Исследование невалентных взаимодействий между летучими анестетиками (энфлюран, изофлюран) и диметиловым эфиром. Спектроскопическая демонстрация образования тримеров

Resumo

Методом криоспектроскопии исследованы ИК-спектры растворов смесей летучих анестетиков (энфлюран, изофлюран) и диметилового эфира в интервале температур 120–160 К. Обнаружено образование комплексов – димеров, а при высоких концентрациях – тримеров. Результаты квантово-химических расчетов находятся в качественном соответствии с данными измерений.

Texto integral

Исследование невалентных взаимодействий между летучими анестетиками (энфлюран, изофлюран) и диметиловым эфиром. Спектроскопическая демонстрация образования тримеров¹

ВВЕДЕНИЕ

Многие летучие углеводороды и эфиры обнаруживают сильные анальгезирующий и анестетический эффекты. Некоторые из них находят применение в современной инвазийной хирургии. В частости, это изомеры энфлюран (CHFCl–CF₂–O–CHF₂) и изофлюран (CF₃–CHCl–O–CHF₂). Характерной особенностью данных галогенсодержащих эфиров является наличие двух СН-групп, которые в определенных условиях могут выступать в роли слабых СН-доноров при взаимодействиях с молекулами-мишенями (таргетами) обладающими свойствами акцепторов [1–5]. Одним из простейших акцепторов, моделирующих обратимый характер анестетического эффекта, является диметиловый эфир (ДМЭ). Его характерной особенностью является наличие атома кислорода с неподеленной электронной парой. В данной работе основное внимание уделено исследованию невалентных взаимодействий между этими изомерами и ДМЭ. Для обнаружения слабых комплексов применен метод криоспектроскопии. Измерения проведены в криорастворах в сжиженном криптоне (Kr), при температурах T ~ 120–160 K, в диапазоне ~ 800–4000 см^–1 с использованием фурье-ИК-спектрометра Nicolet-6700 с разрешением 0.5 см^–1. Основная информация получена по полосам СН валентных колебаний изомеров (~3100–2800 см^–1) и области CD-валентных колебаний ДМЭ (~2200–1800 см^–1), где образование комплексов приводило к заметным изменениям спектроскопических параметров полос донора и акцептора.

В дополнение к спектроскопическим измерениям проведен ряд квантово-химических расчетов по поиску стабильных конформеров и комплексов. Результаты получены во втором порядке теории возмущений MP2 с использованием базисных наборов Попла, включающих поляризационные и диффузные функции. Конечный уровень расчетов (MP2/6-311++G(df, pd) определялся наличием компьютерных ресурсов.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Для рассматриваемых изомеров характерно разнообразие возможных структур-конформеров. Конформационный анализ как для энфлюрана, так и для изофлюрана был проведен ранее [4, 5]. Из него следует, что при температурах данного эксперимента ИК-спектр исследуемых анестетиков в основном определяется наиболее устойчивыми конформерами энфлюран-a (enflurane) и изофлюран-a (isoflurane), представленными на рис. 1a, б. Для этих конформеров характерно наличие двух, противоположно ориентированных групп СН, потенциально являющихся слабыми донорами протона при образовании водородной связи (ВС).

Рис. 1. Структуры изомеров: a – энфлюран, б – изофлюран

Регистрация ИК-спектров проводилась на фурье-ИК-спектрометре Nicolet-6700 с разрешением 0.5 см^–1. Для исследования криорастворов использовался самодельный оптический криостат, охлаждаемый дозированием жидкого азота. Температура измерялась как по давлению паров над жидким криптоном, так и с помощью термопары, вмонтированной в тело кюветы. Оптическая длина низкотемпературной жидкостной кюветы составляла 1 см. Эффект перекрывания полос СН валентных колебаний анестетика и мишени устранялся за счет использования полностью дейтерированной формы ДМЭ (CD₃)₂O). Концентрации анестетиков и ДМЭ в сжиженном Kr варьировались в широких пределах (~10^–5–10^–3 мол. доли). Обнаружение признаков образования комплексов (димеры, тримеры) проводилось в процессе температурных измерений (T ~120–160 K) в смесях, с варьируемым содержанием ДМЭ.

