Olejki eteryczne. Opis wybranych składników w oparciu o metody modelowania molekularnego

(1)

Beata Kizior^{1, 2} ORCID:

0000-0001-8090-9721 Jarosław J. Panek¹ ORCID:

0000-0002-2952-9739 Aneta Jezierska¹ ORCID:

0000-0001-6601-9124

1. Wydział Chemii Uniwersytet Wrocławski ul. F. Joliot-Curie 14 50-383 Wrocław E: beata.kizior@pwr.

edu.pl

E: jaroslaw.panek@

chem.uni.wroc.pl E: aneta.jezierska@

chem.uni.wroc.pl T: +48 71 375 72 24

2. Katedra Chemii i Technologii Paliw Wydział Chemiczny Politechnika Wrocławska ul. Gdańska 7/9 50-344 Wrocław

otrzymano / received

09.08.2020

poprawiono / corrected

22.08.2020

zaakceptowano / accepted

13.09.2020

ABSTRACT

Molecular Modeling is a set of methods, which are an important tool in theoretical description of mol- ecules as well as in design of new compounds with de- fined physico-chemical features.

In this article, the results of theoretical investiga- tions on the basis of selected methods of computa- tional chemistry are presented. The chosen ingredi- ents of essential oils served as model systems for our computations. Thanks to the diverse group of chemi- cal compounds classified as essential oils, various fragrance notes are obtained and further used as the basic ingredients of perfumery products. Therefore, the essential oils are decisive concerning the compo- sition and quality of perfumes. In addition, they ex- hibit healing properties, which is associated with an increasing interest in the group of these compounds.

The chemical diversity of these compounds has caused us to show an application of computer simu- lations based on Density Functional Theory (DTF) for selected 12 ingredients of essential oils. We will present and discuss computed values of geometric parameters of these compounds, their physico-chem- ical properties (logP), maps of electrostatic potential, in order to show the reader potential applications of computational chemistry in cosmetology.

Keywords: essential oils, perfumes, molecular

STRESZCZENIE

Modelowanie molekularne jest zbiorem metod, które stanowią ważne narzędzie w opisie teo- retycznym cząsteczek, a także w projektowa- niu nowych związków o określonych właściwo- ściach fizyko-chemicznych.

W artykule zostały przedstawione rezultaty badań teoretycznych w oparciu o wybrane metody chemii obliczeniowej. Jako związki modelowe wybrano składniki olejków eterycznych. Dzięki różnorodnej grupie związków chemicznych zaliczanych do olejków eterycznych można uzyskać różnorakie nuty zapachowe, które są wykorzystywane jako bazowe komponenty wyrobów perfumeryjnych. Olejki eteryczne decydują o walorach oraz jakości perfum. Przejawiają one właściwości lecznicze, co powoduje, że zaintere- sowanie tą grupą związków jest coraz większe.

Pokazano zastosowanie symulacji komputerowych według Teorii Funkcjonału Gęstości (DFT) dla wybranych 12 składników olejków eterycznych. Zaprezentowano i omówiono wartości obliczonych parametrów geometrycznych oraz fizyko-chemicznych (logP), mapy potencjału elektrostatycznego, w celu przybliżenia wykorzystania chemii komputerowej w kosmetologii.

Słowa kluczowe: olejki eteryczne, perfumy,

»

502

WSTĘP

W obecnych czasach komputery stały się nie- odzownym elementem nie tylko życia codzien- nego, ale przede wszystkim nauk, w tym chemicznych. Za tło rozważań autorów, w oparciu o metody modelowania molekularnego posłuży- ły nam wybrane składniki olejków eterycznych.

Stały się one dla autorów związkami modelo- wymi na przykładzie których zaprezentowali możliwości wykorzystania chemii teoretycznej, a zwłaszcza modelowania molekularnego do opisu właściwości fizyko-chemicznych związków,

które już znalazły zastosowanie w przemyśle kosmetycznym, a zwłaszcza perfumeryjnym.

W skład wyrobów perfumeryjnych wchodzą róż- ne substancje zapachowe, utrwalacze oraz środki homogenizujące [1]. Kluczowym składnikiem perfum są esencje zapachowe, które stanowią aż 44- 60% w ekstraktach perfum, 15-43% w perfumach właściwych, 5-15% w wodach toaletowych oraz 3-8%

w wodach kolońskich [2]. Esencje zapachowe mogą zostać podzielone ze względu na pochodzenie na naturalne olejki eteryczne (pochodzenia roślinnego, bądź zwierzęcego) oraz na syntetyki zapachowe [3, 4].

Olejki eteryczne. Opis wybranych składników w oparciu o metody modelowania molekularnego

Essential oils. A description of their selected ingredients

properties on the basis of molecular modeling methods

(2)

Olejki eteryczne EO (essential oils) tworzą zróżnicowane grupy związków chemicznych, do których zaliczane są: aldehydy, alkohole, estry, fenole, ketony czy też etery. Głów- nie są to ciecze o charakterystycznym zapachu [1, 5].

O trwałości zapachu wyrobu perfumeryjnego decydują utrwalacze, które wydłużają czas związany z utlenieniem się substancji zapachowych, zwiększają jego intensywność oraz utrwalają zapach. Do związków utrwalających należy między innymi piżmo, ambra czy też cybet. Są to naturalne substancje zapachowe pochodzenia zwierzęcego [3, 6]. Piżmo pozyskuje się z gruczołów płciowych samca piżmowca sybe- ryjskiego [7]. Jednakże w przemyśle perfumeryjnym coraz częściej zastępuje się naturalne komponenty syntetykami ze względów ekonomicznych, jak również w celu zwiększenia liczby kompozycji zapachowych dostępnych na rynku [8].

