Спектрально-люминесцентные свойства и эксимерообразование фторхинолонов в растворах

Химия

Вестник ДВО РАН. 2009. № 6

УДК 546.65; 535.37; 543

А.В.ПОЛИЩУК, Э.Т.КАРАСЕВА, Т.Б.ЕМЕЛИНА, В.Е.КАРАСЕВ

Спектрально-люминесцентные свойства и эксимерообразование фторхинолонов в растворах

Исследованы электронные спектры поглощения и флуоресценции фторхинолонов — ципрофлоксацина (cfqH), пефлоксацина (pfqH) и норфлоксацина (nfqH) в воде. Проведена квантово-химическая оценка малликеновских зарядов на атомах молекулы ципрофлоксацина.

Ключевые слова: фторхинолоны, флуоресценция, поглощение, спектры, заряд, квантово-химический.

Spectral-luminescent properties and excimerisation process of fluoroquinolones in solutions. A.V.POLY-SHCHUK, E.T.KARASEVA, T.B.EMELINA, V.E.KARASEV (Institute of Chemistry, FEB RAS, Vladivostok).

Electronic absorption and fluorescence spectra offluoroquinolones — ciprofloxacin (cfqH), pefloxacin (pfqH), and norfloxacin (nfqH) — in water were investigated. Quantum-chemical estimation of Mullikan charges on atoms of cfqH molecule was carried out.

Key words: fluoroquinolone, fluorescence, absorbtion, spectra, charge, quantum-chemical.

Фторхинолоны (fqH) - синтетические антибактериальные препараты, обладающие широким спектром действия против грамотрицательных и грамположительных бактерий. Имея в составе молекулы сопряженные п-электронные системы, фторхинолоны, с одной стороны, обладают способностью к фотолюминесценции, с другой - особенно содержащие фтор - при использовании в клинической практике могут вызывать фототоксические реакции в организме человека [3].

В данной работе исследованы спектрально-люминесцентные свойства и процессы эк-симеризации (т.е. димеризации в возбужденном состоянии) в водных растворах норфлоксацина (nfqH), ципрофлоксацина (cfqH) и пефлоксацина (pfqH). Для cfqH (рис. 1) проведен квантово-химический расчет величин зарядов на атомах, порядков связей и ковалентного вклада в основном и возбужденном состояниях. В случае nfqH циклопропильная группа замещается C2H5-группой; pfqH отличается от nfqH тем, что протон H(42) заменяется ме-тильной группой CH3.

Спектрально-люминесцентные свойства указанных fqH близки по своим характеристикам [4, 6]. В спектрах УФ поглощения сопряженным п-системам отвечают полосы с X = 270-275 нм и высокой экстинкцией (е = n-105). Пара компонент в области 310-325нм - полосы, обусловленные п-п*-переходами при участии неподеленных пар электронов карбонильной и карбоксильной групп, склонных к образованию межмолекулярных и внутримолекулярных водородных связей.

ПОЛИЩУК Анна Владимировна - кандидат химических наук, научный сотрудник, КАРАСЕВА Эмилия Той-вовна - кандидат химических наук, научный сотрудник, ЕМЕЛИНА Татьяна Борисовна - кандидат химических наук, научный сотрудник, КАРАСЕВ Владимир Егорович - доктор химических наук, заведующий лабораторией (Институт химии ДВО РАН, Владивосток). E-mail: karasev@ich.dvo.ru

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 08-03-91750 АФ-а) и гранта РАН 09-1-ОХНМ-07.

-0,45 / -0,45 0(2) -0,58 / -0,54 0(3) -0,71 / -0,69 0(4) -0,71 / -0,39

N(5) -1,07 / -1,08 N(6) -0,83 / -0,82 N(7) -0,67 / -0,67 С(8) 0,40 / 0,31

С(10) -0,38 / -0,24 С(11) 0,55 / 0,31 С(12) -0,18 / -0,05 С(13) -0,07 / -0,13 С(15) 0,35 / 0,37

Рис. 1. Заряды на атомах цвиттер-ионной формы молекулы cfqH в основном / возбужденном состояниях

На рис. 2 приведены спектры флуоресценции и возбуждения флуоресценции ^Н в водном растворе при концентрации 210-4 М. Коротковолновые полосы спектра возбуждения флуоресценции (п-п*-переход) имеют максимумы в области 250 нм, претерпевают гипсохромный сдвиг на 22 нм по отношению к полосам того же перехода при концентрации раствора с = 2-10-5 М. Длинноволновые компоненты в области 300-350 нм приобретают вид широкой интенсивной полосы, форма которой значительно меняется из-за наложения полосы возбуждения эксиме-ра и п-п*-компонент nfqH. Спектры флуоресценции водных растворов cfqH, nfqH, pfqH при разных концентрациях различаются интенсивностью и значениями максимумов. Максимумы

Рис. 2. Спектры возбуждения флуоресценции X 2 - 417 нм) и флуоресценции (3 - 240 нм, 4 - 344 нм, 5 -ных растворов [П^Щ = 2-10-4 М, pH 6

(1 - 430, 294 нм) вод-

полос спектров возбуждения флуоресценции и флуоресценции в водных растворах при с=10-4 М не совпадают с таковыми для мономерных форм (с = 10-5 М). Спектр флуоресценции йдН (рН 6,2) при с = 2-10-5 М имеет Хшах = 410 нм [4, 6], в то время как спектр более концентрированного раствора при том же значении рН имеет максимум X = 430 нм.