Расчеты равновесной геометрии, энергии взаимодействия, гармонических частот и термодинамических параметров проведены с помощью пакета GAUSSIAN16 Rev. A.03 [6]. Результаты получены с использованием доступных компьютерных ресурсов, в приближении второго порядка теории возмущений Møller–Plesset (МР2) [7] с базисным набором Попла, включающим поляризационные и диффузные функции: 6-311++G(df, pd). Результаты скорректированы на неполноту базиса (BSSE) по имплементированной в пакет общепринятой методике [8, 9]. Найденные структуры комплексов имели все положительные (вещественные) волновые числа.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Результаты для изофлюрана с ДМЭ были получены ранее [10]. При десятикратном избытке ДМЭ в спектре обнаружено появление новых, интенсивных полос, которые отнесены к комплексам-тримерам, с двумя донорными группами СН изофлюрана взаимодействующими с парой акцепторов – ДМЭ. Экспериментальные наблюдения подтверждены расчетами.

В случае другого изомера, а именно энфлюрана, изменения в спектре в смеси с ДМЭ представлены на рис. 2. Выделение полос комплексов проведено по стандартной методике путем вычитания из спектра смеси полос мономеров (энфлюрана и ДМЭ) с оптимальным подбором их интенсивностей. При образовании димеров наиболее заметные изменения ожидаются на той полосе валентного колебания СН, атом водорода которого непосредственно участвует в образовании ВС с акцептором-кислородом ДМЭ. Естественно полагать, что для другой полосы СН с неактивным атомом Н спектроскопические изменения будут минимальными. При образовании двух типов димеров с участием атома Н либо группы F₂CH либо ClFCH, имеющих сопоставимую концентрацию, в принципе возможно наблюдение до четырех новых полос. Наконец, в условиях сильного избытка тримеров, в области полос валентных колебаний СН энфлюрана, должна регистрироваться лишь пара новых, интенсивных полос.

Рис. 2. ИК-спектры смесей энфлюрана и ДМЭ в сжиженном криптоне; a, б – энфлюран ~ 5 ×10^–5 мол.доли, ДМЭ ~ 5 ×10^–5 мол.доли; в, г – энфлюран ~ 5 ×10^–5 мол.доли, ДМЭ ~ 5 ×10^–4 мол.доли. Штриховая линия – смесь, пунктирные линии – мономеры (энфлюран, ДМЭ – короткий пунктир), сплошная толстая линия – комплекс

Из рис. 2 (a, б), отображающих результат для равных концентраций энфлюрана и ДМЭ, следует, что низкочастотная полоса, принадлежащая колебанию СН-группы FClCH демонстрирует значительное увеличение интенсивности и незначительный частотный сдвиг по отношению к полосе мономера. Две относительно слабые высокочастотные полосы можно отнести к колебаниям СН-группы FFCH отмеченных выше двух типов димеров, а именно с ВС FClCH…O и FFCH…O соответственно. Отсутствие четвертой полосы можно связать с малой интенсивностью полосы СН-группы FClCH, не участвующей в образовании ВС. При повышении температуры интенсивность полос комплекса уменьшается в пользу увеличения интенсивности полос мономера.

При значительном превышении концентрации ДМЭ над энфлюраном – рис. 2в, г – регистрируются только две интенсивные полосы, которые можно отнести к двум колебаниям СН-групп FClCH и FFCH, атомы Н которых участвуют в образовании тримеров. При повышении температуры, качественно картина приближается к случаю с небольшой концентрацией ДМЭ. Необходимо отметить, что наблюдаемые температурные изменения в спектре смесей носили обратимый характер. Полосы валентных колебаний CD диметилового эфира испытывали небольшой высокочастотный сдвиг, что типично для комплексов с ВС [10, 11]. Этот эффект практически не зависел от типа образуемого комплекса и детально не рассматривался.

Рисунок 3 отображает результат фитирования полос комплексов для разных концентраций ДМЭ при 120 К, позволяющий оценить как относительную интенсивность высокочастотной и низкочастотной компонент, так и частоту максимума этих полос. Результаты приведены на рис. 3.