Na potrzeby niniejszego artykułu zostało wymodelowa- ne (w oparciu o teorię funkcjonału gęstości DFT – density functional theory) [9, 10] dwanaście wybranych składników olejków eterycznych zaliczanych do różnych grup związ- ków chemicznych. Została przedstawiona analiza para- metrów geometrycznych, a także struktury elektronowej.

Policzony został również logP, czyli współczynnik podzia- łu n-oktanol/woda [11], który świadczy o właściwościach hydrofilowych i hydrofobowych badanych cząsteczek.

MODELOWANIE MOLEKULARNE

Chemia teoretyczna jest to dziedzina nauk chemicznych o wielu przeplatających się gałęziach, nie zawsze spójnie ze sobą powiązanych. Jednakże ich cechą wspólną jest wykorzystanie metod fizyki i matematyki do analizy pro- blemów chemicznych. Przegląd obszarów zainteresowań (aims and scope) takich czasopism jak Journal of Molecular Modeling, Journal of Chemical Information and Modeling, The- oretical Chemistry Accounts czy Journal of Chemical Theory and Computation, pozwala stwierdzić, że chemię teoretycz- ną można umownie podzielić na:

• chemię kwantową,

• chemię obliczeniową,

• chemię matematyczną,

• chemoinformatykę i chemometrię,

• termodynamikę statystyczną (która jest pomostem po- między mikroświatem chemii kwantowej i makroświa- tem eksperymentu chemicznego),kinetykę chemiczną (a dokładniej tę jej część, która korzysta z teorii staty- stycznych i opisuje procesy chemiczne odpowiednimi równaniami różniczkowymi) oraz

• modelowanie molekularne.

Wymienione komponenty chemii teoretycznej w sporym stopniu się przenikają, np. chemia kwantowa i chemia obliczeniowa mają wiele cech wspólnych. Jednak modelowanie molekularne jest określane jako zbiór różnego rodzaju metod obliczeniowych, dzięki któremu można opisać teoretycznie

pojedyncze cząsteczki, jak również makroukłady, np. białka, czy też kwasy nukleinowe. Na rys. 1 przedstawiono wybrane zastosowania modelowania molekularnego. Bardzo często punktem wyjścia do zastosowania metod modelowania molekularnego jest chemia obliczeniowa, gdyż zastosowanie metod mechaniki molekularnej, czy też metod kwantowych pozwala na opis parametrów metrycznych (mechanika molekularna, metody mechaniki kwantowej) i struktury elektronowej, a także właściwości spektroskopowych (metody mechaniki kwantowej) w pojedynczej cząsteczce, dimerach i większych kompleksach, a także makroukładach [12, 13].

Rozwój metod chemii obliczeniowej, a zatem i metod modelowania molekularnego jest ściśle związany z rozwojem w dzie- dzinie komputerów, a zwłaszcza tzw. komputerów dużej mocy obliczeniowej HPC (high performance computing). Wraz ze wzrostem mocy obliczeniowych, otworzyły się nowe moż- liwości badawcze związane z wielkością i stopniem skompli- kowania badanych układów, a także nastąpił rozwój w dzie- dzinie specjalistycznego oprogramowania komputerowego.

To wszystko sprawiło, że obecnie symulacje komputerowe można wykonywać w różnych stanach skupienia (gazowym, ciekłym i stałym, a także badać przejścia fazowe) oraz róż- nych warunkach, tj. temperatura, ciśnienie itp.

Rys. 1 Przykładowe zastosowania metod modelowania molekularnego Źródło: Opracowanie własne

STRUKTURA MOLEKULARNA I WŁAŚCIWOŚCI FIZYKOCHEMICZNE GŁÓWNYCH SKŁADNIKÓW OLEJKÓW ETERYCZNYCH

Olejki eteryczne są mieszaninami substancji zapachowych, które mogą zawierać nawet do kilkudziesięciu składników, przeważnie są to pochodne fenylopropanu (olejki nieterpe- nowe), a także mono-, di- oraz seskwiterpeny (olejki terpenowe). Na rys. 2 zilustrowano substancje zapachowe wcho- dzące w skład olejków eterycznych. Monoterpeny (C₁₀H₁₆) są to związki zbudowane z dwóch (n=2) podjednostek izoprenu.

Pod względem fizykochemicznym monoterpeny są cieczami, bądź substancjami stałymi o intensywnym zapachu. Wystę- pują one głównie w olejkach eterycznych, np. olejku różanym.

Z kolei seskwiterpeny (C₁₅H₂₄) są trimerami izoprenu [14, 15].

Do tej grupy zaliczane są liczne węglowodory o zróżnicowanej strukturze chemicznej (budowie łańcuchowej oraz cyklicz- nej). Bardzo często związki seskwiterpenów są substancjami

(3)

nielotnymi lub słabo lotnymi. Podobnie jak monoterpeny, są one składnikami licznych olejków eterycznych. W skład olejku wchodzą wieloskładnikowe połączenia różnych związków chemicznych [1, 7, 14]. Zwykle mieszaniny zapachowe klasyfi- kowane są na podstawie grupy osmoforowej obecnej w szkiele- cie związku, która decyduje o zapachu całego olejku [16].

