Окислительные превращения 5- гидрокси-6- метилурацила под действием молекулярного кислорода в присутствии хлорида меди(II), гидроксильных и пероксильных радикалов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.04, кандидат химических наук Нугуманов, Тимур Римович

• Нугуманов, Тимур Римович
• кандидат химических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат химических наук Нугуманов, Тимур Римович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

1.1 Комплексообразование производных урацила с металлами переменной валентности.

1.1.1. Таутомерия урацилов.

1.1.2. Взаимодействие урацилов с ионами металлов в водных растворах.

1.1.3. Взаимодействие ионов металлов с урацилами в неводных средах.

1.2. Окисление органических соединений в присутствии кислорода и солей меди.

1.2.1. Активация кислорода медьсодержащими белками.

1.2.2. Фиксация и активация молекулярного кислорода на комплексах меди с субстратом.

1.2.3. Образование активных форм кислорода в присутствии меди(П).

1.2.4. Окисление органических соединений ионами меди(П).

1.3. Окисление пиримидиновых оснований.

1.3.1. Окисление пиримидиновых оснований гидроксильными радикалами.

1.3.2. Окисление пиримидиновых оснований пероксильными радикалами.

1.3.3. Окисление пиримидиновых оснований перманганатом калия.

1.3.4. Окисление пиримидиновых оснований пероксосульфат-ионами в водных растворах.

1.3.5. Окисление пиримидиновых оснований перекисными соединениями.

1.3.6. Окисление пиримидиновых оснований озоном.

ГЛАВА II. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. 2.1. Используемые реагенты.

2.2. Методы анализа.

2.2.1. ИК-спектроскопия.

2.2.2. Электронная спектроскопия.

2.2.3. ЯМР-спектроскопия.

2.2.4. Высокоэффективная жидкостная хроматография.

2.2.5. Рентгеноструктурный анализ.

2.2.6. Квантово-химические расчеты.

2.2.7. Хроматомасс-спектрометрия.

2.3. Методы проведения эксперимента.

2.3.1. Изучение комплексообразования 5-гидрокси-6-метилурацила с хлоридом меди(Н).

2.3.2. Окисление 5-гидрокси-6-метилурацила кислородом воздуха в присутствии солей металлов переменной валентности.

2.3.3. Манометрическое определение количества поглощенного кислорода.

2.3.4. Изучение реакции 5-гидрокси-6-метилурацила с пероксильными радикалами

2.3.5. Изучение реакции 5-гидрокси-6-метилурацила с гидроксильными радикалами, генерируемыми реактивом Фентона.

ГЛАВА III. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ.

3.1. Окисление 5-гидрокси-б-метилурацила кислородом в присутствии солей металлов переменной валентности.

3.1.1 Влияние природы иона металла на окисление 5-гидрокси-6-метилура-цила кислородом в водных растворах.

3.1.2. Влияние кислорода на скорость окисления 5-гидрокси-6-метилурацила

3.1.3. Комплексообразование СиС12 с 5-гидрокси-6-метилурацилом в водных растворах.

3.1.4. Зависимость скорости окисления 5-гидрокси-6-метилурацила от концентрации [СиСЩо.

3.1.5. Температурная зависимость эффективной константы скорости окисления 5-гидрокси-6-метилурацила.

3.1.6. Манометрическое определение количества поглощенного кислорода.

3.2. Идентификация продукта окисления 5-гидрокси-б-метилурацила методом 13С ЯМР- и масс-спектроскопии и рентгено-структурным анализом.

3.3. Обсуждение механизма реакции.

3.3.1. Окисление 5-гидрокси-6-метилурацила гидроксильными радикалами.

3.3.2. Влияние первичных спиртов на скорость окисления 5-гидрокси-б-метилурацила.

3.3.3. Квантово-химические расчеты механизма гидроксилирования 5-гидрокси-б-метилурацила.

3.4. Окисление 5-гидрокси-б-метилурацила пероксильными радикалами.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Окислительные превращения 5- гидрокси-6- метилурацила под действием молекулярного кислорода в присутствии хлорида меди(II), гидроксильных и пероксильных радикалов»

Актуальность работы. Интерес к проблеме окисления пиримидиновых оснований возрастает с каждым годом и связан с необходимостью понимания процессов разрушения и восстановления ДНК, синтезом маркеров окислительного стресса.

