USING QUANTUM-CHEMICAL PARAMETERS FOR PREDICTING ANTI-RADICAL (НО∙) ACTIVITY OF RELATED STRUCTURES CONTAINING A CINNAMIC MOLD FRAGMENT. I. DERIVATIVES OF CINNAMIC ACID, CHALCON AND FLAVANON

Full Text

Pharmaceutical technology and biotechnology DOI: 10.19163/2307-9266-2019-7-1-53-66 УДК 547.814.5:544.18 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ АНТИРАДИКАЛЬНОЙ (НО∙) АКТИВНОСТИ РОДСТВЕННЫХ СТРУКТУР, СОДЕРЖАЩИХ ЦИННАМОИЛЬНЫЙ ФРАГМЕНТ. i. ПРОИЗВОДНЫЕ КОРИЧНОЙ КИСЛОТЫ, ХАЛКОНА И ФЛАВАНОНА Э.Т. Оганесян, С.С. Шатохин, А.А. Глушко Пятигорский медико-фармацевтический институт – филиал ФГБОУ ВО ВолгГМУ Минздрава России, 357532, Россия, Пятигорск, пр. Калинина, 11 E-mail: edwardov@mail.ru Поступила в редакцию: 23.12.2018 Принята к печати: 20.02.2019 Изучено 45 соединений, объединяющих 3 группы производных коричной кислоты, халкона и флаванона, каждая из которых включает по 15 веществ. Анализируемые соединения содержат общий структурный фрагмент, представляющий собой остаток коричной кислоты (циннамоильный фрагмент). Цель работы – изучение квантово-химических параметров перечисленных групп соединений с целью прогнозирования возможных путей их взаимодействия с наиболее агрессивным и опасным из числа активных форм кислорода (АФК) гидроксильным радикалом. Материалы и методы. Для анализируемых структур определены Малликеновские заряды (а.е.), связевые числа (Nμ), индекс ненасыщенности (IUA) и величины электронной плотности на всех 9-атомах углерода циннамоильного фрагмента. Расчеты осуществлены на рабочей станции с процессором IntelXeonE5-1620 3,5 ГГц, 20 Гб оперативной памяти, при этом использован полуэмпирический метод РМ7 (программа WinMopac 2016). Для расчетов энергий гомолитического расщепления связи О–Н использована программа ORCA 4.1. Результаты. Анализ величин Малликеновских зарядов (а.е.), связевых чисел (Nμ), индексов ненасыщенности (IUA) и электронной плотности позволил выявить ряд закономерностей, на основании которых можно делать выводы о том, что с учетом природы заместителей наиболее вероятными для присоединения в арильном остатке являются положения С-1, С-2, С-3, С-4 и С-5. В пропеноновом фрагменте радикал НО* в первую очередь атакует положение 8, затем 7. Для гидроксизамещенных определена энергия гомолитического разрыва связи Н-О и установлено, что у пространственно затрудненных фенолов (соединения 13к, 13х, 13ф, 14к, 14х, 14ф) энергия разрыва связи Н-О наименьшая и в среднем составляет – 160,63 кДж/моль. Установлено также, что,чем выше положительный Малликеновский заряд на атоме углерода, с которым связан фенольный гидроксил, тем ниже энергия гомолитического разрыва связи Н-О и тем более устойчив образующийся феноксильный радикал. Заключение. Проведенные квантово-химические расчеты позволяют сделать вывод о том, что изучаемые классы соединений могут быть использованы для связывания образующегося в организме гидроксильного радикала, вызывающего различного рода мутации, приводящие, в том числе, к развитию онкологических заболеваний. Ключевые слова: гидроксильный радикал, производные коричной кислоты, халконы, флаваноны, Малликеновские заряды, связевые числа, индекс ненасыщенности, электронная плотность Для цитирования: Э.Т. Оганесян, С.С. Шатохин, А.А. Глушко. Использование квантово-химических параметров для прогнозирования антирадикальной (но) активности родственных структур, содержащих циннамоильный фрагмент. I. Производные коричной кислоты, халкона и флаванона. Фармация и фармакология. 2019;7(1): 53-66. DOI:10.19163/2307-9266-2019-7-1-53-66 © Э.Т. Оганесян, С.С. Шатохин, А.А. Глушко, 2019 For citation: E.T. Oganesyan, S.S. Shatokhin, A.A. Glushko. Using quantum-chemical parameters for predicting anti-radical (НО∙) activity of related structures containing a cinnamic mold fragment. I. Derivatives of cinnamic acid, chalcon and flavanon. Pharmacy & Pharmacology. 2019;7(1):53-66. DOI:10.19163/2307-9266-2019-7-1-53-66 Volume VII, Issue 1, 2019 53 оригинальнАЯ статья ISSN 2307-9266 e-ISSN 2413-2241 USING QUANTUM-CHEMICAL PARAMETERS FOR PREDICTING ANTI-RADICAL (НО∙) ACTIVITY OF RELATED STRUCTURES CONTAINING A CINNAMIC MOLD FRAGMENT. i. DERIVATIVES OF CINNAMIC ACID, CHALCON AND FLAVANON E.T. Oganesyan, S.S. Shatokhin, A.A. Glushko Pyatigorsk Medical and Pharmaceutical Institute – branch of Volgograd State Medical University, 11, Kalinin Ave., Pyatigorsk, Russia, 357532 E-mail: edwardov@mail.ru Received: 23.12.2018 Accepted for publication: 20.02.2019 45 compounds uniting 3 groups of derivatives of cinnamic acid, chalcone and flavanone, have been studied. Each of them includes 15 substances. The analyzed compounds contain a common structural fragment, which is a cinnamic acid residue (cinnamoyl fragment). The aim is to study the quantum-chemical parameters of the listed groups of the compounds in order to predict possible ways of their interaction with the most aggressive and dangerous of the active oxygen species (ROS) – a hydroxyl radical. Materials and methods. For the analyzed structures, the Mulliken charges (a.u.), bond numbers (Nμ), unsaturation index (IUA), and electron density values on all 9-carbon atoms of the cinnamoyl fragment have been determined. The calculations have been carried out on a workstation with an Intel Xeon E5-1620 3.5 GHz processor, 20 GB of RAM. The semi-empirical method PM7 was used (WinMopac 2016 program). The ORCA 4.1 program was used to calculate the energies of homolytic cleavage of the O – H bond. Results. The analysis of Mulliken charges (a.u.), bonded numbers (Nμ), unsaturation indices (IUA), and electron density revealed a number of regularities on the basis of which it can be concluded, that taking into account the nature of the substituent, the most probable for addition in the aryl residueare positions C-1, C-2, C-3, C-4 and C-5. In the propenone fragment, the radical НО∙ first attacks position 8, then 7. For the hydroxy-substituted, the energy of the homolytic breaking of the H – O bond has been determined and it has been established that the spatial difficulty of phenols (compounds 13k, 13x, 13f, 14k, 14x, 14f) H-O bonds are the smallest and on average are -160.63 kJ/mol. It has also been established that the higher the positive Mulliken charge on the carbon atom with which the phenolic hydroxyl is bound, the lower the energy of the homolytic breaking of the H – O bond and the more stable the resulting phenoxy radicalis. Conclusion. The carried out quantum chemical calculations allow us to conclude that the studied classes of compounds can be used to bind the hydroxyl radical formed in the body, causing various kinds of mutations, leading, among other things, to the development of oncological diseases. Keywords: hydroxyl radical, cinnamic acid derivatives, chalcones, flavanones, Mulliken charges, bond numbers, unsaturation index, electron density ВВЕДЕНИЕ В настоящее время экспериментальная биохимия и клиническая фармакология накопили обширный материал, свидетельствующий о взаимосвязи процессов свободнорадикального окисления с участием активных форм кислорода (АФК) и многих заболеваний. Известно, что при нарушении механизмов антиоксидантной защиты в организме происходит накопление АФК, из которых наиболее опасным является радикал НО∙. Он способен взаимодействовать с азотистыми основаниями ДНК и РНК, что способствует формированию различных видов мутаций [1, 2], а также реагирует с фосфолипидами клеточных мембран, повышая уровень их перекисного окисления. Следствием этого являются реперфузионные повреждения тканей, канцерогенез и другие патологические процессы [2, 3]. При нарушениях равновесных процессов с участием АФК важное значение приобретают природные соединения – производные коричной кислоты, халконы и флаваноны, содержащие общий циннамоильный фрагмент, который во флавоноидах является главной цепью сопряжения и по существу, представ54 ляет собой остаток коричной кислоты. Эти три группы соединений взаимосвязаны между собой биогенетическими превращениями [4–6]. Перечисленные представители полифенольных соединений характеризуются широким спектром фармакологической активности, что, вероятно, связано с их высокой антирадикальной активностью. ЦЕЛЬ РАБОТЫ Изучение квантово-химических характеристик производных коричной кислоты, а также халконов и флаванонов, содержащих заместители в арильном фрагменте главной цепи сопряжения для прогнозирования их возможного взаимодействия с гидроксильным радикалом НО∙. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ Объектами исследования явились гидрокси- и метоксизамещенные в арильном остатке циннамоильного фрагмента производные коричной кислоты, халкона и флаванона, всего 45 соединений. Квантово-химические параметры анализируемых структур рассчитывались на рабочей станции с процессоТом 7, Выпуск 1, 2019 Research Article DOI: 10.19163/2307-9266-2019-7-1-53-66 ром IntelXeonE5-1620 3,5 ГГц, 20 Гб оперативной памяти. