КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО СТРОЕНИЯ БИЛОГИЧЕСКИ АКТИВНОГО ВИТАМИНА В1

АННОТАЦИЯ

Для нормальной жизнедеятельности человеческого организма важнейшую роль играют различные витамины. А именно, витамин В₁ является особенно важным, необходимым веществом в процессе метаболизма углеводов, жиров и белков в организме человека, в работе нервной, пищеварительной, сердечно-сосудистой системы.

ABSTRACT

Various vitamins play a vital role for the normal functioning of the human body. Namely, vitamin B1 is a particularly important, necessary substance in the metabolism of carbohydrates, fats and proteins in the human body, in the functioning of the nervous, digestive, and cardiovascular systems.

Ключевые слова: витамин В₁, квантово-химический расчет, метод DFT B3LYP, электронное строение, реакционная способность, биологическая активность, метаболизм, жиры, белки; нервная, пищеварительная, сердечно-сосудистая системы.

Keywords: vitamin B₁, quantum chemical calculation, DFT B3LYP method, electronic structure, reactivity, biological activity, metabolism, fats, proteins; nervous, digestive, cardiovascular systems.

Введение. Витамин B₁ (также тиамин; старое название аневрин) - гетероциклическое органическое соединение, является водорастворимым, отвечающий формуле C₁₂H₁₇N₄OS. Витамин B₁ – бесцветное вещество кристаллической структуры, хорошо растворимое в воде, не растворяется в спирте, но также существует жирорастворимый вид витамина B₁ - бенфотиамин. В кислой среде растворы тиамина (водные) при нагревании не претерпевают разрушение структуры и не снижают свою биологическую активность. Наблюдается быстрое разрушение витамина B₁ при нагревании в нейтральной и щелочных средах [1, 2]. Различные формы тиамина играют важнейшую роль в процессах метаболизма углеводов, жиров и белков в организме человека: тиамин нефосфорилированный, тиаминмонофосфат, тиаминдифосфат и тиаминтрифосфат. Более распространенной формой тиамина является – тиаминдифосфат. Вещество найдено в жизненно важных органах: мозг, сердце, печень и почки человека, поддерживая нормального роста и развития организма и помогает поддерживать работу сердца, нервной и пищеварительной системы [3, 4], не накапливается в организме и не отравляет его. Ниже приведена схема, с условными нумерациями на атомах молекулы витамина В₁. Такая нумерация очень удобна для обработки результатов квантово-химического расчета, проводимый нами для уточнения электронной структуры молекулы.

Рисунок 1. Схема и условная нумерация атомов молекулы В1

Методика расчета. В данной работе нами проведен квантово-химический расчет по программе Gaussian-98 геометрии и электронной структуры витамина В₁, методом DFT-B3LYP базисным набором 3-21-G, с полной оптимизацией геометрических параметров. Обычно, широко используемый в научной литературе [5, 6]. Нужно отметить, что этот подход удобен для расчета структур азотистых гетероциклов, а именно замещенных пиримидинов.

Обсуждение результатов.

Согласно нашим расчетным данным, полная энергия системы, в газовой фазе равна Е_п=-723772,544 кКал/моль, а дипольный момент равен µ=6,2651 Дб. Результаты оптимизации геометрических параметров и перераспределение электронных зарядов на атомах, полученные квантово-химическим расчетом приведены в таблице 1.

