 0,4 мл метанола) на спектрофотометре Agilent Carry 5000 (CA, США). Антиоксидантную активность выражали в эквивалентах Fe 2+ [мкМ] с использованием калибровочной кривой, построенной в диапазоне концентраций FeSO 4 200–0,1 мкМ.

Нейтральный красный (NR) анализ поглощения метаболической активности клеток.

Клетки эпителиальной колоректальной аденокарциномы человека Caco-2 были приобретены в ATCC и культивированы в среде EMEM, содержащей 20% FBS и Pen-Strep, и выращены в стандартных условиях. Клетки в логарифмической фазе высевали в покрытые полилизином 96-луночные культуральные планшеты и культивировали при 37°С в атмосфере 5% СО 2 в течение 24 часов. Исходное количество клеток на лунку составляло 5000. Культуральную среду удаляли, когда клетки прикреплялись к стенке планшета. Затем клетки инкубировали в 100 мкл среды с возрастающими концентрациями исследуемого соединения в течение 48 часов.В качестве контроля использовали необработанные клетки. По истечении этого времени добавляли 50 мкл среды, содержащей NR, до конечной концентрации 3 мг/мл NR и инкубировали в течение 2,5 часов. Затем среду с красителем удаляли, клетки промывали PBS и лизировали в смеси 50% EtOH, 1% AcOH и 49% воды (20 мин, встряхивание). Флуоресценцию измеряли при Ex/Em 530/645 нм соответственно на спектрофотометре для считывания планшетов Infinite M200 (Tecan, Австрия). Значения IC 50 рассчитывали путем подбора логистических кривых на основе уравнения Хилла.

Детали расчета

Геометрии исследуемых молекул и их радикалов, катион-радикалов и анион-радикалов рассчитаны методом DFT с функционалом B3LYP и базисом 6-311++G** в газовой фазе, водных и метанольных растворителях с использованием пакета программ Gaussian 09W [ 15]. Для оптимизации растворителя использовали метод IEF-PCM. Были рассчитаны частоты колебаний, чтобы гарантировать отсутствие мнимой частоты для оптимизированных структур. Для нейтральных молекул в газовой фазе были рассчитаны атомные заряды NBO.Спектры ЯМР 1 H и 13 C получены в растворителе ДМСО с использованием формализма GIAO. Были рассчитаны высшая занятая молекулярная орбиталь (ВЗМО) и низшая незанятая молекулярная орбиталь (НСМО) и разность энергий между ними (энергетическая щель, ΔE). Для молекулы рассчитывают глобальные дескрипторы реакционной способности: электроотрицательность, индекс электрофильности, твердость, мягкость и т.д. Параметры БДЭ, ИП, ФДЭ, ФА и ЭТЭ рассчитывали в газовой фазе, воде и метанольном растворе.Все энтальпии рассчитаны для температуры 298,15 К и давления 1,0 атм. Расчетная энтальпия газовой фазы для электрона (e), протона (H + ), an и атома водорода (H ) составляет 3,145 [16], 6,197 [17] и -1306 кДж/моль соответственно. . Для расчета фазы растворителя в воде ΔH(гидратация) электрона (е), протона (H + ) и атома водорода (H ) были соответственно приняты равными -105 кДж/моль, -1090 кДж/моль. моль и -4,0 кДж/моль [18, 19] ΔH(сольватация) для электрона (д), протона (H + ) и атома водорода (H ) принимали равными -86 кДж/моль, — 1038 кДж/моль и 5 кДж/моль [18] соответственно в метаноле.Значения коэффициентов распределения в системе растворитель октан-1-ол/вода рассчитаны в программе ACD/Labs.

Статистический анализ

Экспериментальные данные были выражены как средние значения ± стандартная ошибка определений, выполненных в трех повторностях. Корреляции между конкретными экспериментальными и теоретическими данными выражали в виде коэффициента корреляции (R) и проверяли на значимость с помощью t-критерия (P <0,05). Для многофакторного сравнения были проведены анализ основных компонентов (PCA) и иерархический кластерный анализ.Расстояния между образцами рассчитывали по методу Уорда и квадратным евклидовым расстояниям. Выполнена стандартизация исходных данных. Шкалы сходства дендрограмм были сгенерированы программой Statistica 13.3.

Результаты

Антиоксидантная активность производных хромона

Антиоксидантный потенциал соединений изучен методами FRAP (параметр антиоксиданта, восстанавливающего ионы железа) и DPPH (1,1-дифенил-2-пикрилгидразил). Первый анализ классифицируется как полностью SET (перенос одного электрона), т.е.е. один электрон переносится от молекулы антиоксиданта и восстанавливает ионы железа, связанные в цветной комплекс ТПТЗ (2,4,6-трис(2-пиридил)-1,3,5-триазин). Считается, что анализ DPPH имеет смешанный механизм, который зависит от структуры антиоксиданта, pH и полярности растворителя, то есть: (a) HAT (перенос атома водорода), (b) PCET (протонно-связанный перенос электрона), (c ) SPLET (последовательный перенос электрона с потерей протона) и ET-PT (перенос электрона с последующим переносом протона) [20, 21]. Растворители, образующие водородные связи, подавляют перенос атома водорода и способствуют переносу электрона, поэтому соединения, сильно активные в переносе атома водорода, по-видимому, медленнее реагируют в полярных растворителях (вода, метанол, этанол) [22].Полученные результаты представлены на рис. 2. Чем ниже значение EC 50 , тем выше антирадикальная активность по отношению к DPPH·, а чем выше значение FRAP, тем выше железоредуцирующая антиоксидантная активность соединений (что означает увеличение концентрации восстановленного Fe 3 + до Fe 2+ ). В тесте FRAP закономерное увеличение антиоксидантной активности наблюдалось в ряду хромон → флавон → 3-гидроксифлавон → 3,7-дигидроксифлавон → галангин → кемпферол → кверцетин. Аналогично в анализе DPPH наблюдалось закономерное увеличение антиоксидантной активности в ряду 3,7-дигидроксифлавон → галангин → кемпферол → кверцетин (рис. 2).