Rys. 2 Schemat obrazujący wybrane olejki eteryczne wraz z ich wybranymi składnikami Źródło: Opracowanie własne na podstawie [14]

Pojęcie zapachu, czy też intensywność zapachu, nie jest proste do zdefiniowania jakościowego i ilościowego. Bardzo często zapach określany jest za pomocą porównania go do innych znanych zapachów, napotkanych wcześniej w świecie roślin, bądź zwierząt [1]. Dlatego też na kompozycję zapacho- wą składa się wiele substancji eterycznych. Oprócz wymie- nionych związków terpenowych w skład olejków eterycznych wchodzą również aldehydy alifatyczne oraz aromatyczne, które stanowią bardzo ważną grupę związków wykorzysty- wanych w przemyśle kosmetycznym. Ze względu na sposób rozmieszczenia grupy funkcyjnej (tzw. grupy osmoforowej) w cząsteczce aldehydu, decydują one o intensywności zapachu danego wyrobu [1, 16]. Z tego powodu substancje zapachowe mogą pełnić funkcję nośników zapachu [5]. Do osmoforów dających przyjemny zapach zaliczana jest: grupa eterowa, ketonowa, hydroksylowa, jak również estrowa. Na- tomiast za nieprzyjemny zapach odpowiadają grupy: tiolowa, aminowa, tioformylowa oraz tiokarbonylowa [1, 5, 16].

Kategoryzacja zapachu jest jedną z najważniejszych cech w przemyśle perfumeryjnym. Znaczącą grupę związ- ków stosowanych niemal we wszystkich kompozycjach zapachowych w wyrobach perfumeryjnych stanowią aldehydy [1]. Pomimo że aldehydy cechuje niska trwałość, która sprzyja szybkiemu zachodzeniu reakcji kondensacji aldolowej, utleniania oraz polimeryzacji, stanowią one główne komponenty perfum syntetycznych oraz pochodzenia na- turalnego [1, 17]. Większą trwałość wykazują one w roztwo- rach alkoholowych (perfumach, czy w wodach kolońskich), niż w stanie wolnym ze względu na dużo wyższą podatność zajście reakcji (utleniania, kondensacji aldolowej, bądź polimeryzacji) wykazywaną przez grupę aldehydową [1].

Aldehydy posiadające od n=1-7 atomów węgla w łańcuchu głównym mają silną oraz nieprzyjemną woń, która działa drażniąco na górne drogi oddechowe [1, 6, 16]. Dlatego też są one stosowane jako środki dezynfekcyjne oraz konser- wujące [18]. Zaś wraz ze wzrostem łańcucha węglowego (8-12 atomów) nuta zapachowa staje się coraz bardziej przyjemna oraz łagodniejsza dla naszego nosa. Zapach takich związków przypomina nutę tłuszczowokwiatową [1].

Natomiast dla aldehydów mających powyżej 12 atomów węgla w łańcuchu zapach staje się słabszy, a w miarę dal- szego wzrostu szkieletu węglowego zanika [1, 6, 19, 20].

Przykładami aldehydów o łańcuchu prostym wykorzysty- wanych w przemyśle perfumeryjnym są dodekanal, nonanal i heptanal (modele tych związków przedstawia rys. 3).

Jak wynika z tab. 1 zapach aldehydu zależy od ilości ato- mów węgla w łańcuchu.

Dodekanal Nonanal Heptanal

Rys. 3 Modele wybranych najpopularniejszych aldehydów alifatycznych stosowanych w przemyśle perfumeryjnym (dodekanal, nonanal i heptanal)

Źródło: Opracowanie własne na podstawie [14]

Tabela 1 Wybrane parametry fizyko-chemiczne aldehydów alifatycznych Nazwa

związku Wzór

chemiczny Nazwa zwyczajowa Stan

skupienia Zapach Występowanie w naturze Dodekanal CH₃(CH₂)₁₀CHO Aldehyd

laurynowy ciecz kwiatowo-

owocowy w olejku: cytrynowym, sosnowym, limetkowym, piniowym Nonanal CH₃(CH₂)₇CHO Aldehyd

pelargonowy ciecz różany w olejku: cynamonowym, cytrynowym, różanym Heptanal CH₃(CH₂)₅CHO - ciecz owocowy w olejku: ylang-ylang,

szałwiowym, cytrynowym, hiacyntowym, z gorzkiej pomarańczy Źródło: [14, 21, 22]

Równie istotne są także aldehydy posiadające w swojej budowie rozgałęzione łańcuchy węglowe. Dzięki temu znacznie intensywniej wpływają one na zapach wyrobów perfumeryjnych, niż aldehydy szeregu n-alkanów [1]. Przedstawio- na zależność pokazuje, że zapach aldehydów zależy od izo- merii szkieletowej łańcucha węglowego. Oprócz łańcucha węglowego w związkach aldehydowych bardzo ważną rolę odgrywa wiązanie nienasycone, które odpowiada za zwięk- szenie intensywności nuty zapachowej [16].

(4)

Z kolei do grupy aldehydów aromatycznych stosowanych w przemyśle perfumeryjnym należy wanilina, która jest cennym składnikiem perfum [1]. O zapachu waniliny decyduje obecność obydwu grupy osmoforowych występu- jących w strukturze cząsteczki, czyli grupy hydroksylowej oraz metoksylowej [16]. Na rys. 4 został przedstawiony model cząsteczki waniliny.

