Методы спектроскопии диссоциативного захвата электронов и теории функционала плотности для моделирования биологической активности производных хиноксалина

DOI:

Метод масс-спектрометрии отрицательных ионов резонансного захвата медленных электронов (МСОИ РЗЭ) ранее использовался для интерпретации механизмов биохимических превращений, происходящих в живых клетках [16]. Ключевой идеей предлагаемого подхода является предположение о подобии фрагментов, образующихся при диссоциации отрицательных молекулярных ионов (ОМИ) и метаболитов биологически активных органических соединений, распад которых происходит вблизи электрон-транспортных цепей в живой клетке [15]. В данной работе такой подход применен в отношении 2-метилхиноксалина, производные которого обладают про-тивомикробными, противогрибковыми и бактерицидными свойствами, а также входят в число нескольких медицинских препаратов. Некоторые производные, такие как 2,3-диметилхиноксалин, широко используются в пищевой промышленности в качестве консервирующих пищевых добавок.

Установлено, что 2,3-диметилхиноксалин вызывает стимуляцию активности микросомальной монооксигеназы и повышение уровня цитохрома Р-450 у крыс [7], что в целом может говорить о проявлении у них химически индуцированного диабета [18]. Опираясь на эти данные, мы попытались промоделировать в эксперименте МСОИ РЗЭ возникновение метаболитов первого порядка исходных соединений и выявить среди них те, которые обладают токсичными свойствами. В связи с тем, что масс-спектральные данные позволяют получить информацию лишь о молекулярном составе фрагментов, а не о их строении, необходимо проводить систематический анализ порогов образования фрагментарных отрицательных ионов для различных конфигураций. Для этого используются различные методы квантовой химии, что позволяет обоснованно говорить о строении фрагментарных ионов.

Сродство к электрону ЕАа (Adiabatic Electron Affinity) — важнейшая фундаментальная характеристика атомов и молекул, представляющая собой энергию связи электрона с молекулой (атомом). Строго говоря, ЕАа - это минимальная энергия, требуемая для удаления электрона из ОМИ, если последний и нейтральная молекула находятся в основных электронном, колебательном и вращательном состояниях, а кинетическая энергия высвобождаемого электрона равна нулю. Также величина адиабатического сродства определяет набор возможных каналов диссоциации ОМИ и стабильность относительно выброса избыточного электрона (среднее время автоотщепления τ a ) [3; 11]. Ранее нами была разработана методика количественной оценки величины ЕАа на основе данным о средних временах жизни ОМИ [4–6] из экспериментальных данных. Для теоретической оценки же сродства к электрону по результатам квантово-химических расчетов можно использовать классическое определение понятия сродства к электрону как разности полных энергий нейтральной молекулы и анион-радикала. Более подробно этот метод описан в работе [2].

Целью данной работы является исследование методом масс-спектрометрии отрицательных ионов резонансного захвата электронов молекул 2-метилхиноксалина и 2,3-диметилхиноксалина, определение электронных свойств данных соединений для дальнейшего поиска корреляций с биологической активностью, и проведение теоретической оценки таких параметров как энергия сродства к электрону и среднего времени жизни для их молекулярных ионов. Таким образом, задачи данной работы можно сформулировать следующим образом:

• 1)    Экспериментально определить среднее время жизни относительно выброса избыточного электрона ОМИ исследуемых веществ. Оценить величину ЕАа в рамках приближения Аррениуса.

• 2)    С помощью стандартного метода теории функционала плотности (ТФП) B3LYP/6-31G(d) вычислить энергии вакантных МО нейтральной молекулы и применить масштабирующий коэффициент для определения энергий вертикального захвата электрона по механизму резонанса формы.

• 3)    Количественно оценить величины ЕА для молекул с использованием разности полных энергий нейтральной молекулы и анион-радикала, полученных методом B3LYP/6-31+G(d), т.е. в базисе с минимальными добавлением диффузных функций. Определить наиболее вероятные структуры осколочных ионов.

• 4)    Сравнить величины сродства, полученные методом ТФП, и определенные на основе экспериментально измеренных средних времен жизни ОМИ относительно выброса электрона в рамках приближения Аррениуса.

