Исследование электронной структуры и связывающих орбиталей афлатоксина В1 методом DFT

А.А. Ruskina, , A.V. Malinin, , South Ural State University, Chelyabinsk, Russia

Афлатоксин В1 является органическим соединением из группы поликетидов и относится к микотоксинам. Это вторичный метаболит, который продуцируется некоторыми видами микроскопических плесневых грибов рода Аспергилл ( Aspergillus flavus, A. parasiticus ). Заражение зерновых культур, кормов афлатоксином B1 и актуальность его обеззараживания связаны с тем, что даже минимальное количество афлатоксинов способно нанести вред здоровью населения. Биологическая активность афлатоксина B1 заключается в особенностях его электронной структуры, в частности в высокой реакционной способности концевого дигидрофуранового фрагмента.

Детальное понимание природы химических связей и внутримолекулярных взаимодействий в афлатоксине B1 необходимо для разработки стратегий его нейтрализации [1, 3].

Теория функционала плотности (DFT) предоставляет надежную основу для квантово-химического моделирования таких сложных органических молекул. Для интерпретации результатов DFT в терминах классической химической теории связи особенно эффективен анализ естественных связывающих орбиталей (NBO), который позволяет количественно оценить вклад различных делока-лизационных и донорно-акцепторных взаимодействий в стабильность молекулы [7, 10].

Метод NBO (Natural Bond Orbital) – это подход для анализа природы связей в молекулах. Он позволяет вычислять естественные орбитальные связи (NBO) – локализованные орбитали с несколькими атомными центрами, которые описывают модель молекулярных связей электронных пар в оптимально компактной форме. Метод основан на методе оптимального преобразования заданной волновой функции в локализованную форму, соответствующую элементам структуры Льюиса: одноцентровым («неподелённые пары») и двухцентровым («связи») [2].

В анализе NBO входной набор атомных орбиталей афлатоксина В1 преобразуется через естественные атомные орбитали и гибридные орбитали в NBO. Алгоритм состоит из поиска орбиталей с высокой занятостью в локализованных регионах молекулы. Далее осуществляется расчёт энергии и выбор резонансной структуры взаимодействия орбиталей, которая позволит найти оптимальную структуру Льюиса.

Целью данной работы является анализ электронной структуры молекулы афлатоксина В1 с помощью метода естественных связывающих орбиталей (NBO/ DFT).

Объекты и методы исследования

Для изучения электронной структуры мо- лекулы афлатоксина В1 с помощью метода естественных связывающих орбиталей (NBO) проводились квантово-химические расчеты с использованием программного пакета Gaussian 16. В исследованиях использовался метод Ground State DFT (Default Spin) с применением базисного набора 3-21G/ B3LYP (гибридный функционал).

Исходные данные о молекуле афлатоксина В1 для квантово-химического расчета были получены при помощи базы данных PubChem. В рамках исследования учитывались такие показатели, как локализация молекулярных орбиталей HOMO и LUMO, анализ естественных связывающих орбиталей (NBO), анализ NBO второго порядка для молекулы. Затем осуществлялась статистическая обработка полученных данных квантово-химических расчётов.

Результаты и их обсуждение

На первом этапе исследования после оптимизации геометрии, которая позволяет найти наиболее стабильную структуру, которая имеет наименьшую энергию, осуществлялся расчет энергии высшей занятой (HOMO) и низшей свободной (LUMO) молекулярных орбиталей афлатоксина В1. Локализация молекулярных орбиталей HOMO и LUMO для афлатоксина В1 представлена на рис. 1.

Локализация молекулярных орбиталей

Молекулярные орбитали афлатоксина В1

HOMO

LUMO

Химическая структура

Рис. 1. Локализация молекулярных орбиталей HOMO и LUMO афлатоксина В1

HOMO афлатоксина В1 преимущественно наблюдается на π-системе кумарина. Локализация молекулярных орбиталей LUMO афлатоксина В1 наблюдается на 8,9-двойной связи фуранового кольца. Данная информация является важной для понимания электронной структуры молекулы афлатоксина В1 [5, 6].

На втором этапе исследования проводился анализ естественных связывающих орбиталей (NBO) афлатоксина В1, результаты которого представлены на рис. 2.

Проведенный анализ показывает разделение электронной плотности на Льюисовскую (локализованные связи) и не-Льюисовскую (делокализация, перенос заряда) составляющие. На рис. 2 показаны итерации поиска оптимального «Льюисовского» представления, где Occ. Thresh. (Occupancy Threshold) является порогом занятости, который постепенно снижается (с 1,90 до 1,50), позволяя включать в Льюисовскую структуру все более слабые (делокализованные) орбитали. К финальной итерации (22 цикла) достигается стабильное разбиение на Lewis при значении 158,279e (97,7 % от 162 валентных электронов) и NonLewis при значении 3,721e (2,3 %). Таким образом, полученные результаты квантово- химического расчета афлатоксина В1 позволяют отнести окончательную структуру молекулы к сильно делокализованной.

