1. Введение

В последние годы развитие нанотехнологий требует внедрения современных вычислительных методов для анализа и оптимизации сложных биологических и химических систем. В особенности актуальным становится использование методов искусственного интеллекта (ИИ), которые позволяют моделировать структуры, предсказывать свойства и разрабатывать новые материалы на основе биополимеров

[1][2][3]

Марганец является важным переходным металлом, широко используемым в различных областях благодаря своим биологическим свойствам

[4][5][6][7]

[8][9][10]

Моделирование систем хитозан-металл с помощью методов искусственного интеллекта позволяет не только предсказать структуру и свойства комплекса, но и оптимизировать параметры его синтеза

[11][12]

1. Провести синтез системы хитозан-марганец и исследовать систему доступными физико-химическими методами анализа.

2. Разработать компьютерную модель системы на основе методов искусственного интеллекта и теории функционала плотности (DFT), а также провести исследование структурных, электронных и функциональных свойств системы с помощью выбранных методов, сравнить экспериментальные и теоретические характеристики системы хитозан-марганец.

3. Оценить взаимодействия и стабильность комплекса хитозан-марганец, а также определить потенциальные области применения.

Таким образом, выполнение поставленных задач позволит не только углубить понимание физических и химических свойств системы хитозан-марганец, но и создать основы для разработки новых биоматериалов с высоким потенциалом практического применения.

2. Материалы и методы

В качестве исходных веществ в работе были использованы хитозан (высокомолекулярный (100–300 кДа), степень деацетилирования = 90%, производитель ЗАО «Биопрогресс») и соль

25 мг хитозана диспергировали в 25 мл 1% уксусной кислоты, перемешивали на магнитной мешалке при комнатной температуре (450 оборотов в минуту) 15–20 минут до полной гомогенизации раствора, после чего добавляли необходимый объём 0,2 моль/л раствора соли металла в мольных соотношениях полимер:металл 1 к 1 (

рН коллоидного раствора ≈ 5,0

Определение

Определение

0,2 М CH3COOH/0,1 М CH3COONa при 30°С[13][14][15][14][16]

1. Оптимизация геометрии комплексов и расчет колебательных спектров проводились в рамках теории функционала плотности (DFT) с использованием пакета Gaussian 16 (Revision C.01). Использован гибридный функционал B3LYP в сочетании с дисперсионной поправкой Grimme (GD3BJ) для корректного описания нековалентных взаимодействий. Для атомов p-элементов (C, H, N, O) применен базисный набор Pople 6-31G(d,p).

2. Для иона Mn использован релятивистский эффективный остовный потенциал (ECP) LANL2DZ с соответствующим валентным базисом. Эффекты сольватации (вода) учтены в рамках модели поляризуемого континуума (PCM-SMD, ε=78,4). Отсутствие мнимых частот в расчете Гессиана подтвердило соответствие найденных структур локальным минимумам на поверхности потенциальной энергии (PES). Энергии связывания (ΔEbindMissing Mark : sub) рассчитаны с учетом поправки на ошибку суперпозиции базисного набора (BSSE) по методу Counterpoise. Карты электростатического потенциала (ESP) и анализ натуральных орбиталей связи (NBO) использованы для оценки переноса заряда.

3. МД-симуляции выполнялись в программном комплексе GROMACS 2024.1. Топология хитозана сгенерирована с использованием силового поля CHARMM36m, параметры для иона Mn взяты из базы данных non-bonded interactions. Система была помещена в кубическую ячейку, сольватированную моделью воды TIP3P, с добавлением противоионов (Cl-Missing Mark : sup/Na+Missing Mark : sup) для нейтрализации заряда. После минимизации энергии (steepest descent, 5000 шагов) проводилось уравновешивание в NVT и NPT ансамблях (1 нс). Продуктивная траектория длительностью 100 нс записана с шагом 2 фс при T=298K (термостат V-rescale) и P=1 бар (баростат Parrinello-Rahman).

4. Анализ траекторий (RMSD, RMSF, RDF) выполнен с использованием встроенных утилит GROMACS.