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ Из числа активных форм кислорода (АФК) наибольшую опасность представляет гидроксильный радикал НО∙, продолжительность жизни которого в биологической среде составляет около 10-9 сек. Одним из путей образования гидроксильного радикала в организме может быть реакция Фентона или окисление Fe2+ до Fe3+ гипохлорит-анионом, который, в свою очередь, образуется в фагоцитах. Доказано, что выход гидроксильного радикала НО∙ во втором случае выше, чем в реакции Фентона [8]. Этот же радикал может образоваться по реакции Хабера-Вайса [8]. Последствия приведенных реакций с участием двухвалентного железа очевидны: происходит «извлечение» Fe2+ - катиона из содержащих его систем и последующее окисление до Fe3+, что само по себе чрезвычайно опасно, ибо это способствует разрушению гема крови и железосодержащих эндогенных веществ. С другой стороны, гидроксильный радикал, взаимодействуя с аминокислотными фрагментами белков, вызывает денатурацию последних и последующую инактивацию ферментов. Существует мнение, что радикал НО∙ способен избирательно накапливаться вблизи ДНК [9]. Обладая достаточно высокими электрофильными свойствами, он способен не только гидроксилировать азотистые основания нуклеиновых кислот, но и способствовать последующему разрыву как углеводных мостиков между нуклеотидами, так и водородных связей «переплетенных» полинуклеотидных цепей [2]. Понятно, что далее будут происходить процессы мутаций или повреждение генов. В липидном слое клеточных мембран радикал НО∙ инициирует цепную реакцию окисления липидов по радикальному механизму, что приводит к повреждению и гибели клеток. Биохимические процессы с участием АФК в физиологической норме контролируются как ферментными, так и неферментными компонентами клеток. При нарушениях равновесных процессов с участием АФК важное значение приобретают природные антиоксиданты, к которым относятся такие полифенольные соединения, как производные коричной кислоты, а также флавоноиды (халконы, флаваноны, флавоны и флавонолы). Благодаря структурному многообразию, а также совокупности проявляемых фармакологических эффектов, они занимают особое место среди природных антиоксидантов. Известно, что в биосинтезе флавоноидов коричная кислота принимает непосредственное участие [4]. Сопоставляя между собой структуры коричной кислоты и флавоноидов, легко убедиться, что общим структурным фрагментом для всех соединений является циннамоильный фрагмент, который, по существу, представляет собой остаток коричной кислоты (рис. 1). Рисунок 1. Структурные признаки халкона, флаванона и флавона Необходимо отметить, что при незначительных изменениях pH-среды халконы переходят в флаваноны и наоборот: в кислой среде преобладает флаванон, а в щелочной – халкон. Данное обстоятельство имеет важное значение с точки зрения биологической активности халконов и флаванонов. Volume VII, Issue 1, 2019 Из представленных структур явствует, что благодаря циннамоильному фрагменту формируется главная цепь сопряжения, через которую происходит передача электронных эффектов, оказываемых заместителями в кольце В. В продолжение более ранних исследований 55 оригинальнАЯ статья ISSN 2307-9266 e-ISSN 2413-2241 [10–13], а также с учетом структурной близости коричной кислоты, халконов и флаванонов (наличие циннамоильного фрагмента). Мы сочли целесообразным априори исследовать активость халконов и флаванонов в отношении гидроксильного радикала НО∙ с использованием таких квантово-химических параметров, как Малликеновские заряды (а.е), свя- зевые числа (Nμ), теоретическая валентность (Vμ), индекс ненасыщенности (IUA) и электронная плотность. В таблице 1 представлены анализируемые соединения, которые обозначены соответственно 1к-15к (производные коричной кислоты), 1х-15х (производные халкона), 1ф-15ф (производные флаванона). Таблица 1. Производные коричной кислоты (к), халкона (х)* и флаванона (ф) с заместителями в ароматическом ядре главной цепи сопряжения R1 OH 7 9 O к 1к 2к 3к 4к 5к 6к 7к 8к 9к 10к 11к 12к 13к 14к 15к № п/п х* 1х 2х 3х 4х 5х 6х 7х 8х 9х 10х 11х 12х 13х 14х 15х ф 1ф 2ф 3ф 4ф 5ф 6ф 7ф 8ф 9ф 10ф 11ф 12ф 13ф 14ф 15ф 1 Н OH CH3O H H H H H H H H H H H H 8 R2 2 1 3 6 5 4 R3 R4 положение заместителей 2 3 Н Н H H H H OH H CH3O H H OH H CH3O OH OH CH3O OH OH CH3O CH3O CH3O OH OH CH3O OH C(CH3)3 OH CH3O CH3O 4 Н H H H H H H H H H H OH CH3O C(CH3)3 CH3O * Примечание: рассматриваются производные халкона, содержащие ОН-группу в орто-положении к карбонилу, поскольку в его отсутствии невозможен переход халкон-флаванон Ранее нами полуэмпирическими квантово-химическими методами были изучены индексы реакционной способности производных коричной кислоты в отношении гидроксильного радикала [10]. Это позволило выявить наиболее реакционноспособные центры в циннамоильном фрагменте: взаимодействие коричной кислоты с электрофильным по свойствам радикалом НО∙ происходит в первую очередь по положению С-8, т.к. этот атом характеризуется наименьшей степенью «насыщенности» (наименьшим связевым числом), наибольшей электронной плотностью и наибольшим отрицательным зарядом по сравнению с его двумя ближайшими атомами. Дальнейшее взаимодействие коричной кислоты с образованием соответствующих аддуктов возможно по положениям С-7, С-6, С-1 и С-51. Учитывая выявленные для коричной кислоты закономерности, мы сочли целесообразным определить наиболее вероятные центры первичной атаки радикалом НО∙ халкона и флаванона. Перечисленные выше квантово-химические характеристики были рассчитаны полуэмпирическим методом PM7 (программа WinMopac 2016) для халконов и флаванонов, содержащих гидрокси- и метоксигруппы в арильном фрагменте главной цепи сопряжения. В таблицах 2, 3, 4 представлено распределение Малликеновских зарядов (а.е), связевых чисел (Nμ), индекса ненасыщенности (IUA) и электронной плотности на атомах углерода циннамоильного фрагмента двух производных коричной кислоты (6к и 7к), халкона (6х и 7х) и флаванона (6ф и 7ф). 1   Здесь и далее по тексту статьи нумерация атомов в анализируемых структурах приводится не в соответствии с правилами IUPAK, а согласно с расчетными программами. Для коричной кислоты показана нумерация атомов углерода, генерируемая программами. Чтобы легче и удобно было сравнивать полученные результаты, данная нумерация сохранена авторами для халконов и флаванонов. 56 Том 7, Выпуск 1, 2019 Volume VII, Issue 1, 2019 4.043 7х 0.154 4.044 6х IUA эл.пл 3.826 0.140 4.068 Nμ IUA эл.пл 6ф -0.068 7ф 4.047 эл.пл а.е. 4.046 0.156 IUA 4.070 0.139 3.222 -0.069 0.152 3.814 3.810 Nμ -0.046 -0.047 а.е. 0.151 3.813 3.810 Nμ -0.043 -0.044 7к а.е. 6к 1 4.248 0.172 3.786 -0.248 6ф 4.265 0.169 3.788 -0.265 6х 4.262 0.167 3.789 -0.262 6к 2 4.253 0.179 3.780 -0.253 7ф 4.272 0.173 3.783 -0.272 7х 4.270 0.174 3.782 -0.269 7к 3.693 0.126 3.783 0.306 6ф 3.683 0.133 3.773 0.317 6х 3.683 0.132 3.774 0.317 6к 3 3.735 0.142 3.785 0.265 7ф 3.722 0.148 3.775 0.277 7х 3.722 0.149 3.774 0.217 7к 4.316 0.175 3.777 -0.316 6ф 4.322 0.173 3.777 -0.322 6х 4.326 0.173 3.777 -0.326 6к 4 4.305 0.179 3.774 -0.305 7ф 4.314 0.177 3.774 -0.314 7х 4.317 0.176 3.774 -0.317 7к 4.050 0.139 3.826 -0.050 6ф 4.044 0.156 3.809 -0.044 6х 4.042 0.154 3.811 -0.042 6к 5 4.057 0.140 3.826 -0.057 7ф 4.047 0.156 3.810 -0.047 7х 4.046 0.156 3.810 -0.046 7к 4.161 0.160 3.821 -0.161 6ф 4.134 0.147 3.836 -0.134 6х 4.134 0.148 3.836 -0.134 6к 6 4.162 0.162 3.819 -0.162 7ф 3.983 0.148 3.835 -0.138 7х 4.134 0.150 3.832 -0.138 7к 3.861 0.064 3.838 0.138 6ф 3.990 0.091 3.851 0.009 6х 3.997 0.079 3.866 0.002 6к 7 3.859 0.162 3.839 0.141 7ф 3.983 0.091 3.849 0.016 7х 3.991 0.080 3.864 0.008 7к Таблица 2. Значения Малликеновских зарядов (а.е.), связевых чисел (Nμ), индекса ненасыщенности (IUA) и электронной плотности на атомах углерода циннамоильного фрагмента соединений 6к и 7к, 6х и 7х, 6ф и 7ф 4.441 0.115 3.818 -0.441 6ф 4.337 0.147 3.805 -0.337 6х 4.316 0.157 3.790 -0.316 6к 8 4.440 0.114 3.820 -0.440 7ф 4.342 0.147 3.803 -0.342 7х 4.321 0.158 3.787 -0.321 7к Research Article DOI: 10.19163/2307-9266-2019-7-1-53-66 57 58 4.105 9х 0.168 4.105 8х IUA эл.пл 3.765 0.197 4.196 Nμ IUA эл.пл 8ф -0.196 9ф 4.110 эл.пл а.е. 4.109 0.169 IUA 4.198 0.205 3.760 -0.198 0.166 3.806 3.804 Nμ -0.109 -0.110 а.е. 0.169 3.802 3.803 Nμ 0.105 -0.105 9к а.е. 8к 1 3.793 0.162 3.777 0.206 8ф 4.218 0.175 3.788 -0.218 8х 4.216 0.176 3.786 -0.216 8к 2 3.835 0.178 3.776 0.165 9ф 4.225 0.183 3.780 -0.225 9х 4.218 0.174 3.788 -0.217 9к 3.852 0.183 3.748 0.147 8ф 3.771 0.172 3.763 0.228 8х 3.770 0.172 3.763 0.229 8к 3 3.837 0.187 3.746 0.163 9ф 3.807 0.189 3.760 0.192 9х 3.775 0.178 3.755 0.225 9к 4.232 0.169 3.799 -0.232 8ф 3.870 0.172 3.761 0.129 8х 3.873 0.172 3.761 0.126 8к 4 4.242 0.170 3.797 -0.242 9ф 3.858 0.175 3.760 0.141 9х 3.905 0.183 3.766 0.094 9к 4.137 0.156 3.815 -0.137 8ф 4.214 0.203 3.766 -0.213 8х 4.212 0.203 3.767 -0.212 8к 5 4.134 0.156 3.815 -0.134 9ф 4.220 0.206 3.763 -0.280 9х 4.206 0.207 3.762 -0.206 9к 4.073 0.159 3.833 -0.073 8ф 4.059 0.151 3.841 -0.059 8х 4.060 0.152 3.839 -0.060 8к 6 4.080 0.158 3.833 -0.080 9ф 4.061 0.153 3.838 0.061 9х 4.066 0.152 3.839 -0.066 9к 3.869 0.064 3.840 0.130 8ф 4.022 0.090 3.854 -0.02 8х 4.008 0.08 3.868 -0.008 8к 7 3.866 0.062 3.841 0.133 9ф 3.996 0.090 3.853 0.004 9х 4.004 0.08 3.867 -0.004 9к 4.437 0.115 3.818 -0.437 8ф 4.324 0.147 3.809 -0.324 8х 4.303 0.156 3.794 -0.303 8к Таблица 3. Значения Малликеновских зарядов (а.е.), связевых чисел (Nμ), индекса ненасыщенности (IUA) и электронной плотности на атомах углерода циннамоильного фрагмента соединений 8к и 9к, 8х и 9х, 8ф и 9ф 8 4.435 0.114 3.820 -0.435 9ф 4.328 0.147 3.807 -0.328 9х 4.306 0.156 3.792 -0.306 9к оригинальнАЯ статья ISSN 2307-9266 e-ISSN 2413-2241 Том 7, Выпуск 1, 2019 Volume VII, Issue 1, 2019 4.271 13х 0.165 4.105 10х IUA эл.пл 3.766 0.196 4.194 Nμ IUA эл.пл 10ф -0.194 13ф 4.109 эл.пл а.е. 4.242 0.170 IUA 4.260 0.205 3.746 -0.265 0.224 3.733 3.802 Nμ -0.242 -0.109 а.е. 0.228 3.728 3.806 Nμ -0.271 -0.105 13к а.е. 10к 1 3.800 0.167 3.771 0.200 10ф 4.220 0.174 3.788 -0.220 10х 4.223 0.184 3.779 -0.223 10к 2 3.779 0.176 3.771 0.220 13ф 3.796 0.176 3.774 0.203 13х 3.817 0.179 3.776 0.183 13к 3.885 0.196 3.752 0.114 10ф 3.776 0.179 3.755 0.224 10х 3.806 0.189 3.760 0.193 10к 3 3.949 0.227 3.705 0.05 13ф 3.943 0.235 3.699 0.057 13х 3.897 0.234 3.712 0.102 13к 4.224 0.173 3.795 -0.224 10ф 3.902 0.183 3.766 0.097 10х 3.861 0.175 3.760 0.138 10к 4 3.823 0.180 3.765 0.176 13ф 3.830 0.176 3.770 0.171 13х 3.854 0.186 3.763 0.146 13к 4.140 0.157 3.815 -0.140 10ф 4.206 0.208 3.761 -0.206 10х 4.218 0.205 3.765 -0.218 10к 5 4.293 0.203 3.745 -0.292 13ф 4.290 0.217 3.734 -0.290 13х 4.268 0.219 3.738 -0.268 13к 4.076 0.159 3.832 -0.076 10ф 4.066 0.152 3.840 -0.066 10х 4.063 0.154 3.837 -0.063 10к 6 4.004 0.157 3.835 -0.004 13ф 3.976 0.142 3.852 0.023 13х 3.991 0.149 3.845 0.008 13к 3.867 0.062 3.841 0.132 10ф 3.998 0.09 3.853 0.002 10х 4.002 0.081 3.866 -0.002 10к 7 3.870 0.063 3.838 0.129 13ф 3.976 0.142 3.852 -0.025 13х 4.001 0.08 3.867 -0.01 13к Таблица 4. Значения Малликеновских зарядов (а.