Программа обнаружила, что ядерные (core) 1s-орбитали 17 атомов углерода (C7-C23) имеют заселенность менее 2,0000 электронов. Полученные результаты указывают на сильную делокализацию электронов с внутренних оболочек.

Молекула афлатоксина В1 содержит конденсированные ароматические системы (кумариновый и фурановый фрагменты, а также гидрированный циклопентановый цикл, конъюгированный с системой). В таких высо-коконъюгированных системах делокализация π-электронов настолько сильна, что может вовлекать в общее взаимодействие даже σ-каркас и, как видно из анализа, затрагивать внутренние оболочки атомов. Это признак исключительно высокой степени сопряжения и электронной делокализации в молекуле афлатоксина В1 [8, 9, 11].

Valence Lewis (Валентные Льюисовские) составляет 112,309e (96, 82 % от 116). Это доля валентных электронов, описываемых классическими связями (CR, BD, LP). Далее Valence non-Lewis (Валентные не-Льюисов-

NATURAL BOND ORBITAL ANALYSIS

Cycle	Occ. Thresh.	Occupancies		Lewis Structure				Low occ (L)	High OCC (NL)	Dev
		Lewis	Non-Lewis	CR	BD	3C	LP
1(1)	1.90	155.94787	6.05213	23	47	0	11	11	10	0.49
2(4	1.90	156.16378	5.83622	23	46	0	12	9	9	0.49
3(3)	1.90	156.16378	5.83622	23	46	0	12	9	9	0.49
4(1)	1.80	156.27026	5.72974	23	43	0	15	5	8	0.49
5(2)	1.80	156.27026	5.72974	23	43	0	15	5	8	0.49
6(1)	1.70	157.29093	4.70907	23	44	0	14	2	8	0.37
2(2)	1.70	157.29093	4.70907	23	44	0	14	2	8	0.37
8(1)	1.60	157.76826	4.23174	23	45	0	13	1	8	0.40
9(2)	1.60	157.84651	4.15349	23	45	0	13	1	8	0.33
10(3)	1.60	157.81866	4.18134	23	45	0	13	1	8	0.37
11(4)	1.60	157.76826	4.23174	23	45	0	13	1	8	0.40
12(5)	1.60	157.84651	4.15349	23	45	0	13	1	8	0.33
13(1)	1.50	157.84651	4.15349	23	45	0	13	1	8	0.33
14(2)	1.50	158.27868	3.72132	23	46	0	12	0	8	0.37
15(3)	1.50	158.21108	3.78892	23	46	0	12	0	8	0.40
16(4)	1.50	157.84651	4.15349	23	45	0	13	1	8	0.33
17(5)	1.50	158.27868	3.72132	23	46	0	12	0	8	0.37
18(6)	1.50	158.21108	3.78892	23	46	0	12	0	8	0.40
19(7)	1.50	157.84651	4.15349	23	45	0	13	1	8	0.33
20(8)	1.50	158.27868	3.72132	23	46	0	12	0	8	0.37
21(9)	1.50	158.21108	3.78892	23	46	0	12	0	8	0.40
22(1)	1.50	158.27868	3.72132	23	46	0	12	0	8	0.37

Рис. 2. Результаты анализа естественных связывающих орбиталей (NBO) афлатоксина В1 в соответствии с циклами оптимизации ские) составляет 3,235e (2,00 %). Данная мера относится к делокализации (резонанс, гиперконъюгация, донорно-акцепторные взаимодействия). Rydberg non-Lewis (Ридберговские не-Льюисовские) составляет 0,487e (0,30 %), что наиболее часто связано с вакантными антисвязывающими орбиталями высоких энергетических уровней.

Стандартное Льюисовское описание (23 остова (CR), 46 связей (BD), 12 неподеленных пар (LP) в последней строке) покрывает ~97,7% электронной плотности. Однако оставшиеся ~2,3 % не-Льюисовской плотности, а особенно аномально низкая заселенность core-орбиталей множества атомов углерода, являются ярким квантово-химическим свидетельством экстремального сопряжения и делокализации электронов, которая пронизывает всю молекулу, включая σ-каркас и внутренние оболочки. Это может вносить вклад в высокую реакционную способность и электрофильность афлатоксина B1, особенно его способность к электрофильным атакам на ДНК.

На заключительном этапе исследования проводился анализ NBO второго порядка для молекулы афлатоксина В1, который показывает донорно-акцепторные взаимодействия внутри молекулы, стабилизирующие её структуру.

Донорная орбиталь является заполненной электронной парой. Акцепторная орбиталь является вакантной или частично заполненной. Под E(2) (ккал/моль) понимается ключевая величина, демонстрирующая энергию стабилизации за счет донорно-акцепторного взаимодействия. Чем выше значение, тем сильнее взаимодействие и тем больше его вклад в стабильность молекулы. Порог вывода равен 0,5 ккал/моль. Меньшая разность энергий E(j)-E(i) между акцепторной и донорной орбиталями (в атомных единицах) облегчает взаимодействие. Интеграл матрицы Фока между орбиталями i и j, обозначает меру их перекрывания.