Липофильность и цитотоксическая активность производных хромона

Рассчитанные параметры липофильности представлены в табл. 1. Исследуемые соединения известны своей гидрофобностью и плохой растворимостью в воде. В ряду 3-гидроксифлавон → 3,7-дигидроксифлавон → галангин → кемпферол → кверцетин липофильность снижается. Гораздо более высокая липофильность флавона, 3-гидроксифлавона, 3,7-дигидроксифлавона и галангина предполагает, что эти соединения могут иметь более высокое сродство к липидным мембранам и иметь большую степень клеточной абсорбции, чем хромон, кемпферол и кверцетин.В табл. 2 показана цитотоксичность исследуемых соединений по отношению к клеткам эпителиальной колоректальной аденокарциномы человека Сасо-2.

Исследование ДПФ

Рассчитанные на уровне B3LYP/6-11++G** структуры выбранных лигандов показаны в таблице S12 в файле S2. Геометрические параметры и атомные заряды NBO, рассчитанные для лигандов, собраны в таблицах S1-S10 файла S1. . В табл. 3 приведены атомные заряды NBO для наиболее устойчивых конформеров исследованных соединений.

В S1 Fig файла S1 наиболее устойчивые конформеры исследуемых лигандов упорядочены с уменьшением значения их энергии по отношению к энергии хромона.Добавление еще одного кольца (В) к хромоновому остову вызывает уменьшение энергии молекулы примерно на 231 а.е. Интересно, что замена гидроксильных заместителей на кольца вызывает дальнейшую стабилизацию молекул и закономерное снижение энергии примерно на 75,24–75,26 а.е. в ряду молекул: 3-гидроксифлавон → 3,7-дигидроксифлавон → галангин → кемпферол → кверцетин.

На рис. 3 показаны энергия и распределение орбиталей HOMO и LUMO.В табл. 4 собраны электронные параметры, рассчитанные на основе значений энергии ВЗМО и НСМО. В то время как в Таблице 5 перечислены различные параметры, относящиеся к конкретным механизмам антиоксидантного действия. Расчеты проводились в газовой фазе, метаноле и воде, поскольку анализы DPPH и FRAP проводились в метаноле и воде соответственно. Рассчитаны и сопоставлены энергии радикалов С3-О3· в ряду: 3-гидроксифлавон→3,7-дигидроксифлавон→галангин→кемпферол→кверцетин.

Таблица 5. Энтальпии диссоциации связи ОН (BDE), потенциалы ионизации (IP), энтальпии диссоциации протона (PDE), сродство к протону (PA), энтальпии переноса электрона (ETE) в кДж/моль, полученные на B3LYP/6-311+ +G** уровень теории.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0229477.t005

Большинство параметров имеют линейную зависимость от количества ОН-групп. БДЭ и ИП уменьшаются в ряду 3-гидроксифлавон → 3,7-дигидроксифлавон → галангин → кемпферол → кверцетин.PDE увеличивается в ряду, в то время как PA и ETE показывают лишь незначительные различия.

Экспериментальный

1 H и 13 C ЯМР, ИК, рамановское исследование

Спектры ЯМР 1 H и 13 C описывают плотность и распределение электронного заряда, которые определяют реакционную способность и биологическую активность молекул. В таблице 6 показаны химические сдвиги из спектров ЯМР. Нумерация атомов представлена ​​на рис. 4. Отнесение полос из спектров FT-IR и FT-Raman спектров исследуемых лигандов (табл. 7, S1 и S2 рис. файла S1) выполнено на основании литературных данных [24] и расчетов. на уровне B3LYP/6-311++G**.

Статистический анализ

Для определения корреляции между различными переменными был проведен анализ основных компонентов (PCA). Все дескрипторы, полученные для серии из 7 лигандов, были подвергнуты анализу главных компонентов, и были получены два компонента (рис. 5). Первые два ПК1, ПК2 внесли 58,59% и 28,02% соответственно в общую дисперсию, а общая информация оценивалась в 86,61%. Коэффициенты корреляции Пирсона приведены в таблице 8, а дескрипторы представлены в круге корреляции на рис. 6.

Обсуждение

Как DPPH, так и FRAP анализы выявили, что явное повышение антиоксидантной активности тестируемых лигандов зависит от количества гидроксильных заместителей в кольце, т.е. в ряду: хромон → флавон → 3-гидроксифлавон → 3,7-дигидроксифлавон → галангин → кемпферол → кверцетин. Наши экспериментальные данные в целом согласуются с обзором литературы. Литературные данные показали, что флавон имеет самое низкое значение IC 50 — более 450 мкМ в тестах DPPH [25].В аналогичных исследованиях радикального восстановления DPPH было обнаружено, что значения IC 50 составляют 385±19 мкМ для 3-гидроксифлавона и 65 мкМ для 3,7-дигидроксифлавона соответственно [26,27]. Галангин, кемпферол и кверцетин характеризуются заметным увеличением по антиоксидантным свойствам, описываемым значениями EC 50 = 13,91 мкМ [28] и IC 50 = 11 мкМ для галангина, IC50 = 41,2 мкМ [29], 7,1 мкМ [28] и 47,93±0,01 [30] мкМ для кемпферол. Кверцетин оказался наиболее эффективным антиоксидантом с самыми низкими значениями IC 50 и EC 50 в тестах DPPH (IC 50 = 16.2±1,1 мкМ [31], 8,9 мкМ [29], 6,7±0,17 мкМ [27] и ЕС 50 = 5,5 мкМ [32], 39±0,1 мкМ [33], 112,5±3,3 мкМ [34], 2,79 мкМ [28].