е.), связевых чисел (Nμ), индекса ненасыщенности (IUA) и электронной плотности на атомах углерода циннамоильного фрагмента соединений 10к и 13к, 10х и 13х, 10ф и 13ф 4.438 0.114 3.819 -0.438 10ф 4.327 0.147 3.807 -0.327 10х 4.308 0.156 3.792 -0.308 10к 8 4.430 0.116 3.818 -0.430 13ф 4.303 0.150 3.811 -0.303 13х 4.298 0.154 3.797 -0.298 13к Research Article DOI: 10.19163/2307-9266-2019-7-1-53-66 59 оригинальнАЯ статья ISSN 2307-9266 e-ISSN 2413-2241 Характерно, что здесь для атомов С-7 и С-8 наблюдается такая же динамика изменения параметров, какая имела место в коричной кислоте. В анализируемых структурах углеродный атом С-9 характеризуется значительно более низкой электронной плотностью и более высоким положительным Малликеновским зарядом, хотя связевое число незначительно (третий знак после запятой) выше по сравнению с таковыми для С-8 и С-7. На атоме С-8 всех трех типов рассматриваемых структур сосредоточены наибольшие отрицательный Малликеновский заряд и электронная плотность, а также наименьшие связевые числа по сравнению с двумя ближайшими атомами. Подобные электронные эффекты легко объяснить, если учесть, что по отношению к пропеноновому фрагменту электронодонорные гидрокси- и метоксигруппы в положениях 1 и 3 (орто- и пара- положения по отношению к пропеновому звену) способствуют усилению полярного сопряжения и, следовательно, увеличению Малликеновского заряда и электронной плотности на С-8 (соединения 2, 3, 6, 7) по сравнению с родоначальной структурой каждой группы анализируемых соединений. Если гидрокси- и метоксигрупы находятся в положении 2 арильного фрагмента (соединения 4 и 5), то электронная плотность и Малликеновский заряд убывают, однако эти же параметры возрастают на атомах С-1, С-3 и С-5, то есть в двух орто- (С-1 и С-3) и пара-положениях (С-5) (таблица 5). Эта зависимость повторяется у всех трех типов рассматриваемых структур – 4к, 4х, 4ф и 5к, 5х и 5ф. Подобные электронные эффекты хорошо согласуются с вкладом констант Тафта [14]. Таблица 5. Значения Малликеновских зарядов (а.е.), электронной плотности и связевых чисел (Nμ), на атомах углерода в о- и п- положениях по отношению к заместителю у производных коричной кислоты, халкона и флаванона под номерами 2, 3 и 4 Cv 1 2 3 4 5 6 7 8 незамещенная коричная кислота а.е эл.пл Nμ -0.118 4.1180 3.812 -0.159 4.1590 3.852 -0.125 4.1249 3.836 -0.159 4.1595 3.854 -0.126 4.1260 3.816 -0.054 4.0540 3.858 -0.020 4.0200 3.869 -0.298 4.9810 3.798 незамещенный халкон а.е эл.пл Nμ -0.122 4.122 3.813 -0.161 4.162 3.852 -0.121 4.126 3.837 -0.156 4.156 3.854 -0.128 4.128 3.814 -0.053 4.054 3.856 -0.013 4.013 3.855 -0.319 4.319 3.814 незамещенный флавонон а.е эл.пл Nμ -0.141 4.141 3.827 -0.145 4.145 3.849 -0.135 4.135 3.845 -0.151 4.151 3.852 -0.132 4.133 3.829 -0.081 4.081 3.840 0.122 3.877 3.840 -0.440 4.440 3.819 Cv 8 2 4 1 а.е -0.288 -0.234 -0.149 -0.046 2к эл.пл 4.288 4.047 4.062 4.322 Nμ 3.798 3.852 3.854 3.832 а.е -0.364 -0.268 -0.238 0.342 2х эл.пл 4.364 4.268 4.238 3.658 Nμ 3.763 3.787 3.842 3.747 а.е -0.446 -0.229 -0.197 0.284 2ф эл.пл 4.442 4.229 4.197 3.715 Nμ 3.812 3.803 3.844 3.777 Cv 8 2 4 1 а.е -0.301 -0.238 -0.161 -0.050 3к эл.пл 4.301 4.050 4.060 4.314 Nμ 3.781 3.838 3.783 3.833 а.е -0.368 -0.270 -0.235 0.309 3х эл.пл 4.368 4.270 4.235 3.690 Nμ 3.785 3.780 3.842 3.740 а.е -0.439 -0.309 -0.227 0.269 3ф эл.пл 4.439 4.310 4.228 3.730 Nμ 3.819 3.773 3.834 3.777 Cv 8 1 3 5 а.е -0.283 -0.290 -0.228 -0.205 4к эл.пл 4.283 4.290 4.228 4.205 Nμ 3.804 3.740 3.779 3.800 а.е -0.299 -0.230 -0.296 -0.210 4х эл.пл 4.299 4.230 4.296 4.210 Nμ 3.819 3.750 3.769 3.803 а.е -0.437 -0.240 -0.303 -0.223 4ф эл.пл 4.437 4.240 4.303 4.223 Nμ 3.818 3.747 3.774 3.813 Cv 8 1 3 5 а.е -0.290 -0.278 -0.233 -0.204 5к эл.пл 4.290 4.278 4.233 4.204 Nμ 3.802 3.737 3.773 3.798 а.е -0.303 -0.234 -0.285 -0.210 5х эл.пл 4.303 4.234 4.285 4.210 Nμ 3.819 3.743 3.766 3.803 а.е -0.436 -0.252 -0.293 -0.215 5ф эл.пл 4.436 4.252 4.293 4.210 Nμ 3.818 3.757 3.770 3.814 * Примечание. К – коричная кислота, х – халкон, ф – флаванон 60 Том 7, Выпуск 1, 2019 Research Article DOI: 10.19163/2307-9266-2019-7-1-53-66 Таким образом, первичная атака электрофильным гидроксильным радикалом будет проходить в первую очередь по положению С-8, а затем по положению С-7. Подобный вывод справедлив и для рассматриваемых типов анализируемых соединений, что было показано нами ранее [11, 12]. Используя аналогичный подход для интерпретации возможных путей атаки НО∙-радикалом монозамещенных производных (соединения 2к, 2х, 2ф – 7к, 7х, 7ф) с учетом квантово-химических параметров можно предположить, что наиболее вероятными являются С-2 и С-4 положения для соединений 2 и 3, поскольку они характеризуются наибольшими значениями IUA. Если заместитель находится в положении 2, то атака, вероятно, произойдет по С-1, С-3 или С-5 фенильного фрагмента всех трех типов рассматриваемых структур в связи с высокими значениями IUA. Для соединений типов OH OH σ =0,127 O CH3 OH σ =-0,370 ∑=-0,243 Соединения 8к, 8х, 8ф σ =0,115 σ =-0,370 ∑=-0,255 Соединения 9к, 9х, 9ф При интерпретации антирадикальной (НО∙) активности полигидроксипроизводных коричной кислоты, халкона и флаванона следует учитывать их способность к связыванию активных форм кислорода не только при участии углеродных атомов арильного радикала, но и благодаря гомолитическому разрыву связи Н-О фенольной гидроксигруппы с образованием промежуточного аддукта – феноксильного радикала. Ранее при анализе антирадикальной активности полигидроксихалконов нами были рассчитаны энергии гомолитического разрыва связей Н–О в моногидроксисоединениях, в которых гидроксигруппа расположена у С-3 или С-4, а также для дизамещенных, что показано ниже. В продолжение этих исследований методом abinitio нами были рассчитаны энергии гомолитического разрыва связи Н–О с переходом атома водорода на гидроксильный радикал в дизамещенных по арильному остатку циннамоильного фрагмента. Выявлена взаимосвязь между энергией разрыва связи Н–О, индексом ненасыщенности (IUA) атома углерода, с которым связан заместитель. Для этого была исполь- Volume VII, Issue 1, 2019 6 и 7 атака гидроксильного радикала равновероятна по положениям С-2 и С-4 по тем же причинам, о чем говорилось выше (таблицы 2, 3, 4, 5). В случае дизамещенных по арильному фрагменту динамика изменения Малликеновских зарядов, индекса ненасыщенности и электронной плотности в соединениях 8, 9 и 10 всех трех типов рассматриваемых структур практически совпадают между собой и фактически привносят одинаковый электронный вклад на С-8 пропенового звена. Следует подчеркнуть, что две гидрокси- или гидрокси- и метоксигруппы в полжениях 2 и 3 арильного фрагмента оказывают конкурирующее влияние на систему сопряжения: эффект пара-заместителя частично гасится несовпадающим влиянием такого же заместителя в положении 2. Данный вывод можно проиллюстрировать при помощи σ-констант Тафта для –ОН и –ОСН3 групп [14]: OH O σ =0,127 CH3 σ =-0,268 ∑=-0,141 Соединения 10к, 10х, 10ф зована программа ORCA 4.1. Оптимизация геометрии молекул производилась методом теории функционала плотности (UB3LYP) с применением набора базисных функций 3-21G*. Колебательный анализ, а также расчет термодинамических функций (энтальпия, энтропия и энергия Гиббса) производились при помощи теории функционала плотности (UB3LYP) с использованием набора базисных функций 6-311G** [18]. Установлено, что энергия разрыва связи тем ниже, чем выше значение IUA (таблица 6). Из представленных данных прослеживается четкая зависимость: чем больше величина индекса ненасыщенности (IUA) арильного углеродного атома, с которым связана гидроксигруппа, тем ниже энергия гомолитического разрыва связи Н–О. Аналогичная зависимость существует и для связевых чисел (таблица 3). В перечне соединений, подвергнутых квантово-химическому изучению, нами рассмотрены три типа соединений, содержащих в положениях 2, 3, 4 арильного фрагмента три заместителя и обозначенных номерами 12, 13 и 14. 61 оригинальнАЯ статья ISSN 2307-9266 e-ISSN 2413-2241 Таблица 6. Свободная энергия Гиббса гомолитического расщепления связи Н–О Структурный фрагмент Энергия разрыва связи О–Н HO -150,30 OH -137,70 OH OH -173,89 OH O -130,01 CH3 O CH3 OH -174,26 IUA (С-1) IUA (С-2) IUA (С-3) 0,135 (2к) - - 0,152 (2х) - - 0,145 (2ф) - - - - 0,132 (6к) - - 0,133 (6х) - - 0,126 (6ф) - 0,175 (8к) 0,172 (8к) - 0,173 (8х) 0,172 (8х) - 0,162 (8ф) 0,183 (8ф) - 0,184 (10к) 0,189 (10к) - 0,174 (10х) 0,179 (10х) - 0,167 (10ф) 0,196 (10ф) - 0,174 (9к) 0,178 (9к) - 0,183 (9х) 0,189 (9х) - 0,178 (9ф) 0,187 (9ф) Для этих соединений рассчитаны энергии гомолитического разрыва связи О–Н с образованием соответствующего феноксильного радикала в положении С-3 и присоединением атома водорода к гидроксильному радикалу, что, по нашему мнению, можно представить схемой. Данная реакция была смоделирована методом молекулярной динамики в силовом поле 3-21G* с применением метода теории функционала плотности (UB3LYP) в течение 50 пс. В процессе моделирования гидроксильный радикал атакует фенольную гидроксильную группу, связываясь атомом водорода с ее кислородом. Далее в процессе колебаний феноль- ной гидроксильной группы происходит ковалентное связывание атома водорода фенольного гидрокисла с атомом кислорода гидроксильного радикала. После этого образуется свободная молекула воды и фенольный радикал. На рисунке 2 приведен график зависимости потенциальной энергии моделируемой системы от времени. 