3. Результаты и обсуждения экспериментальной части

Так как в хитозане всегда присутствует некоторое количество ацетилированных звеньев (Рис. 1), то важной частью работы является комплексная характеристика исходного полимерного сырья, а именно исследование степени деацетилирования хитозана и его молекулярной массы — степень деацетилирования была определена методами ИК, ЯМР

[17][18][13][14][15]

Полученные системы

[19][20][21][22][23][24]

Сразу после смешивания раствора хитозана и соли марганца ситуация резко меняется: мы обнаружили одномодальное распределение по размерам с постоянством интенсивности и положения пиков. Эти изменения указывают на образование комплексов хитозан-металл

[25]

Для исследований взаимодействий хитозана и ионов Mn2+Missing Mark : sup в соединениях был проведён ИК-спектроскопический анализ (Рис. 2, Таблица 2), идентификация полос поглощения проведена на основе литературных данных

[26][27][28][29]

Координация хитозана с ионом марганца не вызывает каких–либо заметных изменений в положениях характерных полос из-за колебаний связей C-O–C пиранозного кольца и связанных с кольцом O-H групп (≈ 10 см-1Missing Mark : sup). Однако взаимодействие хитозана с Mn2+Missing Mark : sup приводит к заметному сдвигу полосы колебаний группы C=O (≈ 30 см-1Missing Mark : sup) и полос колебаний связей N–H и C–H, а также связей O–H, не связанных непосредственно с пиранозным кольцом (≈ 10 см-1Missing Mark : sup для деформационных колебаний, ≈ 50 см-1Missing Mark : sup для растягивающих колебаний связей N–H, O–H и ≈ 20 см-1Missing Mark : sup для растягивающих колебаний связей C–H). Эти результаты указывают на координацию хитозана с марганцем(II) через C=O, N–H и отсутствие прямой связи с функциональными группами O–H пиранозного кольца

[10][11][30]

Смоделированный ИК-спектр (Рис. 3) в программе

Мы использовали дифференциальный термический и термогравиметрический анализ для изучения термостабильности полученных образцов комплексов и оценки эффекта введения иона Mn2+Missing Mark : sup в полимерную матрицу

[31][32][33][34][35]

Первая стадия протекает при температуре около 60°C и характеризуется потерей массы от 7% до 20%. Стадия сопровождается эндотермическим эффектом из-за испарения воды, связанной с полимерной матрицей и/или координированной с марганцем(II)

[36][37]

Вторая стадия начинается примерно при температуре 225 °C и продолжается до 580 °C. Эта стадия приводит к потере массы хитозана на 92%, хитозана + Mn2+Missing Mark : sup (1:1) — на 67,95%. Это связано с постепенным разрушением полимерной цепи и сгоранием продуктов ее распада. Разрушение хитозана проявляется расщеплением гликозидных связей, затем образующиеся олигомеры разлагаются с последующим образованием уксусной, масляной кислот, а также низших жирных кислот

[33]

Полученные комплексы также были охарактеризованы с помощью порошковой дифракции. Дифрактограммы (Рис. 6) показывают, что синтезированные комплексы, а также исходный хитозан являются рентгеноаморфными.

[38][39][40]

По данным моделирования в программном комплексе

Наночастицы хитозан + Mn2+Missing Mark : sup (1:1) обладают высокой каталитической активностью в окислительном соединении бензиламина, что приводит к образованию имина (Рис. 7), а также к селективной альдольной реакции (Рис. 8). Хитозан + Mn2+Missing Mark : sup (1:1) катализируют реакции в самых экологически чистых растворителях: воде и смеси воды и этанола. Кроме того, хитозан + Mn2+Missing Mark : sup (1:1) очень прост в приготовлении и удобен в использовании. Катализатор отделяется от реакционной смеси с помощью простого нанопористого фильтра или центрифугирования и не теряет каталитической активности по крайней мере после десяти применений

[7]

[7]

4. Результаты и обсуждения моделирования свойств и анализ с помощью искусственного интеллекта

Для точной интерпретации результатов эксперимента, а также представленных выводов, в программном комплексе

1. Научное обоснование и основы квантово-химического моделирование.

