Содержание к диссертации
Введение
II. Литературный обзор 9
1. Сущность метода фото динамической терапии рака 9
1.1. Механизмы деструкции раковой клетки 9
1.2. Сенсибилизаторы первого поколения на основе порфиринов 13
1.3. Сенсибилизаторы второго поколения 15
1.4. Спектральные свойства порфиринов 21
2. Квантово-химические методы расчетов 25
2.1. Расчет электронных спектров молекулы 30
2.2. Квантово-химические расчеты порфиринов 35
III. Методика прогнозирования 40
3. Задача прогнозирования свойств органических соединений 40
3.1. Методы описания структуры органического соединения. Генерация конформеров 43
3.2. Оптимизация геометрии молекул 46
3.3. Отбор конформеров 46
3.4. Методы формирования гипотез о зависимости между структурой молекулы и ее свойствами 48
3.5. Прогнозирование свойств конформационно-гибких соединений 50
IV. Экспериментальная часть 53
4. Особенности проведения квантово-химических расчетов 53
4.1. Программное обеспечение 53
4.2. Генерация конформеров с помощью программ МОРАС и HyperChem 55
4.3. Оптимизация геометрии 56
4.4. Расчет длин волн максимума поглощения 59
V. Обсуждение результатов 61
5.1. Расчет теплот образования производных бактериохлорина 61
5.2. Установление зависимости между квантово-химическими параметрами и спектральными характеристиками для наиболее энергетически выгодного конформера 64
5.3. Установление зависимости между квантово-химическими параметрами и спектральными характеристиками для «активных» конформеров 71
5.4. Прогнозирование значений длин волн максимумов поглощения для возможных производных бактериохлорина 77
Выводы 82
Литература 83
- Механизмы деструкции раковой клетки
- Методы описания структуры органического соединения. Генерация конформеров
- Программное обеспечение
- Установление зависимости между квантово-химическими параметрами и спектральными характеристиками для наиболее энергетически выгодного конформера
Введение к работе
Онкологические заболевания чрезвычайно разнообразны и затрагивают глубинные механизмы жизнедеятельности клетки. Борьба с раком затруднена, поскольку заболевание связано с перерождением собственных клеток, механизм которого пока далек от окончательного понимания. Раковые клетки отличаются от нормальных двумя важными особенностями. Во-первых, они теряют способность останавливаться в своем размножении при достижении соседних родственных им клеток. Во-вторых, в своем безудержном делении они заполняют не только те места, что предназначены для их нормальной жизнедеятельности, но и другие пространства, им обычно не принадлежащие. Сегодня считается доказанным, что развитие раковой опухоли начинается из одной мутированной клетки. К моменту обнаружения опухоль обычно содержит некоторое число переродившихся клеток. В то же время значительное число клеток, иногда более половины, по-прежнему остаются нормальными. Поэтому при удалении опухоли желательно использовать методы, позволяющие селективно устранять лишь переродившиеся клетки.
В настоящий момент все большее распространение в клинической онкологии находят новые методы диагностики и лечения, основанные на достижениях фотохимии, фотобиологии и квантовой физики.
До недавнего времени основными методами лечения в онкологии являлись хирургическое вмешательство, лучевая химия и химиотерапия. Однако в определенный момент стало ясно, что каждый из этих методов достиг плато эффективности и поэтому в последние 15-20 лет в онкологии стали бурно развивать комплексные методы лечения. Сочетание хирургического, лучевого и химиотерапевтического подходов позволило значительно улучшить результаты лечения онкологических больных, однако, по отношению к опухолям различной локализации они, в ряде случаев, остаются неудовлетворительными. Наиболее существенным препятствием повышения терапевтической результативности являются несовершенная диагностика и ограниченная эффективность традиционных методов лечения.
За последние 40 лет во многих странах мира, в том числе и в России, активно разрабатываются новые методы диагностики и консервативного лечения злокачественных новообразований. Среди них особое место занимают флуоресцентная диагностика и фотодинамическая терапия, основанные на применении природных и синтетических фотосенсибилизаторов.
В фотохимиотерапии экзогенные и эндогенные фотосенсибилизаторы применяются как инициаторы химических реакций в биологических тканях. Концепция не нова, свыше 3000 лет назад подобный подход использовался в Индии, Египте и Китае при лечении витилиго [1].