Из литературы известно, что в качестве окислителей пиримидиновых оснований использовали перманганат калия, пероксосульфат натрия, пероксид водорода, озон, гидроксильные радикалы. Как правило, окисление протекает в жестких условиях, характеризуется широким набором и низкими выходами продуктов. Поэтому поиск окислительных систем «мягкого» и селективного действия является актуальным. В последние десятилетия внимание исследователей направлено на моделирование ферментативных систем, осуществляющих гидроксилирование органических соединений в мягких условиях с исключительной селективностью и высокими скоростями. Большое распространение получили методы окисления молекулярным кислородом, основанные на его фиксации и активации на комплексах металлов переменной валентности. Производные урацила имеют несколько донорных центров, способных образовывать координационные соединения с ионами металлов переменной валентности, их участие в модельных ферментативных системах возможно как в качестве лигандов, так и субстратов. Изучение окисления 5-гидрокси-6-метилурацила молекулярным кислородом в присутствии солей двухвалентной меди позволит понять процессы, протекающие in vivo с участием кислорода и комплексов металлов переменной валентности с биомолекулами.

Работа выполнена в соответствии с планами научно-исследовательских работ ИОХ УНЦ РАН по темам: «Реакционная способность низкомолекулярных биорегуляторов при комплексообразовании и сольватации с d- и f-металлами и фармаконами» (номер государственной регистрации 0120.0500676) и «Гомо- и гетерофункциональные соединения в комплексообразовании с металлами и фармаконами» (номер государственной регистрации 0120.0 801446), при финансовой поддержке Программы №7 ОХНМ РАН «Химия и физикохимия супрамолекулярных систем и атомных кластеров» и Программы Президиума РАН (8-П) «Развитие методологии органического синтеза и создание соединений с ценными прикладными свойствами» проект «Разработка метода окислительной трансформации кислород и азотсодержащих функциональных групп углеводов и нуклеиновых оснований».

Цель работы. Изучение окислительной трансформации 5-гидрокси-6-метилурацила молекулярным кислородом в водных растворах в присутствии хлорида меди(П), гидроксильными и пероксильными радикалами.

Научная новизна и практическая ценность. В работе впервые с количественным выходом получен 5,5,6-тригидрокси-6-метилпиримидин-2,4-дион окислением 5-гидрокси-6-метилурацила молекулярным кислородом в присутствии хлорида меди(Н). Структура продукта установлена методами рентгено-структурного анализа, спектроскопии 13С ЯМР-и хроматомасс-спектрометрии. Определено влияние природы иона металла, соотношения реагентов, температуры на скорость окисления 5-гидрокси-6-метилурацила молекулярным кислородом. На основании изучения состава образующегося комплекса 5-гидрокси-6-метилурацила с ионом Cu(II), количества поглощенного кислорода, квантовохимических расчетов и литературных данных предложен механизм реакции, включающий фиксацию и активацию кислорода на комплексе, образование гидроксильных радикалов, которые с диффузионной константой скорости гидроксилируют С(5) = С(6) двойную связь урацила.

Впервые идентифицированы продукты и определена константа скорости реакции пероксильных радикалов, генерируемых при термическом распаде АИБН, с 5-гидрокси-6-метилурацилом

Апробация работы. Результаты исследований были доложены и обсуждены на VIII Международном семинаре по магнитному резонансу (спектроскопия, томография и экология) (Ростов-на-Дону, 2006), на Всероссийской конференции лауреатов Международного благотворительного научного фонда им. К.И. Замараева «Современные подходы к проблемам физикохимии и катализа» (Новосибирск, 2007), на IV Международной конференции по новым технологиям и приложениям современных физико-химических методов (Ростов-на-Дону, 2007), на IX Международном семинаре по магнитному резонансу (спектроскопия, томография и экология) (Ростов-на-Дону, 2008).