Terpeny (tzw. izoprenoidy) są jedną z głównych grup wy- stępujących w surowcach roślinnych, wchodzącą w skład kompozycji zapachowych wielu perfum. Są one naturalny- mi oligomerami pochodzącymi od cząsteczki izoprenu. Mo- del cząsteczki izoprenu został przedstawiony na rys. 5 [14].

Szkielet związków terpenowych powstał w wyniku połą- czenia się pięciu atomów węgla tworząc jednostkę izopre- nową. Prekursory te mogą przyłączać wiele jednostek izo- prenowych tworząc cząsteczki, w których liczba atomów węgla będzie podzielna przez pięć. Ze względu na ich bu- dowę związki te można podzielić na: di-, tri- i politerpeny oraz na mono-, hemi- i seskwiterpeny [14]. Najczęściej spo- tykanymi związkami terpenowymi są: linalol (wchodzący w skład absolutu jaśminowego), geraniol, cytronelol i nerolidol (wchodzą one w skład olejku różanego), β-santalol (olejek z drzewa sandałowego) oraz fernezol (wchodzący w skład piżma). Modele wybranych związków terpenowych zostały przedstawione na rys. 6.

W tab. 2 zostały zestawione wybrane parametry fizyko-chemiczne omawianych w artykule terpenów.

Do składników olejków eterycznych należą również estry.

Przykładem może być octan benzylu występujący w absolucie jaśminowym oraz antranilan metylu, który występu- je w olejku z tuberozy. Modele cząsteczek tych związków zostały przedstawione na rys. 7.

Antranilan metylu Octan benzylu

Rys. 7 Modele cząsteczek antranilanu metylu oraz octanu benzylu Źródło: Opracowanie własne na podstawie [14]

Rys. 4 Model cząsteczki waniliny Źródło: Opracowanie własne na podstawie [14]

Rys. 5 Model cząsteczki izoprenu Źródło: Opracowanie własne w oparciu o [14]

Tabela 2 Wybrane parametry fizyko-chemiczne terpenów Nazwa

związku Wzór

chemiczny Stan

skupienia Zapach Występowanie w naturze Linalol C₁₀H₁₈O ciecz kwiatowo-

-drzewny w absolucie jaśminowym Geraniol C10H18O ciecz różany w olejku różanym Cytronelol C₁₀H₂₀O ciecz różany w olejku różanym Nerolidol C₁₅H₂₆O ciecz słodki w olejku różanym,

z gorzkiej pomarańczy β-santalol C15H24O ciecz słodko-

-drzewny w olejku

z drzewa sandałowego Fernezol C₁₅H₂₆O ciecz delikatnie

kwiatowy w piżmie, konwaliach, olejku lipowym i akacjowym Źródło: [14, 21, 23]

Rys. 6 Modele cząsteczek linalolu, geraniolu, cytronelolu, nerolidolu, β-santalolu, fernezolu Źródło: Opracowanie własne na podstawie [14]

(5)

Olejki eteryczne w temperaturze pokojowej są łatwopalne, wy- kazują dużą lotność i lipofilowość (wartości obliczone dla logP zostały zestawione w tab. 3). Mają one wysoką temperaturę wrzenia, osiągającą nawet 320°C, płynną konsystencję (gę- stość ich jest mniejsza niż 1g/ml), jak również wykazują czyn- ność optyczną. Ich barwa (od bezbarwnej do brunatnej) zależy od składników tworzących kompozycje zapachowe. Przeważ- nie rozpuszczają się w tłuszczach, jak również w alkoholu ety- lowym, zaś są nierozpuszczalne w wodzie. Generalnie do opisu cech fizyko-chemicznych olejków eterycznych służą nam następujące parametry tj.: rozpuszczalność, gęstość, skręcal- ność właściwa oraz współczynnik załamania światła [14].

Tabela 3 Wybrane parametry fizyko-chemiczne substancji stanowiących składniki olejków ete- rycznych wyznaczone przez narzędzie internetowe MolInspiration Chemometrics

Nazwa związku Masa molowa (g/mol) logP

Dodekanal 184,32 5,61

Nonanal 142,24 4,10

Heptanal 114,19 3,09

Linalol 154,25 3,21

Geraniol 154,25 3,20

Cytronelol 156,27 2,94

Nerolidol 222,37 5,06

β-santalol 220,36 4,00

Fernezol 222,37 5,05

Antranilan metylu 151,16 1,72

Octan benzylu 150,18 1,98

Wanilina 152,15 1,07

Źródło: [24-26]

Z danych zawartych w tab. 3 wynika, że komponenty stano- wiące składniki wyrobów perfumeryjnych są substancjami lipofilowymi, ponieważ obliczona wartość współczynnika podziału n-oktanol/woda w postaci zlogarytmowanej (logP) jest większa od zera. Otrzymane rezultaty są zgodne z litera- turą [14]. Parametr fizyko-chemiczny (logP) został policzony za pomocą programu Molinspiration Chemometrics [24-26].

ZASTOSOWANIE OLEJKÓW ETERYCZNYCH

Olejki eteryczne znalazły szerokie zastosowanie w prze- myśle farmaceutycznym, kosmetycznym, a także perfumeryjnym [1]. Dzięki charakterystycznym cechom fizykochemicznym, olejki lotne posiadają właściwości aromatyzujące, co sprawia, że są stosowane jako dodatki poprawiające smak oraz zapach wielu medykamentów np.

syropów, tabletek oraz maści [14]. Przykładami olejków eterycznych stosowanych w produktach leczniczych są np. olejek koprowy (Oleum foeniculi), olejek różany (Oleum rosae), a także olejek cytrynowy (Oleum citri) [14].