Термин «фотодинамическое действие» впервые ввёл Г. Таппинер, для того, чтобы избежать путаницы с аналогичными фотохимическими процессами, реализуемыми в фотографии [2].
Последующее изучение фотодинамического эффекта привело к развитию нового направления в медицине - фотодинамической терапии (ФДТ) злокачественных опухолей.
В начале двадцатого столетия было обнаружено, что раковая клетка обладает одним чрезвычайно интересным свойством - она может селективно накапливать и некоторое время удерживать окрашенные вещества, как находящиеся в организме (эндогенные порфирины), так и вводимые в него извне (экзогенные порфирины). Важным шагом на пути к созданию метода ФДТ рака явилось наблюдение (А. Поликард, 1924 г.) о том, что накопившиеся в опухоли эндогенные порфирины обладают способностью флуоресцировать при облучении видимой частью спектра. С 1966 по 1975 гг. опубликовано большое количество работ, в которых приведены данные об экспериментальных исследованиях различных фотосенсибилизаторов. Возникла идея воздействовать на этот участок светом с длиной волны, возбуждающей лишь данные соединения, причем общая энергия света должна быть невысокой, чтобы не происходило повреждения находящихся рядом здоровых клеток. Эта идея была реализована в 1978 году американским профессором Т. Догерти, который сообщил об успешном лечении первых 25 пациентов. В дальнейшем метод фотодинамической терапии рака получил развитие в Англии, Франции, ФРГ, Италии, Бразилии, Японии, і
Корее, Китае и ряде других стран. С 1992 года, после создания первого отечественного фотосенсибилизатора Фотогем, метод ФДТ начал использоваться и в нашей стране [3].
В настоящее время созданы и используются в экспериментальных моделях фотосенсибилизаторы различных классов (порфирины, хлорины, производные бензопорфирина, фталоцианины и другие) [4]. Важной характеристикой фотосенсибилизаторов (ФС) является наличие у них интенсивных полос поглощения в красной, либо, что еще предпочтительнее, в ближней инфракрасной областях спектра, поскольку свет с подобной длиной волны меньше рассеивается в тканях и позволяет проводить лечение глубоко расположенных и пигментированных опухолей, в частности меланомы. В связи с этим разработка ФС с подобными спектральными характеристиками является важным этапом в повышении эффективности ФДТ рака.
В последние годы интенсивный поиск подобных препаратов проводится на основе природных хлорофиллов и бактериохлорофиллов. Первые имеют интенсивную полосу поглощения в области 660 нм, а вторые - 770 нм. Для них также характерна низкая токсичность, доступные источники сырья и надежные способы выделения.
В то же время эти природные пигменты и, в частности хлорофилл а и бактериохлорофилл а являются сравнительно неустойчивыми соединениями, слабо растворяющимися в воде, в связи с чем усилия исследователей последних лет направлены на модификацию данных соединений. Так, удаление центрального атома металла и фитольного радикала и включение в основной тетрапиррольный макроцикл дополнительного ангидридного или циклоимидного фрагментов позволили не только повысить стабильность разрабатываемых ФС, но и существенно улучшить их спектральные характеристики.
Одним из перспективных подходов при направленной модификации ФС является компьютерное прогнозирование положения длинноволновых максимумов поглощения с помощью квантово-механических методов. Методы построения прогнозов на основе гипотез о взаимосвязи структуры молекулы с её свойствами разрабатываются на протяжении последних десятилетий на стыке исследований в области химической технологии и прикладной математики.
Однако, большинство существующих методов прогнозирования количественных зависимостей «структура-свойство» не учитывают тот факт, что молекулы исследуемых соединений могут являться конформационо-гибкими. В этом случае зависимость «структура-активность» оказывается неоднозначной - одному соединению, характеризующемуся определенным значением активности, соответствует несколько значений одного и того же параметра, полученных для различных конформеров этого соединения. В последнее время предложен ряд методов, направленных на формирование и анализ неоднозначных зависимостей «структура -активность». При этом методы отбора конформеров, параметры которых будут учитываться при формировании зависимостей «структура-активность», разработаны не достаточно хорошо.
Целью настоящей работы явилось исследование зависимости структура — спектральные свойства производных хлорофилла а и бактериохлорофилла а с дополнительными экзоциклами при основном макроцикле.