Публикации. По результатам исследований опубликованы 4 статьи и тезисы 5 докладов.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, посвященного активации молекулярного кислорода комплексами меди и окислению производных урацила, описания объектов и методов исследования, результатов исследований и их обсуждения, выводов и списка использованной литературы.

Заключение диссертации по теме «Физическая химия», Нугуманов, Тимур Римович

выводы

1. Разработан метод мягкого, селективного окисления 5-гидрокси-6-метилурацила молекулярным кислородом в водных растворах в присутствии хлорида меди(П) с образованием 5,5,6-тригидрокси-6-метилпиримидин-2,4-диона (выход 85%). Структура продукта установлена на основании рентгено-структурного анализа, 13С ЯМР -, хроматомасс- спектроскопии.

2. Определено, что по активности в реакции окисления 5-гидрокси-6-метилурацила хлориды изученных металлов переменной валентности можно расположить в ряд NiCl2 < СоС12 < МпС12 < ZnCl2 < CuCl2.

3. Методом мольных отношений установлен состав комплекса 5-гидрокси-6-метилурацила с хлоридом меди(П) 2:1 в водных растворах при рН = 4-7. На основании данных 13С ЯМР - спектроскопии определено, что в образовании донорно-акцепторных связей с ионом меди(П) участвуют атомы карбонильного 0(4) и гидроксильного 0(5) кислорода 5-гидрокси-6-метилурацила.

4. Определены активационные параметры реакции окисления по расходованию 5-гидрокси-б-метилурацила спектрофотометрическим lg ^эф = (14±2) - (26±3 ккал-моль"')/2.3 RT и кислорода манометрическим методами lg к(02) = (12+4) - (23+6 ккал-моль"1)/ 2.3 RT

5. Предложена схема реакции, по которой окисление 5-гидрокси-6-метилурацила протекает через стадии фиксации и активации молекулярного кислорода на образующемся комплексе иона меди(П) с 5-гидрокси-6-метилурацилом с образованием гидроксильных радикалов, которые с диффузионной константой скорости гидроксилируют С(5)=С(6) - двойную связь урацила.

6. Идентифицированы продукты взаимодействия 5-гидрокси-6-метилурацила с пероксильными и гидроксильными радикалами. Методами 13С ЯМР - и хромато-масс-спектрометрии определено, что при окислении 5-гидрокси-6-метилурацила R02-радикалами в водно-спиртовых растворах и ОН-радикалами в водных растворах продуктом реакции является 5,5,6-тригидрокси-6-метилпиримидин-2,4-дион. Продуктом окисления 5-гидрокси-6-метилурацила К02-радикалами в среде сухого пропан-2-ола является 6-гидрокси-6-метилпиримидин-2,4,5-трион.

7. Определена константа скорости взаимодействия 5-гидрокси-6-метилурацила с пероксильными радикалами, образующимися при термическом распаде АИБН (к - 108 л-моль'^с"1).

Список литературы диссертационного исследования кандидат химических наук Нугуманов, Тимур Римович, 2009 год

1. Buda А.В. MNDO study of the tautomers of nucleic bases: thiouracils // Theochem. -1987. -V. 34, № 3-4. - P. 185-192.

2. Gould I.R., Burton N.A., Hall R.J., Hillier I.H. Tautomerism in uracil, cytosine and guanine: a comparison of electron correlation predicted by ab initio and density functional theory methods // J. Mol. Struct. (Theochem) 1995. -V. 331. - P. 147-154.

3. Tian S.X., Zhang C.F., Zhang Z.J., Chen X.J., Xu K.Z. How many uracil tautomers there are? Density functional studies of stability ordering of tautomers // Chem. Phys. 1999. -V. 242, №2.-P. 217-225.

4. Yekeler H., Ozback D. Concerning the solvent effect in the tautomerism of uracil, 5-fluorouracil, and thymine by density-functional theory and ab initio calculations // J. Mol. Model. 2001. -V. 7, № 4. - P. 103-111.

5. Susi H., Ard J.S. Vibrational spectra of nucleic acid constituents. I. Planar vibrations of uracil // Spectrochim. Acta - 1971. -V. 27A, № 9. - P. 1549-1562.

