Статья опубликована в рамках: CLXV Международной научно-практической конференции «Научное сообщество студентов XXI столетия. ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ» (Россия, г. Новосибирск, 22 октября 2026 г.)
Наука: Химия
Скачать книгу(-и): Скачать книгу
дипломов
КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ (PM7/MOPAC) КАК ИНСТРУМЕНТ ИЗУЧЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ СОЕДИНЕНИЙ С ЦИКЛОМ ТРОПИЛИЯ
Аннотация
Для предварительной оценки биологической активности трёх синтетических производных тропилия выполнен полуэмпирический квантово-химический расчёт методом РМ7 (MOPAC, Avogadro). В ряду 1 → 2 → 3 уменьшается энергетическая щель ΔЕ(HOMO–LUMO) и растёт дипольный момент, что указывает на усиление редокс-активности и полярности; наиболее перспективным по расчёту является дитропилированный азометин. Экспериментальная проверка на культуре гречихи посевной in vitro согласуется с прогнозом: обработка соединением 3 повышает содержание рутина в зелёной массе в 1,5–1,6 раза по сравнению с контролем. Метод РМ7 качественно воспроизводит тренды неэмпирических расчётов RHF/6-31G(d) и может быть рекомендован как доступный инструмент предварительного скрининга элиситоров.
Abstract
To preliminarily assess the biological activity of three synthetic tropylium derivatives, a semi-empirical quantum-chemical calculation was performed using the PM7 method (MOPAC, Avogadro). In the series 1 → 2 → 3, the HOMO–LUMO energy gap ΔE decreases and the dipole moment increases, indicating enhanced redox activity and polarity; according to the calculation, the most promising compound is ditropylated azomethine. Experimental verification on an in vitro culture of buckwheat (Fagopyrum esculentum Moench) is consistent with the prediction: treatment with compound 3 increases the rutin content in green biomass by a factor of 1.5–1.6 compared with the control. The PM7 method qualitatively reproduces the trends of ab initio RHF/6-31G(d) calculations and can be recommended as an accessible tool for the preliminary screening of elicitors.
Ключевые слова: квантово-химические расчёты, PM7, MOPAC, Avogadro, азометины, тропилий, элиситоры, гречиха, рутин.
Keywords: quantum-chemical calculations, PM7, MOPAC, Avogadro, tropylium, azomethines, elicitors, buckwheat, rutin.
Введение
Производные тропилия обладают биологической активностью и малой токсичностью [1,2] и оказывают стимулирующую активность на растения [3,4]. Представляло интерес изучить их действие на культуре in vitro гречихи на выделение рутина, для которой отработаны методы стерилизации и оценка действия на прорастание [5–7]. Поскольку культивирование in vitro трудоёмко и дорого, для предварительного скрининга удобны квантово-химические дескрипторы (энергии граничных орбиталей, дипольный момент), коррелирующие с биологической активностью [8]. Ранее для соединений с циклом тропилия применяли PySCF [9], однако он требует установки Python и написания кода; поэтому мы использовали более доступный метод PM7 в пакете MOPAC, успешно применённый ранее для структурно родственных соединений [10].
Цель работы - оценить возможность метода РМ7 как доступного инструмента предварительной оценки биологической активности тропилиевых соединений — потенциальных элиситоров гречихи.
Материалы и методы
В работе объектами исследования использованы соединения 1 – 3 (рисунок):
Квантово-химические расчёты выполнены в свободно распространяемом ПО: Avogadro (v1.2.0) и MOPAC (v23.2.3), метод PM7. Рассчитывали E(HOMO), E(LUMO), энергетическую щель ΔE = E(LUMO) – E(HOMO), стандартную энтальпию образования ΔH°f, дипольный момент, COSMO-площадь и объём.
Соединения вносили в питательную среду Мурасиге-Скуга (MS) с 0,2 мг/л 6-БАП в концентрации 2×10-5 %. Количественное определение рутина проводили спектрофотометрически (KF-77, 415 нм, AlCl3).
Результаты и обсуждение
Квантово-химический расчет показал, что наиболее перспективным соединением является дитропилированный азометин (3) (таблица 1).
Ключевые расчётные характеристики соединений 1–3 приведены в таблице 1.
Таблица 1.
Квантово-химические дескрипторы соединений 1–3
| Параметр | 1 | 2 | 3 |
|---|---|---|---|
| E(HOMO), эВ | −8.125 | −8.733 | −8.711 |
| E(LUMO), эВ | −0.017 | −0.975 | −1.194 |
| ΔE(HOMO–LUMO), эВ | 8.108 | 7.758 | 7.517 |
| Дипольный момент, D | 1.70 | 2.30 | 2.33 |
| COSMO-площадь, Ų | 220.9 | 325.9 | 518.1 |
В ряду 1 → 2 → 3 величина ΔE уменьшается (8,11 → 7,76 → 7,52 эВ), что указывает на рост редокс-активности, а дипольный момент возрастает (1,70 → 2,30 → 2,33 D), свидетельствуя об усилении полярности. Одновременно растут COSMO-площадь и объём: это увеличивает контактную поверхность, но снижает проникновение через клеточные стенки. По совокупности дескрипторов наиболее перспективным является дитропилированный азометин (3). Для экспериментальной проверки прогноза семена гречихи высевали на среду Мурасиге–Скуга с соединением 3 (2×10-5 %). Растения-регенеранты культивировали 21 сут, после чего определяли содержание рутина спектрофотометрически [11] (таблица 2); контроль — среда без соединения.
