Електронна структура та міжмолекулярні взаємодії комплексу бензойна кислота–етанол: спектроскопія коробінаційного разміну, DFT та аналіз молекулярного докінгу
Анотація
У цій роботі ми досліджували міжмолекулярні взаємодії в бензойній кислоті та її етанольних розчинах за допомогою раманівської спектроскопії та квантово-хімічних підходів. Аналіз спектрів комбінаційного розсіювання показав, що додавання етанолу викликає значні зміни в коливальному спектрі бензойної кислоти. Ці зміни в першу чергу зумовлені ефектами розчинника та утворенням водневих зв’язків і найбільш виражені в режимах коливань, що відповідають карбоксильній групі. Майже інваріантність ароматичного кільця підтверджує збереження структурної цілісності молекули. Теоретичні розрахунки були виконані на рівні DFT, що забезпечує ретельний аналіз електронної структури та енергетичних характеристик системи. Поверхню молекулярного електростатичного потенціалу (MEP) використовували для ідентифікації реакційноздатних центрів у молекулі; атоми кисню карбоксильної групи виникли як основні багаті електронами нуклеофільні центри, тоді як група –OH етанолу відіграла значну роль у формуванні водневих зв’язків. Орбітальний аналіз HOMO–LUMO продемонстрував перерозподіл електронної густини під час утворення комплексу та збільшення реакційної здатності системи. Результати молекулярного докінгу також підтвердили здатність бензойної кислоти взаємодіяти з біологічно активним сайтом зв’язування. Під час розрахунків молекула прийняла стабільну конформацію в межах активного центру білка, утворюючи комплекс через водневі зв’язки та інші слабкі міжмолекулярні взаємодії. Ці висновки узгоджуються з MEP та аналізом електронної структури, демонструючи тісний зв’язок між квантово-хімічними властивостями молекули та її потенційною біологічною активністю. Дослідження розкривають механізм міжмолекулярних взаємодій у системі бензойна кислота–етанол і дають вичерпне пояснення того, як ці взаємодії впливають на коливальні властивості молекули, електронну структуру та поведінку в біологічному середовищі.
Завантаження
Посилання
Howard, D. L., Kjaergaard, H. G., Huang, J., & Meuwly, M. Infrared and near-infrared spectroscopy of acetylacetone and hexafluoroacetylacetone. The Journal of Physical Chemistry A, 119(29), 7980–7990 (2015). https://doi.org/10.1021/acs.jpca.5b01863
Trivella, A., Wassermann, T. N., Mestdagh, J. M., Tanner, C. M., Marinelli, F., Roubin, P., & Coussan, S. New insights into the photodynamics of acetylacetone: isomerization and fragmentation in low-temperature matrixes. Physical Chemistry Chemical Physics, 12(29), 8300–8310 (2010). https://doi.org/10.1039/C003593A
Jumabaev, A., Koyambo-Konzapa, S. J., Hushvaktov, H., Absanov, A., Khudaykulov, B., Holikulov, U., et al. Intermolecular interactions in water and ethanol solution of ethyl acetate: Raman, DFT, MEP, FMO, AIM, NCI-RDG, ELF, and LOL analyses. Journal of Molecular Modeling, 30(10), 349 (2024). https://doi.org/10.1007/s00894-024-06147-0
Jumabaev A., Absanov A., Ernazarov Z., Shodiyev A., Umarov S. Raman spectra and ab initio calculation analysis of intermolecular interactions in ethyl acetate, Journal of Samarkand State University, 139(1), 5–12 (2023). https://doi.org/10.59251/2181-1296.2023.v4.139.1.2085
Jumabaev A., Absanov A.A., Khudaykulov B.B., Ernazarov Z.I. Investigation of intermolecular interactions in butyl acetate using vibrational spectroscopy and nonempirical calculations, Uzbek Physical Journal. 25(4), (2023). https://doi.org/10.52304/.v25i4.471
Pinzi, L., & Rastelli, G. Molecular docking: shifting paradigms in drug discovery. International Journal of Molecular Sciences, 20(18), 4331 (2019). https://doi.org/10.3390/ijms20184331
Morris, G. M., Huey, R., Lindstrom, W., Sanner, M. F., Belew, R. K., Goodsell, D. S., & Olson, A. J. AutoDock4 and AutoDockTools4: Automated docking with selective receptor flexibility. Journal of Computational Chemistry, 30(16), 2785–2791. https://doi.org/10.1002/jcc.21256
Trott, O., & Olson, A. J. (2010). AutoDock Vina: improving the speed and accuracy of docking with a new scoring function, efficient optimization, and multithreading. Journal of Computational Chemistry, 31(2), 455–461 (2009). https://doi.org/10.1002/jcc.21334
Parr, R. G. Density functional theory of atoms and molecules. In Horizons of Quantum Chemistry, (Springer, Dordrecht, Netherlands, 1989), pp. 5–15. https://doi.org/10.1007/978-94-009-9027-2_2
Koopmans, T. Ordering of wave functions and eigenenergies to the individual electrons of an atom, Physica, 1, 104–113 (1933).