6. Wittenburg E. Alkyl- und silyl derivate des thymins // Chem. Ber. 1966. -V. 99, № 7. - P. 2380-2390.

7. Gupta S.R., Seema K., Jetley U.K., Sharma S.D. Vibrational spectral studies of substituted uracils // Sci. Phys. Sci. 1991. -V. 3, № 1.- P. 40-44.

8. Stepanyan S.G., Smorygo N.A., Sheina G.G. Studies of vibrational spectra of fluorothymine and its methyl derivatives // Spectrochim. Acta 1990. -V. 46A, № 3. - P. 355-361.

9. Stewart R.F., Jensen L.H. Redetermination of the crystal structure of uracil. // Acta Crystallogr. 1967. -V. 23, № 6. - P. 1102-1105.

10. Green D.W., Mathews F.S., Rich A. Crystal and molecular structure of N-methyluracil // J. Biol. Chem. 1962. -V. 237, № 19. - P. 3573-3575.

11. Fallon L. Crystal and molecular structure of 5-fluorouracil // Acta Crystallogr., Sect. В -1973. -V. 29, № 11. P. 2549-2556.

12. Ozeki K., Sakabe N., Tanaka J. Crystal structure of thymine // Acta Crystallogr., Sect. В -1969. -V. 25, № 6. P. 1038-1045.

13. Cavaliery L.F., Bendich A. The ultraviolet absorption spectra of pyrimidines and purines // J. Am. Chem. Soc. 1950. -V. 72, № 6. - P. 2587-2594.

14. Iza N., Gil M., Marcillo J. Identification and tautomeric species of uracil by second derivative UV absorption spectroscopy // J. Mol. Struct. 1988. -V. 175, № 1. - P. 31-36.

15. Jonas J., Gut J. Nucleic acid components and their analogues. XII. Electronic absorption spectra of 6-azauracil and related compounds // Collect. Chechosl. Chem. Commun. — 1961. -V. 26, № 12. P. 2155-2163.

16. Katrizky A.R., Waning A.J. Tautomeric azines. Part I. The tautomerism of 1-methyluracil and 5-bromo-1-methyluracil // J. Chem. Soc. 1962. №5. - P. 1540-1544.

17. Иванов С.П. Изучение кето-енольного равновесия некоторых производных урацила в водных растворах: Автореферат дисс. канд. хим. наук. Уфа; 2003. 22 с.

18. Sobell Н.М., Tomita К. The structures of salts of methylated purines and pyrimidines. III. 1-Methyluracil hydrobromide // Acta Ciyst. 1964. - V.17. - P.122 - 126.

19. Taqui Khan M.M., Sataryanrayana S., Jioty M.S., Abraham Lincoln Ch. Thermodynamic quantities associated with interaction of thymine, uracil, cytosine, adenine and hypoxanthine with metal ions // Ind. J. Chem. 1983. - V. 22A. - P.357 - 363.

20. Shugar D., Fox J.J. Spectrophotometric studies of nucleic acid derivatives and related compounds as a function of pH // Biochim. Biophys. Acta 1952. - V.9. - P. 199-218.

21. Shapiro R., Kang S. Buffer-catalyzed tautomerism of uracil monoanion // Biochim. Biophys. Acta 1971. - V.232, №1. - P. 1-4.

22. Wempen I., Fox J. Spectrophotometric studies of nucleic acid derivatives and related compounds. VI. On the structure of certain 5- and 6-halogenouracils and -cytosines // J. Am. Chem. Soc. 1964. - V. 86, №12. - P. 2474-2477.

23. Lippert B. Uracil and thymine monoanions in solution: differentiation of tautomers by laser Raman spectroscopy // J. Raman spectroscopy 1979. - V. 8, №5. - P. 274 - 278.

24. Sagarik K.P., Rode B.M. Quantum chemical investigations on group LA and IIA metal ion DNA base complexes // Inorg. Chim. Acta - 1983. - V.76. - P.L209 - L212.

25. Perahia D., Pullman A., Pullman B. Cation-binding to biomolecules. IV. An ab anitio study on the interaction of Na+ with the purine and pyrimidine bases of the nucleic acids // Theoret. Chim. Acta (Berl.) 1977. - V. 43. - P. 207 - 214.

