ТЕРМОДИНАМИКА КОМПЛЕКСООБРАЗОВАНИЯ С 18-КРАУН-6 С L-КАРНОЗИНОМ И ЕГО КОНФОРМАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ
Аннотация
Изучение модельных биологических процессов «гость-хозяин» между дипептидами и краун-эфирами позволяет понять природу молекулярного распознавания в живых системах. Методом изотермической калориметрии титрования изучена реакция образования молекулярного комплекса краун-эфира 18-краун-6 (18К6) с L-карнозином (L-Carn) в воде при T = 298,15 K. Теплоты смешения водных растворов L-карнозина с водными растворами 18-краун-6 определяли на калориметрической системе титрования ТАМ III (TA Instruments), оснащенной ячейкой титрования объемом 20 мл. В основном опыте определяли теплоту смешения водного раствора 18К6 с водным раствором L-Carn. В отдельных опытах был измерен тепловой эффект разведения раствора L-Carn в воде, который учитывался при определении теплового эффекта комплексообразования. Из термохимических данных рассчитаны термодинамические параметры реакции образования молекулярного комплекса. Установлено, что наличие в структуре L-Carn гистидинового фрагмента приводит к повышению устойчивости молекулярного комплекса L-Carn с 18К6 и к уменьшению экзотермичности комплексообразования по сравнению с комплексообразованием аланина с 18К6. Термодинамические параметры реакции образования [L-Carn 18К6] сходны с термодинамикой комплексообразования 18К6 с гистидином. Квантово-химические расчеты выполнялись в рамках теории функционала электронной плотности с использованием программного пакета GAUSSSIAN 03. Визуализацию полученных результатов выполняли с помощью программы ChemCraft. Для анализа реакционной способности структурных фрагментов L-Carn в рамках теории функционала электронной плотности (вариант B3LYP/6-31G**) выполнен конформационный анализ L-Carn. Для трех устойчивых конформеров в приближении M062X/ aug-cc-pVTZ получены геометрические параметры и выполнен анализ распределения электронной плотности в рамках метода QTAIM, а также схемы NBO.
Для цитирования:
Усачева Т.Р., Белова Н.В., Сатурина Е.В., Крутова О.Н., Луканов М.М., Павлова Э.А. Термодинамика комплексообразования с 18-краун-6 с l-карнозином и его конформационный анализ. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2023. Т. 66. Вып. 5. С. 21-31. DOI: 10.6060/ivkkt.20236605.6781.
Литература
Lehn J.M. Design of organic complexing agents. Strategies towards properties Structure and Bonding. 1973. V. 16. P. 1– 69. DOI: 10.1007/BFb0004364.
Julian R.R., Akin M., May J.A., Stoltz B.M., Beauchamp J.L. Molecular recognition of arginine in small peptides by supramolecular complexation with dibenzo-30-crown-10 ether. Int. J. Mass Spectrometry. 2002. V. 220. P. 87–96. DOI: 10.1016/S1387-3806(02)00837-0.
Salts E., Rosete-Luna S., Medrano F., Bernal-Uruchurtu M., Godoy-Alcántar C. Crown ether ditopic receptors for ammonium salts with high affinity for amino acid. J. Mex. Chem. Soc. 2009. V. 53(4). P. 210-219. DOI: 10.29356/jmcs.v53i4.973.
Kai C., Oshima T., Baba Y. Enhanced extraction of amino compounds using dicyclohexyl-18-crown-6 as a ligand in an aqueous two-phase system. Res. Develop. Solv. Extract. 2010. V. 17. P. 83-93. DOI: 10.15261/serdj.17.83.
Chen Y., Rodgers M.T. Structural and energetic effects in the molecular recognition of amino acids by 18-crown-6. J. Am. Chem. Soc. 2012. V. 134. P. 5863−5875. DOI: 10.1021/ja211021h.
Ramotowska S., Dąbkowska I., Zarzeczańska D. In pursuit of the ideal chromoionophores (part II): The struc-tureproperty relationship for electrochemical signaling capacities of aza-12-crown-4 ethers substituted with an anthra-quinone moieties. Hybrid Gold Op. Acc. 2022. V. 197. P. 273-281. DOI: 10.1016/j.dyepig.2021.109891.
Suliman F., Al B., Suad K., Elbashir A., Schmitz O. Capillary electrophoresis and molecular modeling of the chiral separation of aromatic amino acids using α/β-cyclodextrin and 18-crown-6. Electrophoresis. 2021. V. 42. Р. 1800-1809. DOI: 10.1002/elps.202000290.
