Определение конформационного состава полиэтиленгликолей методом комбинационного рассеяния света и квантово-химических расчетов

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice

УДК 543.424.2                                     

Полиэтиленгликоли (ПЭГ) представляют собой биосовместимые, биоразлагаемые и водорастворимые вещества, активно применяемые во многих областях человеческой деятельности, включая химическую, пищевую, фармацевтическую и косметическую [1-3].

Молекулярная масса ПЭГ варьируется в широком диапазоне: от сотен Дальтон для низкомолекулярных веществ до десятков миллионов Дальтон для полимеров. Этот параметр оказывает существенное влияние на физико-химические свойства ПЭГ, такие как агрегатное

(ос) CD состояние, конформационный состав и способ упаковки молекул, степень кристалличности, токсичность, растворимость в воде, способность проникать в кожу, и некоторые другие. Зависимость этих свойств от молекулярной массы наиболее ярко выражена для олигомеров. Так для ПЭГ с низкой молекулярной массой (примерно до 700-1000 Да) характерно жидкое состояние; высокомолекулярные ПЭГ существуют в твёрдой фазе. Также на агрегатное состояние влияет чистота образца и внешние условия, такие как температура. В твёрдых образцах структура также зависит от условий изготовления.

Для твёрдых образцов ПЭГ характерны две стереорегулярные конформации молекул в твердых образцах ПЭГ — конформация спирали и транс-конформация [4, 5]..

На протяжении долгого времени ведётся работа по решению задачи оценки конформационного состава некристаллических ПЭГов. Основная сложность состоит в большом числе возможных конформационных состояний молекул в аморфном состоянии [3, 6]. И, хотя ПЭГ давно известны и широко распространены, связь их молекулярной массы, структуры, физико-химических свойств и спектров до сих пор слабо изучена. Кроме того, разработка методов определения конформационного состава чистых ПЭГов и ПЭГов, включённых в состав других веществ, может быть полезна во многих областях, например, в сфере разработки противоопухолевых препаратов [7].

Химический, конформационный и фазовый состав может быть определён путём регистрации и анализа колебательных спектров. Для определения конформационного порядка молекул ПЭГ рядом авторов применялись методы КР и ИК спектроскопии [6, 8-10].

Также возможны комбинации спектроскопичеких измерений и расчётных методов: совокупность КР спектроскопии и теории функционала плотности (ТФП) применялась в работе “Raman and QCM Studies of PPG and PEG Adsorption on Cu Electrode Surfaces” для оценки конформационного состава ПЭГ в чистом виде, в растворе и в слое на поверхности металла [3]. Интенсивность и волновое число некоторых линий КР ПЭГ демонстрируют чувствительность к изменению молекулярной массы и агрегатного состояния [9].

Температурные условия влияют на соотношение конформаций, и, соответственно, спектры КР. Экспериментальные измерения, а также расчёт методом ТФП для молекулы CH3-O-(CH2-CH2-O)6-CH3 предлагаются в работе A. Z. Samuel, S. Umapathy [11].

При этом используется функционал B3LYP, и расчёт производился для спиральной конфигурации 7/2. Моделирование молекулярных систем методом ТФП позволяет получить значение колебательных частот, что позволяет успешно сочетать расчёт данными, полученными из эксперимента.

Исследования пэгилированных препаратов путём комбинирования метода ИК-Фурье-спектроскопии и ТФП-расчётов позволяют определить биодоступность противораковых лекарств [7]. В зависимости от задачи, выбор функционала и базиса может разниться. Одним из популярных и точных функционалов является B3LYP. Так, в “A comparative DFT study on the differences between normal modes of polyethylene and polyethylene glycol via B3LYP Hamiltonian and the Hartree-Fock method in multiple bases” расчёт производится с применением функционала B3LYP и теории Хартри-Фока [10].

На данный момент методика исследования конформационного состава ПЭГ, сочетающая КР-спектроскопию и ТФП-расчёты, практически не реализована. Это является мотивацией для выработки системного подхода к исследованию линий КР-спектров ПЭГ в широком диапазоне частот. Целью данной работы является выявление преобладающих конформаций в ПЭГ с молекулярной массой 400 Да.

Материал и методы исследования

Задача выявления зависимостей между конформационным составом и спектрами КР ПЭГ решалась путём проведения эксперимента и квантово-химических расчётов.

Исследовались коммерческие образцы ПЭГ компаний BASF со средней молекулярной массой 400 Да (ПЭГ400). Низкомолекулярный образец ПЭГ400 находится в жидком состоянии при нормальных условиях.

Спектры КР регистрировались при помощи установки, состоящей из лазера Sapphire SF 532 (Coherent Inc., США), двойного монохроматора U1000 (Jobin Yvon, Франция) и фотоумножителя, работающего в режиме счета фотонов. Спектры были записаны при 90°-рассеянии со спектральным разрешением 5 см-1. Мощность лазера на поверхности образца составляла около 30 мВт.