1.    Методика эксперимента и расчетов

Измерения проводились на статическом масс-спектрометре МИ-1201, переоборудованном для регистрации ОИ в режиме резонансного захвата электронов (РЗЭ). Схе- ма экспериментальной установки и ее подробное описание приведены в работе [1]. Вкратце, сфокусированный пучок квазимонохроматических электронов пропускался через ячейку столкновений, заполненную газом исследуемого вещества при давлениях, отвечающих парным столкновениям. Токи образующихся отрицательных ионов регистрировались масс-спектрометрически (секторное магнитное поле) в зависимости от энергии налетающих электронов в диапазоне энергий 0-15 eV. Полуширина распределения электронов по энергии составляла 0,4–0,5 eV на полувысоте, ток электронов ∼1µ, ускоряющее напряжение — 4 kV. Калибровку шкалы энергии электронов проводили по максимумам кривых эффективного выхода (КЭВ — зависимость тока ОИ от энергии налетающих электронов) ионов S F-, образованных захватом тепловых электронов молекулами SF6. Исследованные образцы были приобретены в компании Сигма-Алдрич, продукты с номерами 15531АЕ (2-метилхиноксалин, степень чистоты 97%) и 27096-242 (2,3-диметилхиноксалин, степень чистоты 97%). Вещества были использованы без дополнительной очистки и испарялись в ячейку столкновений при температурах 50 и 90∘С, соответственно. Молекулы исследуемых веществ достигали теплового равновесия путем многократных столкновений со стенками ячейки.

Интерпретация положений резонансных пиков проводилась с помощью расчетов методом ТФП с помощью пакета Gaussian 09 [9]. Энергии вакантных молекулярных орбиталей нейтральной молекулы определялись методом B3LYP/6-31G(d) и линейно масштабировались [17], для определения энергий вертикального захвата электрона [3]. Такой метод позволяет адекватно предсказывать положения резонансов формы [3; 11] в газовой фазе, а также максимумы плотности незаполненных электронных состояний при адсорбции на поверхностях [12–14]. Для оценок сродства молекул к электрону по разности полных энергий молекулы и аниона, а также оценки термодинамических порогов образования фрагментов при ДЗЭ, использовался базисный набор 6-31+G(d) с минимальным добавлением диффузных функций.

Для измерения среднего времени жизни ОМИ относительно выброса электрона, масс-спектрометр настраивают и фиксируют ток анализирующего магнита для регистрации анионов M- исследуемого вещества (M — нейтральная молекула). На первом этапе эксперимента записывают кривую эффективного выхода M- как функцию энергии электронов ε. Затем на систему отклонения перед входом в умножитель подают отклоняющий потенциал для отклонения заряженной компоненты пучка исследуемых частиц и записывают сигнал нейтральных частиц, образовавшихся путем автоотщепле- ния электронов от ОМИ за время их дрейфа во второй бесполевой области, то есть после масс-анализирующего магнита, но до системы регистрации. Для ионов SF6 (m/z = 146)

это время оценивается величиной 5,5 ps. В предположении экспоненциального зако- на распад ОМИ путем автоотщепления, среднее время жизни определяется выражени- ем [3]:

Т а =

^t 0

In (1 - ^

где t ₀ — время дрейфа ионов во второй бесполевой области; I _n — число нейтральных частиц (второй этап эксперимента); I — число ионов и нейтральных частиц (первый этап измерений). Такой метод измерения т _а был предложен Эдельсоном [8] и адаптирован Хвостенко для приборов со статическими масс-анализаторами [3]. Поскольку типичное время дрейфа ионов во второй бесполевой области составляет единицы-десятки микросекунд, верхним пределом измерений можно считать величину т _а ~ 1000 p s .

В приближении Аррениуса, ион способен достигнуть исходной (молекулярной) гео- метрии за время

т _а = Т о exp

[

NEA _a

ЕА а + NkT + _£

]

где τ 0 — характерное время движения иона по координате реакции, параметр теории, величина которого варьируется в зависимости от класса соединения. Было показано, что решение обратной задачи — оценки величины ЕАа по данным о средних временах жизни молекулярных ОИ — приводит к разумным результатам с точностью ±0,1 eV, что близко к экспериментальной погрешности [5; 6].

2.    Результаты и обсуждение

Токи масс-сепарированных ОИ, образованных при взаимодействии электронов с молекулами 2-метилхиноксалина (I) и 2,3-диметилхиноксалина (II, структуры показаны на рисунках 1 и 2), приведены в зависимости от энергии электронов на рисунке 3 (в порядке убывания интенсивности). Энергии максимумов, относительные интенсивности образования анионов, а также наиболее вероятные структуры отрицательно заряженных фрагментов указаны в таблице 1. Результаты расчетов методом B3LYP/6-31+G(d) термодинамических порогов появления для наиболее интенсивных распадов, ассоциируемых с отрывом одного атома водорода (для различных положений в молекуле), так же представлены в таблице 1.