шах

Изменение длин волн излучения при возбуждении в разные полосы п-п*- и п-п*-пере-ходов (рис. 2) также свидетельствует о димеризации в возбужденном состоянии.

Таким образом, отсутствие изменений в спектрах поглощения, нарастание интенсивности флуоресценции с ростом концентрации, не совпадающей с максимумами разных мономерных протолитических форм, наличие дополнительных полос в спектре возбуждения указывают на образование димеров в возбужденном состоянии в водном растворе. Характерной спектральной особенностью эксимеров является полоса свечения с аномально большой величиной стоксова сдвига (5000-12 000 см-1) [1]. В нашем случае эта величина равна 9800 см-1. Отсутствие видимых качественных изменений в спектрах поглощения говорит об отсутствии агрегации в основном состоянии. Анализ суммарной кривой затухания времен жизни возбужденного состояния cfqH по формуле

п

1(1) = I Л. е-^

I=1

указывает на сложный характер зависимости т. = 3 от концентрации и кислотности среды (см. таблицу, трехэкспоненциальная зависимость) - результат влияния нескольких факторов, включая одновременное присутствие мономерных и эксимерных форм.

Времена жизни (т., нс) и предэкспоненциальные множители (А.) возбужденного состояния cfqH (рН 7,5) в водной среде при разной концентрации

с = 2 • 10-5 М, с = 2 • 10-4 М,

X = 412 нм X = 430 нм

907 204

Т1 8,3 17,0

А2 5057 761

Т2 1,5 3,3

А3 0,0 4663

т3 0,0 1,3

При рН 7,5 трехэкспоненциальная зависимость при высокой концентрации нейтральной формы (см. таблицу) - следствие наложения нескольких процессов, в том числе протекающих в возбужденном состоянии [2]. За время нахождения cfqH в таком состоянии (1,5-3,0 нс) часть молекул антибиотика склонна к образованию эксимеров. Для фторхи-нолонов в водной среде константа скорости диффузии оценена как 6,5 109 дм3 М-1 с-1 [2]. Для наносекундных времен жизни возбужденного состояния (см. таблицу) константы скорости бимолекулярной реакции при концентрации fq 10-2-10-3 М оцениваются в пределах К > 1010 дм3 М-1 с-1, что свидетельствует о возможности диффузионных встреч возбужденных и невозбужденных молекул. Для возбужденных молекул, находящихся в триплетном состоянии (тТ > 10-6с), вероятность диффузионных встреч увеличивается на 3 порядка. При диффундировании возбужденных молекул в концентрированном водном растворе вероятность эксимерообразования существенно увеличивается. Эксимерные состояния (табл. 1) характеризуются удвоенными значениями времен жизни возбужденного состояния, не зависящими от длины волны излучения мономерной (410 нм) и эксимерной (430 нм) форм. Многоэкспоненциальный закон затухания при разных концентрациях может быть результатом как обратимости фотохимических реакций в возбужденном состоянии,

так и частичной фотодеструкции соединений. В этом случае т. зависят от всех кинетических констант системы и не являются временами жизни мономерных или димерных форм.

Cопоставление квантово-химических расчетов величин зарядов на атомах cfqH в основном и возбужденном состояниях (рис. 1) указывает на специфику изменения перечисленных параметров. Значения зарядов на атомах кислорода карбоксильной группы и атомах азота пиперазинильного кольца изменяются незначительно. Иаиболее сильное перераспределение электронной плотности наблюдается по цепи сопряжения, включающей карбонильную группу. Tак, величина отрицательного заряда на атоме O(4) равна в основном состоянии -0,71, в возбужденном -0,39, что свидетельствует о состоянии переноса заряда при фотовозбуждении. При этом вклад ковалентной составляющей связи C(11)-O(4) существенно снижается, связей C(11)-C(12) и C(11)-C(10) увеличивается.

При димеризации влияние водородной связи в возбужденном состоянии может сказываться двояким образом [5]: в случае если гидроксильный кислород получает часть электронной плотности, возбужденный флуорофор выступает как протон-донорное соединение. В свою очередь потеря части электронной плотности на карбонильном кислороде (рис. 1) - показатель того, что возбужденная молекула cfqH* выступает в качестве протон-акцептора при встрече с невозбужденной молекулой cfqH при димеризации.

ЛИTEPATУPA

1. Барашков H.H., Cахно ТВ., Hурмухаметов P.H., Хахель O.A. Эксимеры органических молекул // Успехи химии. 1993. T. б2, № б. C. 579-593.

2. Лакович Дж. Oсновы флуоресцентной спектроскопии. М.: Мир, 198б. 49б с.

3. Яковлев В.П., Яковлев СВ. Моксифлоксацин - новый антимикробный препарат из группы фторхинолонов. Фототоксичность. - http://medi.ru/doc/2602410.htm.

4. Albini A., Monti S. Photophysics and photochemistry of fluoroquinolones // Chem. Soc. Revs. 2003. Vol. 32. P. 238-250.

5. Baum J.C., McClure D.S. The Ultraviolet Transitions of benzoic Acid // J. Amer. Chem. Soc. 1979. Vol. 101, N 4. P. 2340-2343.

6. Cuquerella M.C., Miranda M.A., Bosca F. Role of Excited State Intramolecular Charge Transfer in the Photo-physical Properties of Norfloxacin and Its derivatives // J. Phys. Chem. A. 200б. Vol. 110, N 8. P. 2б07-2б12.