Механизмы деструкции раковой клетки
Транспорт сенсибилизатора к клетке осуществляется за счет различных компонентов крови, среди которых большое значение имеют альбумин и липопротеиды низкой плотности. Методами флуоресцентной микроскопии показано, что сенсибилизаторы первоначально адсорбируются на внешней мембране клетки, в течение нескольких часов проходят через мембрану внутрь клетки и затем адсорбируются на внутренних мембранах органелл, таких как митохондрии, рибосомы, аппарат Гольджи и другие. (а) (б) (в) (г) В результате освещения в клетке начинаются фотохимические процессы, в основе которых лежат два механизма. Реакции первого типа включают процессы, в которых образующаяся активная форма сенсибилизатора непосредственно взаимодействует с молекулой субстрата. Общий механизм по типу I представлен уравнениями (а) - (г).
На первом этапе (а) молекула сенсибилизатора Сенс под действием света переходит в возбужденную форму Сенс. Последняя реагирует с субстратом клетки, давая два радикала (б). Гидрированная форма сенсибилизатора (стадия в) окисляется кислородом воздуха в исходную структуру.
Последняя обладает значительно большей подвижностью по сравнению с формой Сенс (тип I) и более активно окисляет внутренние элементы клетки. Механизм по типу II обычно преобладает при ФДТ. Молекула сенсибилизатора Сенс при облучении переходит из основного состояния S0 в синглетное состояние S1 и затем в результате потери части энергии - в долгоживущее триплетное состояние Т . На стадиях синглетного и частично триплетного состояний сенсибилизатор может участвовать в фотохимических реакциях типа I. При достаточном времени жизни триплетного состояния и энергии, превышающей 94 кДж, возможно образование синглетного кислорода 02 : 3S + 302 S0 + !02 В этом случае некроз клетки протекает, в основном, по типу II. Процесс образования 02 характерен для клеток любых организмов в аэробных условиях. Основными генераторами 02 в клетках являются триплетные молекулы сенсибилизаторов, радикалы О - и НО или перекись водорода [6].
В настоящее время методы флуоресцентной диагностики и ФДТ успешно применяются в мировой практике в клинической онкологии при ранних стадиях рака, поверхностных новообразованиях и при предраковых патологических состояниях [7, 8]. К клиническому применению разрешены препараты на основе гематопорфирина -Фотофрин-2 (США) [9], Фотосан (Германия) [10], Фотогем - первый отечественный препарат, разработанный в МИТХТ им. М.В.Ломоносова [11, 12]. Однако, эти сенсибилизаторы имеют ряд существенных недостатков, а именно, неоднородный химический состав, низкую селективность накопления в опухоли, выраженную кожную токсичность, фотоиндуцирование в опухолях ограниченных по глубине некрозов вследствие слабого оптического поглощения при 630 нм [13, 14], высокая стоимость данных препаратов. В связи с этим поиск новых высокоэффективных опухолетропных фотосенсибилизаторов является актуальной задачей [15].
За последние годы в России разработан ряд фогосенсибилизаторов, которые могут быть использованы для ФД и ФДТ. В МИТХТ им. М.В. Ломоносова в течение ряда лет ведутся работы по получению фотосенсибилизаторов нового поколения на основе природных соединений - хлорофилла а и бактериохлорофилла а [16, 17, 18].
Одним из серьезных ограничений метода ФДТ является малая глубина воздействия. Используемые сегодня в клинике препараты, имеющие максимум поглощения в области 630 - 675 нм, позволяют проникать свету в ткани лишь на несколько миллиметров. Максимальная проницаемость тканей находится в красной и ближней ИК областях спектра в диапазоне 750 - 900 нм. Важно также, что для этой области имеются отечественные недорогие и надежно работающие диодные лазеры. Создание фотосенсибилизаторов, обеспечивающих эффективную генерацию синглетного кислорода в этой области спектра, могло бы расширить сферу применения ФДТ. С этой целью проводится широкий поиск подобных фотосенсибилизаторов среди производных хлоринов, бактериохлоринов, бензопорфиринов и фталоцианинов. При этом особый интерес представляют фотосенсибилизаторы, обладающие способностью быстро аккумулироваться в опухоли и затем быстро выводиться из организма. Со временем, как это демонстрирует история химиотерапии опухолей, будет создан банк фотодинамических препаратов адресного спектра применения, адаптированных к определенным нозологическим формам рака.