62 Том 7, Выпуск 1, 2019 Research Article DOI: 10.19163/2307-9266-2019-7-1-53-66 Рисунок 2. Динамика изменения потенциальной энергии в процессе моделирования гомолитического расщепления O-H связи фенольного гидроксила По результатам моделирования молекулярной динамики была определена энергия активации моделируемой реакции гомолитического расщепления фенльного гидроксила с переходом атома водорода на гидроксильный радикал. Энергия активации составила 34,918 кДж/моль, что свидетельствует о достаточно быстром протекании данной реакции при температуре тела человека (310 К). Следует отметить, что данный фенольный гидроксил находится в окружении двух орто-заместителей, которые оказывают экранирующий эффект. Образующийся за счет гидроксила С-3 феноксильный радикал в структурах 12, 13 и 14 относится к пространственно затрудненным типам радикалов и поэтому более устойчив. Таблица 7. Свободная энергия Гиббса гомолитического расщепления связи Н–О Вещество 12х Структурный фрагмент O H 12к Энергия разрыва связи О–Н -171,21 O H -170,72 12ф O H -166,79 13х OCH3 -164,66 13к 13ф O H OCH3 14ф Volume VII, Issue 1, 2019 -159,40 -178,31 14х 14к -117,04 O H -181,29 -163,08 63 оригинальнАЯ статья ISSN 2307-9266 e-ISSN 2413-2241 Здесь наблюдается такая же зависимость, что и в случае дизамещенных, а именно энергия гомолитического разрыва связи Н–О в стерически затрудненных фенолах тем ниже, чем выше величины IUA и положительного заряда атома углерода, с которым связан фенольный гидроксил (в данном случае С-3). Следует отметить, что соединение 14к (4-гидрокси-3,5-ди-трет-бутилкоричная кислота) ранее нами было синтезировано в соответствии с прогнозом [11], поскольку для этого вещества прогнозировалась высокая активность. Экспериментальное изучение фармакологических свойств подтвердило наш прогноз: вещество характеризуется церебропротекторной [17], антиоксидантной [18], эндотелиопротекторной [19] и актопротекторной [20] активностью. Можно с высокой долей вероятности прогнозировать такой же уровень активностей для соединений 14х и 14ф, поскольку их квантово-химические характеристики практически идентичны с соединением 14к. Применительно к анализу структур всех трех типов мы сочли целесообразным учитывать молярную массу при характеристике связевых чисел (Nμ), индекса ненасыщенности (IUA) и электронной плотности. С этой целью для каждого соединения была определена суммарная величина перечисленных характеристик, которая далее была отнесена к молярной массе. Частное от деления суммарных величин Nμ, IUA и электронной плотности на молярную массу, по нашему мнению, характеризует удельную величину перечисленных параметров в пересчете на единицу массы молекулы. На наш взгляд, подобный показатель в дальнейшем может оказаться полезным для интерпретации биологически активных родственных соединений. Полученные результаты представлены ниже: OH OH HO OH O C9H8O5 M=196 OH OH OH OH OH O OH OH O C15H12O5 M=272 O C15H12O5 M=272 ∑ эл.пл 35.874 = = 0.1319 M 272 O CH3 HO O CH3 O CH3 O C11H12O5 M=224 64 O CH3 OH O O CH3 O CH3 O CH3 O O CH3 O CH3 C15H16O5 M=276 O C15H16O5 M=276 Том 7, Выпуск 1, 2019 Research Article DOI: 10.19163/2307-9266-2019-7-1-53-66 OH OH OH OH HO O C17H24O3 M=276 O C23H28O3 M=352 Обращают на себя внимание очень близкие значения удельных показателей связевых чисел, индексов ненасыщенности и электронной плотности для халкона и флаванона, что еще раз подтверждает не только легкость их взаимопревращения, но и, по-видимому, одинаковый уровень фармакологических свойств. O O C23H28O3 M=352 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Коричная кислота отличается от халкона и флаванона отсутствием в ее молекуле арильного остат- ка, непосредственно связанного с карбоксильным углеродом, отсюда и некоторые различия в значениях квантово-химических характеристик. Но так или иначе, все три типа соединений могут с успехом использоваться для связывания гидроксильного радикала с целью предотвращения тех пагубных последствий, которые способен вызвать гидроксильный радикал, являющийся, по образному выражению Владимирова Ю.А., радикалом-разрушителем, радикалом-убийцей. Библиографический список 1. Афанасьев И.Б. Кислородные радикалы в биологических процессах // Химико-фармацевтический журнал. – 1958. – Т. 19, №1. – C. 11–23. 2. Владимиров Ю.А. Свободные радикалы в биологических системах // Соросовский образовательный журнал. – 2000. – Т. 6, №12. – С. 13–19. 3. Владимиров Ю.А., Арчаков А.И. Перекисное окисление липидов в биологических мембранах. – М.: Наука, 1972. – 252 с. 4. Минаева В.Т. Флавоноиды в онтогенезе растений и их практическое использование. – М.: Наука, 1978. – 256 с. 5. Geissman T.A. The chemistry of flavonoid compounds. – New York: Pergamon Press, Oxford, 1962. – P. 666. 6. Plant flavonoids in biology and medicine. Biochemical, pharmacological, and structureactivity relationships. Proceedings of a symposium. Buffalo, New York, July 22–26, 1985 // Prog Clin Biol Res. – 1986. – №213. – P. 1–592. 7. Осипов А.Н., Якутова Э.Ш., Владимиров Ю.А. Образование гидроксильных радикалов при взаимодействии гипохлорита с ионами железа // Биофизика. – 1993. – Т. 38, №3. – С. 390–396. 8. Koppenol W.H. The Haber-Weiss cycle – 70 years later // Redox Rep. – 2001. – Vol. 6, №4. – P. 229– 234. DOI: 10.1179/135100001101536373. 9. Pryor W.A. Why is the hydroxyl radical the only radical that commonly adds to DNA? Hypothesis: it has a rare combination of high electrophilicity, high thermochemical reactivity, and a mode of production that can occur near DNA // Free Radic Biol Med. – 1988. – Vol. 4, №4. – P. 219–223. 10. Агаджанаян В.С., Оганесян Э.Т. Применение квантово-химических методов анализа для интерпретации антирадикальной активности в ряду гидроксипроизводных коричной кислоты // Химико-фармацевтический журнал. – 2008. – Т. 42, №11. – C. 12–17. DOI: https://doi. org/10.30906/0023-1134-2008-42-11-12-17. 11. Агаджанаян В.С., Оганесян Э.Т., Абаев В.Т. Целенаправленный поиск соединения-лидера в ряду производных коричной кислоты, обладающих антирадикальной активностью // Химико-фармацевтический журнал. – 2010. – Т. 44, №7. – C. 21–26. DOI: https://doi.org/10.30906/0023-11342010-44-7-21-26. 12. Оганесян Э.Т., Мальцев Ю.А., Творовский Д.Е. Исследование механизма реакции произво- Volume VII, Issue 1, 2019 65 оригинальнАЯ статья ISSN 2307-9266 e-ISSN 2413-2241 дных флавона с гидроксильным радикалом полуэмпирическими методами // Журнал общей химии. – 2001. – Т. 71, №6. – С.999-1005. DOI: 10.1023/A:1012395821594. 13. Оганесян Э.Т., Доркина Е.Г., Хочава М.Р., Тускаев В.А., Мальцев Ю.А. Использование квантово-химических методов для обоснования антирадикального (НО∙) действия полигидроксихалконов // Химико-фармацевтический журнал. – 2002. – Т. 36, №12. – C. 21–25. 14. Справочник химика. М.: Химия. – 1964. – Т. 3. – 1005 с. 15. Bykov D., Petrenko T., Izsák R., Kossmann S., Becker U., Valeev E., Neese F. Efficient implementation of the analytic second derivatives of Hartree–Fock and hybrid DFT energies: a detailed analysis of different approximations // Molecular Physics. – 2015. – Vol. 113, №13–14. – Р. 1961–77. DOI: 10.1080/00268976.2015.1025114. 16. Минкин В.И., Симкин Б.Я., Миняев Р.М. Теория строения молекул. – Ростов-на-Дону, 1997. – 560 с. 17. Воронков А.В., Оганесян Э.Т., Поздняков Д.И., Абаев В.Т. Некоторые аспекты церебропротекторной активности 4-гидрокси-3,5-дитретбутилкоричной кислоты при ишемическом по- вреждении головного мозга в эксперименте // Медицинский вестник Северного Кавказа. – 2018. – Т. 13, №1.1. – С. 90–93. DOI: https://doi. org/10.14300/mnnc.2018.13025. 18. Воронков А.В., Поздняков Д.И., Хури Е.И., Кульбекова Ю.Е., Кобин А.А. Оценка антиоксидантной активности 4-гидрокси-3,5-дитретбутилкоричной кислоты, мексидола и тиоктовой кислоты на модели фокальной ишемии головного мозга // Вопросы биологической, медицинской и фармацевтической химии. – 2017. – Т. 60, №2. – С. 48–52. 19. Воронков А.В., Оганесян Э.Т., Поздняков Д.И., Абаев В.Т. Изучение дозозависимого эндотелиотропного влияния соединения ATACL в условиях ишемического повреждения головного мозга у крыс в эксперименте // Вестник Волгоградского государственного медицинского университета. – 2017. – №1(61). – С. 54–58. 20. Воронков А.В., Оганесян Э.Т., Геращенко А.Д. Аспекты актопротекторной активности некоторых природных соединений различной химической структуры // Спортивная медицина: наука и практика. – 2017. – Т. 7, №1. – С. 92–96. DOI: 10.17238/ISSN2223-2524.2017.1.92. Конфликт интересов Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Авторы Оганесян Эдуард Тоникович – доктор фармацевтических наук, профессор, зав. кафедрой органической химии, Пятигорский медико-фармацевтический институт – филиал ВолгГМУ Минздрава России. Область научных интересов: химия природных соединений и их синтетических аналогов; исследование промышленных отходов пищевого и фармацевтического производства как дополнительного источника получения лечебно-профилактических средств, медицинская химия. E-mail: edwardov@mail.ru Шатохин Станислав Сергеевич – аспирант, кафедра органической химии, Пятигорский 66 медико-фармацевтический институт – филиал ФГБОУ ВО ВолгГМУ МЗ РФ. Область научных интересов: синтез и изучение новых биологически активных производных хромона. E-mail: Shatohin. stanislav95@yandex.ru Глушко Александр Алексеевич – кандидат фармацевтических наук, преподаватель, Пятигорский медико-фармацевтический институт – филиал ФГБОУ ВО ВолгГМУ Минздрава России. Область научных интересов: компьютерная химия, разработка программного обеспечения для молекулярного моделирования, молекулярный докинг, молекулярная динамика, QSAR. E-mail: alexander.glushko@lcmmp.ru Том 7, Выпуск 1, 2019 оригинальная статья DOI: 10.19163/2307-9266-2019-7-1-53-66 USING QUANTUM-CHEMICAL PARAMETERS FOR PREDICTING ANTI-RADICAL (НО∙) ACTIVITY OF RELATED STRUCTURES CONTAINING A CINNAMIC MOLD FRAGMENT. i. DERIVATIVES OF CINNAMIC ACID, CHALCON AND FLAVANON E.T. Oganesyan, S.S. Shatokhin, A.A. Glushko Pyatigorsk Medical and