Квантово-химическое исследование образования комплексов производных флавонола с катионами цинка и железа

Abstract

С использованием квантово-химических методов ab initio (6-31G(d,p), DFT (B3LYP/6-31G(d,p)) и сольватационной модели IEF PCM (GAMESS) изучено образование комплексов катионов Zn²⁺ и Fe³⁺ с 3-гидроксифлавоном и тремя его производными — 4′-(N,N-диметиламино)флавонолом, 4′-[N,N-ди(2-гидроксиэтиламино)]флавонолом, 3′,4′-ди(гидроксикарбонилметокси)флавонолом. Показано, что 3-гидроксигруппа молекул флавонолов в депротонированной форме является основным центром связывания катионов и железа, и цинка; в случае 3′,4′-ди(гидроксикарбонилметокси)флавонола в образовании комплексов с Zn²⁺ также участвуют боковые группы фенильного фрагмента. Для обеих реакций комплексообразования (с катионами Zn²⁺ и Fe³⁺) производные флавонола имели большие значения свободной энергии Гиббса по сравнению с исходным флавонолом; наиболее сильным хелатирующим агентом был 4′-[N,N-ди(2-гидроксиэтиламино)] флавонол. Свободная энергия взаимодействия всех флавонолов с катионами железа в ~2 раза выше, чем с катионами цинка, что предполагает возможность замещения цинка железом в его комплексе c флавонолом. Результаты квантово-химических расчетов хорошо коррелируют с экспериментальными данными и могут быть использованы для прогнозирования свойств комплексов флавонолов с металлами.З використанням квантово-хімічних методів ab initio (6-31G (d,p), DFT (B3LYP/6-31G (d,p)) і сольватаційної моделі IEF PCM (GAMESS) вивчено утворення комплексів катіонів Zn²⁺ і Fe³⁺ з 3-гідроксифлавоном і трьома його похідними — (4′-(N,N-диметиламіно)флавонол, 4′-[N,N-ди(2-гідроксіетиламіно)] флавонол, 3’,4’-ди(гідроксикарбонілметокси)флавонол. Показано, що 3-гідроксигрупа молекул флавонолів у депротонованій формі є основним центром зв'язування катіонів і заліза, і цинку; у випадку 3′,4′-ди- (гідроксикарбонілметокси)флавонолу в утворенні комплексів з Zn²⁺ також беруть участь бічні групи фенільного фрагмента. Для обох реакцій комплексоутворення (з катіонами Zn²⁺ та Fe³⁺) похідні флавонолу мали більші значення вільної енергії Гіббса в порівнянні з вихідним флавонолом; найбільш сильним хелатуючим агентом був 4′-[N,N-ди(2-гідроксіетиламіно)]флавонол. Вільна енергія взаємодії всіх флавонолів з катіонами заліза була в ∼2 рази вищою, ніж з катіонами цинку, що передбачає можливість заміщення цинку залізом в його комплексі c флавонолами. Результати квантово-хімічних розрахунків добре корелюють з експериментальними даними і можуть бути використані для прогнозування властивостей комплексів флавонолів з металами.Quantum-chemical methods ab initio (6-31G(d,p) DFT (B3LYP/6-31G(d,p) and the IEF PCM (GAMESS) solvation model are used to study the formation of complexes of Zn²⁺ and Fe³⁺ cations with 3-hydroxyflavone and its three derivatives (4′-(N,N-dimethylamino)flavonol, 4′-[N,N-di(2-hydroxyethylamino)]flavonol, 3′,4′-di- (hydroxycarbonylmethoxy)flavonol. Deprotonated 3-hydroxygroups of all the molecules of flavonoles are found to be the main sites for bonding both Zn²⁺ and Fe³⁺ cations; in the case of 3′,4′-di(hydroxycarbonylmethoxy) flavonol, also the side carboxyl groups of phenyl moiety appeared to participate in the Zn²⁺ complexation. For both Zn²⁺ and Fe³⁺ complexation reactions, all flavonole derivatives have higher values of Gibbs free energy comparatively with an initial flavonole molecule, with the 4′-[N,N-di(2-hydroxyethylamino)]flavonol being the strongest chelating agent. For all the flavonols studied, the Gibbs free energy for the Fe³⁺ complexation is ∼2 times higher than for the Zn²⁺ complexation; this means that iron may substitute zinc in flavonol−zinc complexes. The quantum-chemical data are in good agreement with experimental results as to the Zn²⁺ and Fe³⁺ complexations, and they may be used to predict the properties of complexes.