При сравнении результатов, полученных разными авторами, следует иметь в виду, что условия эксперимента, такие как концентрация DPPH, pH раствора, температура, наличие ионов металлов сильно влияют на полученную IC50 50 /EC 50 параметры. Результаты, полученные в одинаковых экспериментальных условиях, позволяют более точно соотнести антиоксидантную активность в ряду (рис. 2).

Антиоксидантная активность фенольных соединений связана с кольцевой структурой молекулы и наличием гидроксильных заместителей преимущественно в кольце В. Количество гидроксильных групп положительно коррелирует с антиоксидантным потенциалом исследуемых соединений. Предполагается, что антирадикальное действие флавоноидов основано на их прямой реакции с радикалом и образовании радикала из катехинового фрагмента. Однако результаты Musialik et al. в метаноле подтверждают их вывод о том, что в ионизирующих растворителях в начальной быстрой реакции DPPH• + Qh3 (кверцетин) участвует QH–анион [35].В таких растворителях реакция в кверцетине и других фенолах протекает по механизму СПЛЭТ. Уменьшение энергии переноса электрона вместе со снижением энергии диссоциации связи для лигандов конца ряда (табл. 6) хорошо объясняет феномен их выраженной антиоксидантной активности.

Однако эффективность удаления АФК фитопрепаратами тесно связана с их концентрацией, и в высоких дозах наблюдаются прооксидантные эффекты – образование АФК в процессах автоокисления, окислительно-восстановительного цикла.Наличие разного количества гидроксильных групп в кольце В флавонолов может определять их антиоксидантную активность, но также играет важную роль в их токсичности и биологической активности. Текущие исследования указывают на сомнительную стабильность феноксильного радикала, что приводит к проокислительным реакциям. Считается, что прооксидантная активность этих соединений прямо пропорциональна общему количеству гидроксильных групп. Феноксильный радикал флавоноида может взаимодействовать с кислородом, что приводит к образованию хинонов и супероксидных анионов.Эта реакция может происходить в присутствии более высокой концентрации ионов переходных металлов и может быть причиной нежелательного эффекта проокисления флавоноидов (рис. 7). В целом, низкие значения BDE и IP указывают на высокую антиоксидантную активность, но чрезвычайно низкое значение IP может привести к переходу от антиоксидантного к прооксидантному характеру. Фенольные соединения с небольшим значением IP имеют тенденцию действовать как прооксиданты в присутствии активных форм кислорода и увеличивают цитотоксический потенциал фенолов.

Квантово-химические расчеты дают некоторое представление о молекулярных механизмах удаления радикалов и противовоспалительной активности исследуемых фенольных соединений. Значения энергии орбиталей ВЗМО являются важной информацией о механизме антиоксидантного действия. Как правило, чем выше орбитальная энергия ВЗМО молекулы, тем лучше ее электронодонорные свойства. Чем ниже потенциал ионизации (IP = -HOMO), тем меньше энергия, необходимая для удаления электрона. В ряду хромон → флавон → 3-гидроксифлавон → 3,7-дигидроксифлавон → галангин → кемпферол → кверцетин энергия ВЗМО-орбиталей увеличивается, а IP уменьшается (рис. 3, табл. 5).Это говорит о том, что антиоксидантная активность молекул возрастает в том же порядке, что и в анализах DPPH и FRAP. Несмотря на то, что орбитали ВЗМО и НСМО одинаково распределены по молекулам, можно заметить, что орбитали ВЗМО локализованы на гидроксильных группах в положении С3 и С3’. Это означает, что гидроксильные группы в кольцах В и С могут быть легче атакованы свободными радикалами, чем другие. Разница между энергиями орбиталей HOMO и LUMO (ΔE) описывает стабильность и реакционную способность химических соединений.Молекулы с большим ΔE характеризуются как стабильные и малореакционноспособные. С другой стороны, малое ΔE означает низкую стабильность и более высокую молекулярную реакционную способность. Эти значения резко уменьшаются для следующих гидроксильных производных хромона. Замена группы ОН в скелете флавона повышает реакционную способность молекул. Например, эксперимент показывает, что анти-DPPH активность кверцетина с катехолоподобной заменой в кольце B примерно в 9 раз выше, чем у галангина, не имеющего двух гидроксильных групп в кольце B (рис. 2) и более чем в 50 раз больше, чем у 3-гидроксифлавона.

Обычно предполагается три пути антиоксидантного механизма фенольных молекул [37]. Механизм переноса атома водорода (HAT), в котором свободный радикал удаляет один атом водорода из антиоксиданта, и антиоксидант становится радикалом. BDE (энтальпия диссоциации связи) используется для оценки реакционной способности молекулы в механизме HAT (таблица 9). Второй механизм, перенос одного электрона с последующим переносом протона (SET-PT). Это двухстадийный механизм: (а) сначала антиоксидант реагирует со свободным радикалом с образованием катион-радикала антиоксиданта и анионной формы радикала (IP, потенциал ионизации, связан с этим механизмом), затем (b ) катион-радикал антиоксиданта распадается на радикал и протон (PDE, параметр энтальпии диссоциации протона описывает реакцию).Третий механизм, последовательный перенос электрона с потерей протона (SPLET). Это также двухступенчатый механизм. Первый фенольный антиоксидант диссоциирует на анионную форму и протон (ПА, сродство к протону связано с механизмом). Во-вторых, анион реагирует со свободным радикалом, и возникает радикальная форма антиоксиданта, и возникает нейтральная молекула (ЭТЭ, энтальпия переноса электрона отражает реакцию).