Таблица 2.
Экспериментальные данные по элиситорной активности соединения 3
| Показатель | Соединение 3 | Контроль |
|---|---|---|
| Рутин в зелёной массе, мг/г | 1.48 | 0.96 |
| Рутин в корнях, мг/г | 0.08 | 0.02 |
Обработка соединением (3) повышала содержание рутина в зелёной массе до 1,48 мг/г, что в 1,6 раза превышает контроль, а в корнях – в 4 раза по сравнению с контролем.
Полученные данные согласуются с расчётным прогнозом: соединение (3), предсказанное как наиболее перспективное, проявило элиситорную активность в биологической системе.
Выводы
Дитропилированный азометин (3) проявил наибольшую элиситорную активность на культуре гречихи in vitro: содержание рутина в зелёной массе возрастало в 1,5–1,6 раза по сравнению с контролем, что согласуется с расчётами PM7. Метод PM7 в MOPAC с Avogadro пригоден для предварительного скрининга соединений, но не заменяет эксперимент и неэмпирические расчёты.
Список литературы
- Акентьева Т.А., Махмудов Р.Р. Однореакторный многокомпонентный синтез производных 4-(7-циклогепта-1,3,5-триенил)анилина // Журнал общей химии. – 2017. – Т. 87, № 7. – С. 1204–1206.
- Юнникова Л.П., Акентьева Т.А., Александрова Г.А., Михайлова Л.А., Елисеев С.Л. Синтез и противомикробная активность анилинов с фрагментами 1,3,5-циклогептатриена и 5Н-дибензо[a,d]аннулена // Химико-фармацевтический журнал. – 2014. – Т. 48, № 1. – С. 26–29.
- Мудрых Н.М., Акентьева Т.А., Жакова С.Н., Пинаева М.И. Тропилированный анилин: способы получения и биологическая активность // Journal of Agriculture and Environment. – 2024. – № 1 (41).
- Мудрых Н.М., Акентьева Т.А., Жакова С.Н., Пинаева М.И. Изучение реакции яровой пшеницы на азометин по изменчивости параметров проростков // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: Наука и высшее профессиональное образование. – 2025. – № 6 (84). – С. 196–201.
- Акентьева Т.А., Ташкинова Е.С. Оптимизация условий культивирования гречихи посевной in vitro для скрининга элиситоров // Материалы Всероссийской научно-практической конференции молодых учёных, аспирантов и студентов, посвященной 150-летию со дня рождения А.А. Хребтова (Пермь, 06–10 апреля 2025 года). С. 3–5. – 2025. – С. 3–5.
- Селюнина А.В., Игошин И.М. Введение гречихи обыкновенной в культуру in vitro: проблемы и перспективы // Студенческий: электрон. научн. журн. – 2026. – № 32 (370). – URL: https://sibac.info/journal/student/370/432622 (дата обращения: 20.10.2026).
- Акентьева Т.А., Игошин И.М. Аномальный ризогенез гречихи in vitro под действием соединений тропилиевого ряда // Журнал нефть и газ: опыт и инновации. – 2026. – Т. 10, № 11.
- Kim M., Cho Y., Kim H., Kim Y. Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System Applied QSAR with Quantum Chemical Descriptors for Predicting Radical Scavenging Activities of Carotenoids // PLOS ONE. – 2015. – Т. 10, № 10. – DOI: 10.1371/journal.pone.0140154.
- Игошин И.М. Компьютерное прогнозирование физико-химических свойств тропилированных анилинов и их производных // Студенческий: электрон. научн. журн. – 2026. – № 31 (369). – URL: https://sibac.info/journal/student/369/432467 (дата обращения: 20.10.2026).
- Старкова Е.В. Оценка возможности метода PM6 для моделирования реакционной способности ароматических аминов с циклами тропилия, (тио)ксантения и дибензосуберения // Материалы Всероссийской научно-практической конференции молодых учёных, аспирантов и студентов, посвященной 150-летию со дня рождения А.А. Хребтова (Пермь, 06–10 апреля 2026 года). С. 308–310. – 2026. – С. 308–310.
- Kreft S., Strukelj B., Gaberscik A., Kreft I. Rutin in buckwheat herbs grown at different UV-B radiation levels: comparison of two UV spectrophotometric and an HPLC method // Journal of Experimental Botany. – 2002. – Т. 53, № 375. – P. 1801–1804. – DOI: 10.1093/jxb/erf032.
дипломов