Спектроскопическое исследование комплексов редкоземельных металлов с ципрофлоксацином и налидиксовой кислотой

Спектроскопическое исследование комплексов редкоземельных металлов с ципрофлоксацином и налидиксовой кислотой.

Карасева Э.Т., Полищук А.В., Медков М.А., Карасев В.Е.

Институт химии, ДВО РАН, г.Владивосток,

Введение

Антибиотики из группы хинолонов являются эффективными лекарственными средствами нового поколения, успешно применяемыми для профилактики и лечения микробных инфекций. Первым представителем этого класса противомикробных средств, внедренных в клиническую практику, была налидиксовая кислота. Более эффективны как антибактериальные препараты хинолоны, содержащие в положении 6 атом фтора и различные заместители в положении 7(табл.). Исследование оптических и фотохимических свойств хинолонов, а также их комплексов важно в связи с возможным проявлением фототоксического эффекта в организме животного при приеме фторхинолонов. Фототоксичность зависит от природы заместителей в молекуле хинолона и может усиливаться под действием ультрафиолетового облучения [1,2].

По химическим свойствам хинолоны представляют собой слабые одноосновные кислоты, в некоторых условиях могут находиться в форме цвиттер-ионов [3]. При физиологическом значении pH 7,4 хинолинкарбоновые кислоты находятся преимущественно в форме аниона, которая, по мнению авторов [4] и является биологически активной формой препарата.

Способность к диссоциации в растворах по кислотному типу определяет возможность замещения подвижного иона водорода карбоксильной группы на металл с образованием комплексных соединений. Имеется лишь небольшое число работ, посвященных взаимодействию хинолонов с металлами [5-17]. В работе [5] методом pH-потенциометрического титрования определены константы ступенчатого комплексообразования редкоземельных ионов (РЗИ) с некоторыми хинолинкарбоновыми кислотами и сделаны предположения об их составе, который может претерпевать изменения по ряду РЗИ.

Сопоставление немногочисленных структурных исследований комплексов Сf с Си2+, Bi3+, Mg2+ свидетельствует о том, что молекула Cf может входить в координационную сферу комплексообразователя, либо выступать в качестве внешнесферного противоиона [6-8].

Были опубликованы данные, посвященные методам анализа хинолонов [9-13], в том числе люминесцентным методом с использованием лантанидов в качестве реагентов, что позволяет существенно повысить специфичность и чувствительность реакций. Так, в работе [9] исследованы люминесцентные реакции редкоземельных ионов - европия, самария, тербия - с некоторыми фторхинолонами - ципрофлоксацином, пефлоксацином и офлоксацином. Сделано заключение, что наибольшей интенсивностью флуоресценции обладает ион тербия в комплексе с ципрофлоксацином. Это свойство предложено использовать в целях определения содержания хинолонов в биологических материалах методом жидкостной хроматографии с люминесцентным детектированием.

Использование указанных соединений в качестве люминесцентных реагентов требует изучения процессов, связанных с первичными актами переноса электронной плотности по электрон-транспортной цепи сопряжения молекул и оценкой возможности снижения безызлучательных потерь энергии. В данной работе исследованы спектрально-люминесцентные свойства соединений некоторых РЗИ с ципрофлоксацином (Cf ). Полученные данные сопоставлены со спектроскопическими характеристиками аналогичных соединений налидиксовой и хинальдиновой кислот.

Экспериментальная часть.

Использован препарат «Ципрофлоксацин» для инъекций (Индия), налидиксовую кислоту выделяли из лекарственного препарата «Неграм» путем перекристаллизации из этанола. Для синтеза брали азотнокислые соли редкоземельных металлов квалификации х.ч и ч.д.а. Соединения синтезировали в водной или водно-этанольной среде при различных мольных отношениях металл - лиганд. Для получения комплексных солей с депрото-нированным лигандом создавали слабощелочную среду, с этой целью добавляли в раствор по каплям раствор аммиака или гексаметилентетрамин до

pH 7-9. Спектры поглощения соединений в инфракрасной области спектра снимали на спектрометре Specord-75. Образцы готовили в виде суспензий в вазелиновом масле. Спетры люминесценции снимали на спектрометре СДЛ-1 (ЛОМО) при возбуждении светом ртутной лампы ДРШ-250 (366нм). При исследовании спектров возбуждения люминесценции облучение производили светом ксеноновой лампы с использованием монохроматора КСВУ. Спектры люминесценции записывали при 300К и 77К. Электронные спектры поглощения снимали на спектрофотометре СФ-256.