Селективность распределения фотосенсибилизаторов в организме обеспечивается за счет биохимических и физиологических различий у нормальных и опухолевых тканей, а также за счет их микроокружения. Искусственным изменением свойств микроокружения можно влиять как на локальную концентрацию фотосенсибилизаторов, так и на их фотохимическую активность. Исследования по изучению модификации чувствительности клеток к фотодинамическому воздействию показывают, что локальное внесение определенных веществ приводит к резкому увеличению скорости повреждения мембран клеток при облучении. К таким веществам, в частности, относятся положительно заряженные локальные анестетики совкаин, дикаин и тримекаин, а также этанол. Внесение аскорбата также вызывает усиление фотохимического повреждения клеток даже в последующей темновой фазе. К увеличению фотопоражения клеток приводит и уменьшение рН среды. В клинической практике это может быть достигнуто путем локального введения глюкозы. На этом пути повышения эффективности фотодинамического воздействия необходимо учитывать индивидуальные свойства применяемых фотосенсибилизаторов, прежде всего их амфифильность. К этой же группе способов модификации фотодинамического поражения злокачественных клеток относится и искусственное повышение концентрации эндогенных порфиринов путем введения предшественников их естественного биосинтеза (8-аминолевулиновой кислоты). Последний метод получил название ALA-PDT и стал одним из популярных в ФДТ рака.
Методы описания структуры органического соединения. Генерация конформеров
Численные характеристики, используемые для описания структуры молекул, часто называют параметрами, индексами или дескрипторами (далее термин «параметры»). Общепринятая классификация параметров основана на том, какие особенности структуры молекул они описывают; так, выделяют топологические [86, 87], физико-химические [88] и квантово-химические параметры [89].
Топологические параметры обеспечивают описание свойств графа, задающего молекулу. Такие параметры задают интегральные свойства молекул, такие как разветвленность или наличие/отсутствие специфических фрагментов. При расчете некоторых топологических параметров используется только матрица смежности молекулярного графа, расчет других предполагает учет типов атомов и связей. Показано, что топологические параметры хорошо коррелируют с такими физико-химическими свойствами соединений, как температура кипения, молекулярная v рефракция, плотность, теплота реакции, поверхностное натяжение и вязкость [90].
Физико-химические параметры, такие как теплота образования, коэффициент распределения «октанол-вода» и т.п., могут быть измерены экспериментально, но могут и рассчитываться с помощью специальных программ [91]. Точность и корректность их расчета зависит от выбора метода. Поскольку расчет ведется в приближении "изолированной молекулы", абсолютными значениями физико-химических параметров можно пользоваться лишь в сравнительных целях. Например, если оказывается, что у молекул нестабильного вещества теплота образования меньше, чем у стабильного, это означает, что выбран неверный метод расчета.
К группе квантово-химических параметров относят энергии граничных орбиталей (высшей занятой и низшей свободной молекулярных орбиталей), локальные заряды на атомах молекулы, распределение электронов по молекулярным орбиталям, порядки связей, поляризуемость молекулы в целом и др. Эти параметры также рассчитываются с помощью специальных программ. Известно, что квантово-химические параметры часто коррелируют с такими свойствами, как биологическая активность, токсичность, способность образовывать комплексы с переносом заряда, мутагенная активность и другие [92]. Расчет физико-химических и квантово-химических параметров связан с исследованием трехмерной структуры молекулы [93]. Одной структурной формуле молекулы соответствует большое количество трехмерных структур — конформаций. Однако при нормальных условиях могут существовать не все конформаций, а только энергетически устойчивые структуры - конформеры.
Для исследований конформационного пространства применяются различные методы. Наиболее надежным, но и наиболее сложным среди них является метод систематического поиска. В рамках этого метода вначале формируется набор конформаций, а затем выполняется оптимизация каждой конформаций. Для формирования исходного набора конформаций значения двугранных углов, которые характеризуют положение связей, допускающих свободное вращение (простых связей), изменяют с определенным шагом. Поскольку число возможных конформаций комбинаторно возрастает с увеличением количества простых связей, этот метод требует больших вычислительных затрат для гибких и больших молекул. Параметрами метода систематического поиска являются начальное значение и шаг изменения двугранных углов.