Расчёты выполнялись при помощи некоммерческого ПО «Природа», разработанного на химическом факультете МГУ им. М.В. Ломоносова кандидатом физико-математических наук Д. Н. Лайковым [12].

Результаты и обсуждение

В ходе исследования были измерены спектры КР ПЭГ400 в двух диапазонах. Диапазоны 200-1600 и 2600-3200 см-1 выбраны как содержащие наиболее заметные линии и потому наиболее информативные. На Рисунке 1 представлен экспериментальный спектр КР ПЭГ400.

Рисунок 1. Экспериментальный спектр ПЭГ400 в диапазоне 200-1800 см-1

Квантово-химические расчёты требуют больших вычислительных затрат, из-за чего высокомолекулярные соединения достаточно сложно моделировать. В данной работе проведен расчёт структуры (HO-(CH2-CH2-O)9-H), далее для удобства обозначаемой ПЭГ-9, то есть структура содержит 9 мономерных звеньев этиленгликоля. Подобная структура обладает молекулярной массой MПЭГ-9 = 414 Да, что примерно соответствует молекулярной массе ПЭГ400, где MПЭГ400 = 400 Да. Такое соответствие позволяет сравнивать рассчитанные спектры ПЭГ-9 и экспериментальные спектры ПЭГ400.

Для этой молекулы было рассмотрено две основные конформации. Конформация спирали 7/2 соответствует 2 полным оборотам на 7 мономерных звеньев цепи и характерная для твёрдых образцов ПЭГ [4]. Транс -конформация преобладает в твёрдых ПЭГ, находящимся под нагрузкой. Это является общей чертой ряда соединений, находящихся в спиральной конформации 7/2, и переходящих к планарной зигзагообразной при растяжении [5]. На Рисунке 3 представлена визуализация расчётов и оптимизации цепочки ПЭГ-9.

Рисунок 3. Рассчитанные оптимизированные структуры ПЭГ-9 с 9 мономерами ЭГ в цепочке: a – наиболее выгодная конформация g'G(TTG) 8 g' , б – конформация tT 25 t . Красными цветом обозначены атомы кислорода, серыми – атомы углерода, белыми – атомы водорода

В Таблице приведены рассчитанные значения для разницы энергий относительно наиболее энергетически выгодной конформации ( g'G(TTG) 8 g' ) и относительное содержание каждой из них, оцененное по распределению Больцмана для температуры 298 К. Относительное содержание было определено при условии, что наименее стабильной конформации tT 25 t соответствует значение 10000 для более наглядной демонстрации относительного содержания. Для конформации спирали 7/2 были рассмотрены различные варианты положения концевых атомов водорода, то есть различные комбинации транс - и гош -конформеров на концах молекулы. Конформация tG'(TTG') 4 (TTG) 4 t состоит из двух спиралей с разными направлениями вращения.

Таблица

ОТНОСИТЕЛЬНЫЕ ЭНЕРГИИ И СОДЕРЖАНИЕ

8 КОНФОРМАЦИЙ МОЛЕКУЛ ПЭГ С 9 МОНОМЕРНЫМИ ЗВЕНЬЯМИ

Конформация	ΔE, кДж/моль	Относительное содержание
g'G(TTG) 8 g'	0,00	10000
tG(TTG) 8 g'	9,10	255
gG(TTG) 8 g'	9,51	216
tG(TTG) 8 t	18,20	6
tG(TTG) 8 g	18,63	5
gG(TTG) 8 g	19,04	5
tG'(TTG') 4 (TTG) 4 t	19,50	4
tT25t	27,10	3,20019E-10

Сопоставление расчётных спектров для той или иной конформации с измеренным позволяет оценить вклад этих конформаций. На Рисунке 4 представлено сравнение спектров жидкого образца ПЭГ400 и двух конформаций ПЭГ-9: g'G(TTG) 8 g' и tT 25 t .

По сходству спектров можно заметить, что гош -конформация вносит существенно больший вклад, нежели транс -конформация. Из этого можно заключить, что в ПЭГ400 преобладает именно эта конфигурация молекул.

Рисунок 4. Сравнение спектра КР жидкого образца ПЭГ400 и расчётных спектров для наиболее энергетически выгодной гош -конформации и транс -конформации, соответственно, g'G(TTG) 8 g' и tT 25 t

Заключение

Был исследован конформационный состав полиэтиленгликоля с молекулярной массой 400 Да. Был проведён квантово-химические расчёты колебательных спектров для различных конформаций олигомера ПЭГ с 9 мономерными звеньями, который соответствует по массе экспериментальному образцу.

Было проведено сравнение этих данных с экспериментальными спектрами ПЭГ400, а именно наиболее энергетически выгодная гош -конформация и транс -конформация, присущая механически растянутым образцам ПЭГ.