Pál D., Gede M., Móczár l., Baranyai B., Péter H. Synthesis and complexation studies of optically active aza-and diazacrown ethers containing a pyrene fluorophore unit. Periodica Polytech. Chem. Eng. 2020. V. 64. N 1. Р. 20 – 36. DOI: 10.3311/PPch.14467.
Schneider T., Brüssow N., Yuvanc A., Budisa N. Synthesis of new aza- and thia-crown ether based amino acids. Chem. Select. 2020. V. 5. P. 2854 – 2857. DOI: 10.1002/slct.202000122.
Dominique P., Schnurr M., Lewandowski B. Chiral recognition of amino-acid esters by a glucose-derived macro-cyclic receptor. Chem. Commun. 2021. V. 57. N 28. Р. 3476 – 3479. DOI: 10.1039/d1cc00878a.
Xia Y., Song Z., Tan Z., Xue T., Wei S., Zhu L., Yang Y., Fu H., Jiang Y., Lin Y., Lu Y., Ferguson A. Accelerated polymerization of N-carboxyanhydrides catalyzed by crown ether. Nat. Commun. 2021. V. 12(1). Р. 732. DOI: 10.1038/s41467-020-20724-w.
Arshad N., Hameed A., Hashim J., Iqbal T., Munir I., Abid Ali S., Sharif M., Ali D., Javed S., M Hafizur R. Natural products embedded crown ethers as potent insulin secretory agents. J. Pharm. Sci. 2021. V. 34(5). Р. 2003-2008.
Zhang J., Qiu H., He T., Li Y., Yin S. Fluorescent supra-molecular polymers formed by crown ether-based host-guest interaction. Front Chem. 2020. V. 24. Р.560-568. DOI: 10.3389/fchem.2020.00560.
Chekhov A.N. Synthesis and crystal structure of tetrahydro-furan ammonium bromide (dibenzo-18-crown-6) solvate. Zhurn. Neorg. Khim. 2010. V. 55. N 3. Р. 435-439 (in Russian). DOI: 10.1134/S0036023610030150.
Kuz'mina A., Volkova M., Kuz'mina K., Usacheva T., Sharnin V., Arena I. Effect of reactant solvation on the sta-bility of complexes of silver(I) with 18-crown-6 in ethanol-dimethyl sulfoxide mixtures. J. Molec. Liq. 2019. V. 276. P. 78-82. DOI: 10.1016/j.molliq.2018.11.097.
Sharnin V.A., Usacheva T.R., Kuzmina I.A., Gamov G.A., Alexandriyskiy V.V. Complexation in non-aqueous media: A solvation approach to describing the role of a solvent. M.: URSS : Lenand. 2019. 301 p. (in Russian).
Gromov S.P., Alfimov M.V., Chibisov A.K. Development of multichromophoric supramolecular devices and machines. Khim Vys. Ener. 2022. V. 56. N 1. P. 5-15 (in Russian). DOI: 10.31857/S0023119322010065.
Chupina A.V., Abramov P.A., Sokolov M.N. AgNO3 complexes with 15-crown-5 and dibenzo-18-crown-6. Zhurn. Strukt. Khim. 2021. V. 62. N 5. Р. 765-771 (in Rus-sian). DOI: 10.1134/S0022476621050073.
Kulikov O.V., Terekhova I.V. Thermodynamics of complexation of amino acids containing various functional groups with 18–crown–6 in water. Coord. Khim. 1997. V. 23. N 12. Р. 946 – 949 (in Russian).
Terekhova I.V., Kulikov O.V., Kumeev P.S., Alper G.A. Complexation of amino acids with 18–crown–6. Obshch. Khim. 2005. V. 75. N 3. P. 409-411 (in Russian). DOI: 10.1007/s11176-005-0240-z.
Buschmann H.J., Schollmeyer E., Mutihac L. The complexation of amino alcohols and amino acids by the crown ether 18C6 and the cryptand (222) in methanol. Thermochim. Acta. 1998. V. 316. P. 189–192. DOI: 10.1023/A:1007941023186.
Usacheva T.R., Sharnin V.A. Thermodynamics of molecular complexation "guest—host" in non-aqueous media on the example of the interaction of amino acids and crown esters. Izv. AN. Ser. Khim. 2015. N 11. Р. 2536-254423 (in Russian). DOI: 10.1007/s11172-015-1189-7.
Usacheva T.R., Pham Thi L., Sharnin V.A. Calorimetric study of the molecular complex formation of glycyl–glycyl–glycine with 18-crown-6 in aqueous organic solvents. Russ. J. Gen. Chem. 2017. V. 87. P.591–599. DOI: 10.1134/S1070363217030355.
Kuz’mina I.A., Usacheva T.R., Volkova M.A. Influence of reagents solvation on [Ag18C6]+ complex formation in methanol‒acetonitrile mixed solvents. Russ. J. Gen. Chem. 2017. V. 87. P. 2229–2232. DOI: 10.1134/S107036321709050X.
Krutova O., Usacheva T., Niccoli M., Giancola C. Thermochemical analysis of intermolecular interactions of Lcar-nosine with isonicotinic acid in aqueous solutions. J. Therm. Anal. Calorim. 2021. V. 147(4). P. 1-7. DOI: 10.1007/s10973-021-10982-1.
Krutova O.N., Chernikov V.V., Tyunina E.Yu., Krutov P.D., Romanov R.A. Standard enthalpy of formation of lor-noxicam and its anion L- in aqueous solution. Chem Chem Tech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2022. V. 65. N 12. P. 6-11. DOI: 10.6060/ivkkt.20226511.6696.
Tyunina E.Yu., Krutova O.N., Lytkin A.I. Determination of the complexation parameters of L-asparagine with some biologically active pyridine derivatives in aqueous solutions from calorimetric results. Thermochim. Acta. 2020. V. 690. P. 178704. DOI: 10.1016/j.tca.2020.178704.
Bushuev Y., Usacheva T., Sharnin V. Molecular dynamics simulations of 18-crown-6 aqueous solutions. J. Molec. Liq. 2016. V. 224. Pt. A. P. 825-83. DOI: 10.1016/j.molliq.2016.10.062.
Wadsö I. Isothermal microcalorimetry in applied biology. Thermochim. Acta. 2002. V. 394. P. 305–311. DOI: 10.1016/S0040-6031(02)00263-0.
Kustov A.V., Batov D.V., Usacheva T.R. Calorimetry of solutions of nonelectrolytes. Theoretical foundations, experiment, data analysis. M.: KRASAND. 2016. 288 p. (in Russian).
Frisch M.J., Trucks G.W., Schlegel H.B., Scuseria G.E., Robb M.A., Cheeseman J.R., Montgomery Jr. J.A., Vreven J.T., Kudin K.N., Burant J.C., Millam J.M., Iyengar S.S., Tomasi J., Barone V., Mennucci B., Cossi M., Scalmani G., Rega N., Petersson G.A., Nakatsuji H., Hada M., Ehara M., Toyota K., Fukuda R., Hasegawa J., Ishida M., Nakajima T., Honda Y., Kitao O., Nakai H., Klene M., Li X., Knox J.E., Hratchian H.P., Cross J.B., Adamo C., Jaramillo J., Gomperts R., Stratmann R.E., Yazyev O., Austin A.J., Cammi R., Pomelli C., Ochterski J.W., Ayala P.Y., Morokuma K., Voth G.A., Salvador P., Dannenberg J.J., Zakrzewski V.G., Dapprich S., Daniels A.D., Strain M.C., Farkas O., Malick D.K., Rabuck A.D., Raghavachari K., Foresman J.B., Ortiz J.V., Cui Q., Baboul A.G., Clifford S., Cioslowski J., Stefanov B.B., Liu G., Liashenko A., Piskorz P., Komaromi I., Martin R.L., Fox D.J., Keith T., Al-Laham M.A., Peng C.Y., Nanayakkara A., Challacombe M., Gill P.M.W., Johnson B., Chen W., Wong M.W. Gonzalez C., Pople J.A. Gaussian 03. Revision B.03, Gaussian, Inc. Pittsburgh PA. 2003.
Zhurko G.A., Zhurko D.A. ChemCraft version 1.6 (build 312). version 1.6 (build 312) ed: http://www.chemcraftprog.com/index.html.
Bader R.F.W. Atoms in Molecules: A Quantum Theory. Oxford: Oxford University Press. 1990.
Keith T.A. AIMAll. TK Gristmill Software. KS, USA: Overland Park. 2016.
Glendening E.D., Badenhoop J., Reed A.E., Carpenter J.E., Bohmann J.A., Morales C.M., Weinhold F. NBO 5.G. 2004.
Granovsky A.A. PC GAMESS version 7.1 (Firefly), http://classic.chem.msu.su/gran/firefly/index.html
Usacheva T., Terekhova I., Alister D., Agafonov M., Kuranova N., Tyurin D., Sharnin V. Entropy Effects in Intermolecular Associations of Crown-Ethers and Cyclodextrins with Amino Acids in Aqueous and in Non-Aqueous Media. Entropy. 2022. V. 24(1). P. 24. DOI: 10.3390/e24010024.
Barrans Y., Bellocq A.M., Cotrait M., Richard H. Structure cristalline et conformation en solution aqueuse de la carnosine (β-alanyl-L-histidine). J. Molec. Struct. 1976. V. 30. P. 225. DOI: 10.1016/0022-2860(76)87002-0.