Pharmaceutical Institute – branch of Volgograd State Medical University 11, Kalinin Ave., Pyatigorsk, Russia, 357532 E-mail: edwardov@mail.ru Received: 23.12.2018 Accepted for publication: 20.02.2019 45 compounds uniting 3 groups of derivatives of cinnamic acid, chalcone and flavanone, have been studied. Each of them includes 15 substances. The analyzed compounds contain a common structural fragment, which is a cinnamic acid residue (cinnamoyl fragment). The aim is to study the quantum-chemical parameters of the listed groups of the compounds in order to predict possible ways of their interaction with the most aggressive and dangerous of the active oxygen species (ROS) – a hydroxyl radical. Materials and methods. For the analyzed structures, the Mulliken charges (a.u.), bond numbers (Nμ), unsaturation index (IUA), and electron density values on all 9-carbon atoms of the cinnamoyl fragment have been determined. The calculations have been carried out on a workstation with an Intel Xeon E5-1620 3.5 GHz processor, 20 GB of RAM. The semi-empirical method PM7 was used (WinMopac 2016 program). The ORCA 4.1 program was used to calculate the energies of homolytic cleavage of the O – H bond. Results. The analysis of Mulliken charges (a.u.), bonded numbers (Nμ), unsaturation indices (IUA), and electron density revealed a number of regularities on the basis of which it can be concluded, that taking into account the nature of the substituent, the most probable for addition in the aryl residueare positions C-1, C-2, C-3, C-4 and C-5. In the propenone fragment, the radical НО∙ first attacks position 8, then 7. For the hydroxy-substituted, the energy of the homolytic breaking of the H – O bond has been determined and it has been established that the spatial difficulty of phenols (compounds 13k, 13x, 13f, 14k, 14x, 14f) H-O bonds are the smallest and on average are -160.63 kJ/mol. It has also been established that the higher the positive Mulliken charge on the carbon atom with which the phenolic hydroxyl is bound, the lower the energy of the homolytic breaking of the H – O bond and the more stable the resulting phenoxy radicalis. Conclusion. The carried out quantum chemical calculations allow us to conclude that the studied classes of compounds can be used to bind the hydroxyl radical formed in the body, causing various kinds of mutations, leading, among other things, to the development of oncological diseases. Keywords: hydroxyl radical, cinnamic acid derivatives, chalcones, flavanones, Mulliken charges, bond numbers, unsaturation index, electron density For citation: E.T. Oganesyan, S.S. Shatokhin, A.A. Glushko. Using quantum-chemical parameters for predicting anti-radical (НО∙) activity of related structures containing a cinnamic mold fragment. I. Derivatives of cinnamic acid, chalcon and flavanon. Pharmacy & Pharmacology. 2019;7(1): 53-66. DOI:10.19163/2307-9266-2019-7-1-53-66 © Э.Т. Оганесян, С.С. Шатохин, А.А. Глушко, 2019 Для цитирования: Э.Т. Оганесян, С.С. Шатохин, А.А. Глушко. Использование квантово-химических параметров для прогнозирования антирадикальной (но) активности родственных структур, содержащих циннамоильный фрагмент. I. Производные коричной кислоты, халкона и флаванона. Фармация и фармакология. 2019;7(1): 53-66. DOI:10.19163/2307-9266-2019-7-1-53-66 Том 7, Выпуск 1, 2019 53 Research Article ISSN 2307-9266 e-ISSN 2413-2241 УДК 547.814.5:544.18 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ АНТИРАДИКАЛЬНОЙ (НО∙) АКТИВНОСТИ РОДСТВЕННЫХ СТРУКТУР, СОДЕРЖАЩИХ ЦИННАМОИЛЬНЫЙ ФРАГМЕНТ. i. ПРОИЗВОДНЫЕ КОРИЧНОЙ КИСЛОТЫ, ХАЛКОНА И ФЛАВАНОНА Э.Т. Оганесян, С.С. Шатохин, А.А. Глушко Пятигорский медико-фармацевтический институт – филиал ФГБОУ ВО ВолгГМУ Минздрава России 357532, Россия, Пятигорск, пр. Калинина, 11 E-mail: edwardov@mail.ru Поступила в редакцию: 23.12.2018 Принята к печати: 20.02.2019 Изучено 45 соединений, объединяющих 3 группы производных коричной кислоты, халкона и флаванона, каждая из которых включает по 15 веществ. Анализируемые соединения содержат общий структурный фрагмент, представляющий собой остаток коричной кислоты (циннамоильный фрагмент). Цель работы – изучение квантово-химических параметров перечисленных групп соединений с целью прогнозирования возможных путей их взаимодействия с наиболее агрессивным и опасным из числа активных форм кислорода (АФК) гидроксильным радикалом. Материалы и методы. Для анализируемых структур определены Малликеновские заряды (а.е.), связевые числа (Nμ), индекс ненасыщенности (IUA) и величины электронной плотности на всех 9-атомах углерода циннамоильного фрагмента. Расчеты осуществлены на рабочей станции с процессором IntelXeonE5-1620 3,5 ГГц, 20 Гб оперативной памяти. При этом использован полуэмпирический метод РМ7 (программа WinMopac 2016). Для расчетов энергий гомолитического расщепления связи О–Н использована программа ORCA 4.1. Результаты. Анализ величин Малликеновских зарядов (а.е.), связевых чисел (Nμ), индексов ненасыщенности (IUA) и электронной плотности позволил выявить ряд закономерностей, на основании которых можно делать выводы о том, что с учетом природы заместителей наиболее вероятными для присоединения в арильном остатке являются положения С-1, С-2, С-3, С-4 и С-5. В пропеноновом фрагменте радикал НО* в первую очередь атакует положение 8, затем 7. Для гидроксизамещенных определена энергия гомолитического разрыва связи Н-О и установлено, что у пространственно затрудненных фенолов (соединения 13к, 13х, 13ф, 14к, 14х, 14ф) энергия разрыва связи Н-О наименьшая и в среднем составляет – 160,63 кДж/моль. Установлено также, что,чем выше положительный Малликеновский заряд на атоме углерода, с которым связан фенольный гидроксил, тем ниже энергия гомолитического разрыва связи Н-О и тем более устойчив образующийся феноксильный радикал. Заключение. Проведенные квантово-химические расчеты позволяют сделать вывод о том, что изучаемые классы соединений могут быть использованы для связывания образующегося в организме гидроксильного радикала, вызывающего различного рода мутации, приводящие, в том числе, к развитию онкологических заболеваний. Ключевые слова: гидроксильный радикал, производные коричной кислоты, халконы, флаваноны, Малликеновские заряды, связевые числа, индекс ненасыщенности, электронная плотность INTRODUCTION Currently, experimental biochemistry and clinical pharmacology have accumulated extensive material indicating the relationship of free radical oxidation processes involving reactive oxygen species (ROS) and many diseases. It is known that in violation of the mechanisms of antioxidant protection in the body there is an accumulation of ROS, of which the HO-radical is the most dangerous. It is able to interact with the nitrogenous bases of DNA and RNA, which contributes to the formation of various types of mutations [1, 2]. It also interacts with phospholipids of cell membranes, increasing the level of their peroxidation and resulting in reperfusion tissue damage, carcinogenesis and other pathological processes [2, 3]. 54 In case of disturbances in the equilibrium processes involving ROS, natural compounds — derivatives of cinnamic acid, chalcones and flavanones, containing a common cinnamoyl fragment, are getting more and more become important. In flavonoids it is the main conjugate chain and, in essence, it represents the residue of cinnamic acid. These three groups of compounds are interconnected by biogenetic transformations [4–6]. The listed representatives of polyphenolic compounds are characterized by a broad spectrum of pharmacological activity, which is probably due to their high antiradical activity. THE AIM istostudy the quantum-chemical charVolume VII, Issue 1, 2019 оригинальная статья DOI: 10.19163/2307-9266-2019-7-1-53-66 acteristics of cinnamic acid derivatives, chalcones and flavanones containing substituents in the aryl moiety conjugation of the main chain to predict their possible interactions with the hydroxyl radical HO. MATERIALS AND METHODS The objects of the study were hydroxy and methoxy substituted cinnamic acid, chalcone and flavanone derivatives in the aryl residue of the cinnamoyl moiety, 45 compounds in total. Quantum-chemical parameters of the analyzed structures were calculated on a workstation with an Intel Xeon E5-1620 3.5 GHz processor, 20 GB of RAM. The hydroxyl radical НО, whose life expectancy in a biological medium is about 10-9 seconds, represents the greatest danger among the active oxygen species (ROS). One of the ways of formation of a hydroxyl radical in the body can be the Fenton reaction or the oxidation of Fe2+ to the Fe3+ hypochlorite anion, which, in turn, is formed in phagocytes. It has been proved that the yield of hydroxyl radical OH∙ in the second case is higher than in the Fenton reaction [8]. The same radical can be formed by the reaction of Haber-Weiss [8]. The consequences of these reactions involving bivalent iron are obvious: the “extraction” of Fe2+ cation from the systems containing it and its subsequent oxidation to Fe3+, which is extremely dangerous in itself, since it contributes to the destruction of blood heme and iron-containing endogenous substances. On the other hand, the hydroxyl radical, interacting with the amino acid fragments of proteins, causes denaturation of the latter and subsequent inactivation of enzymes. There is an opinion that the OH∙ radical∙is able to selectively accumulate near the DNA [9]. Possessing sufficiently high electrophilic properties, it can not only hydroxylate the nitrogenous bases of nucleic acids, but also contribute to the subsequent breaking of both carbohydrate bridges between nucleotides and hydrogen bonds of “interlaced” polynucleotide chains [2]. It is clear that further processes will mutate or damage genes. In the lipid layer of cell membranes, the НО∙ initiates a chain reaction of lipid oxidation by a radical mechanism, which leads to cell damage and cell death. Biochemical processes involving ROS in the physiological norm are controlled by both enzyme and non-enzyme components of cells. In case of disturbances in the equilibrium processes involving ROS, natural antioxidants, such as polyphenolic compounds as cinnamic acid derivatives, as well as flavonoids (chalcones, flavanones, flavones and flavonols), become important. Due to the structural diversity, as well as the totality of the manifested pharmacological effects, they occupy a special place among natural antioxidants. It is known that cinnamic acid is directly involved in the biosynthesis of flavonoids [4]. Comparing the structures of cinnamic acid and flavonoids, it is easy to verify that the common structural fragment in all the compounds is the cinnamoyl fragment, which is essentially a cinnamic acid residue (Fig. 1). Figure. 