Politzer, P., & Murray, J. S. The fundamental nature and role of the electrostatic potential in atoms and molecules. Theoretical Chemistry Accounts, 108(3), 134–142 (2002). https://doi.org/10.1007/s00214-002-0363-9
Bader, R. F. Everyman's derivation of the theory of atoms in molecules, The Journal of Physical Chemistry A, 111(32), 7966 7972 (2007). https://doi.org/10.1021/jp073213k
Koch, D., Pavanello, M., Shao, X., Ihara, M., Ayers, P. W., Matta, C. F., et al. The analysis of electron densities: From basics to emergent applications. Chemical Reviews, 124(22), 12661–12737 (2024). https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.4c00297
John R. Ferraro, Kazuo Nakamoto and Chris W. Brown. Introductory Raman Spectroscopy, (Elsevier, 2003).
Ferraro J.R., Nakamoto K., Brown C.W. Recent Developments in Atomic Force Microscopy and Raman Spectroscopy for Materials Characterization. Introductory Raman Spectroscopy, (Academic Press, 2003). http://dx.doi.org/10.5772/intechopen.97257
Daina, A., Michielin, O., & Zoete, V. Swiss Target Prediction: updated data and new features for efficient prediction of protein targets of small molecules. Nucleic Acids Research, 47(W1), W357–W364 (2019). https://doi.org/10.1093/nar/gkz382
Becke, A. D. Density-functional thermochemistry. III. The role of exact exchange. The Journal of Chemical Physics, 98(7), 5648 5652 (1993). https://doi.org/10.1063/1.464913
Burke, K. Perspective on density functional theory, The Journal of Chemical Physics, 136(15), (2012). https://doi.org/10.1063/1.4704546
Gordon, A. G., AND Ford, R. A. The Chemist's Companion: A Handbook of Practical Data, Techniques, and References, (Wiley, 1973).
Frisch, M.J. et al. Gaussian 09, Revision D.01. Gaussian, Inc., Wallingford, (2009).
Lee, C., Yang, W., & Parr, R. G. Development of the Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron density, Physical Review B, 37(2), 785 (1988). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.37.785
Krishnan, R. B. J. S., Binkley, J. S., Seeger, R., & Pople, J. A. Self-consistent molecular orbital methods. XX. A basis set for correlated wave functions, The Journal of Chemical Physics, 72(1), 650–654 (1980). https://doi.org/10.1063/1.438955
Moberly, J. G., Bernards, M. T., Waynant, K. V. Key features and updates for Origin 2018, J. Cheminform., 10(5), (2018). https://doi.org/10.1186/s13321-018-0259-x
Dennington, R.; Keith, T. A.; and Millam, J. M. GaussView Version 6.0. Semichem Inc., Shawnee Mission, KS, (2016).
Trott, O., & Olson, A. J. AutoDock Vina. Journal of Computational Chemistry, 31(2), 455–461 (2010). https://doi.org/10.1002/jcc.21334
Dallakyan, S., & Olson, A. J. Small-molecule library screening by docking with PyRx, in: Chemical Biology: Methods and Protocols, (Springer New York, 2014), pp. 243–250. https://doi.org/10.1007/978-1-4939-2269-7_19
Smith, E., & Dent, G. Modern Raman Spectroscopy: A Practical Approach, (John Wiley & Sons, (2019).
Kolesov, B. A. Hydrogen bonds: Raman spectroscopic study. International Journal of Molecular Sciences, 22(10), 5380 (2021). https://doi.org/10.3390/ijms22105380
Socrates, G. Infrared and Raman Characteristic Group Frequencies: Tables and Charts, (John Wiley & Sons, 2004).
Ferraro, J. R., Nakamoto, K., Brown, C. W. Introductory Raman Spectroscopy, (Academic Press, 2003).
