Журнал физической химии, 2021, T. 95, № 7, стр. 1051-1058

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Полуэмпирические квантово-химические расчеты выполняли в программном пакете HyperChem 8.0. Оптимизацию геометрии проводили полуэмпирическим методом РМ3 [12] в вакууме. Для оптимизации молекулярной геометрии использовали алгоритм Polak-Ribiere с ограничением по градиенту 0.0001 ккал/(Å моль) и по числу циклов (1000). Расчет электронных спектров осуществляли в условиях однократного возбуждения и только для синглетных состояний при конфигурационном взаимодействии при ограничении по энергии (10 эВ) в РМ3 и ZINDO/S.

В работе использовали экспериментальные значения длин волн, полученные для растворителя (метанол – 1% HCl), как в работе [7]: 499 нм – для аурантинидина (3,4',5,6,7-тетрагидроксифлавилия); 520 нм – для пеларгонидина (3,4',5,7-тетрагидроксифлавилия); 535 нм – для цианидина (3,3',4',5,7-пентагидроксифлавилия); 546 нм – для дельфинидина (3,3',4',5,5',7-гексагидроксифлавилия).

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Расчеты флавилиевых ионов. При выполнении расчетов было установлено, что результат (значение λ_max) зависит от ориентации гидроксильных групп в структуре флавилиевых ионов. В цитированных выше работах на ориентацию этих групп вообще не было обращено внимания, за исключением ориентации ОН-группы в положении 3, в одном из которых нарушается планарность молекулы [7]. Ориентацию ОН-групп в ионе антоцианидина обозначали знаками +, если ОН-группа ориентирована по направлению движения часовой стрелки, и знаком – для групп с противоположной ориентацией (схема 3).

Схема 3.

Структура флавилиевой формы пеларгонидина.

Полученные значения полной энергии частицы, длины волны электронного перехода в спектре поглощения и величины дипольных моментов для иона пеларгонидина – антоцианидина – с наименьшим среди обычных природных антоцианидинов числом гидроксильных групп, представлены в табл. 1.

Различие между расчетными длинами волн полосы абсорбции (λ_max) для различных (кроме ОН-группы в положении 3) ориентаций гидроксильных групп составили ~9 нм (от 485.62 до 494.55 нм). При этом разность в энергиях конформаций составила не более 3.84 ккал/моль, что сопоставимо с энергией теплового движения молекул. Поэтому в качестве ориентировочного параметра можно взять среднее значение λ_max = = 489.29 нм. Однако вследствие быстрых (вертикальных) переходов электрона в различных конформациях реальные спектры будут суммой спектров индивидуальных конформаций с весом, определенным, например, при конформационном анализе. Таким образом, полоса в спектре антоцианов или антоцианидинов может быть уширенной и несимметричной даже при наличии только одного разрешенного перехода.

Анализ данных табл. 1 показывает, что значительный вклад в энергию состояния вносит ориентация дипольного момента в положении 5: при направлении + значение λ_max = 486.5 ± 0.9 нм, а при противоположном направлении λ_max = 493.5 ± ± 1.4 нм. Из двух способов расчета (PM3 и ZINDO/S) первый дает результаты, более близкие к экспериментальному значению (520 нм), поэтому в дальнейшем применяли именно этот метод.

При расчетах были исключены ориентации ОН-группы в положении 3 против часовой стрелки, как приводящие к очень большим стерическим напряжениям в частице и к нарушению планарности. Так, для конформации со всеми отрицательными направлениями ОН-групп (при плоской структуре всех конформаций с положительной ориентацией ОН-группы в положении 3 торсионный угол О₁–С₂–С_1'–С_2' возрастает до 45.5°, но уменьшение сопряжения между кольцом В и С почти не влияет на положение λ_max. Для ориентации + ОН-группы в положении 5 этот же торсионный угол мало изменяется (до 47°), а λ_max гипсохромно сдвигается на ~14 нм (от 483.2° до 469.5°).

Корреляция между λ_max и величиной дипольного момента в настоящей работе не обнаружена для частицы в вакууме. Но, вполне вероятно, что этот параметр может иметь значение при сольватохромных эффектах при переходе от вакуума к реальным полярным растворам, при этом расширяется диапазон возможных значений λ_max для различных конформаций частицы.

