Фторхинолоны: состав, строение и спектроскопические свойства

Вдогонку

Вестник ДВО РАН. 2005. № 2

Этой статьей сотрудников Института химии ДВО РАН журнал заканчивает публикацию материалов, представленных на научной сессии Общего собрания ДВО РАН «Фундаментальные и прикладные научно-исследовательские разработки по проблеме: наука — здоровью человека», которая прошла 5-6 декабря 2003 г. в Институте биологии моря ДВО РАН (см. № 3, 5 за 2004 г., № 1 за 2005 г.).

Институтом химии ДВО РАН совместно с Институтом органической химии УрО РАН (в рамках интеграционного проекта, руководители работ академики В.И.Сергиенко и

В.Н.Чарушин) проводятся фундаментальные исследования по созданию эффективных лекарственных препаратов для районов с повышенным уровнем техногенного воздействия.

Редколлегия

А.В.ПОЛИЩУК, Э.Т.КАРАСЕВА, М.А.МЕДКОВ, В.Е.КАРАСЕВ

Фторхинолоны: состав, строение и спектроскопические свойства

Проведен анализ рентгеноструктурных и спектроскопических данных строения и свойств антибиотиков класса фторхинолонов и их металлокомплексов. Рассмотрены кристаллическая структура комплексов металлов с фторхинолонами и способы координации лигандов. Исследованы спектральнолюминесцентные свойства соединений Eu(III) и Tb(III) с ципрофлоксацином и налидиксовой кислотой. Определена степень участия пп*, пп* и 4^переходов при переносе электронной плотности по элек-трон-транспортной цепи сопряжения.

Fluoroquinolones: composition, structure and spectroscopy properties. A. VPOLISHCHUK, E. T.KARA-

SEVA, M.AMEDKOV V.E.KARASEV (Institute of Chemistry, FEB RAS, Vladivostok).

The X-ray and spectroscopic data of the fluoroquinolones and their metal complexes were analysed. The crystal structure of the metal complexes with fluoroquinolones and possible ways of the acido-ligand coordination were examined. The spectral-luminescent properties of the Eu(III), Tm(III) complexes with ciprofloxacin and nalidixic acid were studied. The possible ways of the coordination and a degree of participation of пп*, nn* and 4f-transitions in the processes of electron density transfer along the conjugation chain were shown.

Антибиотики класса хинолонов - эффективные лекарственные средства нового поколения, успешно применяемые для профилактики и лечения микробных инфекций. Впервые хинолоны как антибактериальные препараты использовались в 1962 г., когда в качестве побочного продукта синтеза противомалярийного средства хлорохина была получена налидиксовая кислота - первый антимикробный препарат, внедренный в клиническую практику. В 1980-х годах благодаря структур-

ПОЛИЩУК Анна Владимировна - аспирант, КАРАСЕВА Эмилия Тойвовна - кандидат химических наук, МЕДКОВ Михаил Азарьевич - доктор химических наук, КАРАСЕВ Владимир Егорович - доктор химических наук (Институт химии ДВО РАН, Владивосток).

ным модификациям простой молекулы хиноло-на, добавлению к ней фтора и пиперазина созданы фторхинолоны - новый класс антибиотиков, отличающихся расширенным спектром действия. Некоторые из клинически важных фторхи-нолонов общей формулы (рис. 1) представлены в таблице.

Из анализа литературы о вероятном механизме действия хинолонов [2, 3, 5] следует, что антибиотики проникают через клеточные мембраны и влияют на процессы размножения бактерий путем ингибирования бактериальных ферментов. Это, во-первых, топоизомераза II (ДНК-гираза) - фермент, катализирующий процесс суперскручивания, или супеспирализации, нитей ДНК, что необходимо для ее оптимальной укладки в клетке. Во-вторых, топоизомераза IV, которая регулирует уровень суперспирализации. Предполагается, что воздействуя на грамотрицательные бактерии, фторхинолоны ингибируют первый фермент; в грамположительных бактериях хинолоны блокируют работу топоизомеразы IV [2]. Подавляя биосинтез ДНК в микробной клетке, они не влияют на клетки макроорганизма.

Благодаря широкому спектру действия фторхинолоны являются препаратами выбора при лечении инфекций неизвестной этиологии. Назначаются при терапии инфекционных заболеваний мочевых путей, брюшной полости и органов малого таза, костей, суставов, кожи, уха, горла и носа. Успешно применяются в профилактических целях для людей со сниженным иммунитетом.

