Неэмпирическое квантово-химическое исследование различных структурных форм алкалоида берберина

Abstract

Представлены результаты неэмпирического квантово-химического исследования энергетических и структурных свойств всех возможных форм алкалоида берберина (катиона и трех таутомеров), обладающих большим разнообразием биологической и фармакологической активности. Катион берберина изучен методом DFT с обменно-корреляционными (комбинированными) (PW91, BLYP PBEPW91) и гибридными (B3LYP, B3PW91) функционалами, а также более современным методом MP2, учитывающим коррекцию электронов. Молекулярные орбитали представлены атомными базисными системами 6-31G(d, p) и 6-311G(d, p). Аммониевая, карбинольная (псевдооснование) и аминоальдегидная формы рассчитаны методом DFT на уровне теории B3LYP/6-31G(d, p). Обнаружено, что полная оптимизация геометрии независимо от уровня используемой теории приводит к неплоской пропеллер-закрученной и изогнутой пространственной структуре всех форм берберина. Вычисленные значения длин и углов связей находятся в хорошем согласии с экспериментальными рентгеноструктурными данными. Выяснено, что в газовой фазе карбинольная форма является наиболее предпочтительным таутомером, тогда как аминоальдегидная – менее стабильна (на 12,65 ккал/моль). Самым нестабильным таутомером оказалась аммониевая форма – она на 10,65 ккал/моль менее выгодна, чем аминоальдегидный таутомер.

Представлено результати неемпiричного квантово-хiмiчного дослiдження енергетичних i структурних властивостей усiх можливих форм алкалоїду берберину (катiона i трьох таутомерiв) з великим рiзноманiттям біологічної i фармакологiчно ї активностi. Катiон берберину вивчено методом DFT з обмiнно-кореляцiйними (комбiнованими) (PW91, BLYP PBEPW91) та гiбридними (B3LYP, B3PW91) функцiоналами, а також бiльш сучасним методом MP2, який врахову є корекцiю електронiв. Молекулярнi орбiталi представлено атомними базисними системами 6-31G(d, p) i 6-311G(d, p). Амонi єва, карбiнольна (псевдооснова) i амiноальдегiдна форми розраховано методом DFT на рiвнi теорi ї B3LYP/6-31G(d, p). Виявлено, що повна оптимiзацiя геометрi ї на рiзних рiвнях теорi ї призводить до неплоско ї пропелер-закручено ї i вигнуто ї просторово ї структури берберинових форм. Обчисленi величини довжин зв'язкiв i кутiв мiж ними узгоджуються з експериментальними рентгеноструктурними даними. З'ясовано, що карбiнольна форма є найвигiднiшим таутомером у газовiй фазi, а амiноальдегiдна — менш стабiльна (на 12,65 ккал/моль). Найнестабiльнiшим таутомером виявилася амонi єва форма, яка на 10,65 ккал/мiль менш вигiдна, нiж амiноальдегiдний таутомер.

The results of the extensive theoretical study on the energy and structural properties of all possible alkaloid berberine forms (berberine cation and three tautomeric forms of berberine), displaying a great variety of biological and pharmacological activities, are presented. The DFT method with exchange-correlation (combined) functionals (PW91, BLYP, PBEPW91) and hybrid functionals (B3LYP, B3PW91) as well as MP2 method were used for the berberine cation. Molecular orbitals were represented by the atomic basis sets 6-31G(d, p) and 6-311G(d, p). The ammonium, carbinol (pseudobase) and amino-aldehyde forms were calculated by the DFT method with B3LYP/6-31G(d, p) functional. Full geometry optimization regardless of the theory level was shown to result in the intrinsically non-planar propeller-twisted and buckled spatial structure of all berberine forms. The calculated lengths and angles of bonds were shown to have good correlation with the experimental data obtained by X-ray analysis. From the comparison of relative stabilities of the tautomeric forms, it was elucidated that carbinol form is the most preferable tautomer in gas phase, while amino-aldehyde form is less stable (by 12.65 kcal/mol). The least stable tautomer was the ammonium one, being 10.65 kcal/mol less stable than amino aldehyde tautomer.