26. Carrabine J.A., Sundarilangam M. Mercury binding to nucleic acids. Crystal and molecular structures of 2:1 complexes of uracil-mercuric chloride and dihydrouracil — mercuric chloride // Biochemistry. 1971. - V. 10. - P. 292.

27. Fischer В., Preut H., Lippert В., Schollhorn H., Thewalt U. Alkali nucleobase interactions: involvement of 1-methyluracil and 1-methylthymine inNa+ binding // Polyhedron - 1990. - V.9, №18. - P. 2199 - 2204.

28. Singh U.P., Ghose R., Ghose A.K. Complexes of some trase metal ions with 5-fluorouracil // Inorganica Chimica Acta 1987. - V.136. - P. 21 - 24.

29. Singh U.P., Ghose R., Ghose A.K. Characterization of metal chelation with a mutagenic agent, 5-bromouracil // Bull. Chem.Soc.Jpn. 1990. - V. 63. - P. 1226 - 1229.

30. Singh U.P., Singh B.N., Ghose A.K., Singh R.K., Sodhi A. Synthesis, characterization, and antitumor activity of 5-iodouracil complexes // J. Inorg. Biochem. 1991. - V. 44. - P. 277 -282.

31. Lim M.C., Martin R.B. Coordination of uridine and adenosine to Pd(II) and Pt(II) complexes //J.Inorg. Nucl. Chem. 1976. - V.38. -P.1915 - 1918.

32. Simpson R.B. Association constants of methylmercuric and mercuric ions with nucleosides // J.Am. Chem.Soc. 1964. - Y.86, № 10. - P. 2059-2065.

33. Mansy S., Wood Т.Е., Sprowles J.C., Tobias R.S. Heavy metal-nucleotide interactions. Binding of methylmercury(II) to pyrimidine nucleosides and nucleotides. Studies by Raman difference spectroscopy // J. Am. Chem. Soc. 1974. - V.96, №6. - P. 1762-1770.

34. Guay F., Beauchamp A. Role of the carbonyl groups in the N3-coordinated thymine ring. Crystal structure of (l-methylthyminato)methylmercury(II) hemihydrate and its mixed compound with sodium nitrate // Inorg.Chim.Acta 1982. - V. 66. - P. 57-63.

35. Aoki K., Saenger W. Structure of (l-methyluracilato)silver(I), Ag(C5H5N202). // Acta Cryst. 1984. -V. C40. - P. 775 - 778.

36. Guay F., Beauchamp A.L. Model compounds for the interaction of silver(I) with polyuridine. Crystal structure of 1:1 silver complex with 1-methylthymine // J. Am. Chem. Soc. 1979. - V.101, №21. - P. 6260 - 6263.

37. Lumme P., Mutikainen I. The structure of diamminediaquabis(uracilato)nickel(II) // Acta Crystallogr., sect. В 1980. - V. 36. - P. 2251-2254.

38. Lippert В., Pfab R., Neugebauer D. The role of N(l) coordinated thymine in 'platinum thymine blue' // Inorg. Chim. Acta 1979. - Y.37. - P.L495 - L497.

39. Lumme P., Mutikainen I. The structure of triaquabis(uracilato)cadmium(II) // Acta crystallogr., sect. В 1980. - V. 36. - P. 2237-2240.

40. Kosturko L.D., Folzer C., Stewart R.F. The crystal and molecular structure of a 2:1 complex of l-methylthymine-mercury(II) // Biochemistry- 1974. V.13, №19. - P. 39493852.

41. Cartwright B.A., Goodgame M., Johns K.W., Skapski A.C. Strong metal-oxygen interaction in uracils // Biochem. J. 1978. - V.175. - P. 337.

42. Goodgame M., Johns K.W. Metal complexes of uracil and thymine // J. Chem.Soc., Dalton Trans., 2- 1977.-P. 1680.

43. Goodgame M., Johns K.W. Metal-oxygen binding by uracil:metal complexes of 1,3-dimethyluracil // Inorganica Chimica Acta 1978. - V.30. - P. L335-L337.52.53,54,55,56