Энергия диссоциации связи (BDE) представляет собой изменение энтальпии гомолитического разрыва связи.Он определяет вероятность механизма HAT. Чем слабее связь O-H, тем ниже значение BDE и выше антиоксидантные свойства молекулы. Полученные результаты свидетельствуют о том, что с увеличением числа гидроксильных заместителей возрастает и антиоксидантная активность в механизме ГАТ (табл. 6).

Механизм SET-PT связан с параметрами IP (потенциал ионизации) и PDE (энтальпия диссоциации протона). Первый описывает первый этап механизма SET-PT, зависящий от донорной способности соединений, которая связана с распределением электронного заряда по молекуле.Чем выше степень делокализации π-электрона, тем активнее молекула. По значениям ИП способность отдавать электрон возрастает в ряду: 3-гидроксифлавон→3,7-дигидроксифлавон→галангин→кемпферол→кверцетин. Кроме того, в полярных средах электрон легче отдается, чем в газовой фазе. Вторая стадия механизма SET-PT, т.е. распад катион-радикала антиоксиданта на радикал и протон, в полярной среде протекает легче, чем в газовой фазе. Самые низкие значения ФДЭ у 3,7-дигидроксифлавона (в воде и метаноле) и 3-гидроксифлавона в газовой фазе.Катион-радикал кверцетина является наиболее стабильным. Поскольку первая стадия является наиболее важной с термодинамической точки зрения, то антиоксидантную активность соединений по значениям ИП можно расположить следующим образом: 3-гидроксифлавон→3,7-дигидроксифлавон→галангин→кемпферол→кверцетин (табл. 6).

Механизм SPLET состоит из двух шагов. Первым этапом является процесс образования аниона, который, судя по полученным значениям сродства к протону (PA), в растворе протекает легче, чем в газовой фазе.Высокая средняя разница между ФА, рассчитанными для газа и раствора (~1200 кДж/моль), в основном обусловлена ​​высокими энтальпиями сольватации протона и аниона (табл. 6). Протон легче всего отщепляется от галангина, затем от кверцетина и кемпферола. По-видимому, образование анионов -О гидроксильными группами С3-ОН и С7-ОН для галангина протекает легче, чем для других соединений ряда. Второй этап механизма SPLET определяется энтальпиями переноса электрона (ЭТЭ), которые обычно ниже для изолированной молекулы (т.е. в газовой фазе), чем в растворе. Это указывает на то, что газовая фаза способствует образованию радикалов производных хромона. В газовой фазе самая низкая ЭТЭ наблюдается для 3,7-дигидроксифлавона, тогда как в воде и метаноле для кверцетина и кемпферола. Наиболее высокие параметры ЭТВ у галангина как в газовой фазе, так и в полярном растворителе. Это означает, что для галангина наиболее тяжелым является процесс образования радикалов. Антиоксидантная активность молекул в механизме SPLET, согласно ПА, может быть упорядочена следующим образом: 3-гидроксифлавон→3,7-дигидроксифлавон→кемпферол→кверцетин→галангин.

Другой биологической активностью серии из 7 лигандов, обсуждаемой в статье, является цитотоксичность по отношению к клеткам эпителиальной колоректальной аденокарциномы человека Caco-2 (выраженная как IC 50 [мкМ]) и липофильность (как LogP) (таблицы 1 и 2). LogP используется в фармацевтической промышленности для понимания поведения молекул лекарств в организме. Это связано с тем, что липофильность является основным определяющим фактором абсорбции, распределения, проникновения соединения через жизненно важные мембраны и биологические барьеры, метаболизма и выделения.Если не удается достичь или поддерживать адекватную концентрацию лекарственного средства в ткани-мишени, даже самое сильнодействующее вещество in vitro не может быть эффективным лекарственным средством. Хорошо растворимые в воде вещества легко достигают гидрофильных компартментов ткани, но в то же время могут быстро выводиться из организма. В свою очередь, липофильные соединения могут быть изолированы жировой тканью и, следовательно, с трудом выводятся из организма. Это может привести к накоплению, которое повлияет на системную токсичность вещества. В зависимости от пути введения данного соединения и его целевой среды в биологической среде идеальный кандидат в лекарство должен обладать липофильностью, позволяющей проникать через соответствующие барьеры.Так, например, лекарство, нацеленное на центральную нервную систему, в идеале должно иметь значение logP около 2 [38], в то время как для перорального и кишечного всасывания идеальное значение составляет 1,35–1,8 [39]. Таким образом, LogP помогает предсказать вероятный транспорт соединения по телу. Это также влияет на рецептуру, дозировку, клиренс лекарственного средства и токсичность. Хотя это не единственный определяющий фактор, он играет решающую роль, помогая ученым ограничить ответственность новых кандидатов в лекарства. Следовательно, зависимость токсичности лекарственных средств в ряду соединений различной липофильности имеет тенденцию к оптимуму при определенном значении LogP.Например, такой оптимум обнаружен в гомологическом ряду золотосодержащих производных фосфина [40]. Гидрофильную природу этих соединений можно варьировать в очень широких пределах без потери ароматического характера путем замены фенильных заместителей в дифосфиновых связях на пиридильные лиганды. Когда липофильность была связана с противоопухолевой активностью, оказалось, что логарифмические значения свободного лекарства IC 50 для линии клеток лимфомы мыши СН-1 имеют параболическую зависимость от липофильности лекарства.Логарифмические значения IC 50 свободного лекарственного средства и скорость поглощения были линейно связаны с липофильностью. Токсичность хозяина in vivo в ксенотрансплантатах MC-38 варьировала в зависимости от липофильности, при этом наиболее селективное соединение имело промежуточное значение [40]. Аналогичным образом, в описанной здесь серии соединений можно наблюдать тенденцию токсичности, связанную со значениями липофильности (фиг. 8, таблицы 1 и 2). В целом, LogIC 50 описанной серии соединений имеет тенденцию к линейной зависимости от их значения LogP.Однако есть два исключения. Хромон, единственный из ряда, не имеющий дополнительного фенильного кольца в орто-положении к кислороду пиранового кольца (В-кольцо, характерное для флавоноидов), характеризуется наибольшей растворимостью в воде и наименьшей токсичностью (два-три порядка). величина ниже, чем у других соединений в этой серии). Кроме того, флавон, единственный из флавоноидов в серии, не обладающий ОН-группами, проявляет более низкую токсичность (более высокая IC50 50 ) по отношению к липофильности, как и можно было ожидать в этой серии.Таким образом, токсичность соединений группы –ОН в ряду линейно зависит от их липофильности. Чем выше липофильность, тем выше токсичность (меньше IC50 50 ). Прослеживается общая тенденция, что с увеличением числа –ОН групп снижается липофильность (как и следовало ожидать), а также уменьшается токсичность, наряду с увеличением антиоксидантного потенциала (по значениям FRAP и параметрам ЕС 50 , полученным в анализ DPPH). Однако при отсутствии –ОН-групп токсичность аналогов также снижается.Эта интересная находка выделяет в ряду соединений отдельную группу, обладающую характерным флавоновым остовом и в то же время по крайней мере одной гидроксильной группой.