Афлатоксин B1 имеет сложную полициклическую структуру с фурановым кольцом, кумариновым фрагментом и лактоном. Взаимодействия с энергиями E(2) > 10,000 ккал/моль, что указывает на критически важные для структуры взаимодействия, часто связанные с σ → σ или n → σ перекрываниями в напряженных циклах или соседних связях.

Таким образом, C-H → RY\* / BD\* (σ(C-H) → вакантные орбитали): строка 40. BD (1) C 18–H 29 /226. RY*(1) C 23 E(2) = 66357,06 ккал/моль – абсолютный максимум. Связь C18–H29 является мощнейшим донором электронной плотности на вакантную RY* орбиталь атома C23. Это говорит о сильном внутримолекулярном перераспределении заряда, возможно, стабилизирующем лактонный или фурановый фрагмент. Строка 40. BD (1) C18–H29 /258. BD*(1) C7–H24 E (2) = 27749,47 ккал/моль – сильнейшее σ(C-H) → σ*(C-H) взаимодействие. Строка 46. BD (1) C23–H35 /107. RY*(4) O 4 E(2)=18388,76 ккал/моль и другие взаимодействия с участием C23–H35. Атом C23, вероятно, находится в ключевом положении в лактонном кольце.

C-C → RY\* (σ(C-C) → вакантные орбитали): cтрока 29. BD (1) C14–C18 /202. RY*(8) C 18 E(2) = 13217,04 ккал/моль – связь C14–C18 (вероятно, в фурановом кольце) сильно донирует на свой же атом C18. Это признак многоцентровой связи или сильной поляризации.

Основные каркасные взаимодействия молекулы афлатоксина B1 (E(2) ~ 1000–5000 ккал/моль). Взаимодействия с участием карбонильных групп (C=O): наблюдаются в строке 7. BD (1) O4–C17 /122. RY*(1) C7 E(2) = 4033,96 ккал/моль. Один из атомов кислорода карбонильной группы (O4) донирует с своей σ(O-C) связи на соседний атом углерода (C7). Это типичное σ(O-C) → вакантная орбиталь взаимодействие, стабилизирующее карбонил. Многочисленные взаимодействия вида BD (1) O-C с RY* и BD* других атомов (например, O1–C9, O3–C10, O4–C23 с энергиями 200-1500 ккал/моль) показывают, как кислородные «мостики» перераспределяют плотность по всей молекуле.

Взаимодействия в ароматических/нена-сыщенных системах наблюдаются в строке 8. BD (1) O4–C23 /250. BD*(1) O4–C23 E(2) = 1378.42 ккал/моль. Здесь σ-связь O4– C23 взаимодействует с антисвязывающей орбиталью той же самой связи (BD* O4–C23). Это прямое указание на полярность и ослаб-ленность этой связи, что может иметь ключевое значение для реакционной способности (например, при раскрытии лактонного кольца). Взаимодействия между связями C-C аро-матических/ненасыщенных колец (например, C13–C14 с C13–C16, C14–C18 с C13–C16 с энергиями ~2000-3000 ккал/моль) демонстри- руют делокализацию электронной плотности по скелету молекулы.

Умеренные и слабые взаимодействия (E(2) < 1000 ккал/моль) важны для тонкой настройки геометрии и зарядового распределения. Взаимодействия типа π(C=C) → π\*(C=C) или **π(C=C) → RY\*** (например, строки 12, 13, 14) с энергиями 100-500 ккал/моль. Это классическая гиперконъюгация в ненасыщенных системах.

Ключевые реакционные центры: лактонный мотив (O4–C23): связь O4–C23 является одновременно и сильным донором, и сильным акцептором (взаимодействие 8/250). Это делает её потенциально слабым звеном, подверженным нуклеофильной атаке. Фурановое кольцо (C14, C18, C19, C20, C21), где атомы этого кольца (особенно C18, H29) участвуют в сильнейших донорных взаимодействиях. Двойная связь в фурановом кольце также вовлечена в стабилизирующую гиперконъюгацию. Карбонильные группы активно стягивают электронную плотность на себя, поляризуя связи C=O и делая карбонильный углерод электрофильным. Основной вклад в стабилизацию молекулы вносят не классические π-сопряжения, а многочисленные сильные σ → σ и σ → RY взаимодействия [2, 4, 5].

Выводы по результатам работы

Проведённое квантово-химическое моделирование методом DFT при анализе электронной структуры молекулы афлатоксина В1 с помощью метода естественных связывающих орбиталей (NBO) позволило выявить сильнейшие донорно-акцепторные взаимодействия, дестабилизирующие отдельные связи (O4–C23) и создающие реакционноспособные электрофильные центры, что является фундаментальной основой его механизма токсического действия. Наличие десятков взаимодействий с энергией в тысячи ккал/моль указывает на высокую степень внутримолекулярной делокализации заряда и напряженность в циклах. Это коррелирует с высокой реакционной способностью и токсичностью афлатоксина B1.