Olejek różany jest cieczą o silnym zapachu oraz ostrawym smaku. Decydującą rolę odgrywają jego główne składniki, któ- rymi są geraniol, cytronelol oraz nerol. Pobudzają one wydzie- lanie śliny, jak również soków żołądkowych. Bardzo często jest

on stosowany jako środek odświeżający oddech [27]. Jego znaczenie w przemyśle kosmetycznym jest bardzo ważne, gdyż wspomaga leczenie trądziku pospolitego, zapalenie mieszków włosowych oraz wykazuje działanie pielęgnacyjne, zapewnia- jąc dobre nawilżenie skóry. Duże znaczenie w przemyśle ko- smetycznym odgrywają: absolut jaśminowy (Oleum jasminae), olejek różany (Oleum rosae) oraz olejek z drzewa sandałowego (Oleum santali) [1, 5, 14, 28]. Głównym tego powodem jest ich ogólna dostępność na rynku oraz intensywny zapach. Abso- lut jaśminowy przyczynia się do poprawy wyglądu skóry, np.

wyrównuje koloryt skóry i opóźnia efekty starzenia. Olejek ten wpływa również pozytywnie na wygląd włosów i jest on pole- cany osobom, które mają włosy suche oraz pozbawione blasku.

Jest on zatem składnikiem wielu szamponów [29]. Z kolei olejek z drzewa sandałowego przejawia podobne właściwości jak absolut jaśminowy. Olejek z drzewa sandałowego działa odżyw- czo i odmładza skórę. Dodatkowo zmniejsza on łojotok oraz działa przeciwłupieżowo [30].

Warto dodać, że olejki eteryczne bardzo dobrze łączą się z tłuszczami, co sprawia, że są składnikami wielu kremów, preparatów olejowych stosowanych do pielęgnacji włosów oraz ciała [1, 5]. Cząsteczki olejku błyskawicznie przenika- ją przez warstwę skóry dostając się do krwiobiegu, dlatego też stosowane są one do masażu całego ciała [31, 32]. Olejki eteryczne wykorzystywane są również jako środki antysep- tyczne w wyrobach perfumeryjnych, np. w wodach koloń- skich przeznaczonych dla mężczyzn do codziennej pielę- gnacji. Takie działanie wywierają w głównej mierze olejki, które w swojej strukturze zawierają ugrupowania fenolowe, a więc olejek eukaliptusowy czy olejek tymiankowy [1, 5].

METODY I PROCEDURY OBLICZENIOWE

ZASTOSOWANE W MODELOWANIU WYBRANYCH KOMPONENTÓW OLEJKÓW ETERYCZNYCH

Modele cząsteczek wybranych 12 składników olejków eterycznych zostały zbudowane w programie Molden [33]. Sy- mulacje komputerowe zostały wykonane w oparciu o teo- rię funkcjonału gęstości DFT [9, 10]. Minimizację energii, czyli optymalizację geometrii analizowanych cząsteczek wykonano z zastosowaniem funkcjonałów: B3LYP [34, 35], ωB97XD [36] oraz M06-2X [37] w bazie funkcyjnej Pople’a – 6-311+G(d,p) [38-40]. Dla każdego modelu cząsteczki zo- stały policzone częstotliwości harmoniczne, aby potwier- dzić, że otrzymane struktury znajdują się w minimum na powierzchni energii potencjalnej PES (potential energy surface). Następnie zostały policzone funkcje falowe, które posłużyły nam do dalszych analiz struktury elektronowej modelowanych cząsteczek. Symulacje zostały wykonane w programie Gaussian 09, Revision C.01 [41]. Schemat ob- liczeń został przedstawiony na rys. 8.

Prezentacja graficzna rezultatów symulacji komputerowych (modele cząsteczek) została wykonana przy pomocy programów VMD [42], Chimera 1.14 [43] i Gimp [44].

(6)

ANALIZA PARAMETRÓW GEOMETRYCZNYCH

Opis parametrów geometrycznych cząsteczki ma ważne znaczenie zarówno z eksperymentalnego, jak również teoretycznego punktu widzenia. Metody eksperymentalne (krystalograficzne, spektroskopowe) pozwalają na pozna- nie budowy cząsteczki, a także ułożenia przestrzennego atomów. Zastosowanie tutaj mają także metody chemii teoretycznej. W tab. 4 zostały zestawione wybrane parametry metryczne (długości wiązań, kąty walencyjne i torsyjne) dla wybranych 12 składników olejków eterycznych. Symulacje komputerowe zostały wykonane według teorii funkcjona- łu gęstości (DFT) w bazie funkcyjnej 6-311+G(d,p). W celu teoretycznego opisu geometrii badanych cząsteczek zosta- ły zastosowane trzy funkcjonały: B3LYP, ωB97XD i M06-2X.

Symulacje zostały wykonane dla molekuł izolowanych z zachowaniem wszystkich stopni swobody. Modele 3D badanych cząsteczek otrzymane jako rezultat symulacji kwantowo-chemicznych zostały przedstawione na rys. 3-7.

Zastosowanie trzech różnych funkcjonałów w obliczeniach miało na celu pokazanie czytelnikowi, że ich zastosowanie do opisu prostych cząsteczek organicznych daje bardzo podobne rezultaty. Zastosowana baza funkcyjna należy do baz funkcyjnych typu split valence triple-zeta, a także ma dodatek funkcji dyfuzyjnych i polaryzacyjnych na atomach ciężkich. A zatem jest to odpowiednia baza funkcyjna do opisu molekuł będących obiektami naszych badań teoretycznych. Tworzenie modeli ma bardzo istotne znaczenie, kiedy np. nie jesteśmy w stanie określić dokładnej budowy cząsteczki metodami eksperymentalnymi, bądź też po- trzebujemy w sposób szybki i w miarę dokładny otrzymać informacje o właściwościach fizyko-chemicznych analizowanych układów. W przypadku omawianych 12 składni- ków olejków eterycznych, przeszukiwania strukturalnych baz danych nie przyniosły oczekiwanych rezultatów, a zatem zdecydowaliśmy się na stworzenie modeli tych związ- ków i obliczenie ich parametrów metrycznych.

Tabela 4 Wybrane parametry metryczne 12 wysymulowanych cząsteczek, będących składnika- mi olejków eterycznych. Symulacje wykonano według teorii funkcjonału gęstości DFT, w bazie funkcyjnej 6-311+G(d,p). Numeracja atomów w cząsteczkach została sporządzona na potrzeby niniejszego artykułu

Parametry metryczne B3LYP ωB97XD M06-2X

Długości wiązań [Å]

C1-C2 1,507 1,504 1,502

C2-C3 1,540 1,532 1,533

C3-C4 1,533 1,527 1,527

Wartości kątów [°]

O=C1-C2 125,2 125,1 125,0

C1-C2 1,508 1,504 1,506

C2-C3 1,527 1,522 1,522

C3-C4 1,533 1,527 1,527

O=C1-C2 125,3 125,0 124,4

C1-C2 1,508 1,504 1,506

C2-C3 1,527 1,532 1,522

C3-C4 1,533 1,527 1,527

O=C1-C2 125,3 125,1 124,4

C1-C2 1,396 1,389 1,389

C3-C4 1,390 1,385 1,386

C5-C6 1,395 1,390 1,390

C3-O2-C7 118,3 117,9 117,3

C2-C3-C4 118,7 118,8 118,9

C1-C2 1,398 1,391 1,395

C3-C4 1,394 1,388 1,392

C5-C6 1,393 1,388 1,392

C1-C7-O1 108,1 108,7 109,5

C6-C1-C2 118,9 119,1 119,2

Rys. 8 Schemat obliczeń zastosowany w modelowaniu wybranych 12 komponentów olejków eterycznych Źródło: Opracowanie własne

(7)

Parametry metryczne B3LYP ωB97XD M06-2X

C1=C2 1,343 1,328 1,328

C6=C7 1,349 1,335 1,335

C7-C8 1,506 1,505 1,505

C1=C2-C3 126,6 127,1 126,7

C5-C6=C7 124,6 126,9 126,3

C2=C3 1,339 1,331 1,331

C6=C7 1,340 1,334 1,334

C7-C8 1,510 1,506 1,506

C1-C2=C3 128,1 126,1 125,8

C5-C6=C7 128,1 128,8 128,7

C5-C6=C7-C8 179,7 177,9 178,2

C7=C9 1,335 1,331 1,348

C1-C2 1,522 1,518 1,517

C3-C4 1,542 1,534 1,534

C2-C1-O 107,6 107,8 107,5

C6-C7=C9 124,0 123,9 123,7

C10=C11 1,340 1,335 1,335

C6=C7 1,340 1,335 1,335

C1=C2 1,331 1,328 1,328

C1=C2-C3 127,6 127,2 126,8

C6=C7-C8 120,3 120,9 121,1

C10=C11-C12 124,9 124,0 123,9

Parametry metryczne B3LYP ωB97XD M06-2X Długości wiązań [Å]

C2=C3 1,340 1,335 1,334

C3-C4 1,505 1,501 1,508

C13-C7 1,544 1,537 1,538

C2=C3-C4 129,2 129,0 126,6

C13=C7-C6 102,1 102,3 102,3

C10=C11 1,340 1,335 1,335

C6=C7 1,340 1,335 1,336

C2=C3 1,340 1,335 1,332

C2=C3-C4 120,0 120,3 121,6

C5-C6=C7 120,2 120,7 120,9

C10=C11-C12 120,8 121,4 121,5

C1-C2 1,422 1,415 1,414

C3-C4 1,382 1,378 1,379

C5-C6 1,382 1,378 1,379

C6-C1-C7 115,1 115,0 114,9

C6-C1-C2 119,0 119,2 119,5

Źródło: Wyniki badań. Opracowanie własne

ANALIZA STRUKTURY ELEKTRONOWEJ (MAPY POTENCJAŁU ELEKTROSTATYCZNEGO)

Analizę struktury elektronowej (mapy potencjału elektrostatycznego) przedstawiono na przykładzie map potencjału elektrostatycznego [13] dla trzech wybranych składników olej- ków eterycznych: antranilanu metylu, cytronelolu i waniliny (rys. 9). Potencjał elektrostatyczny dodatni jest zaznaczony kolorem niebieskim, natomiast ujemy kolorem czerwonym.

Ujemny potencjał elektrostatyczny znajduje się tam, gdzie są wolne pary elektronowe. Mapy potencjału elektrostatycznego dają nam informacje o miejscach oddziaływań w cząsteczce.