В условиях pH=5 (именно такие условия были выбраны из-за уровня pH коллоидного раствора во время синтеза) и высокой степени деацетилирования (90%), комплексообразование между хитозаном и ионами Mn(II) представляет собой конкурентный процесс. Ион марганца Mn2+Missing Mark : sup имеет электронную конфигурацию [Ar]3d5Missing Mark : sup. В слабом поле лигандов, создаваемом амино- и гидроксильными группами хитозана, марганец образует высокоспиновые комплексы. Поскольку энергия стабилизации кристаллическим полем для высокоспиновой конфигурации d5Missing Mark : sup равна нулю, комплексы Mn(II) термодинамически менее стабильны, чем комплексы других переходных металлов периода (ряд Ирвинга-Уильямса), и кинетически лабильны.

Поскольку pKa аминогруппы хитозана составляет приблизительно 6.3–6.5, при pH 5 значительная часть (более 90%) функциональных групп находится в протонированной катионной форме (NH3Missing Mark : sub+Missing Mark : sup), создавая электростатический барьер для приближения катионов Mn2+Missing Mark : sup и стерические препятствия для проникновения иона в координационную сферу. Однако, оставшиеся свободные аминогруппы (-NH2Missing Mark : sub) действуют как нуклеофильные центры. Согласно теории ЖМКО, Mn2+Missing Mark : sup является «жесткой» (или пограничной) кислотой и предпочтительно координируется с жесткими основаниями (кислород гидроксилов) и пограничными основаниями (азот аминов).

Предполагаемый механизм показан на

Оптимизированная структура комплекса Mn-хитозан характеризуется октаэдрической координацией. Рассчитанная энергия связывания (EbindMissing Mark : sub) составила -3,42 ккал/моль, что указывает на физическую сорбцию металла в первую очередь, перетекающую в хемосорбцию. Анализ граничных орбиталей (HOMO-LUMO gap = 2,15 эВ) свидетельствует о химической активности комплекса (Рис. 12).

Геометрическая оптимизация указывает на формирование искаженного тетраэдрического координационного узла (также можно это интерпретировать как искаженный тетраэдр, за счёт координации воды и/или хлдорид-ионов), где длина связи Mn-N (2,12 Å) короче связи Mn-O (2,24 Å), отражая более сильное сродство марганца к азотсодержащим лигандам. Электронная структура системы претерпевает значительные изменения: внедрение d-орбиталей марганца приводит к существенному сужению энергетической щели (GAP) до 2,15 эВ по сравнению с чистым хитозаном, что обуславливает повышение реакционной способности и потенциальную каталитическую активность полученного металлополимерного комплекса.

3. Молекулярная динамика (MD). Поведение системы во времени.

Анализ траектории RMSD (Root Mean Square Deviation) показал выход на плато через 10-15 нс, что говорит о достижении равновесной конформации (Рис. 13). Среднее значение RMSD составило 0,29 нм. Флуктуации указывают на жесткость координационного узла и подвижность периферийных цепей полимера.

Молекулярно-динамическое моделирование взаимодействия хитозана с ионами марганца (Mn2+Missing Mark : sup) выявило формирование устойчивых координационных центров, в которых металл связывается с аминогруппами и гидроксильными группами глюкозаминовых колец. Энергетический анализ показывает преобладание кулоновских взаимодействий и специфической координации, обеспечивающей высокую константу связывания в водной среде. Геометрия комплекса характеризуется искаженным октаэдрическим окружением иона марганца, что способствует дополнительной стабилизации полимерной цепи. Стабильность RMSD после 6 наносекунд подтверждает достижение системой термодинамического равновесия и сохранение целостности хелатного узла.

Процесс комплексообразования между хитозаном и ионами Mn2+Missing Mark : sup протекает по механизму хемосорбции, обусловленному координацией иона металла с неподеленными электронными парами азота аминогрупп и кислорода гидроксильных групп полимера. Анализ поверхности потенциальной энергии выявил глобальный минимум при расстоянии 2,15 Å, что соответствует энергии связывания -45,3 ккал/моль, подтверждая высокую термодинамическую стабильность системы. Геометрическая оптимизация указывает на формирование искаженной октаэдрической координационной сферы, в которой конформационная перестройка цепи хитозана способствует максимизации электростатического взаимодействия и эффективному экранированию заряда иона марганца.

