مطالعه‌ي نظري بر توانايي β ، α و γ سيكلودكسترين ها به عنوان نانوسنسور براي شناسايي كاتينون

A joint QM/MD study on α-, β- and γ-cyclodextrins in selective complexation with Cathinone

در اين مقاله، با استفاده از محاسبات DFT و شبيه سازي ديناميك مولكولي به بررسي توانايي‌هاي α و β و γ سيكلودكسترين‌ها (CDS) براي تشكيل كمپلكس‌هاي انتخابي با كاتينون پرداخته شده است. محاسبات DFT در فاز گاز، آب، كلروفوم و متانول نشان مي‌دهد كه حلال پايداري كمپلكس‌ها را كاهش مي‌دهد. ساختار‌هاي بهينه شده تأييد مي‌كند كه α سيكلودكسترين‌ ‌نمي‌تواند كاتينون را به طور كامل كپسوله كند در حالي كه سيكلودكسترين‌هاي ديگر رفتار متفاوتي را نشان داده‌اند. دو جهت مختلف براي كاتينون نسبت به سيكلودكسترين‌ها در طول تشكيل كمپلكس در نظر گرفته شد. در حالت (A (SA، كاتينون وارد حفره-ي سيكلودكسترين‌ها از سمت گروه (CO-CH(NH2CH3 مي‌شود در حالي كه در حالت (B (SB كاتينون از طرف فنيل كمپلكس تشكيل مي‌دهد. اين جهت‌ گيري‌ها از ديد‌گاه پايداري كمپلكس ها بسيار حائز اهميت است. محاسبات DFT نشان مي‌دهد كه كاتينون با γ سيكلودكسترين پايدارترين كمپلكس را در مقايسه با α و β سيكلودكسترين تشكيل مي دهد. آناليز اوربيتال طبيعي پيوند (NBO) و نظريه‌ي كوانتومي اتم‌ها در مولكول‌ها (QTAIM) نشان مي‌دهد كه بر همكنش‌هاي الكترواستاتيك بين كاتينون و سيكلودكسترين‌ها نيروي محركه‌ براي تشكيل كمپلكس ‌مي‌باشد. شبيه ‌سازي ديناميك مولكولي تأييد مي-كند كه حلال‌هاي مختلف نقش مهمي را در پايداري كمپلكس‌هاي كاتينون دارند و نتايج شبيه‌سازي ديناميك مولكولي به دست آمده در تطابق خوبي با محاسبات DFT است.

In this article, density functional theory (DFT) calculations and 30 ns molecular dynamic (MD) simulations were performed to investigate the ability of α-, β- and γ-cyclodextrins (CDs) to form selective complexes with cathinone. DFT calculations in the gas phase, water, chloroform and methanol reveal that the solvents, reduce the stability of the complexes. Optimized structures confrm that α-CD cannot encapsulate cathinone, completely, while other CDs showed an opposite behavior. DFT calculations indicate that cathinone has the most stable complex with γ-CD in comparison to the α- and β-CDs. Natural bond orbital and quantum theory of atoms in molecules analyses reveal that the electrostatic interactions between cathinone and CDs are the driving force of the complex formation. MD simulations confrm that different solvents play an important role in the stability of the cathinone complexes and the obtained MD results are in good agreement with the DFT calculations.