Проверка полноты полученного набора конформеров является вычислительно сложной процедурой, поскольку требует сравнения двух наборов конформеров, полученных при разных значениях параметров. Для сравнительно не сложных молекул, как правило, используют метод двойного пересчета - уменьшают шаг вдвое и убеждаются, что, несмотря на увеличение количества исходных конформаций, наборы конформеров, полученных после оптимизации, не имеют существенных отличий. Если же количество конформеров велико, изменяют не шаг, а начальные значения двугранных углов. Следует отметить, что, поскольку при оптимизации конформаций используются приближенные методы, полного совпадения конформеров, являющихся результатами оптимизации, достигнуть не удается и при сравнении структур конформеров используется некоторый критерий сходства.
Альтернативой систематическому поиску является метод Монте-Карло. Как правило, этот метод применяется в тех случаях, когда исследователю необходимо найти наиболее устойчивый конформер, а не набор всех возможных конформеров. В рамках этого метода параметры генерации изменяются случайным образом, затем оценивается энергия полученной структуры. Существует большое число алгоритмов выполнения случайного поиска, однако наиболее общим является алгоритм Метрополиса [94].
Метод молекулярной динамики также используется для поиска конформера с минимальной энергией. Этот метод основан на исследовании колебаний атомов молекулы в соответствии с уравнением движения Ньютона, причем интенсивность колебаний зависит от окружения каждого атома и температуры [95]. Интегрирование уравнений движения для каждого атома дает траектории движения атомов в районе их равновесного положения. Через определенные промежутки времени вычисляются положения всех атомов и анализируется энергия полученной структуры. Следует отметить сложность этого метода - описание движения атомов требует численного решения большого количества нелинейных дифференциальных уравнений, при этом каждое из них приходится решать очень большое число раз (в каждом цикле расчета).
Проведенный анализ показал, что отдельные конформеры существенно различаются по своим квантово-химическим параметрам. Так, различия в значении теплот образования конформеров исследованных соединений достигали 10-25 ккал/моль [54]. Поскольку неизвестно, какая именно трехмерная структура отвечает за характерный для данного соединения максимум поглощения, требуется анализировать параметры всех энергетически приемлемых трехмерных структур.
Для генерации конформации производных хлорина и бактериохлорина был выбран метод систематического поиска. Из-за большого объема вычислений проверка полноты набора конформеров проводилась не для всех исследованных структур, а только для структур 1а,б и 2а,б. При генерации конформеров предполагалось, что ядро молекулы плоское. Это предположение подтверждается многочисленными исследованиями [96]. При генерации конформеров хлориновых и бактериохлориновых производных для тех связей, которые можно свободно вращать, использовался угол поворота 120. После генерации, для каждого конформера автоматически проводилась предоптимизации методом молекулярной механики (методом Хюккеля).
Программное обеспечение
Среди- программ- обеспечивающих расчет квантово-химических. параметров; , молекулы, наиболее известны программы HyperChem.[119];1 GAUSSIAN. [120;. 121] и; МОРАС [122]. Программа HyperChem;обеспечивает, расчеты методами молекулярной; механики, п6луэмпиричёскими метЬдами«(АМГшРМЗ) инеэмпирическимиметодами. Программа. GAUSSIAN ориентирована -на полуэмпирические и неэмпирйческие. методы, программа МОРАС — на; полуэмпирические методы расчета энергии молекулы.
Так, например, с помощью программы HyperChem можно выполнять расчеты энергии систем и их равновесной геометрии методом молекулярной механики с использованием четырех модельных потенциалов (ММ+, AMBER, ВЮ+ и OPLS), девятью полуэмпирическими квантово-химическими методами (Расширенный метод Хюккеля, CNDO,.INDO, MIND03, MNDO, AMI,. РМЗ, ZINDO/1 и ZINDO/S), или неэмпирическим (ab initio) методом квантовой; химии в различных базисах [119]; Большинство доступных в; программе HyperChem полуэмпирических методов включают схему для ускорения вычислений. HyperChem также позволяет рассчитывать электронную структуру только части системы, используя смешанные методы вычисления. Например, можно изучить электронную структуру активного центра белка с использованием полуэмпирических методов расчета, учитывая оставшуюся часть белка и молекул растворителя в рамках метода молекулярной механики. В этом случае программа HyperChem квантово-химически рассчитывает только выделенную часть атомов, а остальные рассматривает только как некий потенциал. В процессе оптимизации геометрии координаты не выделенной части атомов являются фиксированными и не изменяются в ходе проведения расчетов [122].