При переходе к цианидину, для которого возможны два типа конформаций с торсионными углами по цепи связей С₂–О₁–С_1'–C_2', равными 0° для типа I и 180° для типа II, и к дельфинидину (содержит шесть ОН-групп) число возможных различных ориентаций гидроксид-ионов заметно возрастает, поэтому расчет всех возможных длин волн не производили. Результаты расчетов для некоторых ориентаций ОН-группы для флавилиевой формы цианидина, представлены в табл. 2.

Разброс λ_max составил менее 6 нм для положительных ориентаций ОН-группы в положении 3 при среднем значении λ_max = 501.4 нм, и при разности энергий начальных состояний менее 5 ккал/моль. Следовательно, расчет предсказывает батохромный сдвиг λ_max при переходе от пеларгонидина к цианидину на 12 нм, что несколько меньше экспериментально найденного различия в длинах волн (15 нм). Для отрицательной ориентации ОН-группы в положении 3 наблюдаются, как и в случае пеларгонидина, выход кольца из плоскости сопряжения и расширение диапазона λ_max для электронных переходов в различных конформациях. В поддержку предложенной выше идеи о том, что электронные спектры поглощения могут быть суперпозицией индивидуальных спектров различных конформаций, рассмотрим экспериментальный спектр поглощения цианидина (записан в кювете детектора при разделении антоцианидинов методом обращенно-фазовой ВЭЖХ в подвижной фазе 10 об. % муравьиной кислоты и 14 об. % ацетонитрила, рис. 1).

Рис. 1.

Представление электронного спектра поглощения цианидина индивидуальными полосами гауссового типа.

Как следует из рис. 1, экспериментальный спектр цианидина – сложная суперпозиция нескольких индивидуальных полос при наличии только одного разрешенного перехода по данным квантово-химических расчетов для каждой из конформаций частицы. Отметим, что анализ экспериментальных спектров поглощения ни в одной из цитированных работ не производили, а его сложная структура может быть следствием вертикальности переходов электрона для всего набора существующих конформаций.

Для дельфинидина диапазон разброса λ_max для восьми случайно выбранных конформаций составил 20 нм при среднем значении 505.7 нм, что предсказывает батохромный сдвиг полосы поглощения при переходе от цианидина к дельфинидину, в согласии с экспериментальными данными (изменение λ_max от 535 до 546 нм). При этом наблюдаемый рост λ_max коррелирует с ростом энергии частицы в основном состоянии; такая же зависимость найдена и для цианидина, но если результаты сгруппировать по типам конформаций (рис. 2, для возможности сопоставления трех зависимостей на одном графике поменяли оси координат).

Рис. 2.

Корреляция между и расчетными значениями максимумов полос электронных спектров поглощения и расчетными значениями энергий конформаций основного электронного состояния цианидина (1 – тип конформаций I, 2 – тип конформаций II) и дельфинидина (3).

Переход от пеларгонидина к аурантинидину благодаря добавлению ОН-группы в положение 6 при ориентации всех групп по часовой стрелке привел к гипсохромному сдвигу полосы поглощения на 9 нм, что соответствует направлению изменения λ_max в экспериментальных электронных спектрах.

К сожалению, расчет изменения электронных спектров поглощения при метилировании ОН-групп в цианидиновом (для пеонидина) и дельфинидиновом (для петунидина и мальвидина) рядах квантово-химическим методом оказался малоперспективным. Это связано с найденным большим диапазоном длин волн для различных конформаций флавилиевых ионов при том, что экспериментальные значения длин волн остаются без изменения в первом случае и последовательно вырастают лишь на 1.0–1.5 нм во втором ряду.

Расчеты хиноноидных структур. Для пеларгонидина возможно существование трех различных хиноноидных структур, которые могут быть названы по положению кето-группы как 4', 5 и 7-структуры (схема 4).

Схема 4.

Хиноноидные структуры пеларгонидина.

При расчетах исключили структуры, в которых ориентация гидроксильной группы в положении 3 была против часовой стрелки, из-за больших стерических напряжений, вследствие которых молекула принимает сложную неплоскую конформацию.