1. Structural features of chalcone, flavanone and flavone It should be noted that with slight changes in the pH-environment, the chalcones become flavanones and vice versa: flavanone prevails in the acidic environment, and chalcone prevails in the alkaline one. This circumstance is important from the point of view of the biological activity of chalcones and flavanones. Том 7, Выпуск 1, 2019 It is clear from the presented structures, that the main conjugation chain is formed thanks to the cynnamoyl fragment, and the transfer of electronic effects exerted by substituents in ring B, occurs through this chain. In continuation of our earlier studies [10–13], and also taking into account the structural proximity of cinnamon 55 Research Article ISSN 2307-9266 e-ISSN 2413-2241 acids, chalcones and flavanones (the presence of a cinnamoyl fragment), we found it advisable to a priori examine the activity of the chalcones and flavanones in relation to the hydroxyl radical OH∙ using such quantum-chemical parameters as Mulliken charges (a.u.), bond numbers (Nμ), theoretical valence (Vμ), unsaturation index (IUA), and electron density. Table 1 presents the analyzed compounds, which are designated respectively 1k–15k (derivatives of cinnamic acid), 1x–15x (derivatives of chalcone), 1f–15f (derivatives of flavanone). Table 1. Derivatives of cinnamic acid (k), chalcone (x) * and flavanone with substituents in the aromatic core of the main conjugation chain R1 OH 7 9 No. х* 1х 2х 3x 4x 5x 6x 7x 8x 9x 10x 11x 12x 13x 14x 15x f 1f 2f 3f 4f 5f 6f 7f 8f 9f 10f 11f 12f 13f 14f 15f 2 1 3 6 8 5 O K 1k 2k 3k 4k 5k 6k 7k 8k 9k 10k 11k 12k 13k 14k 15k R2 1 Н OH CH3O H H H H H H H H H H H H 4 R3 R4 Position of substituents 2 3 Н Н H H H H OH H CH3O H H OH H CH3O OH OH CH3O OH OH CH3O CH3O CH3O OH OH CH3O OH C (CH3)3 OH CH3O CH3O 4 Н H H H H H H H H H H OH CH3O C (CH3)3 CH3O * Note: сhalcone derivatives containing an OH group in the ortho-position to the carbonyl are considered, since in its absence the chalcone-flavanone transition is impossible Previously, using semi-empirical quantum-chemical methods, we studied the reactivity indices of cinnamic acid derivatives with respect to the hydroxyl radical [10]. This made it possible to identify the most reactive centers in the cinnamoyl fragment: the interaction of cinnamic acid with the OH-radical electrophilic in properties occurs primarily at the C-8 position, since this atom is characterized by the lowest degree of “saturation” (the lowest bond number), the highest electron density, and the greatest negative charge compared to its two nearest atoms. Further interaction of cinnamic acid with the formation of the corresponding adducts is possible according to the C-7, C-6, C-1 and C-5 positions1. Taking into account the trends revealed in cinnamic acid, we considered it expedient to determine the most probable centers of primary attack by the OH∙ radical of chalcone and flavanone. The quantum chemical characteristics listed above were calculated using the PM7 semi-empirical method (WinMopac 2016 program) for chalcones and flavanones containing hydroxy and methoxy groups in the aryl moiety of the main conjugation chain. Tables 2, 3, 4 present the distribution of Mulliken charges (a.u.), bond numbers (Nμ), unsaturation index (IUA) and electron density on the carbon atoms of the cinnamoyl fragment of the two derivatives of cinnamic acid (6k and 7k), chalcone (6x and 7x) and flavanone (6f and 7f). Henceforward, numbering of atoms in the analyzed structures is given not in accordance with the IUPAK rules, but in accordance with the calculation programs. For cinnamic acid, the carbon numbering generated by the programs is shown. To make it easier and more convenient to compare the results obtained, authors have kept this numbering for chalcones and flavanones. 1 56 Volume VII, Issue 1, 2019 Том 7, Выпуск 1, 2019 4.043 7x 0.154 4.044 6x IUA el.d. 3.826 0.140 4.068 Nμ IUA el.d. 6f -0.068 7f 4.047 el.d. a.u. 4.046 0.156 IUA 4.070 0.139 3.222 -0.069 0.152 3.814 3.810 Nμ -0.046 -0.047 a.u. 0.151 3.813 3.810 Nμ -0.043 -0.044 7k a.u. 6k 1 4.248 0.172 3.786 -0.248 6f 4.265 0.169 3.788 -0.265 6x 4.262 0.167 3.789 -0.262 6k 2 4.253 0.179 3.780 -0.253 7f 4.272 0.173 3.783 -0.272 7x 4.270 0.174 3.782 -0.269 7k 3.693 0.126 3.783 0.306 6f 3.683 0.133 3.773 0.317 6x 3.683 0.132 3.774 0.317 6k 3 3.735 0.142 3.785 0.265 7f 3.722 0.148 3.775 0.277 7x 3.722 0.149 3.774 0.217 7k 4.316 0.175 3.777 -0.316 6f 4.322 0.173 3.777 -0.322 6x 4.326 0.173 3.777 -0.326 6k 4 4.305 0.179 3.774 -0.305 7f 4.314 0.177 3.774 -0.314 7x 4.317 0.176 3.774 -0.317 7k 4.050 0.139 3.826 -0.050 6f 4.044 0.156 3.809 -0.044 6x 4.042 0.154 3.811 -0.042 6k 5 4.057 0.140 3.826 -0.057 7f 4.047 0.156 3.810 -0.047 7x 4.046 0.156 3.810 -0.046 7k 4.161 0.160 3.821 -0.161 6f 4.134 0.147 3.836 -0.134 6x 4.134 0.148 3.836 -0.134 6k 6 4.162 0.162 3.819 -0.162 7f 3.983 0.148 3.835 -0.138 7x 4.134 0.150 3.832 -0.138 7k 3.861 0.064 3.838 0.138 6f 3.990 0.091 3.851 0.009 6x 3.997 0.079 3.866 0.002 6k 7 7k 3.859 0.162 3.839 0.141 7f 3.983 0.091 3.849 0.016 7x 3.991 0.080 3.864 0.008 Table 2. Values of Mulliken charges (a.u.), bond numbers (Nμ), unsaturation index (IUA) and electron density on the carbon atoms of the cinnamoyl fragment of compounds 6k and 7k, 6x and 7x, 6f and 7f 4.441 0.115 3.818 -0.441 6f 4.337 0.147 3.805 -0.337 6x 4.316 0.157 3.790 -0.316 6k 8 4.440 0.114 3.820 -0.440 7f 4.342 0.147 3.803 -0.342 7x 4.321 0.158 3.787 -0.321 7k оригинальная статья DOI: 10.19163/2307-9266-2019-7-1-53-66 57 58 4.105 9x 0.168 4.105 8x IUA el.d. 3.765 0.197 4.196 Nμ IUA el.d. 8f -0.196 9f 4.110 el.d. a.u. 4.109 0.169 IUA 4.198 0.205 3.760 -0.198 0.166 3.806 3.804 Nμ -0.109 -0.110 a.u. 0.169 3.802 3.803 Nμ 0.105 -0.105 9k a.u. 8k 1 3.793 0.162 3.777 0.206 8f 4.218 0.175 3.788 -0.218 8x 4.216 0.176 3.786 -0.216 8k 2 3.835 0.178 3.776 0.165 9f 4.225 0.183 3.780 -0.225 9x 4.218 0.174 3.788 -0.217 9k 3.852 0.183 3.748 0.147 8f 3.771 0.172 3.763 0.228 8x 3.770 0.172 3.763 0.229 8k 3 3.837 0.187 3.746 0.163 9f 3.807 0.189 3.760 0.192 9x 3.775 0.178 3.755 0.225 9k 4.232 0.169 3.799 -0.232 8f 3.870 0.172 3.761 0.129 8x 3.873 0.172 3.761 0.126 8k 4 4.242 0.170 3.797 -0.242 9f 3.858 0.175 3.760 0.141 9x 3.905 0.183 3.766 0.094 9k 4.137 0.156 3.815 -0.137 8f 4.214 0.203 3.766 -0.213 8x 4.212 0.203 3.767 -0.212 8k 5 4.134 0.156 3.815 -0.134 9f 4.220 0.206 3.763 -0.280 9x 4.206 0.207 3.762 -0.206 9k 4.073 0.159 3.833 -0.073 8f 4.059 0.151 3.841 -0.059 8x 4.060 0.152 3.839 -0.060 8k 6 4.080 0.158 3.833 -0.080 9f 4.061 0.153 3.838 0.061 9x 4.066 0.152 3.839 -0.066 9k 3.869 0.064 3.840 0.130 8f 4.022 0.090 3.854 -0.02 8x 4.008 0.08 3.868 -0.008 8k 7 3.866 0.062 3.841 0.133 9f 3.996 0.090 3.853 0.004 9x 4.004 0.08 3.867 -0.004 9k 4.437 0.115 3.818 -0.437 8f 4.324 0.147 3.809 -0.324 8x 4.303 0.156 3.794 -0.303 8k Table 3. Values of Mulliken charges (a.u.) of bond numbers (Nμ), index unsaturation (IUA) and the electron density on the carbon atoms of cinnamoyl moiety 8k and 9k compounds 8h and 9h, 8f and 9F 8 4.435 0.114 3.820 -0.435 9f 4.328 0.147 3.807 -0.328 9x 4.306 0.156 3.792 -0.306 9k Research Article ISSN 2307-9266 e-ISSN 2413-2241 Volume VII, Issue 1, 2019 Том 7, Выпуск 1, 2019 4.271 13x 0.165 4.105 10x IUA el.d. 3.766 0.196 4.194 Nμ IUA el.d. 10f -0.194 13f 4.109 el.d. a.u. 4.242 0.170 IUA 4.260 0.205 3.746 -0.265 0.224 3.733 3.802 Nμ -0.242 -0.109 a.u. 0.228 3.728 3.806 Nμ -0.271 -0.105 13k a.u. 10k 1 3.800 0.167 3.771 0.200 10f 4.220 0.174 3.788 -0.220 10x 4.223 0.184 3.779 -0.223 10k 2 3.779 0.176 3.771 0.220 13f 3.796 0.176 3.774 0.203 13x 3.817 0.179 3.776 0.183 13k 3.885 0.196 3.752 0.114 10f 3.776 0.179 3.755 0.224 10x 3.806 0.189 3.760 0.193 10k 3 3.949 0.227 3.705 0.05 13f 3.943 0.235 3.699 0.057 13x 3.897 0.234 3.712 0.102 13k 4.224 0.173 3.795 -0.224 10f 3.902 0.183 3.766 0.097 10x 3.861 0.175 3.760 0.138 10k 4 3.823 0.180 3.765 0.176 13f 3.830 0.176 3.770 0.171 13x 3.854 0.186 3.763 0.146 13k 4.140 0.157 3.815 -0.140 10f 4.206 0.208 3.761 -0.206 10x 4.218 0.205 3.765 -0.218 10k 5 4.293 0.203 3.745 -0.292 13f 4.290 0.217 3.734 -0.290 13x 4.268 0.219 3.738 -0.268 13k 4.076 0.159 3.832 -0.076 10f 4.066 0.152 3.840 -0.066 10x 4.063 0.154 3.837 -0.063 10k 6 4.004 0.157 3.835 -0.004 13f 3.976 0.142 3.852 0.023 13x 3.991 0.149 3.845 0.008 13k 3.867 0.062 3.841 0.132 10f 3.998 0.09 3.853 0.002 10x 4.002 0.081 3.866 -0.002 10k 7 3.870 0.063 3.838 0.129 13f 3.976 0.142 3.852 -0.025 13x 4.001 0.08 3.867 -0.01 13k Table 4. Values of Mulliken charges (a.u.) of bond numbers (Nμ), unsaturation index (IUA) and the electron density on the carbon atoms cinnamoyl moiety 10k and 13K compounds, 10x and 13x, 10f and 13f 4.438 0.114 3.819 -0.438 10f 4.327 0.147 3.807 -0.327 10x 4.308 0.156 3.792 -0.308 10k 8 4.430 0.116 3.818 -0.430 13f 4.303 0.150 3.811 -0.303 13x 4.298 0.154 3.797 -0.298 13k оригинальная статья DOI: 10.19163/2307-9266-2019-7-1-53-66 59 Research Article ISSN 2307-9266 e-ISSN 2413-2241 It is characteristic for the C-7 and C-8 atoms to have the same dynamics of changes in parameters as it had been in cinnamic acid. In the analyzed structures, the carbon atom C-9 is characterized by a significantly lower electron density and a higher positive Mulliken charge, although the bond number is insignificant (third decimal place), it is higher than those for C-8 and C-7. The highest negative Mulliken charge and the electron density, as well as the smallest bond numbers compared to the two nearest atoms, are concentrated on the C-8 atom of all the three types of the structures under consideration. Similar electronic effects are easy to explain, if we take into consideration the fact that with respect to the propenone moiety, the electron-donating hydroxy and methoxy groups at positions 1 and 3 (ortho and para positions with respect to the propene unit) contribute to the enhancement of the polar conjugation and, consequently, to an increase in the Mulliken charge and electron density on C-8 (compounds 2, 3, 6, 7) compared with the parent structure of each group of the analyzed compounds. If the hydroxy- and methoxy groups are in position 2 of the aryl fragment (compounds 4 and 5), then the electron density and Mulliken charge decrease, but the same parameters increase on the C-1, C-3 and C-5 atoms, that is, in two ortho- (P-1 and P-3) and para-positions (P-5) (table 5). This dependence is repeated in all the three types of the structures under consideration - 4k, 4x, 4f and 5k, 5x and 5f. Such electronic effects are in good agreement with the contribution of the Taft constants [14]. Table 5. Values of Mulliken charges (a.u.), electron density and bond numbers (Nμ) on carbon atoms in o- and p- positions with respect to the substituent for the derivatives of cinnamic acid, chalcone and flavanone, numbered 2, 3 and 4 Cv 1 2 3 4 5 6 7 8 Unsubstitute dcinnamic acid a.u. el.d. Nμ -0.118 4.1180 3.812 -0.159 4.1590 3.852 -0.125 4.1249 3.836 -0.159 4.1595 3.854 -0.126 4.1260 3.816 -0.054 4.0540 3.858 -0.020 4.0200 3.869 -0.298 4.9810 3.798 Unsubstitute dchalcone a.u. el.d. Nμ -0.122 4.122 3.813 -0.161 4.162 3.852 -0.121 4.126 3.837 -0.156 4.156 3.854 -0.128 4.128 3.814 -0.053 4.054 3.856 -0.013 4.013 3.855 -0.319 4.319 3.814 Unsubstituted flavanone a.u. el.d. Nμ -0.141 4.141 3.827 -0.145 4.145 3.849 -0.135 4.135 3.845 -0.151 4.151 3.852 -0.132 4.133 3.829 -0.081 4.081 3.840 0.122 3.877 3.840 -0.440 4.440 3.819 Cv 8 2 4 1 a.u. -0.288 -0.234 -0.149 -0.046 2k el.d. 4.288 4.047 4.062 4.322 Nμ 3.798 3.852 3.854 3.832 a.u. -0.364 -0.268 -0.238 0.342 2х el.d. 4.364 4.268 4.238 3.658 Nμ 3.763 3.787 3.842 3.747 a.u. -0.446 -0.229 -0.197 0.284 2f el.d. 4.442 4.229 4.197 3.715 Nμ 3.812 3.803 3.844 3.777 Cv 8 2 4 1 a.u. -0.301 -0.238 -0.161 -0.050 3k el.d. 4.301 4.050 4.060 4.314 Nμ 3.781 3.838 3.783 3.833 a.u. -0.368 -0.270 -0.235 0.309 3х el.d. 4.368 4.270 4.235 3.690 Nμ 3.785 3.780 3.842 3.740 a.u. -0.439 -0.309 -0.227 0.269 3f el.d. 4.439 4.310 4.228 3.730 Nμ 3.819 3.773 3.834 3.777 Cv 8 1 3 5 a.u. -0.283 -0.290 -0.228 -0.205 4k el.d. 4.283 4.290 4.228 4.205 Nμ 3.804 3.740 3.779 3.800 a.u. -0.299 -0.230 -0.296 -0.210 4х el.d. 4.299 4.230 4.296 4.210 Nμ 3.819 3.750 3.769 3.803 a.u. -0.437 -0.240 -0.303 -0.223 4f el.d. 4.437 4.240 4.303 4.223 Nμ 3.818 3.747 3.774 3.813 Cv 8 1 3 5 a.u. -0.290 -0.278 -0.233 -0.204 5k el.d. 4.290 4.278 4.233 4.204 Nμ 3.802 3.737 3.773 3.798 a.u. -0.303 -0.234 -0.285 -0.210 5х el.d. 4.303 4.234 4.285 4.210 Nμ 3.819 3.743 3.766 3.803 a.u. -0.436 -0.252 -0.293 -0.215 5f el.d. 4.436 4.252 4.293 4.210 Nμ 3.818 3.757 3.770 3.814 Note: k – cinnamic acid, x – chalcone, f – flavanone 60 Volume VII, Issue 1, 2019 оригинальная статья DOI: 10.19163/2307-9266-2019-7-1-53-66 Thus, the primary hydroxyl radical electrophilic attack will take place primarily at position C-8, and then at the C-7 position. A similar conclusion is valid for the considered types of the analyzed compounds, as shown before [11, 12]. Using a similar approach to interpret the possible attack paths of the monosubstituted derivatives by the OH-radical (compounds 2k, 2x, 2f – 7k, 7x, 7f) taking into account the quantum chemical parameters, it can be assumed that the most likely are the C-2 and C-4 positions for compounds 2 and 3, since they are characterized by the highest IUA values. If the substituent is in position 2, then the attack is likely to occur in C-1, C-3 or C-5 positions of the phenyl fragment of all three types of structures under consideration due to high IUA values. For compounds of types 6 and 7, the attack of a hydroxyl OH OH σ = 0.127 σ = -0.370 O CH3 OH ∑=-0.243 Compounds 8k, 8x, 8f σ = 0.115 Σ= -0.370 ∑=-0.255 Compounds 9k, 9x, 9f When interpreting antiradical (HO∙)activity of polyhydroxy cinnamic acid derivatives, chalcones and flavanones, one should take into account their ability to bind reactive oxygen species not only with the participation of carbon atoms of the aryl radical, but also due to the homolytic breaking of the H – O bond of the phenolic hydroxy-group to form an intermediate adduct — the phenoxyl radical. Earlier, when analyzing the antiradical activity of polyhydroxychalcons, we calculated the energies of homolytic breaking of H–O bonds in monohydroxy-compounds in which the hydroxy-group is located at C-3 or C-4, as well as for disubstituted ones, as shown below. In continuation of these studies using the ab initio method, we calculated the energies of the homolytic breaking of the H O bond with the transition of the hydrogen atom to the hydroxyl radical in the cinnamoyl disubstituted along the aryl residue. The relationship between the breaking energy of the H–O bond and the unsaturation index (IUA) of the carbon atom which the substituent is Том 7, Выпуск 1, 2019 radical is equally probable in the C-2 and C-4 positions for the same reasons as mentioned above (Tables 2, 3, 4, 5). In the case of disubstituted for the aryl fragment, the dynamics of changes in the Mulliken charges, the unsaturation index and the electron density in compounds 8, 9 and 10 of all the three types of the structures under consideration practically coincide and actually make the same electronic contribution to the C-8 propene unit. It should be emphasized that two hydroxy- or hydroxy- and methoxy-groups in positions 2 and 3 of the aryl fragment have a competitive effect on the conjugation system: the effect of the para-substituent is partially extinguished by the inconsistent influence of the same substituent in position 2. This conclusion can be illustrated by Taft σ-constants for –OH and –OCH3 groups [14]: σ = 0.127 OH O σ= -0.268 CH3 ∑= -0.141 Compounds 10k, 10x, 10f associated has been revealed. For this program, ORCA 4.1 was used. The optimization of the geometry of molecules was performed using the density functional theory (UB3LYP) method using the set of basis functions 3-21G*. Vibrational analysis, as well as the calculation of thermodynamic functions (enthalpy, entropy, and Gibbs energy) were performed on the basis of the density functional theory (UB3LYP) using the set of basic functions 6-311G** [15, 16]. It has been established that the lower the bond breaking energy, the higher the IUA value is (Table 6). In the presented data, a clear relationship can be traced: the larger the unsaturation index (IUA) of the aryl carbon atom with which the hydroxy group is associated, the lower the energy of the H – O homolytic bond break is. There is a similar relationship for bond numbers (Table 3). In the list of the compounds subjected to quantum-chemical study, we have considered three types of compounds containing three substituents in positions 2, 3, 4 of the aryl fragment and designated by numbers 12, 13 and 14. 61 Research Article ISSN 2307-9266 e-ISSN 2413-2241 Table 6. Gibbs free energy of homolytic breaking of the H–O bond Structuralfragment Breaking energy of the O – H bond HO -150.30 OH -137 , 70 OH OH -173.89 OH O -130.01 CH3 O CH3 OH -174.26 IUA (С-1) IUA (С-2) IUA (С-3) 0.135 (2k) - - 0.152 (2x) - - 0.145 (2f) - - - - 0.132 (6k) - - 0.133 (6x) - - 0.126 (6f) - 0.175 (8k) 0.172 (8k) - 0.173 (8x) 0.172 (8x) - 0.162 (8f) 0.183 (8f ) - 0.184 (10k) 0.189 (10k) - 0.174 (10x) 0.179 (10x) - 0.167 (10f) 0.196 (10f) - 0.174 (9k) 0.178 (9k) - 0.183 (9x) 0.189 (9x) - 0.178 (9f) 0.187 (9f) For these compounds, the energies of the homolytic O – H bond have been calculated resulting in corresponding phenoxyl radical in position C-3 and the addition of a hydrogen atom to a hydroxyl radical. In our opinion, it can be represented by the following scheme: This reaction was simulated by the molecular dynamics method in a 3-21G* force field using the density functional theory (UB3LYP) method for 50 picoseconds. In the process of simulation, a hydroxyl radical attacks a phenolic hydroxyl group, bonding a hydrogen atom with its oxygen. In the course of the oscillation of the phenolic hydroxyl group, covalent bonding of the hydrogen atom of the phenol hydroxide to the oxygen atom of the hydroxyl radical occurs. After that, a free water molecule and a phenol radical are formed. Figure 2 shows a graph of the dependence of potential energy of the simulated system on time. 62 Volume VII, Issue 1, 2019 оригинальная статья DOI: 10.19163/2307-9266-2019-7-1-53-66 Figure 2. Dynamics of potential energy changes in the process of simulating homolytic cleavage of the OH bond of the phenolic hydroxyl According to the results of the molecular dynamics simulation, the activation energy of a simulated reaction of the homolytic cleavage of phenolic hydroxyl with the transition of a hydrogen atom to a hydroxyl radical has been determined. The