W kompleksach ligand-akceptor/receptor oddziaływa- nia elektrostatyczne obok międzycząsteczkowych wiązań wodorowych odgrywają ważną rolę. Fragmenty cząsteczek naładowanych dodatnio, będą łączyć się z fragmentami na- ładowanymi ujemnie, stąd nawet proste wizualizacje dają możliwość zaprojektowania ligandów do znanych akcepto- rów/receptorów, bądź też odwrotnie – znając właściwości fizyko-chemiczne ligandów, możemy spróbować zaprojek- tować miejsca wiążące. Jest to bardzo ważne w przypadku

cd. Tabela 4

(8)

oszacowania oddziaływań typu białko – mała cząsteczka.

Proste modelowanie oddziaływań elektrostatycznych może wskazać przypuszczalne miejsca wiązania się takiej małej cząsteczki (np. leku, antybiotyku, substancji zapachowej) do receptora białkowego. W ten sposób można różnicować oddziaływania między różnymi cząsteczkami a receptorem białkowym, w tym np. analizować wpływ stereoizomerii na dopasowanie cząsteczki do wnęki receptora lub enzymu.

Systematyczne badanie takich oddziaływań jest możliwe w ramach techniki dokowania (ang. molecular docking), któ- ra pełni ważną rolę w chemii medycznej, lecz wciąż nie jest powszechnie stosowana w kosmetologii z uwagi na ograni- czoną wiedzę dotyczącą receptorów węchowych.

PODSUMOWANIE

W artykule zaprezentowano sposoby zastosowania wybranych metod modelowania molekularnego, do opisu teoretycznego związków chemicznych wchodzących w skład olejków eterycznych. Przedstawione zostały rezultaty ba- dań otrzymanych z symulacji komputerowych wykona- nych według teorii funkcjonału gęstości. Przeanalizowane zostały parametry geometryczne badanych 12 składników olejków eterycznych, jak również ich struktura elektrono- wa. W tym celu zostały wykonane mapy potencjału elektrostatycznego. Przedstawione rezultaty badań teoretycznych mają na celu przybliżenie czytelnikom metod modelowania molekularnego i zachęcenie do stosowania narzędzi chemii teoretycznej w pracach badawczych.

PODZIĘKOWANIA

Autorzy pragną podziękować Wrocławskiemu Centrum Sieciowo-Superkomputerowemu (WCSS) za udostępnienie infrastruktury, czasu obliczeniowego i oprogramowania, a także wszelką pomoc w trakcie realizacji projektu.

LITERATURA/REFERENCES

1. Marzec A. Chemia Kosmetyków. Surowce półprodukty preparatyka wyrobów. Toruń:

Dom Organizatora; 2005.

2. Glinka R, Glinka, M. Receptura kosmetyczna z elementami kosmetologii. Łódź: Ma Oficyna Wydawnicza; 2008.

3. Giemza M, Kaniewski J, Yemchenko I, Wierzbińska E. Ocena sensoryczna wy- robów perfumeryjnych. Wydawnictwo Akademii Ekonomicznej. 2000;546:29-40.

4. Klimek R. Olejki eteryczne. Warszawa: Wydawnictwo Przemysłu Lekkiego i Spo- żywczego; 1957.

5. Malinka W. Zarys chemii kosmetycznej. Wrocław: Volumed; 1999.

6. Kulesza J, Góra A. Chemia i technologia związków zapachowych. Warszawa:

WPLiS; 1994.

7. Brud WS, Konopacka-Brud I. Podstawy perfumerii. Historia, pochodzenia i zastoso- wanie substancji zapachowych. Łódź: MA; 2009.

8. Pichlar I. Pracownia chemii kosmetycznej. Warszawa: Wydawnictwo Spółdziel- cze; 1981.

9. Hohenberg P, Kohn W. Inhomogeneous Electron Gas. Phys. Rev. 1964;136:B864.

doi:10.1103/PhysRev.136.B864. Accessed 05.08.2020.

10. Kohn W, Sham LJ. Self-consistent equations including exchange and correla- tion effects. Phys. Rev. 1965;140:A1133-A1138. doi:10.1103/PhysRev.140.A1133.

Accessed 05.08.2020.

11. Lide DR, red. CRC Handbook of Chemistry and Physics. Boca Raton: CRC Press; 2003.

12. Leach AR. Molecular Modelling: Principles and Applications 2nd Edition. Harlow, England: Pearson Education Limited; 2001.

13. Jensen F. Introduction to Computational Chemistry 2nd Edition. Chichester, En- gland: John Wiley & Sons, Ltd; 2007.

14. Kohlmünzer S. Farmakognozja, Podręcznik dla studentów farmacji. Warszawa:

Wyd. PZWL; 2007.

15. Świat Przemysłu Kosmetycznego. www.przemyslkosmetyczny.pl/artykul/

substancje-aktywne-pochodzenia-roslinnego-a-bisabolol-i-inne-surowce- terpenowe. Accessed 05.08.2020.

16. Mitka K, Staryńska J. Synteza substancji zapachowych pochodnych aldehydów.

Chemia Czasopismo techniczne. 2012;17:136-148.