В литературе много результатов, описывающих цитотоксическую активность изучаемых здесь полипропиленов в отношении различных линий раковых клеток (таблица S11 файла S1). Такая активность определяется молекулярной структурой полифенолов, физико-химическими свойствами молекул которых, среди прочего, обеспечивается: (а) прямое связывание с белками-рецепторами и ингибирование факторов роста, тирозин-тирозинкиназ [41], (б) участие в клеточных сигнальных путях, АФК-зависимых путях, в том числе связанных с антиоксидантной защитой, ингибировании ферментов, участвующих в образовании свободных радикалов [12, 42, 43] (в) акцепторе свободных радикалов и связывании (комплексообразовании) ионов переходных металлов ( Cu 2+ , Fe 2+ ), (d) модулирующие активность эпигенетических факторов, e.грамм. активация SIRT (сиртуин) путем взаимодействия с определенными аминокислотными остатками [44], регуляция генов, участвующих в ремоделировании хроматина [45], (д) ​​образование активных форм кислорода (прооксидативная активность), что вызывает остановку клеточного цикла, индукцию апоптоза и фрагментации ДНК [12].

Обсуждается молекулярная структура исследуемых лигандов с точки зрения рассчитанных на уровне B3LYP/6-311++G** геометрических параметров, атомных зарядов NBO, а также экспериментальных 1 H, 13 C ЯМР, ИК, КР спектры.Пространственное расположение гидроксильной группы является основным фактором, определяющим плоскую структуру молекулы, ее энергию и дипольный момент (таблица S12 в файле S2). Конформер нет. 1 3-гидроксифлавона имеет группу ОН, направленную к кольцу В, что вызывает изгиб молекулы относительно плоскости колец А и С. В случае конформера нет. 2 группа ОН направлена ​​к карбонильному фрагменту C4O4, что обеспечивает плоскую структуру молекулы 3-гидроксифлавона. № конформера1 обладает четырьмя внутримолекулярными водородными связями (i.h.b.) средней прочности (длины находятся в диапазоне: 2,557–2,691A) и более высокой энергией, чем связь № 1. 2 с пятью i.h.b. (2,057–2,633A), включая две сильные связи (таблица S1 файла S1). Общий атомный заряд отрицателен в случае колец A и B и положителен для кольца C (таблица S2 файла S1). Два конформера больше всего различаются по суммарному заряду С-кольца.

Конформер №. 1 3,7-дигидроксифлавона имеет гидроксильную группу O3h4, направленную к кольцу В, что вызывает закручивание кольца В относительно плоскости колец А и С.Скручивание конформера является результатом стерических эффектов. В случае конформера 2 группа О3h4 направлена ​​в противоположную сторону (т.е. к атому О4), вследствие чего молекула становится плоской и ее энергия уменьшается по сравнению с конформером №1. Конформер нет. 3 отличается от номера №. 2 в пространственном расположении группы O7H7, направленной к атому H8. Он вызывает уменьшение прочности водородных связей O7···H8 и незначительное уменьшение энергии молекулы.Конформер нет. 4 отличается от № 4. 3 в изгибе группы О3h4 в сторону кольца В, что вызывает скручивание кольца В относительно плоскости колец А и С (ситуация аналогична той, что была в случае конформера № 1). Пространственное расположение группы O3h4 определяет (а) структуру (конформеры № 2 и 3 плоские, а № 1 и 4 — нет), (б) длины связей и значения углов в молекулах ( Таблица S3 файла S1) и (c) количество и прочность внутримолекулярных водородных связей.Конформеров с наименьшей энергией – нет. 2 и 3 имеют на одну водородную связь больше, чем конформеры № 1 и 4, т.е. между атомами O4 и h4, который является наиболее прочным. Согласно Джеффри [46], водородные связи можно разделить по их длине: 2,2–2,5 Å (сильные), 2,5–3,2 Å (средние) и 3,2–4,0 Å (слабые). Учитывая, что расчеты обременены некоторой погрешностью по сравнению с экспериментом, внутримолекулярные водородные связи, присутствующие в молекуле 3,7-дигидроксифлавона, можно отнести к сильным: O4···h4, O3···H6′ и среда O7···H8, O1···H8, O4···H5 в случае конформеров 2 и 3.В то время как в конформерах №. 1 и 4 все водородные связи средней прочности. Следовательно, можно сделать вывод, что в молекуле 3,7-дигидроксифлавона количество и прочность внутримолекулярных водородных связей определяют энергию и стабильность молекулы. Суммарный заряд NBO колец A, C и B находится в диапазоне: (-0,186e)-(-0,200e), 0,599e-0,652e и (-0,659)-(-0,663e) соответственно (таблица S4). файла S1). Наиболее отчетливые различия между отдельными конформерами касаются атомных зарядов, собранных на атомах, которые принимают участие в образовании внутримолекулярных водородных связей, и на кольце С (участвует в наибольшем количестве водородных связей).