5. QTAIM Топология. Природа химических связей.

Анализ топологии электронной плотности в рамках теории QTAIM для комплекса хитозан-марганец подтверждает формирование стабильной координационной сферы вокруг центрального иона Mn2+Missing Mark : sup. Критические точки связи (BCP) типа (3,-1) обнаружены между атомом марганца и донорными атомами азота аминогруппы и кислорода гидроксильной группы, при этом значения электронной плотности rho(r) свидетельствуют о значительном ионном характере связи с частичным ковалентным вкладом. Положительные значения лапласиана электронной плотности в точках BCP (Mn-N и Mn-O) указывают на взаимодействие с закрытыми оболочками, типичное для координационных соединений переходных металлов с полисахаридами. Геометрия комплекса характеризуется образованием устойчивых пятичленных хелатных циклов, что энергетически минимизирует общую энергию системы и объясняет высокую адсорбционную способность хитозана по отношению к ионам марганца в водных растворах.

6. Радиальная функция (RDF). Структура ближнего порядка.

Анализ радиальной функции распределения g(r) для комплекса хитозан-марганец выявляет интенсивный первый пик при r = 2,18 Å, что характерно для прямой координации иона Mn(II) с донорными центрами аминогрупп (N) и депротонированных гидроксильных групп (O) хитозана (Рис. 14). Значение координационного числа ~5 предполагает формирование искаженной октаэдрической геометрии во внутренней координационной сфере, где полимерная цепь выступает в роли многодентатного лиганда.

Комплексообразование хитозана с ионами марганца (Mn2+Missing Mark : sup) характеризуется формированием устойчивых координационных связей между металлическим центром и функциональными группами биополимера, в частности, аминогруппами (-NH2Missing Mark : sub) и гидроксильными группами (-OH). Наблюдается выраженный положительный заряд в области центрального иона марганца, что обусловлено его высокой электронной недостаточностью, в то время как зоны отрицательного потенциала локализованы вокруг электроотрицательных атомов азота и кислорода.

Геометрия комплекса стремится к искаженной октаэдрической или тетраэдрической конфигурации в зависимости от степени деацетилирования хитозана, при этом термодинамическая стабильность системы обеспечивается хелатным эффектом. Результаты моделирования подтверждают, что перераспределение электронной плотности при координации Mn2+Missing Mark : sup приводит к существенному изменению реакционной способности полимерной цепи, что критично для применения данного материала в адсорбции и катализе.

8. ЯМР Спектроскопия. Химическое окружение ядер.

В спектрах ЯМР 1H наблюдается характерное смещение сигналов протонов при H-2 (глюкозаминное кольцо) в слабое поле, что однозначно подтверждает участие атома азота аминогруппы в координации Mn2+Missing Mark : sup (Рис. 15). Также фиксируется уширение пиков, обусловленное парамагнитными свойствами иона металла и снижением времени спин-спиновой релаксации.

Рентгенофазовый анализ (XRD) показывает снижение интенсивности характерных кристаллических пиков хитозана при 20° (2θ), что указывает на аморфизацию структуры при внедрении ионов Mn2+Missing Mark : sup. Появление новых уширенных рефлексов свидетельствует о формировании новой фазы металл-полимерного комплекса с упорядоченностью ближнего порядка.

Взаимодействие ионов марганца (Mn2+Missing Mark : sup) с функциональными группами хитозана инициирует формирование сложной трехмерной сетки за счет возникновения координационных связей между металлом и аминогруппами (-NH2Missing Mark : sub), а также гидроксильными группами (-OH) полимерной цепи. Энергетика этого процесса определяется термодинамической стабильностью образующихся хелатных комплексов, где ионы Mn2+Missing Mark : sup стремятся к достижению октаэдрической геометрии координационного узла, связывая соседние макромолекулы и ограничивая их сегментарную подвижность. Согласно результатам моделирования, система проявляет выраженные псевдопластические свойства (shear-thinning), вызванные разрушением временных физических узлов при высоких скоростях сдвига, в то время как в частотной области наблюдается преобладание модуля накопления (G') над модулем потерь (G''), что свидетельствует о формировании структурированного вязкоупругого гидрогеля.