activation energy was 34.918 kJ/mol, which indicates that the reaction proceeds fairly quickly at a human body temperature (310 K). It should be notified that this phenolic hydroxyl is surrounded by two ortho substituents, which have a shielding effect. The phenoxyl radical formed by the C-3 hydroxyl in structures 12, 13, and 14 belongs to the spatially obstructed types of radicals and is therefore more stable. Table 7. Gibbs free energy of homolytic breaking of the H – O bond Substance Structuralfragment Energy of O-Hsplittingbreaking 12x -171.21 12k -170.72 12f -166.79 13x -164.66 13k -117.04 13f -159.40 14x -178.31 14k -181.29 14f -163.08 Том 7, Выпуск 1, 2019 63 Research Article ISSN 2307-9266 e-ISSN 2413-2241 The same dependence as in the case of disubstituted ones, is observed here, i.e. the lower the energy of the homolytic breaking of the H – O bond in sterically hindered phenols, the higher the IUA values and the positive charge of the carbon atom, phenolic hydroxyl is bound with (in this case C-3). It should be notified that compound 14k (4-hydroxy-3,5-di-tertbutyl-cinnamic acid) was previously synthesized by us in accordance with the forecast [11], since its high activity had been predicted. An experimental study of the pharmacological properties confirmed our prediction: the substance is characterized by cerebroprotective [17], antioxidant [18], endothelioprotective [19] and actoprotective [20] types of activity. It is possible to predict with high probability the same level of activity for compounds 14x and 14f, since their quantum-chemical characteristics are almost identical with compound 14k. With regard to the analysis of structures of all three types, we found it expedient to take into account the molar mass in the characterization of bonded numbers (Nμ), unsaturation index (IUA), and electron density. For this purpose, the total value of the listed characteristics was determined for each compound, which was then referred to the molar mass. The partial dividing of the total valuesof Nμ, IUA and electron density by the molar mass, in our opinion, characterizes the specific value of the listed parameters in terms of the mass unit of the molecule. In our opinion, a similar indicator in the future may be useful for the interpretation of biologically active related compounds. The results are presented below: OH OH HO OH O C9H8O5 M=196 OH OH HO 64 O CH3 O C11H12O5 M=224 OH O C15H12O5 M=272 O C15H12O5 M=272 O CH3 OH O OH OH O O CH3 O CH3 OH OH O CH3 O CH3 O CH3 O O CH3 O CH3 C15H16O5 M=276 O C15H16O5 M=276 Volume VII, Issue 1, 2019 оригинальная статья DOI: 10.19163/2307-9266-2019-7-1-53-66 OH OH OH OH HO O C17H24O3 M=276 O C23H28O3 M=352 The attention of the scientistshas been attracted to very close values of specific indicators of bond numbers, indices of unsaturation and electron density for chalcone and flavanone. This fact once again confirms not only the ease of their interconversion, but, apparently, the same level of pharmacological properties. O O C23H28O3 M=352 CONCLUSION Cinnamic acid differs from chalcone and flava- none in the absence of an aryl residue in its molecule, directly associated with carboxyl carbon, hence there are some differences in the values of quantum-chemical characteristics. But anyhow, all the three types of compounds can be successfully used to bind a hydroxyl radical in order to prevent those detrimental effects that the hydroxyl radical can cause, being, by Vladimirov Yu.A. metaphor, a destroyerradical, a killer radical. REFERENCES 1. Afanasyev IB. Kislorodnye radikaly v biologicheskih processah [Oxygen radicals in biological processes]. Pharmaceutical Chemistry Journal. 1958;19(1): 11–23. Russian. 2. Vladimirov YuA. Svobodnye radikaly v biologicheskih sistemah [Free radicals in biological systems]. Soros Educational Journal. 2000;6(12):13–9. Russian. 3. Vladimirov YuA, Archakov AI. Perekisnoe okislenie lipidov v biologicheskih membranah [Lipid peroxidation in biological membranes]. M .: Science. 1972. 252 p. Russian. 4. Minaeva VT. Flavonoidy v ontogeneze rastenij i ih prakticheskoe ispolzovanie [Flavonoids in plant ontogenesis and their practical use]. Moscow, Nauka;1978:243 p. Russian. 5. Geissman T.A. The chemistry of flavonoid compounds. New York:Pergamon Press, Oxford,1962:666 p. 6. Plant flavonoids in biology and medicine. Biochemical, pharmacological, and structure-activity relationships. Proceedings of a symposium. Buffalo, New York, July 22–26, 1985. Prog Clin Biol Res. 1986;213:1–592. 7. Osipov AN, Yakutova ESh, Vladimirov YuA. Obrazovanie gidroksilnyh radikalov pri vzaimodejstvii gipohlorita s ionami zheleza [Formation of hydroxyl radicals in the interaction of hypochlorite with iron ions]. Biophysics.1993;38(3):390–6. Russian. 8. Koppenol WH. The Haber-Weiss cycle – 70 years later. Redox Rep. 2001;6(4):229–34. DOI: 10.1179/135100001101536373 9. Pryor WA. Why is the hydroxyl radical the only radical that commonly adds to DNA? Hypothesis: it has a rare combination of high electrophilicity, high thermochemical reactivity, and a mode of production that can occur near DNA. Free Radic Biol Med. 1988;4(4):219–23. 10. Aghajanayan VS, Oganesyan ET. Applying quantum-chemical methods to interpretation of the antiradical activity in a series of hydroxy derivatives of cinnamic acid. Pharmaceutical Chemistry Journal. 2008;42(11):12-7. DOI: https://doi. org/10.30906/0023-1134-2008-42-11-12–17. 11. Agadzhanayan VS, Oganesyan ET, Abaev VT. Targeted search for lead compound in series of cinnamic acid derivatives possessing antiradical activity. Pharmaceutical Chemistry Journal. 2010;44(7):21-6. DOI: https:// doi.org/10.30906/0023-1134-2010-44-7-21–26. Том 7, Выпуск 1, 2019 65 Research Article ISSN 2307-9266 e-ISSN 2413-2241 12. Oganesyan ET, Mal’tsev YuA, Tvorovskii DE. Mechanism of reaction of flavone derivatives with hydroxyl radical by semiempirical methods. Russian Journal of General Chemistry. 2001;71(6):939–44. DOI: 10.1023/A:1012395821594. 13. Oganesyan ET, Dorkina EG, Khochava MR, Tuskayev VA, Maltsev YuA. Ispolzovanie kvantovo himicheskih metodov dlya obosnovaniya antiradikalnogo no-dejstviya-poligidroksihalkonov [Using quantum chemical methods to substantiate the antiradical (OН) action of polyhydroxychalcones]. Pharmaceutical Chemistry Journal. 2002;36(12):21–5. Russian. 14. Spravochnik himika [Chemist Handbook]. Part 3. Moscow: Himiya.1964:1005 p. 15. Bykov D, Petrenko T, Izsák R, Kossmann S, Becker U, Valeev E, Neese F. Efficient implementation of the analytic second derivatives of Hartree–Fock and hybrid DFT energies: a detailed analysis of different approximations. Molecular Physics. 2015;113(13–14):1961–77. DOI: 10.1080/00268976.2015.1025114. 16. Minkin VI, Simkin BYa, Minyaev RM. Teoriya stroeniya molekul [The theory of the structure of molecules]. Rostov-on-Don.1997. 560 p. Russian. 17. Voronkov AV, Oganesyan ET, Pozdnyakov DI, Abaev VT. Nekotorye aspekty cerebroprotektornoj aktivnosti 4-gidroksi-3-5-di-tretbutil korichnoj kisloty pri ishemicheskom povrezhdenii golovnogo mozga v ehksperimente [Some aspects of cerebro- protective activity of 4-hydroxy-3,5-di-tretboutyle of cinnamic acid in ischemic damage of the brain in experiment. Medical News of the North Caucasus]. 2018;13(1.1):90–3. DOI: https://doi.org/10.14300/ mnnc.2018.13025. Russian. 18. Voronkov AV, Pozdnyakov DI, Khuri EI, Kulbekova YuE, Kobin AA. Ocenka antioksidantnoj aktivnosti 4-gidroksi-3-5-ditretbutilkorichnoj kisloty meksidola i tioktovoj kisloty na modeli fokalnoj ishemii golovnogo mozga [The evaluation of the antioxidant activity 4-hydroxy-3,5-ditretbutil cinnamic acid, mexidol and thioctic acid at the model of brain focal ischemia]. Problems of biological, medical and pharmaceutical chemistry. 2017;20(2):48–52. Russian. 19. Voronkov AV, Oganesyan ET, Pozdnyakov DI, Abaev VT. Izuchenie dozozavisimogo ehndoteliotropnogo vliyaniya soedineniya ATACL v usloviyah ishemicheskogo-povrezhdeniya golovnogo mozga u krys v ehksperimente [Experimental study of dose-dependent endotheliotropic effect of ATACL in ischemic brain damage in rats]. Journal of VolgSMU. 2017;1:54–8. Russian. 20. Voronkov AV, Oganesyan ET, Gerashchenko AD. Aspekty aktoprotektornoj aktivnosti nekotoryh prirodnyh soedinenij razlichnoj himicheskoj struktury [Aspects of actoprotective activity of certain natural compounds with different chemical structure]. Sports medicine: research and practice. 2017;7(1):92–6. DOI: 10.17238/ISSN2223-2524.2017.1.92. Conflict of interest The authors declare no conflict of interest. Authors Oganesyan Eduard Tonikovich – Doctor of Sciences (Pharmacy), Professor, Head of the Department of Organic Chemistry, Рyatigorsk Medical and Pharmaceutical Institute – branch of Volgograd State Medical University. E-mail: edwardov@mail.ru Shatokhin Stanislav Sergeevich – postgraduate of the Department of Organic Chemistry, Рyatigorsk Medical and Pharmaceutical Institute – branch of Vol- 66 gograd State Medical University. E-mail: Shatohin.stanislav95@ yandex.ru Glushko Alexander Alexeevich – Candidate of Sciences (Pharmacy), Lecturer of the Department of Inorganic, Physical and Colloidal Chemistry, Pyatigorsk Medical and Pharmaceutical Institute – branch of Volgograd State Medical University. E-mail: alexander.glushko@lcmmp.ru Volume VII, Issue 1, 2019

About the authors

E. T. Oganesyan

Pyatigorsk Medical and Pharmaceutical Institute – branch of Volgograd State Medical University

Email: edwardov@mail.ru

S. S. Shatokhin

Pyatigorsk Medical and Pharmaceutical Institute – branch of Volgograd State Medical University

Email: Shatohin.stanislav95@yandex.ru

A. A. Glushko

Pyatigorsk Medical and Pharmaceutical Institute – branch of Volgograd State Medical University

Email: alexander.glushko@lcmmp.ru

References

Supplementary files