Широко распространена программа МОР АС (разработанная д-ром Джеймсоном Стюартом и Франком Сейлером, Исследовательская лаборатория, U.S. Air Force Academy, Colorado Springs, CO 80840—6528). MOPAC - полуэмпирический пакет квантовой механики, предназначенный для изучения химических структур и реакций. Полуэмпирические функции гамильтона MNDO, MINDO/3, AMI, и РМЗ используются в электронной части вычисления, чтобы получить молекулярные орбитали, теплоту образования и её производную относительно молекулярной геометрии, квантово-химические индексы. Исходными данными для МОР АС являются описание молекулы и набор ключевых слов - параметров, управляющих расчетом. Используя эти результаты, МОРАС вычисляет спектры колебания, термодинамические количества, изотопные эффекты замены и константы силы для молекул, радикалов, ионов и полимеров. Для того, чтобы изучить химические реакции, доступны операции положения переходного состояния и операции оптимизации двух переходных состояний [122]. Программа также используется для прогнозирования многочисленных химических и физических свойств, типа свободной энергии Гиббса, энергии активации, путей реакции, дипольных моментов, нелинейных оптических свойств и инфракрасных спектров [123].
Ведущую роль в последнее время играет программа Gaussian, предназначенная для расчетов, оптимизации струкгуры и изучения свойств широкого круга молекулярных систем с использованием современных методов и приближений компьютерной химии [124]. Gaussian 98 применяют с целью установления структур молекулярных систем, расчета различных атомных и молекулярных параметров, изучения путей протекания реакций, предсказания реакционной способности, колебательные характеристики, ЯМР и ИК-спектры и т.д. Gaussian 98 позволяет изучать стабильные молекулы, свойства короткоживущих, нестабильных промежуточных соединений и переходных состояний, находить координаты химических реакций с учетом термодинамических параметров реагентов и продуктов реакции. Расчеты в Gaussian 98 могут проводиться как в приближении изолированных молекул, так и с учетом влияния среды. Возможен расчет систем, находящихся в основном невозбужденном или возбужденных состояниях [124]. Генерация набора конформаций, соответствующих заданной структурной формуле, выполнялась с помощью модуля MS Excel (рис. 14), под управлением которого работает программа HyperChem 6.0. Исходными данными для этого модуля являются как плоская структура молекулы, так и параметры генерации, в частности, начальные значения и шаг поворота двугранных углов. Результаты генерации записываются в книгу MS Excel, каждый лист которой описывает отдельный конформер: координаты атомов в трехмерном пространстве и вид химической связи между отдельными атомами. Трехмерная структура каждого конформера записывается в отдельный файл с расширением .hin.
Для оптимизации геометрии молекулы, в зависимости от поставленной задачи, использовались два программных пакета - МОР АС 7.0 и HyperChem 6.0. Задание на оптимизацию для МОР АС генерировалось в рамках макроса MS Excel и включало в себя параметры оптимизации и данные о начальной структуре конформации, полученные в результате генерации конформаций. При оптимизации задавались следующие параметры (рис.15): AMI - модель Остин 1. Полуэмпирический квантово-химический метод; РМЗ - параметрическая модель 3 - версия параметризации полуэмпирического квантово-химического метода AMI. РМЗ дает лучше оценки теплот образования, чем AMI; PULAY - ускоренная процедура оптимизации; PRECISE - повышение точности вычислений в 1000 раз по сравнению со стандартной; NOMM - отключить молекулярно-механическую коррекцию параметров программы для связей CONH. ММОК - использовать молекулярно-механическую коррекцию параметров программы для связей CONH. Для расчетов теплот образования соединений 1 и 2 использовался метод AMI. В дальнейшем было показано, что метод РМЗ дает более точные оценки значений теплот образования производных хлорина и бактериохлорина, поэтому для остальных структур использовался метод РМЗ.
Вычисление квантово-химических показателей трехмерной структуры выполнялось в рамках того же модуля. Выбор энергетически приемлемых конформеров выполнялся с помощью модуля MS Excel, параметром которого является значение энергетического порога (по умолчанию 10 ккал/моль) [54]. Данные о конформерах, энергия образования которых превышает минимальную теплоту образования на величину, большую энергетического порога, не учитывались, поскольку при нормальных условиях молекула не может перейти в такое состояние.
Установление зависимости между квантово-химическими параметрами и спектральными характеристиками для наиболее энергетически выгодного конформера
В дальнейшем, в качестве объектов исследования были, взяты . ранее синтезированные, производные хлорофилла а 3 а-д и бактериохлорофилла а 4 а-д (рис.21) [129, 130,- 131], которые используются при разработке ФС нового поколения для ФДТ рака [40, 132, 133]. Для построения количественных гипотез было-предложено рассчитывать максимумы поглощения с помощью параметризованного метода ZINDO/S на основе оптимизированной; структуры молекулы. По результатам оптимизации, на основании :величин; теплот образования, для каждого .соединения выбирался .конформер.с, минимальным значением этого параметра; Данные, полученные в результате расчетов, приведены в таблице 3. Затем, для наиболее энергетически выгодного , конформера проводилась . повторная; оптимизация- в, рамках программы HyperGhem 6.0 с использованием полуэмпирического метода РМЗ. Анализ полученных-результатов. На рисунке 22 представлено; молекулярное строение и распределение частичных зарядов атомов для оптимизированной геометрии соединений За и: 36. Ядро молекулы имеет плоскую структуру, что подтверждается также, литературными данными. ,
Распределение зарядов в; ядре молекулы практически идентично, и отличается лишь в дополнительных. циклах. В соединении За атомы 13, 14, 15 151 -экзоцикла имеют отрицательные заряды в отличие от экзоцикла 36. Энергетические уровни геометрии молекулы с минимальной энергией, оптимизированной с помощью метода РМЗ. Энергии 20 верхних занятых молекулярных орбиталей (ВЗМО) и 20 нижних вакантных молекулярных орбиталей (НВМО), рассчитанных методом РМЗ для геометрии с минимальной энергией, показаны в таблице 4. Общая особенность молекулярных орбитальных энергий для всех производных хлорина и бактериохлорина заключается в том, что две ВЗМО и две НВМО сильно отличаются от остальной части энергетических уровней [135]. Молекулярная орбитальная энергетическая разность ЫСМО + 1 и уровней НСМО в бактериохлоринах больше 1 эВ, тогда как соответствующая разность в хлоринах меньше 1 эВ. Подобное поведение наблюдается также для ВЗМО и ВЗМО - 1 орбиталей. Энергетическая разность ВЗМО и НСМО уровней в бактериохлоринах меньше, чем в хлоринах, что объясняет довольно большое различие в Qy переходных энергиях двух групп хромофора [82]. Таким образом, можно заключить, что структурные различия между производными хлорина и бактериохлорина отражаются на электронных энергиях и, соответственно, на спектральных характеристиках этих соединений. Каждая структура при этом имеет характерный спектр поглощения.
Расчет длин волн максимума поглощения. Расчет электронных спектров поглощения проводился в рамках программы HyperChem 6.0 с помощью полуэмпирического метода ZINDO/S.
Сходимость между экспериментальными и расчетными значениями длин волн представлена на рис.23. Видно, что она носит монотонный характер - если экспериментально полученное значение длины волны у одного соединения больше, чем у второго, то и расчетное значение у первого соединения будет большим. Таким образом, расчетные значения длины волны можно использовать для сравнения спектральных свойств производных хлоринов и бактериохлоринов с целью отбора наиболее перспективных сенсибилизаторов. 850
Предложенный алгоритм расчетов позволяет выявить из двух рассмотренных групп ФС те структуры, для которых характерно максимальное поглощение в длинноволновой области, что, весьма важно при подборе фотосенсибилизаторов нового поколения. Метод также позволяет предположить наиболее вероятную структуру молекулы и распределение электронной плотности. Рассчитано, что молекулярная орбитальная энергетическая разность ВЗМО и НВМО в бактериохлоринах меньше, чем соответствующая разность в хлоринах. Этим объясняется смещение полосы Соре и максимума поглощения у производных хлоринов в более коротковолновую область, относительно производных бактериохлоринов.
Из таблицы 5 видно, что относительный разброс для исследованных соединений не превышает 2.1%, средняя величина относительного разброса составляет 0.9%. Это приемлемая ошибка прогноза. Для увеличения точности необходимо формировать прогнозы с учетом дополнительных критериев, используемых при отборе конформеров. В качестве такого критерия было предложено использовать разность между энергиями ВЗМО и НВМО.