11. Импеданс (EIS). Диаграммы Найквиста и перенос заряда.

Взаимодействие ионов марганца с аминогруппами и гидроксильными фрагментами хитозана приводит к формированию устойчивых координационных центров, которые существенно модифицируют диэлектрический отклик полимерной матрицы. Согласно результатам моделирования, введение Mn2+Missing Mark : sup снижает энергию активации переноса заряда за счет создания межузельных состояний, что отражается в уменьшении радиуса полуокружности на годографе импеданса и соответствующем падении Rct. Геометрическая конфигурация комплекса хитозан-Mn характеризуется искаженной октаэдрической координацией, где ионы металла выступают в роли мостиковых агентов, способствующих реализации механизма прыжковой проводимости по дефектам структуры. Наклон (линия Варбурга) свидетельствует о диффузионных ограничениях транспорта ионов в объеме полимерного электролита, коррелируя с изменением степени кристалличности композита.

12. Параметры Хансена. Растворимость и совместимость.

Согласно результатам моделирования, геометрия координационного центра соответствует искаженному октаэдру, что существенно ограничивает сегментарную подвижность полимерной цепи и приводит к перераспределению электронной плотности. Энергетический анализ показывает преобладание вклада хемосорбции, при этом увеличение параметра дисперсионного взаимодействия (delta_d) обусловлено высокой поляризуемостью ионов марганца, тогда как координация функциональных групп вызывает умеренное снижение водородного показателя (delta_h) по сравнению с чистым хитозаном. Параметры растворимости указывают на сужение диапазона эффективных растворителей и смещение термодинамического сродства в область апротонных диполярных сред.

13. Фотолюминесценция. Оптические переходы.

Спектр фотолюминесценции комплекса хитозан-марганец (хитозан-Mn) демонстрирует широкий интенсивный пик с максимумом при 450 нм, обусловленный n-π* переходами аминогрупп и гидроксильных групп полимерной цепи хитозана (Рис. 17). Наблюдается выраженное тушение люминесценции по сравнению с чистым хитозаном, что подтверждает координацию ионов Mn2+Missing Mark : sup с активными центрами полимера.

14. Механика. Прочность на разрыв и деформация.

Введение ионов марганца (Mn2+Missing Mark : sup) в полимерную матрицу хитозана приводит к формированию высокоупорядоченных координационных узлов, где катионы металла связываются с аминогруппами (-NH2Missing Mark : sub) и гидроксильными группами (-OH) глюкозаминовых звеньев. Энергетика системы стабилизируется за счет замещения слабых водородных связей более сильными координационными взаимодействиями Mn-N и Mn-O, что значительно повышает модуль Юнга и предел прочности по сравнению с чистым хитозаном. Геометрия координационного окружения Mn²⁺, стремящаяся к октаэдрической конфигурации, создает жесткие пространственные сшивки, которые ограничивают подвижность полимерных цепей и препятствуют их скольжению при деформации. Основным механизмом упрочнения является эффективное перераспределение механического напряжения через металл-лигандную сетку, в то время как стадия разрушения характеризуется диссипацией энергии путем последовательного разрыва хелатных связей перед окончательным разрывом углеродного скелета биополимера.

15. Транспорт. Диффузия и проницаемость.

Транспорт ионов марганца (Mn2+Missing Mark : sup) в хитозановой матрице определяется синергетическим эффектом между диффузией свободного растворителя и процессом хелатирования металла активными аминогруппами (-NH2Missing Mark : sub) полимерных цепей. Взаимодействие описывается образованием координационных связей, где ион марганца занимает центральное положение в искаженной октаэдрической геометрии, что создает значительный энергетический барьер для десорбции, составляющий порядка -2,1 эВ в минимуме потенциальной энергии. Полученные кинетические кривые указывают на аномальный характер диффузии (n ~ 0,6), что свидетельствует о сочетании фиковского переноса и релаксации полимерной сетки при набухании. Ключевым фактором стабилизации комплекса является высокая плотность электронного заряда на азотных лигандах, что обеспечивает пролонгированное высвобождение микроэлемента и предотвращает его мгновенное вымывание из системы.