В случае 4'-хиноноидной структуры изменение ориентации ОН-групп в положениях 5 и 7 мало влияет на величины длин волн в максимуме абсорбции, (табл. 3), но среднее значение 405.3 ± 0.7 нм никак не согласуется с мнением о небольшом батохромном смещении длины волны полосы при переходе от флавилиевой к хиноноидной форме [9, 11, 13]. Для наиболее устойчивой (по энергии) 5-хиноноидной формы максимум смещен до 455.2 ± 0.7 нм, но эта полоса по-прежнему смещена гипсохромно относительно полосы флавилиевой формы. В работе [9] по расчетам для ряда синтетических антоцианов с известными спектральными характеристиками для флавилиевых и хиноноидных структур было отмечено, что расчеты λ_max для хиноноидных структур, выполненные полуэмпирическим методом, оказались менее удачными, чем по вариантам в рамках теории функционала электронной плотности. Впрочем, в работе [14] незаряженная хиноноидная форма не упоминается вообще, и изменение окраски приписывают появлению одно- и двукратно-заряженных хиноноидных структур. А по нашим данным, отчетливая пурпурная окраска возникает только для антоцианов, ацилированных замещенными коричными кислотами, и поэтому такое смещение полосы поглощения может быть следствием внутримолекулярной копигментации [15].

К неожиданностям структурных особенностей хиноноидных форм (при сравнении с флавилиевой формой) можно отнести влияние положения карбонильной группы на планарность структур даже при положительной ориентации гидроксильной группы в положении 3 (табл. 4). Только 4'-хиноноидная форма планарна во всех конформациях, а для 5- и 7-хиноноидных структур наблюдается выход сопряженных связей из плоскости. Изменение валентного угла при атоме углерода № 2 (О₁–С₂–С_1'), указывает на отталкивание кольца В от кольца С по стерическим причинам. Эти же причины вызывают изменение торсионных углов: угла О₁–С₂–С_1'–С_2', выводящего из плоскости сопряжения кольцо В с кольцами А и С, и угла С₂–С₃–О_С3–Н, частично выводящего ОН-группу из плоскости молекулы. Но ослабление сопряжения при этом приводит к росту длины волны в максимуме полосы поглощения.

Расчеты заряженных хиноноидных структур. Специфика заряженных хиноноидных структур с зарядом –1 состоит в том, что существуют две эквивалентные формы, например,

• 4'-хиноноидная структура с потерей протона гидроксильной группой в положении 7,

• 7-хиноноидная структура с потерей протона гидроксильной группой в положении 4'.

Обе имеют заметное искажение структуры, включая изменение ориентации гидроксильной группы в положении 3. Для них найден значительный батохромный сдвиг максимума абсорбции до 550–560 нм (табл. 5). Появление именно такой структуры может обеспечить экспериментально наблюдаемое в ряде случаев образование синей окраски при повышении рН водных растворов антоцианов. При этом следует учесть, что все расчетные длины волн полос поглощения, найденные в настоящей работе, смещены гипсохромно относительно экспериментальных значений. Это может быть следствием сольватохромного эффекта, тем более, что он наблюдается уже и при замене метанола на воду в качестве растворителя по нашим данным (при указанной замене наблюдается гипсохромный сдвиг на 10–20 нм). Возможность существования подобных структур среди антоцианов велика, поскольку положения 7 и 4' обычно остаются свободными от заместителей. Две другие эквивалентные пары структур могут встречаться в природе реже из-за частого гликозилирования ОН-группы в положении 5, но и для них получен заметный, хотя и менее выраженный гипсохромный сдвиг полос поглощения (табл. 5).

Для двукратно заряженных анионных структур, которые неожиданно разделились на две не совсем эквивалентные структуры, (табл. 6) характерно резкое падение длины волны максимума полосы поглощения до желтой области электромагнитного спектра, что согласуется с экспериментально наблюдаемыми для антоцианов изменениями в щелочных средах с образованием вначале зеленых растворов (как смеси синих с желтыми форм), постепенно заменяющихся (даже при стоянии) на окрашенные в желтый цвет растворы.