Результаты и обсуждение.

В области рН 7-9 в растворах самария, европия, тербия, диспрозия и тулия с налидиксовой кислотой и ципрофлоксацином образуются комплексы, обладающие люминесценцией, характерной для соответствующего редкоземельного иона. Анализ штарковской структуры спектров люминесценции р.з. ионов в водно-органических растворителях, в присутствии ципрофлоксацина указывает на сложную картину комплексообразования и возможность одновременного присутствия разных по составу и строению комплексов. Одной из причин такого поведения фторхинолонов с лантанидами может быть наличие нескольких функциональных групп (табл.) с их потенциальной возможностью взаимодействовать с ионом-комплексообразователем.

Таблица

Максимумы спектров поглощения и люминесценции органических

лигандов

Название вещества

Структурная формула

Погл. Х,нм

Люм, Х,нм

Пиразин [21]

Хинальдиновая кислота

Налидиксовая кислота ( 1-этил-7-метил-4-оксо--1.4-дигидро-[1,8]нафти-ридин-3-карбоновая кислота) [22]

Ципрофлоксацин *

( 1-циклопропил-6-.

фтор-1.4-дигидро-4-

-оксо-(1-пиперазинил)-

-3-хинолинкарбоновая

кислота

324 328

220 245 300 330

235 260 310 325

270 320 340

340

538

360

460

• * Пунктиром выделены фрагменты молекул фторхинолона, влияющие на антибактериальную активность: 1 - домен, участвующий в образовании координационной связи, 2 - домен, определяющий проникновение фторхинолона в клетки, 3 - домен, ответственный за самоассоциацию молекул.

Наиболее перспективными при исследовании процессов комплексо-образования, состава и строения комплексов являются соединения европия, обладающие интенсивной люминесценцией и информативной линейчатой структурой спектров [18].

Спектры люминесценции комплексов европия с ципрофлоксацином приведены на рис.1. Как видно из рисунка, спектроскопические параметры люминесценции иона Eu3+ - характер распределения энергии по переходам и отдельным подуровням внутри переходов зависят от условий комплексообразования - кислотности среды, соотношения реагирующих компонентов, координации донорых лигандов, в том числе воды.

3+

Рассмотрим изменения, происходящие в спектрах испускания Ей по мере изменений состава реакционной среды в присутствии ципрофлоксацина. В кислых средах до рН 5-6 в растворе наблюдается голубая фосфоресценция реагента (рис.1).

Рис. 1. Спектры люминесценции: ципрофлоксацин (1); соединений

ципрофлоксацина с Ей при разных рН: 6(2); 7,5(3).

Спектры люминесценции растворов ципрофлоксацина в воде и в 2н HCl при 293К практически идентичны и представляют собой широкую бесструктурную полосу с максимумом при 465 нм. При введении европия и Cf в мольном отношении 1:3 при pH 6 в растворах наблюдается появление красного свечения. Интенсивность красной люминесценции европия в данных условиях весьма низкая. Наличие 6 компонентов штарковского расщепления

7 7

уровня F1 и более 5 для уровня F2 свидетельствует о присутствии, по крайней мере, двух неидентичных излучающих центров Eu3+. Такая картина может быть связана с началом процесса ступенчатого комплексообразования, когда в растворе присутствуют одновременно различные по составу комплексы.

Рис.2. Спектры люминесценции ионов: Тт(1), ТЬ (2); 8ш (3); Еи-СГ (4) в комплексах с СГ.

Наличие интенсивной полосы перехода 5В0-7Г0 , большая величина расщепления 7Ж1 и 7Ж2 —уровней говорит о низкой симметрии окружения Еи3+ , по крайней мере, в одном из излучающих центров.

При повышении рН в реакционной среде до значений 7,5 наблюдается изменение спектра люминесценции. Интенсивность свечения резко возрастает, 7-г

расщепление г^-уровней энергии характерно для индивидуального соединения. При дальнейшем увеличении рН до 8.5 спектр не меняется, что говорит о достижении максимально возможного числа координированных лигандов вокруг иона европия. Штарковская структура спектра характеризуется низкой величиной расщепления 7Ж1 и 7Ж2 — уровней, переход 5В0-7Ж0 практически не проявляется, свидетельствуя о высокой симметрии кристаллического поля лигандов вокруг центрального иона.

Мольное отношение Еи:СГ в комплексах определяли методом изомолярных серий в водных растворах при рН 8 (боратный буфер). Мольное отношение реагирующих компонентов определяли по максимуму диаграммы состав — свойство, где за свойство принята интенсивность люминесценции Еи3+ в максимуме перехода 5В0-7Г2. Общая концентрация реагирующих компонентов в растворе составляла 6х10-4М. Кривая состав-свойство имеет максимум при значении Еи:СГ, равном 1:3. Это подтверждает предположение о координации к

т/ ч 1 3

1(отн) Б2- Н4

4„ 6.

»0-^2

450 500 550

V.

«0° 650 Х

европию трех кислотных остатков ципрофлоксацина. Анализ ИК-спектров выделенных соединений свидетельствует о непосредственной координации СГ редкоземельными ионами через атомы кислорода карбоксильных групп с замыканием металлоцикла. Об этом свидетельствует проявление колебательных частот 1387см-1 и 1556см-1 вместо 1700 см-1, характерных для карбоксильной группы ципрофлоксацина в свободном виде.

Интенсивную люминесценцию в аналогичных условиях проявляют ионы тербия, самария, тулия в комплексах с ципрофлоксацином, спектры и отнесение наиболее интенсивных полос, которых приведено на рис.2.

Соединения рентгеноаморфны, не имеют кристаллической структуры, обладают высокой растворимостью в воде, гигроскопичны. Полученные в растворах соединения при удалении растворителя люминесцируют на несколько порядков интенсивнее. При понижении температуры до 77К интенсивность люминесценции меняется незначительно.

Лигандное окружение, включая способ координации, степень сопряжения и перенос электронной плотности при замыкании металлоциклов, оказывает сильное влияние на формирование спектрально-люминесцентных свойств координационных соединений РЗИ [18-21].

В данной работе детально проанализированы спектры люминесценции и возбуждения люминесценции 8т, Ей , ТЬ3+, Тт с ципрофлоксацином и произведено отнесение полос спектров к я-я*, п-я* и Г*- электронным переходам.

Для оценки координационных возможностей ципрофлоксацина, (табл., фрагмент 1.2), и, в частности, участия фрагмента 2 в общей цепи сопряжения при замыкании металлоцикла, проведен сравнительный анализ спектроскопических данных соединений европия с ципрофлоксацином, налидиксовой и хинальдиновой кислотами.

Спектроскопические свойства комплексов европия с хинальдиновой кислотой исследованы нами в работах [19-21]. Выявлена возможность координации хинальдиновой кислоты как бидентатно через карбоксильную группу, так и с участием атома азота. В последнем случае люминесцентные свойства комплекса меняются весьма существенно. Красное свечение, присущее комплексным соединениям европия состава Еи(хин)33Н20, в результате атипичного перераспределения интенсивностей штарковских

7

компонентов расщепления Г1,2 - уровней становится оранжевым — в спектре люминесценции наиболее интенсивны полосы, относимые к магнито-

5 7

дипольному Б0 — Г1 переходу (рис. 3).

1

?о - Р

"о 1 1

5п -¥

и^ 2

400

580

600

620

Рис.3. Спектры люминесценции [Еи

Анализ данных рентгеноэлектронной спектроскопии показал, что в комплексе Еи(хин) .3Н20, обладающем красной люминесценцией, наблюдается только одна N18 — линия при 399 эв. В комплексе [Еи(хин)яН20] п с оранжевой люминесценцией полоса N18 представляет собой суперпозицию, по меньшей мере, двух полос с максимумами 400,1 и 401,0 эв. Заметное увеличение энергии связывания N18 — электронов свидетельствует о дополнительной координации

3+

кислоты к Еи атомом азота. Отметим также, что в комплексе с оранжевой люминесценцией величина расщепления дублета Еи 4d на 0.6 эв больше, чем в аналогичном соединении, обладающем красной флуоресценцией, что может быть связано с большей степенью локализации 4d-электронов на атоме европия.

В электронных спектрах поглощения комплекса европия с хиналь-диновой кислотой в области 200-230 нм наблюдаются интенсивные полосы хинальдинового кольца 8 пп* и Т пп* переходов. Интенсивность 8 пп* и Т пп* переходов на порядок слабее.

Спектры поглощения (табл.) и люминесценции комплекса европия с налидиксовой кислотой в целом подобны спектрам соединения европия с

хинальдиновой кислотой состава Еи(хин)33Н2О, в котором последняя координируется бидентатно через карбоксильные группы [19-21]. Характер штарковской структуры и распределение интенсивностей полос спектра люминесценции соединения европия с ципрофлоксацином (рис.2) близок к хинальдинатам европия с бидентатной координацией лигандов, что не подтверждает предположения [5] о возможной тридентатной координации хинолона с вытеснением протона, локализованного на аминогруппе. С другой стороны, интенсивность люминесценции комплексов Eu, Sm, Tb, Tm с ципрофлоксацином (рис.2) значительно превосходит люминесценцию аналогичных соединений с налидиксовой кислотой, указывая на активное участие в излучательном процессе дополнительных заместителей - пиразина и фтора.

У пиразина, выступающего в качестве заместителя хинолонкарбоновой кислоты, существует две системы пя* - переходов [20]. Система с резкой структурой полос, отнесенной к длинноволновому п-я * переходу ( 324 нм ) и система с диффузной структурой меньшей интенсивности, отнесенной ко второму, запрещенному по симметрии переходу (328 нм). Система диффузных полос в парах при 280 нм отнесена к я-я * переходам.

Введение заместителей в молекулу пиразина [22] и их влияние на подвижку спектров поглощения подтверждает правильность отнесения фосфоресцентного (377 нм) состояния к п я * типу.

Анализ энергетической структуры обсуждаемых лигандов позволяет предположить, что для ципрофлоксацина низшим триплетным является T яя*-состояние, поскольку у Cf наблюдается длительная фосфоресценция (порядка 10 с). В этом состоит различие с налидиксовой кислотой, обладающей более короткоживущей слабой фосфоресценцией в сине-фиолетовой области, по-видимому, обусловленной пп*-фосфоресценцией, с преобладанием пя*-флуоресценции. Известно [23], что величина расщепления состояний пя*-типа тем больше, чем меньше расстояние между атомами азота в молекуле [23]. Для налидиксовой кислоты этот эффект должен проявляться максимально, что может привести к перемешиванию синглетных и триплетных состояний пп* и п п * - типа.

Наличие фторированного заместителя в ароматической п-сопряженной системе ципрофлоксацина приводит к снижению нижних вакантных уровней, что способствует более эффективному перекрыванию их с возбужденными 5D 4, 5D3, 5D2 - уровнями Tb 3+; 5 D3, 5 L6, 5 G2 - уровнями европия Eu 3+; 4G5/2, 4F 3/2, 5G7/2 - уровнями Sm3+; 1G4, 1D2 - уровнями Tm3+ (рис.4 ), через которые происходит основная "накачка" энергии возбуждения метастабильных уровней излучающих центров.

Сенсибилизация люминесценции Eu3+, Tb3+, Sm3+, Tm3+ в комплексах с

ципрофлоксацином значительно

выше по сравнению с таковой для комплексов налидиксовой и хинальдиновой кислот - результат удлинения цепи сопряжения за счет пиразинового кольца, что

способствует более эффективному перекрыванию в первую очередь Т и Тп,п* уровней лигандов с возбужденными 4^конфигурациями РЗИ.

На рис. 5 приведены спектры возбуждения люминесценции ряда

изученных соединений, а в таблице приведены максимумы полос спектров поглощения и

люминесценции и произведено отнесение максимумов полос.

Относительно сложная структура оптических спектров обусловлена наличием нескольких сопряженных систем, образующихся при комплексообразовании с металлами. Основной вклад в «антенный» эффект передачи энергии возбуждения люминесценции вносят фрагменты 1 и 2(Табл.).

Рис. 4. Схема электронно-возбужденных состояний и фотофизических процессов в соединениях РЗИ с хинолонами.

717Г*+П7Г* к. Л

!(отн) 1 / 1

Г/ г 1

/У Х'Т2'6

Х - О 4 — '

300 400 ^

Рис. 5. Спектры возбуждения

люминесценции ТЬ3+

Анализ спектров возбуждения

люминесценции комплексов свидетельствует о том, что наличие нескольких замкнутых систем с гетероатомами в цепи сопряжения способствует возникновению достаточно большого числа электронных уровней различной мультиплетности яя* и пя* типа, которые «оптимально» перекрываются с уровнями Еи3+, ТЬ3+, 8ш3+, Тш3+, образуя единую «колоколообразную» форму спектров

возбуждения в области 350 - 400 нм, что позволяет максимально использовать

«антенный» светосбор падающего излучения с последующей передачей на излучающий редкоземельный центр. Этот фактор, по-видимому, определяет высокий квантовый выход и слабую температурную зависимость люминесценции комплексов.