16. QSPR. Прогноз свойств по структуре.

Комплексообразование ионов Mn2+Missing Mark : sup с хитозаном протекает по механизму хелатирования, где основными донорными центрами выступают неподеленные электронные пары азота аминогрупп (-NH2Missing Mark : sub) и кислорода гидроксильных групп (-OH) глюкозаминовых звеньев. Геометрический анализ предсказывает формирование искаженной октаэдрической координационной сферы вокруг иона марганца, при этом сокращение межатомных расстояний Mn-N с ростом степени деацетилирования свидетельствует об усилении ковалентного характера связи.

Энергетические параметры системы демонстрируют выраженную экзотермичность процесса (от -45 до -65 кДж/моль), что в сочетании с ростом константы устойчивости logK подтверждает термодинамическую предпочтительность образования комплексов при высокой плотности аминогрупп. Эффективность сорбции и структурная стабильность металлополимерной системы напрямую лимитируются доступностью свободных аминогрупп, определяющих электростатический потенциал и конфигурационную энтропию полимерной цепи.

17. BIO. Антимикробная и антиоксидантная активность.

Энергетика процесса комплексообразования характеризуется спонтанностью (ΔG <0), что подтверждает термодинамическую стабильность образующегося хелата. Геометрия комплекса преимущественно искаженная октаэдрическая, где ион марганца координирован лигандами полимерной цепи, что существенно изменяет его электронную плотность и окислительно-Missing Mark : supвосстановительный потенциал. Повышенная биологическая активность (Рис. 18) обусловлена синергетическим эффектом катионного полимера и переходного металла, способствующим эффективному разрушению клеточных мембран патогенов и нейтрализации свободных радикалов.

Сканирующая электронная микроскопия предполагает одномодальное распределение, а также показывает сферическую форму полученных микрочастиц.

Моделирование показало, что комплекс хитозан-марганец обладает высокой термодинамической стабильностью и стабильной структурой, характеризующейся искаженными октаэдрическими координационными центрами. Взаимодействие происходит преимущественно через координацию с аминогруппами и гидроксильными группами полимера, что обеспечивает прочные связи и устойчивость системы в водных условиях. Электронные свойства комплекса свидетельствуют о его повышенной активности и потенциале для каталитических и биологических применений. Также выявлено, что структура комплекса остается стабильной во времени, что открывает перспективы его использования в различных технологических сферах, таких как медицина, экология и сенсорика. В целом, результаты подтверждают возможность создания эффективных материалов на основе хитозана и ионов марганца с предсказуемыми структурными и функциональными характеристиками.

5. Заключение

В результате проведенного комплексного исследования, включающего экспериментальные и моделирующие методы, установлено, что взаимодействие хитозана с ионами марганца приводит к формированию стабильных, искаженными октаэдрическими координационными комплексами. Новизна данной работы заключается в использовании современных методов искусственного интеллекта и квантово-химического моделирования для глубокого анализа структурных и электронных свойств таких систем, что ранее не было подробно освещено в литературе. Особое значение имеет синергетический эффект, обусловленный координацией иона марганца с функциональными группами хитозана, что расширяет потенциальные области применения материалов.

Полученные результаты демонстрируют высокую термодинамическую стабильность и каталитический потенциал систем хитозан-марганец, а также подтверждают их антибактериальные свойства и биосовместимость. Эти свойства делают системы перспективными для применения в медицине, экологически чистом катализе и сенсорных технологиях.

В дальнейшем планируется углубленное исследование условий синтеза для оптимизации свойств комплексов, а также разработка новых функциональных модификаций хитозана с целью расширения спектра их применения. Особое внимание будет уделено изучению биологической активности и возможности внедрения таких систем в клиническую практику и экологические технологии.

The additional file for this article can be found as follows: