Введение 6
1 Физико-химические свойства супероксидного
анион-радикала (о2-) 8
2 Водорастворимые производные фуллерена 10
2.1 Полигидроксилированный фуллерен С60(ОН)24 11
2.2 Антиоксидантная активность фуллеренола 12
2.2.1 Механизм антиоксидантной активности фуллеренола 13
2.2.2 Исследования антиоксидантных свойств фуллеренола на
сегодняшний день 14
3 Теоретические методы и методики исследования 20
3.1 ЭТТ - теория функционала плотности 20
3.1.1 ТЭЛ - Приближение локальной плотности 23
3.1.2 Гибридный метод функционала плотности ВЗЬУР 25
3.2 Полуэмпирический метод 27
3.3 Поляризуемость как специфическая характеристика процесса
переноса электрона 28
3.4 Техника безопасности 35
3.4.1 Организация рабочего места с ПК, ПЭВМ 35
3.4.2 Общие требования безопасности при работе на ПК, ПЭВМ 37
3.4.3 Требования безопасности по завершению работы с ПК, ПЭВМ .. 38
4 Компьютерное моделирование полигидроксилированных фуллеренов
на примере С60(ОН)24 - фуллеренола 39
4.1 Компьютерное моделирование антиоксиданта фуллеренола 39
4.2 Расчет распределения электронной плотности фуллеренола С60(ОН)24
методом функционала плотности 42
5 Изучение полуэмпирическим методом РМ3 механизма дезактиваии
супероксид-иона фуллеренолом 45
5.1 Результаты расчетов энергии элементарных стадий редокс реакций фуллеренола с двумя диссоциированными до О- ОН- группами 45
5.2 Результаты расчетов энергии элементарных стадий редокс реакций
фуллеренола с не диссоциированными до О-ОН- группами 49
Заключение 52
Библиографический список 53
В природе существует тонкое равновесие между биологическими процессами, ответственными за выработку активных форм кислорода (АФК), а также процессами их удаления. Супероксидный-радикал 02-- является продуктом кислородного обмена в организме [1]
Однако может возникнуть дисбаланс между выработкой свободных радикалов и их удалением. Избыток свободных радикалов пагубно действует на живые клетки организма. В результате чего это может привести к окислительному стрессу, где преобладание АФК приводит к различным заболеваниям [2], особенно к преждевременному старению [3] и патологическим изменениям, которые являются причиной появления рака. Свободные радикалы - это высокореактивные частицы, которые взаимодействуют с другими клеточными структурами.
Таким образом, антиоксиданты используются в лечении воспалительных заболеваний [4, 5], для того, чтобы впитать свободные радикалы и свести на нет их вредное воздействие.
Широкое применение водорастворимых производных С60 связано с их антиоксидантной активностью, которая возникает благодаря тому, что в основании лежит уникальная структура фуллерена: он известен как «радикальная губка» из-за его высокого сродства к электронам и многочисленных двойных связей, которые могут быть атакованы свободнорадикальными видами, тем самым «поглощая» их из окружающей среды.
Полигидроксилированные фуллерены принадлежат к группе антиоксидантных наночастиц. Они представляют собой класс фуллеренов, который имеет много гидроксильных групп, образованных в результате химической модификации ковалентных связей С-О на их сферических поверхностях. Химическая формула С6о(ОН)п, где п - представляет собой различное количество гидроксильных групп [6].
Благодаря гидрофильным свойствам и способности удалять свободные радикалы, фуллеренолы могут стать серьезной альтернативой традиционным фармакологическим средствам в химиотерапии, лечении нейродегенеративных заболеваний и радиобиологии. Спектр биологических эффектов фуллеренов широк: от клеточной защиты, до транспорта лекарственных веществ и нейтрализации [7].
Литературные данные свидетельствуют о том, что фуллеренол С60(ОН)24 обладает сильным антиоксидантным потенциалом [8, 9]. Поэтому исследование и расчет энергетических характеристик взаимодействия полигидроксилированного производного фуллерена С60 с супероксид- радикалом является наиболее актуальным и перспективным.
Цель выпускной квалификационной работы - разработка пространственных моделей протекания окислительно-восстановительных реакций молекулярного кислорода на поверхности фуллеренола С60(ОН)24.
Задачи, необходимые для достижения цели:
1. Провести литературный обзор состояния изученности окислительно-восстановительных реакций инактивации супероксид- радикалов 02-на поверхности фуллеренола.
2. Построить компьютерные модели структур фуллеренола С60(ОН)24.
3. Провести квантово-химический расчёт распределения электронной плотности в структурах С60(ОН)24 фуллеренола.
4. Построить компьютерные модели стадий механизма взаимодействия фуллеренола с супероксид-радикалом 02-.
5. Выполнить квантово-химический расчёт профилей поверхности потенциальной энергии процессов инактивации супероксид-радикалов 02-на поверхности фуллеренола.
В работе достигнута цель - разработаны пространственные модели протекания редокс-реакций кислорода на поверхности фуллеренола С6о(ОН)24. По результатам работы сделаны следующие выводы:
1. На основании анализа литературных данных выделены основные химические реакции изменения реакционной способности супероксид- радикалов О2.- на поверхности фуллеренола: редокс реакция в паре супероксид ионов и протонирование одного супероксид иона.
2. Расчетом полной энергии полуэмпирическим методом РМ3 показана устойчивость пространственной структуры для предложенных компьютерных моделей фуллеренола С60(ОН)24.
3. Методом компьютерного моделирования получено распределение электронной плотности фуллеренола С60(ОН)24 и фуллеренола с двумя диссоцированными ОН- группами с помощью ВЗЬУР с базисом 6-3Ю(б,р).
4. Квантово-химическим полуэмпирическим методом РМЗ вычислены энергетические параметры одного из возможных механизмов каталитической активности фуллеренола, как антиоксиданта за счет переноса электронов и инактивации супероксид-радикалов О2-.
5. С помощью анализа полных энергий равновесных структур всех стадий химических реакций на поверхности фуллеренола С60(ОН)24 :
а) показано, что парам супероксид-радикалов О2- энергетически выгодно стыковаться с поверхностью фуллеренола в соседних позициях.
б) выявлено, что процесс взаимодействия с супероксид-радикалами фуллеренола с двумя диссоциированными ОН- группами, энергетически выгоднее, чем процесс, в случае, когда ОН- группы не диссоциируют до О-.
Полученные в работе результаты свидетельствуют о перспективности и актуальности дальнейшего изучения механизма каталитической активности фуллеренолаС60(ОН)24 в качестве антиоксиданта и лекарственного препарата в медицине.