Meenakshi, R. Experimental (FT-IR and FT-Raman) and spectroscopic investigations, electronic properties and conformational analysis. RSC Advances, 6(26), 21822–21831 (2016). https://doi.org/10.1039/C6RA00092D
Burikov, S., Dolenko, T., Patsaeva, S., Starokurov, Y., & Yuzhakov, V. Raman and IR spectroscopy research on hydrogen bonding in water–ethanol systems. Molecular Physics, 108(18), 2427–2436 (2010). https://doi.org/10.1080/00268976.2010.516277
Rozenberg, M., Loewenschuss, A., & Marcus, Y. An empirical correlation between stretching vibration redshift and hydrogen bond length. Physical Chemistry Chemical Physics, 2(12), 2699–2702 (2000). https://doi.org/10.1039/B002216K
Max, J. J., Chapados, C. Infrared spectroscopy of aqueous carboxylic acids. Journal of Chemical Physics, 116, 4626–4642 (2002). https://doi.org/10.1021/jp036401t
Suresh, C. H., Remya, G. S., & Anjalikrishna, P. K. Molecular electrostatic potential analysis: A powerful tool to interpret and predict chemical reactivity. Wiley Interdisciplinary Reviews: Computational Molecular Science, 12(5), e1601 (2022). https://doi.org/10.1002/wcms.1601
Koyambo-Konzapa S.-J., Oubella A., Issaoui N., et al., Molecular structure, spectroscopic (FT-IR, NMR and UV–Vis), electronic properties, molecular docking, and molecular dynamics studies on novel thiazolidinone derivative, J. Mol. Struct. 1318, 139301 (2024). https://doi.org/10.1016/j.molstruc.2024.139301
Jumabaev, A. et al. Insights into Amyl Acetate–Chloroform Interactions: Vibrational Spectroscopy and Quantum Topology Study. Ukrainian Journal of Physics, 71(1), 28–38 (2026). https://doi.org/10.15407/ujpe71.1.28
Jumabaev, A. et al. Vibrational spectra and computational study of amyl acetate: MEP, AIM, RDG, NCI, ELF, and LOL analysis. Ukr. J. Phys. 69, 742 (2024). https://doi.org/10.15407/ujpe69.10.742
Jalbout, A. F., Trzaskowski, B., & Hameed, A. J. Theoretical investigation of the electronic structure of 1-(3,4;3,5 and 3,6-bis-selenocyanato-phenyl)pyrrolidinofullerenes. Journal of Organometallic Chemistry, 691(22), 4589–4594 (2006). https://doi.org/10.1016/j.jorganchem.2006.06.041
Jalbout, A. F., Hameed, A. J., & Trzaskowski, B. Study of the structural and electronic properties of 1-(4,5 and 6-selenenyl derivatives-3-formyl-phenyl)pyrrolidinofullerenes. Journal of Organometallic Chemistry, 692(5), 1039–1047 (2007). https://doi.org/10.1016/j.jorganchem.2006.10.068
Khudaykulov, B., Norkulov, A., Holikulov, U., Absanov, A., Doroshenko, I., & Jumabaev, A. Raman and DFT study of non-covalent interactions in liquid benzophenone and its solutions. Low Temperature Physics, 51(2), 220–230 (2025). https://doi.org/10.1063/10.0035406
Akman, F., Issaoui, N., & Kazachenko, A. S. Intermolecular hydrogen bond interactions in the thiourea/water complexes: X-ray, DFT, NBO, AIM, and RDG analyses. Journal of Molecular Modeling, 26(6), 161 (2020). https://doi.org/10.1007/s00894-020-04423-3
Bader, R. F. Definition of molecular structure: by choice or by appeal to observation? The Journal of Physical Chemistry A, 114(28), 7431–7444 (2010). https://doi.org/10.1021/jp102748b
Rozas, I., Alkorta, I., & Elguero, J. Behavior of ylides containing N, O, and C atoms as hydrogen bond acceptors. Journal of the American Chemical Society, 122(45), 11154–11161 (2000). https://doi.org/10.1021/ja0017864
Tang, T. H., Deretey, E., Knak Jensen, S. J., & Csizmadia, I. G. Hydrogen bonds: Relation between lengths and electron densities at bond critical points. The European Physical Journal D, 37(2), 217–222 (2006). https://doi.org/10.1140/epjd/e2005-00317-0
Espinosa, E., Molins, E., & Lecomte, C. Hydrogen bond strengths revealed by topological analyses of experimentally observed electron densities. Chemical Physics Letters, 285(3–4), 170–173 (1998). https://doi.org/10.1016/S0009-2614(98)00036-0
Pinzi, L., & Rastelli, G. Molecular docking: shifting paradigms in drug discovery. International Journal of Molecular Sciences, 20(18), 4331 (2019). https://doi.org/10.3390/ijms20184331
Daina, A., Michielin, O., & Zoete, V. SwissTargetPrediction: updated data and new features for efficient prediction of protein targets of small molecules. Nucleic Acids Research, 47(W1), W357–W364 (2019). https://doi.org/10.1093/nar/gkz382
Авторське право (c) 2026 Абдувахід Джумабаєв, Хакім Хушвактов, Ахмад Абсанов, Асліддін Норкулов, Зохід Ерназаров, Леонід Булавін
Цю роботу ліцензовано за Міжнародня ліцензія Creative Commons Attribution 4.0.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