Таблица 1

Распределение зарядов на атомах и геометрические параметры молекулы В₁

Согласно приведенных цифровых значений в таблице 1, можно сделать следующие выводы: длина межатомных связей ароматического кольца сходны с их литературными данными. Например, длины связей N1-C2, C2-N3, N3-C4, C4-C5, C5-C6 соответственно равны 1,463Å, 1,301Å, 1,454Å, 1,356Å, 1,519Å. Некоторые расхождения в соответствующих длинах связей относительно незамещенного пиримидинового кольца объясняется с наличием различных заместителей в положениях С2, С4 и С5. Рассмотрим значения валентных углов ароматического кольца A и B. Значения валентных углов N1-C2-N3, N3-C4-C5, у пирмидинового кольца A равные 121,74^о, 119,46^о, и валентные углы N10-C11-S12, S12-C13-C14 кольца B, равные 111,74^о, 108,94^о, указывают на сохранение правильной гибридизации атомов у обоих циклов. О сохранении ароматичности колец A доказывают значения двугранных углов N1-C2-N3-C4, N3-С4-С5-С5, равные -0,026^о, 0,008^о, которые очень близки значениям планарной структуры. Двугранный угол C5-C9-N10-C14 равный -150,10^о, показывает насколько оба кольца вращаются под влиянием стерического фактора (электростатического отталкивания) близрасположенных заместителей H6 и H16, а также между мостиково-связанных соседних колец A и B. Согласно вышеуказанным данным, оба кольца A и B не лежат в одной плоскости и несколько раскручены относительно между собой.

Рисунок 2. Заряды на атомах (2а) и расположение соседних колец А и В (2b)

Электронные заряды перераспределены между атомами аромитических колец А, Б, а также экзоциклических заместителей следующим образом: максимальные отрицательные заряды сосредоточены у атомов N1 и N3 (q=0,498e) у ароматического кольца А, и на атоме азота N10 у кольце В. Такое явление объясняется фактором правилами согласованной и несогласованной ориентации различных заместителей в положениях C2, C4, C5 у ароматического кольца А и заместителей в положениях N10, С13 и С14 у кольца B.

Выводы. Нами полученные результаты квантово-химических расчетов, проведенные методом DFT B3LYP базисным набором 3-21G, высокой точностью иллюстрируют геометрию и электронное строение [7-10] молекулы витамина В₁ и дает возможность правильно объяснить перераспределение электронных зарядов в связи влиянием заместителей мостиково-связанных гетероциклических колец A и B.

Список литературы:

1. Березов Т. Т., Коровкин Б. Ф. Биологическая химия: Учебник. – 3-е изд., перераб. и доп.– М.: Медицина, 1998.– 704 с.
2. Michael B. Smith, Jerry March. March’s advanced organic chemistry: Reactions, Mechanisms, and Structure. 8^th Ed. John Wiley & Sons, Inc. 2007. 2374 р.
3. Марри Р., Греннер Д., Мейес П., Родуэлл В. Биохимия человека. Т. 1–2 / Пер. с англ. — М.: Мир, 1993.
4. Garrett R.H., Grisham Ch.M. Biochemistry. Thomson Learning. Singapore, 2005. 1086 p.
5. S. Hejazi et.al., Electrochemical and quantum chemical study of Thiazolo-pyrimidine derivatives as corrosion inhibitors on mild steel in 1 M H₂SO₄. Journal of Industrial and Engineering Chemistry Volume 25, 2015, Pages 112-121.
6. Кодиров А.А. и др. Квантово-химическое изучение электронного строения и геометрии молекулы тиенопиримидинона // Universum: химия и биология: электрон. научн. журн. 2023. 1(115). URL: https://7universum.com/ru/nature/archive/item/16607. Дата обращения: 15.04.2024 г.
7. М.Х. Мамарахмонов, Л.И. Беленький, М.А. Аширматов, Н.Д. Чувылкин, Х.М. Шахидоятов. Квантово-химические исследования пиримидин-4-онов. Сообщение 3. 2-Оксо(тиоксо, селеноксо)пиримидин-4-оны и 5,6-диметил-2-оксо(тиоксо)тиено[2,3-d]пиримидин-4-оны. Известия Академии наук. Серия химическая, 2014, № 2. С. 350-354.
8. М.А.Юровская, А.В.Куркин, Н.В.Лукашёв. Химия ароматических гетероциклических соединений. М. 2007. 51 стр.
9. W. A. Ayer and E. R. Cruz; Tetrahedron Lett., 1993, 34, 1589.
10.  J-h Liu, A. Steigel, E. Reiringer, and B. Bauer, J. Nat. Prod., 2000, 63, 403.