Рис. 1. Структура молекул 2-метилхиноксалина I (а). Вероятные структуры наблюдаемых фрагментов, образующихся при ДЗЭ, обозначены как I(b-i)

Рис. 2. Структура молекул 2,3-диметилхиноксалина II(a) Вероятные структуры наблюдаемых фрагментов, образующихся при ДЗЭ, обозначены как II(b-k)

В спектре ДЗЭ 2-метилхиноксалина наблюдаются долгоживущие ( т _о = 40ц а ) ОМИ с максимумом при энергии 0,015 eV (см. рис. 4). В спектре 2,3-диметилхиноксалина долгоживущие ( т _о = 21 ц б ) ОМИ имеют максимум при энергии 0,03 eV. В таблице 2 показаны рассчитанные по формуле (2) для обоих веществ значения ЕАа , при различных параметрах т ₀ . Рассчитанная методом B3LYP/6-31G+(d) величина ЕАа для молекул MQ и DMQ составляет 0,68 и 0,56 eV соответственно, что достаточно близко к значению, оцененному по экспериментальным данным при параметре т ₀ = 1000ц з . В целом же корреляция адиабатического сродства к электрону и параметра τ 0 свидетельствует о том, что квантово-химические расчеты могут достаточно сильно завышать величину ЕАа .

Relative Intensity                                           Relative intensity

Рис. 3. Спектр ДЗЭ для 2-метилхиноксалина (I) и 2,3-диметилхиноксалина(II)

Таблица 1

m/z	Anion structure	Relative intensity, %	Peak energy, eV	Structure	Total energy, eV
2-Methylquinoxaline (MQ)
144	I-	100	0	a	-0,68
143	[I-H]-	5	8	b-с	-3,28
				d	-3,12
				e-f	-3,22
				g-i	-1,93
2,3-Dimethylquinoxaline (DMQ)
158	II-	100	0	a	-0,56
157	[II-H]-	10	8	b-c	-3,33
				d-i	-1,96
				j-k	-3,28

Таблица 2

τ 0	100	500	1000
MQ EAa exp	0,93	0,81	0,77
DMQ EAa exp	0,88	0,78	0,73

Сопоставление энергий максимумов осколочных ионов [M – H]– позволяет сделать вывод о том, что молекулы 2-метилхиноксалина и 2,3-диметилхиноксалина захватывают электроны, вероятнее всего, в нескольких резонансах в широкой области при энергиях 6-10 eV. Согласно расчетам молекулы исследованных соединений имеют по пять вакантных МО π -типа, которые находятся в диапазоне энергий до 5,5 eV. Схематическое представление этих МО, а также их расчетные энергии с учетом масштабирования представлены на рисунке 5. НВМО π ₁ * в обеих молекулах находятся в связанной области энергий и отвечают образованию стабильных состояний ОМИ. Орбитали π ₂ *– π ₅ * практически не дают вклада в спектры ДЗЭ, вероятно, из-за малого времени жизни соответствующих резонансов формы, тогда как резонансы с захватом e ^- , наблюдаемые около 6–10 eV, являются электронно-возбужденными.

Согласно расчетам образование анионов [M – H]– в 2-метилхиноксалине возможно уже при энергии электронов 1,93 eV, при условии, что Н отрывается от метильной группы. Из-за большей прочности C–H связей отрывы атома H от ароматического кольца требуют энергии более 3,12 eV. Это говорит о том, что наблюдаемые на КЭВ максимумы можно связать, практически со всеми вариантами отрыва водорода от молекулы. В 2,3-диметилхиноксалине наиболее выгоден отрыв атома Н от метильной группы, который происходит в молекуле при 6,82 eV. Так же эту энергию можно связать с началом широкого пика на КЭВ при 7–10 eV, которым так же можно объяснить отрывы водорода при энергии 8,15 и 8,20 eV от ароматического кольца.

Рис. 4. Кривые эффективного выхода для 2-метилхиноксалина (MQ) и 2,3-диметилхиноксалина (DMQ), сигнал нейтральной компоненты и зависимость среднего времени жизни от энергии электронов

Рис. 5. Схематическое изображение и энергии первых пяти вакантных МО π-типа для 2-метилхиноксалина и 2,3-диметилхиноксалина по данным расчета методом B3LYP/6-31G(d) и масштабирования

Заключение

В работе исследован резонансный захват медленных (0–15 eV) электронов молекулами 2-метилхиноксалина и 2,3-диметилхиноксалина в газовой фазе. Образованные фрагментные отрицательные ионы были проанализированы масс-спектрометри- чески. В представленных спектрах не обнаружены фрагменты, которые могут представлять собой активные радикалы. В рамках модели «свободных радикалов» Грегори [10], это может свидетельствовать об отсутствии токсических эффектов данных соединений в организме. С другой стороны, можно констатировать тот факт, что процесс метаболизма веществ в организме, является достаточно сложным и многоступенчатым, поэтому нельзя в полной мере связывать его в основном только с процессами захвата медленных электронов. Механизмы захвата электронов в области низких энергий интерпретированы с помощью ТФП-расчетов. Сравнение величины ЕАа , вычисленной в приближении Аррениуса по данным о т _а и рассчитанной методом B3LYP/6-31G+(d), показывает, что расчет несколько завышает величину ЕАа .