Рис. 3. Результат фитирования полос комплекса. Указаны волновые числа максимумов, в скобках – площади полос; а – равные концентрации энфлюрана и ДМЭ, б – ДМЭ в 10 раз больше

На рис. 4 представлены оптимизированные структуры двух димеров D₁, D₂ и тримера, соответствующие реальным минимумам на поверхности потенциальной энергии (PES). В качестве обозначений димеров энфлюрана с ДМЭ предложены: D₁ для комплекса с ВС типа FClCH…ДМЭ и D₂ с ВС типа F₂CH…ДМЭ соответственно. В таблице 1 представлены некоторые параметры найденных комплексов. Из расчета (MP2/6-311++G(df, pd)) следует, что первый димер несколько прочнее второго (соответственно, –4.95 ккал/моль и –4.55 ккал/моль – с СР2-коррекцией). Тример почти в 2 раза прочнее (–9.41 ккал/моль). Максимальный рост интенсивности почти в 6 раз предсказывается для полосы ν₂ при образовании димера D₁ и тримера. В тоже время, интенсивность полосы ν₁ практически не меняется. Оба результата находятся в соответствии с экспериментальными наблюдениями.

Рис. 4. Предсказанные структуры димеров (D₁, D₂) и тримера

Таблица 1. Рассчитанные энергетические и спектроскопические параметры энфлюрана и его комплексов с ДМЭ (МР2/6-311++G(df, pd))

Соединение	–∆ЕеСР ккал/моль	r1(CH) Å	ν1 см–1	A1 км/моль	r2(CH) Å	ν2 см–1	A2 км/моль
Мономер	–	1.0904	3172.7	13.6	1.0905	3161.7	5.4
Димер D1	4.95	1.0904	3172.5	14.8	1.0905	3167.4	30.5
Димер D2	4.55	1.0907	3177.1	14.5	1.0904	3162.7	5.4
Тример	9.41	1.0906	3177.3	13.8	1.0905	3167.1	30.3

Обозначения: $∆{Е}_{е}^{СР}$ – энергия (абсолютное значение) образования комплекса, с коррекцией на неполноту базиса (BSSE); r₁(CH), ν₁ и A₁ – длина связи СН, волновое число и интенсивность полосы валентного колебания СН-группы F₂CH энфлюрана соответственно; r₂(CH), ν₂ и A₂ – то же для группы FClCH.

Изменения в положении полос воспроизводятся гораздо хуже. Так, если в случае полосы ν₁ можно принять, по крайней мере, качественное соответствие между расчетом и измерениями, то полоса ν₂ согласно расчету, должна сдвигаться в синюю сторону, в эксперименте сдвиг минимален и практически отсутствует. Такое несоответствие не удивительно и может быть объяснено отсутствием учета ангармонических эффектов в гармоническом приближении, а также влиянием растворителя (жидкий криптон), уменьшающим величину синего сдвига [12]. При сильном превышении концентрации ДМЭ в спектре наблюдаются только две интенсивные полосы, которые в основном определяются тримерами. Содержание димеров при этом невелико и практически не влияет на вид наблюдаемого спектра.

Из анализа интенсивностей можно предположить, что при отношении ~1:1 наблюдается образование двух типов димеров с преобладанием D₁, у которого ожидаемо сильно растет интенсивность низкочастотной полосы СН. Две высокочастотные компоненты принадлежат – одна димеру D₁, а другая димеру D₂. Как в эксперименте, так и в расчете они имеют сравнимые интенсивности. Отсутствие низкочастотной компоненты у димера D₂ можно объяснить его невысокой по расчету интенсивностью. Значительное повышение концентрации мишени ДМЭ (1:10) сопровождается сильным увеличением интенсивности полос комплекса, особенно заметной на низкочастотной полосе СН, и небольшим высокочастотным сдвигом. Показательно, что спектр упрощается, а именно регистрируется лишь одна полоса в высокочастотной области, а не две как при сравнимых концентрациях анестетика и мишени. По расчету такой результат соответствует спектру тримера. При повышении температуры, по мере разрушения тримеров, спектр становится похожим на случай 1:1.