Восемь конформеров галангина различаются пространственным расположением гидроксильных групп, что влияет на энергию и дипольные моменты молекул. Энергия конформеров убывает в ряду: конформер №5→№1 = №2 = №3 → №6→№4→№7→№8. № соответствия 1–3 и 6 имеют одну прочную внутримолекулярную водородную связь С4 = O···HO, тогда как конформеры № 7 и 8 имеют еще одну водородную связь С4 = O···HO и характеризуются наименьшей энергией (конформеры № 4 и 5 не имеют такого типа водородных связей).Конформер 8 обладает меньшей энергией на 0,001 а.е. и почти вдвое меньшее значение дипольного момента по сравнению с конформером 7, т.е. 8 можно считать наиболее стабильной конструкцией. Конформеры №. 1–5, не являющиеся плоскими, сильно отличаются длиной связи С1’–С2 по сравнению с плоскими структурами конформеров 6–8. Эти конформеры различаются длиной СС в кольцах, а также связями С=О и ОН, участвующими в водородных связях, т.е. С4=О4, О3-h4 и О5-Н5, которые становятся слабее после участия в образовании водородных связей (S5 Таблица файла S1).Общий атомный заряд NBO, рассчитанный для конкретных колец, является отрицательным для колец A и B и положительным для кольца C (таблица S6 файла S1). Самый стабильный конформер №. 8 обладает более высоким отрицательным зарядом NBO, собранным на атомах кислорода групп C=O и OH (участвующих в водородных связях), по сравнению с конформером № 5 (без внутримолекулярных водородных связей C4 = O···HO).

Наличие гидроксильной группы в кольце В кемпферола вызывает снижение энергии молекулы по сравнению с молекулой галангина без группы ОН в кольце В.Кольцо В конформера № 1 слегка скручено относительно плоскости колец А и С. № соответствия 2–5 плоские, их энергия ненамного ниже по сравнению с конформером №. 1 (Таблица S7 файла S1). Различия в пространственном расположении ОН-групп в молекулах конформеров 2–5 не сказываются на длине связи С-ОН и энергии молекул, но сильно влияют на значения их дипольных моментов. Водородная связь С4 = O···HO-C5 прочнее, чем C4 = O···HO-C3, и более чувствительна к изменению положения остальных ОН-групп в кольце.Пространственное расположение гидроксильного заместителя влияет на значения зарядов атомов в меньшей степени, чем наличие или отсутствие внутримолекулярных водородных связей между атомами O4 и h4O3 и H5O5 (таблица S8 файла S1).

Конформеры кверцетина №№. 1–3 обладают близкими значениями энергии. Эти значения ниже, чем для конформеров № 1. 4–6. Конформеры №. 1–3 в основном отличаются от 4–6 наличием двух водородных связей между С4 = О и гидроксильной группой, замещенной у атомов С3 и С5 (т.е. C4 = O···HO-C5 и C4 = O···HO-C3). Разрыв внутримолекулярных водородных связей вызывает снижение стабильности молекулы. Наличие водородных связей между С4=О и ОН сильно влияет на длину связи С-С в кольцах молекулы, в основном С3-С4 и С4-С10 (таблица S9 файла S1). Атомные заряды на атомах О4, О5 и О3 в конформерах 1–3 (участвующие в образовании внутримолекулярной водородной связи между карбонильной С4=О и гидроксильными группами С5-ОН и С3-ОН) наименьшие по сравнению с аналогичными атомов в конформерах 4–6 (частично или полностью лишенных i.х.б. между C4 = O и OH) (таблица S10 файла S1).