17. Perfumy aldehydowe. www. notino.pl/perfumy-aldehydowe. Accessed 05.08.2020.

18. Perfumy z aldehydami. www.dolce.pl/nuty-zapachowe/aldehydy.html. Acces- sed 07.07.2020.

19. Poucher WA. Perfumes cosmetics and soaps. New York: Chapman & Hall; 1942.

20. Saikh Y. Speciality aroma chemicals in flavors and fragrances. London: Allured Pu- blishing Corporation; 2002.

21. Pubchem. www. pubchem.ncbi.nlm.nih.gov. Accessed 11.07.2020.

22. Kohlpaintner C, Schulte M, Falbe J, et al. Aldehydes, Aliphatic. Ullmann’s Encyclo- pedia of Industrial Chemistry. Weinheim: Wiley-VCH; 2012.

23. Breitmaier E. Terpens. Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co; 2006.

24. Ertl P, Rohde B, Selzer P. Fast calculation of molecular polar surface area as a sum of fragment-based contributions and its application to the prediction of drug transport properties. J Med Chem. 2000;43(20):3714-3717. doi:10.1021/

jm000942e. Accessed 05.08.2020.

25. Lipinski CA, Lombardo F, Dominy BW, Feeney PJ. Experimental and computational approaches to estimate solubility and permeability in drug discovery and development settings. Adv Drug Delivery Rev. 1997;23:4-25. doi:10.1016/

S0169-409X(96)00423-1. Accessed 05.08.2020.

26. Veber DF, Johnson SR, Cheng HY, et al. Molecular properties that influence the oral bioavailability of drug candidates. J Med Chem. 2002;45:2615-2623.

doi:10.1021/jm020017n. Accessed 05.08.2020.

27. Olejki eteryczne i preparaty olejowe. www.rozanski.ch/oleum.htm. Accessed 30.07.20202.

28. Kączkowski J. Biochemia roślin. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN; 1993.

29. Siły natury. www.sily-natury.pl/11-zastosowan-olejku-eterycznego-z-jasminu.

Accessed 05.08.2020.

30. Olejek sandałowy – właściwości i działanie. Jak stosować olejek sandałowy?

www.ekologia.pl/kobieta/uroda/olejek-sandalowy-wlasciwosci-i-dzialanie- jak-stosowac-olejek-sandalowy,24547.html. Accessed 05.08.2020.

31. Zdrojewicz Z, Minczakowska K, Klepacki K. Rola aromaterapii w medycynie.

Fam Med. 2014;16:387-391.

32. Kuryłowicz E. Olejki eteryczne i aromaterapia. Jak bezpiecznie wyeliminować po- wszechne dolegliwości i naturalnie podkreślić swoje piękno. Białystok: Wydawnic- two Vital; 2019.

33. Schaftenaar G, Noordik JH. Molden: a pre-and post-processing program for mo- lecular and electronic structures. J Comput. -Aided Mol Design. 2000;14:123-134.

34. Becke AD. Density-functional thermochemistry. III. The role of exact exchange.

J Chem Phys. 1993; 98:5648-5652. doi:10.1063/1.464913. Accessed 04.08.2020.

35. Lee C, Yang W, Parr RG. Development of the Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron density. Phys Rev B. 1988;37:785-789.

doi:10.1103/PhysRevB.37.785. Accessed 04.08.2020.

36. Grimme S, Waletzke M. A combination of Kohn-Sham density functional theory and multi-reference configuration interaction methods. J Chem Phys.

1999;111:56455655. doi:10.1063/1.479866. Accessed 04.08.2020.

37. Zhao Y, Truhlar DG. The M06 suite of density functionals for main group thermochemistry, thermochemical kinetics, noncovalent interactions, excited states, and transition elements: Two new functionals and systematic testing of four M06- -class functionals and 12 other functionals. Theor Chem Acc. 2006;120:215-241.

doi:10.1007/s00214-007-0310-x. Accessed 04.08.2020.

38. Ditchfield R, Hegre WJ, People JA. Self-Consistent Molecular-Orbital Methods. IX.

An Extended Gaussian-Type Basis for Molecular-Orbital Studies of Organic Mole- cules. J Chem Phys. 1971;54:724-728. doi:10.1063/1.1674902. Accessed 04.08.2020.

39. Frisch MJ, Pople JA. Self-Consistent Molecular Orbital Methods 25. Sup- plementary Functions for Gaussian Basis Sets. J Chem Phys. 1984;80:3265.

doi:10.1063/1.447079. Accessed 04.08.2020.

40. Krishnan R, Binkley JS, Seeger R, Pople JA. Self-consistent molecular or- bital methods. XX. A basis set for correlated wave functions. J Chem Phys.

1980;72:650. doi:10.1063/1.438955. Accessed 04.08.2020.

41. Frisch MJ, Trucks GW, Schlegel HB, et al. Gaussian 09, Revision C.01. Walling- ford CT: Gaussian, Inc.; 2010.

42. Humphrey W, Dalke A, Schulten K. VMD – Visual Molecular Dynamics. J Mol Graphics.

1996;14:33-38. doi:10.1016/0263-7855(96)00018-5. Accessed 04.08.2020.

43. Pettersen EF, Goddard TD, Huang CC, et al. UCSF chimera-a visualization sys- tem for exploratory research and analysis. J. Comput. Chem. 2004;25:1605-1612.

doi:10.1002/jcc.20084. Accessed 06.08.2020.

44. The GIMP Development Team, 2019. GIMP. www.gimp.org. Accessed 24.07.2020.

Antranilan metylu Cytronelol Wanilina

Rys. 9 Mapy potencjału elektrostatycznego (wartość izopowierzchni -0.04 jedn. at. dla po- wierzchni czerwonej, +0.04 jedn. at. dla powierzchni niebieskiej)

Źródło: Wyniki badań. Opracowanie własne