Приведенную выше интерпретацию экспериментальных результатов можно подкрепить, проведя термодинамическую оценку относительных концентраций димеров и тримера. Расчетные значения стандартной свободной энергии Гиббса для димеров D₁, D₂ и тримера, взятые из выходных файлов программы GAUSSIAN, использовались для оценок константы равновесия [13, 14]:

$K_i=exp\left(\frac{-∆G_i^o}{RT}\right)$, (1)

где i обозначает D₁, D₂ и тример, R = 1.987 кал/(K моль) – универсальная газовая постоянная. Из программы GAUSSIAN получаются результаты для реакции в газовой фазе при стандартных условиях (standard pressure p^o = 1бар), тогда для константы равновесия $K_i^{liq}$ мономеров (a – энфлюран и b – ДМЭ) и комплексов, растворенных в инертном растворителе (криптон), можно получить [15]:

$K_i^{liq}=K_i\times \frac{V_m^{gas}\times T}{T^o\times V_m^{liq}\left(T\right)}$, (2)

где $V_m^{gas}$ = 22.4×10³ см³ – молярный объем идеального газа при стандартных условиях; T^o = 273.15 K; $V_m^{liq}$(T) – молярный объем жидкого криптона при температуре T [16]. Константу равновесия $K_i^{liq}$ можно выразить через мольные доли C_i составляющих участвующих в образовании димеров (D₁, D₂) и тримера (Т):

$K_{aD1}^{liq}=\frac{C_{aD1}}{C_a\times C_{DME}}$, (3)

$K_{aD2}^{liq}=\frac{C_{aD2}}{C_a\times C_{DME}}$, (4)

$K_{aT}^{liq}=\frac{C_{aT}}{C_a\times C_{DME}^2}$. (5)

Решая систему уравнений (3)–(5) c использованием оценки константы равновесия, можно получить концентрацию димеров, тримера и мономеров в мольных долях. На рис. 5 представлены температурные зависимости концентраций димеров, тримера и мономера энфлюрана в смеси при различных температурах. Видно, что при небольших и одинаковых концентрациях донора и акцептора даже при минимальной температуре 120 К содержание тримеров мало. Максимальную концентрацию имеет наиболее прочный димер D₁. Концентрация димера D₂, по-видимому, сильно недооценена. Рост температуры приводит к увеличению концентрации свободного энфлюрана (и эфира) и уменьшению концентрации всех комплексов. За исключением недооценки содержания димера D₂ расчет находится в соответствии с результатами измерений, по крайней мере, на качественном уровне. При значительном превышении содержания ДМЭ (правая часть рис. 5) концентрация тримеров существенно выше концентрации димеров и несвязанного энфлюрана при 120 К. Однако, как и в эксперименте, повышение температуры приводит к уменьшению содержания тримеров в пользу димеров и мономеров.

Рис. 5. Температурные зависимости концентраций димеров (D₁, D₂), тримера (T) и свободного энфлюрана; а – равные концентрации энфлюрана и ДМЭ в исходной смеси, б – десятикратное превышение концентрации ДМЭ

Недостатком проведенных выше оценок является использование электронной энергии компонент (свободной энергии Гиббса), полученной из результатов расчета для газовой фазы. Учет влияния растворителя, например, в рамках модели реактивного поля, может нивелировать разницу в величинах для димеров D₁ и D₂, тем самым, уменьшая разрыв в содержании этих комплексов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ИК-криоспектрах энфлюрана, как и его изомера изофлюрана, в смесях с диметиловым эфиром (ДМЭ) обнаружены признаки образования димеров, а при большом избытке ДМЭ и минимальной температуре (120К) раствора в криптоне – тримеров. Расчеты выполненные на уровне MP2/6-311++G(df, pd) согласуются с экспериментальными результатами, по крайней мере, на качественном уровне. Предсказано образование тримеров с участием изомера (изофлюран, энфлюран) и двумя молекулами ДМЭ. При этом обе связи СН анестетика выступают в качестве донора ВС.

Работа выполнена при поддержке гранта СПбГУ ID95439487.

Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

¹ Иркутская обл., пос. Чара, 3–7 июля 2023 года.