Имеются отчетливые различия в экспериментальных 1 H, 13 C ЯМР, ИК и КР спектрах вдоль ряда изученных лигандов. Эти различия вызваны увеличением числа заместителей –ОН в кольцах. Замена кольца В на скелет хромона вызывает значительные изменения в распределении электронного заряда кольца С, выражающиеся в отчетливом движении химических сдвигов, приписываемых выбранным атомам углерода в экспериментальных спектрах ЯМР лигандов (табл. 6). .А именно, распределение электронного заряда вокруг атомов С3 и С2 уменьшается, а вокруг атома С10 увеличивается. Такой же вывод можно сделать на основании значений атомных зарядов NBO (таблица S12 в файле S2). Замена гидроксильной группы в положении C3 кольца C флавона вызывает отчетливый сдвиг сигналов, приписываемых атому C2, в сторону более низких значений ppm, что указывает на увеличение плотности электронного заряда вокруг C2. Плотность электронного заряда вокруг атома С3 3-гидроксифлавона снижается по сравнению с флавоном, что особенно заметно по величине атомных зарядов NBO (Δ NBO = 0.531е). Появление дополнительной ОН-группы к кольцу А в положении С7 больше всего влияет на плотность вокруг атомов С6 и С10, которая увеличивается в молекуле 3,7-дигидроксифлавона по сравнению с 3-гидроксифлавоном. Кроме того, уменьшается отрицательный заряд вокруг атома С7 (Δ NBO = 0,516e). В галангине, имеющем еще одну ОН-группу в положении С5 кольца С, наблюдается уменьшение плотности электронного заряда вокруг атома С3. Кроме того, происходит отчетливое увеличение плотности электронного заряда вокруг атомов С5, С6, С10 и С8 кольца А, за исключением отчетливого уменьшения отрицательного заряда атома С5 (Δ NBO = 0.520е). В молекуле кемпферола дополнительная ОН-группа у атома С4′ кольца В вызывает отчетливое уменьшение плотности электронного заряда вокруг атома С4′ (Δ NBO = 0,518e) и небольшое увеличение около С2′ и С6. атомы. Замещение следующей ОН-группы в кольце В (т.е. кверцетин) вызывает уменьшение распределения электронного заряда вокруг атома С3′ (Δ NBO = 0,133e) и небольшое увеличение вокруг атома С6′ и уменьшение вокруг атома С2′. .

Каждая последующая замена группы ОН вызывает уменьшение общего заряда NBO отдельных колец на ~0.4е. А именно, замена группы ОН на атом С3 флавона снижает общий заряд NBO кольца С на 0,443е. Различия между значениями общего заряда NBO кольца А 3-гидроксифлавона и 3,7-дигидроксифлавона составляют 0,410е, тогда как между 3,7-дигидроксифлавоном и галангином — 0,405е. Суммарный заряд NBO кольца В галангина уменьшается после замещения группы ОН в положении С4’ (кемпферол) (Δ = 0,439e). Замена другой группы ОН в положении С3’ кольца В (кверцетин) снижает общий заряд NBO на 0.400е.

В колебательных спектрах исследуемых лигандов в диапазоне 1607–1664 (ИК), 1618–1669 (Р) см -1 наблюдается очень интенсивная полоса, относящаяся к валентным колебаниям карбонильной группы С = О (табл. 7). ). Появление группы ОН у атома С3 вызвало отчетливое уменьшение волнового числа полосы, отнесенной к колебаниям С=О, в спектрах 3-гидроксифлавона [1607 (ИК), 1618 (Р) см -1 ] по сравнению со спектрами флавона [1646 (ИК), 1634 (П) см -1 ].Это связано с образованием внутримолекулярных водородных связей между С4=О···НО-С3 и ослаблением связи С=О. В ряду 3-гидроксифлавон→3,7-дигидроксифлавон→галангин→кемпферол→кверцетин эта полоса смещается в сторону больших волновых чисел с увеличением числа ОН-заместителей. В интервале 1632–1405 (ИК), 1636–1339 (К) см -1 наблюдаются полосы валентных колебаний νCC. Эти полосы были чувствительны к замещению групп ОН в кольцах и, как правило, уменьшались в волновых числах вместе с вышеупомянутым рядом по мере уменьшения отрицательного заряда атома NBO в кольце (таблица S12 в файле S2).Полосы, относящиеся к колебаниям группы βОН, т.е. ~1320 и νC-OH ~1170 см -1 , были соответственно смещены в сторону большего и меньшего волнового числа в ряду 3-гидроксифлавон→3,7-дигидроксифлавон→галангин→кемпферол→ кверцетин.

Для изучения зависимости между молекулярной структурой 7 лигандов и их биологической активностью использовали анализ главных компонентов (PCA) и иерархический кластерный анализ. Антиоксидантная активность, описываемая значением FRAP, сильно коррелирует (R>0.700) с энергией орбитали ВЗМО (R = 0,829) и полным зарядом кольца C (R = 0,789), и сильно отрицательно коррелирует с расчетным потенциалом ионизации (R = -0,829) и электроотрицательностью (R = -0,925) (таблица 8). Цитотоксичность по отношению к клеточной линии Caco-2 (выраженная как IC 50 [мкМ]), энергетическая щель (LUMO-HOMO) (R = 0,775) и химическая устойчивость (R = 0,775) сильно коррелированы. При этом цитотоксичность и logPClassic (R = -0,710), суммарный заряд колец А и С (R = -0.790, R = -0,716 соответственно), электрофильность (R = -0,772) сильно отрицательно коррелируют.

С учетом всех экспериментальных и расчетных данных, описывающих биологические и физико-химические свойства исследуемых лигандов, их можно сгруппировать в три основных кластера (рис. 9). Полученные результаты свидетельствуют о том, что количество гидроксильных заместителей в кольце является решающим фактором, определяющим биологические и физико-химические свойства исследуемых лигандов. А именно, первая группа состоит из кверцетина и кемпферола, которые имеют гидроксильный заместитель во всех кольцах.Производные хромона, относящиеся ко второй группе (галангин, 3,7-дигидроксифлавон, 3-гидроксифлавон), имеют гидроксильный заместитель в кольце А и С, тогда как третья группа состоит из соединений без заместителя –ОН в кольце.