Литература

1. Ципрофлоксацин. К десятилетию опыта мирового клинического применения антибиотика ципробай (ципрофлоксацин) фирмы Байер, серия публикаций. Антибиотики и химиотерапия. 1997, 42 (6), 3-48.

2. Sanchez, J.P.; Bridges, A.J.; Bucsh, R.A.; at al. J. Med. Chem. 1992, 35, 361-367.

3. Montay, G.; Vigoroux, M.; Roguet, F.; Regnier M. Therapie. 1977, 32, 553-558.

4. Дворянцева, Г.Г.; Хабарова, Л.А.; Дронова, Л.Н.; Глушков, Р.Г. Хим.-фарм. журн. 1991, 25, 59-62.

5.Теслюк, О.И.; Бельтюкова, С.В.; Егорова, А. В.; Желтвай, И.И. Ж. Неорг. Химии 2000, 45, 2103-2107.

6. Djurdjevic, P.; Jelikic Stankov, M.; Odovic, J. Polyhedron 2000, 19, 1085-1096.

7. Turel, I.; Golic, L.; Bukovec, P.; Gubina, M. Journal of Inorganic biochemistry 1998, 71, 53-60.

8. Zupancic, M.; Korosec, R. C.; Bukovec, P. Jornal of Analysis and Thermal Calorimetry 2001, 63, 787-795.

9. Rieutord, A.; Vasquez, L.; M. Soursac, M.; Prognon, P.; Blais, J.; Bourget, Ph.; Mahuzier, G. Analitica Chimica Acta. 1994, 290 (1-2), 215-225.

10. Бельтюкова, С.В.; Егорова, А.В.; Теслюк, О.И. Укр. хим. журн. 2000, 66, 115-121.

11. Бельтюкова, С.В.; Егорова, А.В.; Теслюк, О.И. Ж. аналит. химии. 2000, 55, 760-763.

12. Befal, F.; Al-Majed, A.A.; Al-Obaid, A.M. Talanta 1999, 50, 675-786.

13. Marzo, L.D. Bo. J. Chromatogr. 1998,17, 812.

14. Золин, В.Ф.; Коренева, Л.Г. Редкоземельный зонд в химии и биологии. М.: Наука. 1980. 349 с.

15. Егорова, А.В.; Бельтюкова, С.В.; Кравченко, Т.Б.; Полуэктов Н.С. Укр. хим. ж. 1987, 53, 184-189.

16. Turel, I.; Leban, I.; Zupancic, M.; Bukovec, P.; Gruber. K. Acta Cryst. 1996, C52, 2443-2445.

17. Lee, S.S.; Jung, O-S.; Lee, C.O.; at al. Inorg. Chim. Acta 1995, 239, 133-138.

18. Гайдук М.И., Золин В.Ф., Гайгерова Л.С. Спектры люминесценции европия. - М.: Наука. 1974. - 195с.

19. Карасев, В.Е.; Калиновская, И.В.; Зайцева, Н.Н.; Лифар, Л.И. Ж. неорган. химии 1987, 32, 910-913.

20. Карасев, В.Е.; Калиновская, И.В.; Мирочник, А.Г.; Зайцева, Н.Н.; Зиатдинов, А. М. Ж. неорган. химии 1989, 34, 618-622.

21. Карасев, В.Е.; Калиновская, И.В. Ж. неорган. химии 1996, 41, 768.

22. Goodman, L.; M. Kasha, M. J.Molec. Spectrosc. 1958, 2, 58.

23. El. Sayed, M.A.; Robinson, G.W. J.Chem. Phys. 1961, 34, 1840.

24. Mercas, I. D.; de la Pena, A.M.; Caceres, M.I.R.; Lopez, F.S. Talanta 1998, 45, 899-907.

25. Мокрушина, Г.А.; Чарушин, В.Н.; Чупахин, О.Н., Хим. - фарм. журн. 1995, 29, 5-19.