Рис. 9. Дендрограмма серии из 7 лигандов на основе их биологических свойств (т.е. значений FRAP, IC50 для цитотоксической активности по отношению к клеточной линии Caco-2) и рассчитанных физико-химических параметров.

https://дои.org/10.1371/journal.pone.0229477.g009

Характеристика молекулярной структуры и структурное объяснение

Экспертиза по выяснению молекулярной структуры и подтверждению химической структуры для определения связи атомов и состава химических соединений

Выяснение молекулярной структуры необходимо для идентификации или подтверждения структурной идентичности химического соединения во время химических исследований или разработки продукта.

Неизвестные вещества или примеси трудно идентифицировать. Выяснение химической структуры примесей необходимо для поддержки нормативных требований к соединениям для ряда промышленных секторов, таких как агрохимия, фармацевтика и регистрация новых химических объектов.

Мы применяем наш экспертный анализ для выяснения структуры новых химических соединений, выявления примесей и проведения характеристики химического состава.

Наши специалисты используют методы масс-спектрометрии для определения молекулярной массы и применяют подходы тандемной МС/МС для получения ценных данных при идентификации неизвестной молекулы.В ходе этого процесса наши ученые-спектроскописты применяют такие методы, как ядерно-магнитный резонанс (ЯМР) 1H и 13C, чтобы исследовать и подтвердить связь атомов в молекуле. Методы элементного анализа, такие как спектроскопия с индуктивно-связанной плазмой (ICP-OES), эффективно помогают определить элементы, присутствующие в рассматриваемом химическом соединении. Часто комбинация информации из этих нескольких методов может дать исчерпывающую картину структуры соединения и, следовательно, подтвердить идентичность.Такой процесс требует применения правильных методов в сочетании с квалифицированным и высококвалифицированным подходом.

Наши специалисты также могут применять ряд методов, включая методы ЯМР и хроматографии, для изучения и подтверждения оптических изомеров хиральных молекул.

Методы структурной выяснения включают

  • ВЭЖХ / мс / мс
  • GCMS
  • GCMS
  • GCMS
  • GCMS
  • Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) Спектроскопия
  • Спектрометрия масс
  • FTIR Spectroscopy
  • Элементный анализ

с интертеком в качестве вашего партнера, вы получат преимущества профессионального применения самых точных методов, подкрепленных нашим опытом.Наша глобальная сеть лабораторий химического анализа использует ряд технологий во время проектов по выяснению структуры для поддержки идентификации и подтверждения молекул. С командой экспертов, которые приобрели многолетний опыт работы с широким спектром образцов и отраслей промышленности, мы можем предоставить структурные данные, которые вам нужны для продвижения ваших программ исследований или разработки продуктов или для заполнения ваших нормативных документов.

Отправьте нам запрос

Нужна помощь или есть вопрос? +65 6805 4800

Молекулярная геометрия

Молекулярная геометрия

Многие физические и химические свойства молекулы или иона определяются их трехмерной формой (или молекулярной геометрией).Структуры Льюиса очень полезны для предсказания геометрии молекулы или иона.

Теория отталкивания электронной пары валентной оболочки (сокращенно VSEPR) обычно используется для предсказания молекулярной геометрии. Теория гласит, что отталкивание пар электронов на центральном атоме (будь то связывающие или несвязывающие электронные пары) будет контролировать геометрию молекулы. Другими словами, электроны будут стараться находиться как можно дальше друг от друга, оставаясь при этом связанными с центральным атомом.

Молекулярную геометрию можно предсказать с помощью VSEPR, выполнив ряд шагов:

Шаг 1: Подсчитайте количество неподеленных электронных пар на центральном атоме.

Сколько неподеленных электронных пар приходится на центральный атом в каждой из следующих структур Льюиса?

Хорошо!

Неподеленная электронная пара представлена ​​парой точек в структуре Льюиса.Попробуйте снова.

Для вас введены правильные ответы. Убедитесь, что вы понимаете, почему они верны.

Шаг 2: Подсчитайте количество атомов, связанных с центральным атомом.

Сколько атомов связано с центральным атомом в каждой из следующих структур?

Хорошо!

Не забудьте подсчитать количество атомов, связанных с центральным атомом.Если атом связан с центральным атомом двойной связью, он все равно считается одним атомом. Попробуйте снова.

Для вас введены правильные ответы. Убедитесь, что вы понимаете, почему они верны.

Шаг 3: Сложите эти два числа вместе, чтобы получить области электронной плотности вокруг центрального атома. Используйте это число для определения геометрии электронной пары.

Каждая связь (будь то одинарная, двойная или тройная связь) и каждая неподеленная электронная пара представляет собой область электронной плотности вокруг центрального атома.Области электронной плотности будут располагаться вокруг центрального атома так, чтобы они находились как можно дальше друг от друга.

Регионы
Электронная пара
Плотность
линейный треугольный плоский тетраэдрический тригональная бипирамида восьмигранный

В таблице ниже показана геометрия электронных пар для структур, которые мы рассматривали:

Шаг 4: Молекулярная геометрия описывает положение только атомных ядер (не неподеленных электронных пар) молекулы (или иона).Если на центральном атоме нет неподеленных электронных пар, электронная пара и молекулярная геометрия одинаковы.

Нажмите здесь, чтобы увидеть различные молекулярные геометрии.

Выберите правильную молекулярную геометрию для следующих молекул или ионов ниже.

Просмотрите различные молекулярные геометрии, нажав на пробирку выше, а затем повторите попытку.

Хорошо! Геометрия этих трех молекул и ионов представлена ​​в таблице ниже.

Обратите внимание, что когда на центральном атоме нет неподеленных электронных пар, электронная пара и молекулярная геометрия одинаковы.

2022 Конференция по разъяснению молекулярной структуры GRC

Описание конференции