Кристаллическая структура антибиотиков и их соединений с металлами

Несмотря на большое количество (около 10 000) синтезированных соединений, проявляющих антибактериальные свойства, число соединений, для которых описана кристаллическая структура, весьма ограничено. Опубликован обзор, отражающий современное состояние кристаллохимии ряда хинолонов и их комплексов с металлами [18]. Эти сведения относятся к соединениям (II), Са(П), Бе (III), Со (III), N1 (II), Си (II), гп (II), Са (III), Се (III).

Сложный характер протолитического равновесия фторхинолонов в водных и водно-органических растворителях [18] обусловливает широкое разнообразие антибиотиков и способов их координации с металлами. В зависимости от среды нор-флоксацин (ПдН) (рис. 2) [10] и ципрофлоксацин (с!дН) могут не только отдавать протон, принадлежащий карбоксильной группе, но и присоединять до двух протонов с участием атома кислорода карбонильной группы и атома азота пиперазино-вого кольца. В соединениях ПдН и йдН с двухвалентными и трехвалентными металлами, где норфлоксацин и ципрофлоксацин выступают в качестве внешнесфер-ных катионов 1^2+ и 1дНз2+ [18], атом водорода замыкает шестичленное кольцо при участии атома кислорода карбонильной группы, а второй протон присоединяется к атому азота пиперазинового кольца. Такую функциональную нагрузку несет молекула ПдН, например в соединении (ПцН3)(ПцН2)[СиС14]С1-Н20. Иногда фторхинолон выступает как внешнесферный противоион и не входит в координационную сферу металла - комплексообразователя (с1цН3)(с1дН2)[ВЮ16] 2Н20 [18] (рис. 3).

Хинолон

Яі

Местоположение заместителей

X

У Я

Налидиксовая

кислота

Циноксацин

Пипемидиевая

кислота

Норфлоксацин

Ципрофлокса-

цин

Пефлоксацин

Ломефлоксацин

-С2Н5

-С2Н5

-С2Н5

-С2Н5

-С2Н5

Офлоксацин

СН С Н

N С -Я7

СН N

СН С Б

СН С Б

СН С Б

СН С Б

СНз

N

СН

N

СН

СН

СН

СБ

Я

Примечание. Прочерк - отсутствует заместитель.

Выделяется группа соединений, где производные хинолинкарбоновой кислоты проявляются в качестве ацидолигандов и непосредственно входят в ближайшее окружение иона-комплексообразователя. Например, в соединении №[Со(сгХс)з]-6Н20 циноксацин координируется бидентатно с участием атомов кислорода карбонильной и карбоксильной групп, замыкая шестичленный металлоцикл (рис. 4). Шесть молекул воды находятся во внешней координационной сфере [18].

В соединении [Си^сН^ Су-6^0 атом меди окружен четырьмя атомами кислорода двух молекул ципрофлоксацина в нейтральной форме. Хлорид-ионы координируются к атому меди аксиально: Си - С1 = 2,688(2) А [18]. В другом соединении cfqH[Cu(cfqH)(H2O)]SO4• 2Н20 одна молекула cfqH входит в координационную сферу Си(11), а вторая находится во внешней сфере, как 8042--анион. Это свидетельствует о широком разнообразии способов координации хинолонов с металлами. Вследствие высокой антибактериальной активности соединений, содержащих Си(11), деятельность ряда ученых [14] была направлена на синтез и изучение комплексных соединений меди(ІІ) с хинолонами и донорными лигандами, например [Си(рИеп)па1 Н20^0з-ЗН20, где рИеп - 1,10-фенантролин, паї - налидиксовая

кислота. Молекула 1,10-фенантролина, входящая во внутреннюю сферу Си(ІІ), координируется бидентатно. Расстояния Си(1)-М(11) = 1,999(2) А; Си(1)-М(22) = 2,014(2) А. Атомы кислорода налидиксовой кислоты находятся на расстоянии Си-0(11) = 1,914 А, Си-0(2) = 1,934(2) А. В соединении отмечена повышенная антибактериальная активность по сравнению с исходной налидиксовой кислотой, входящей в состав комплекса.

Из кристаллографических данных димерного строения комплексов с антибиотиками [17] можно заключить, что к димеризации, например, склонны соединения [С^^с)4(Н20)2] (рис. 5), в которых две молекулы ципрофлоксацина выступают в качестве бидентатных лигандов, а в координации двух других молекул cfqH участвуют все три атома кислорода карбонильной и карбоксильной

групп. Отмечается разная степень участия этих атомов: если атом кислорода карбонильной группы координируется только к Са(1), то один из атомов кислорода карбоксильной группы присоединяется к Са(2), а второй является мостиком между Са(1) и Са(2).

Изучение кристаллического строения фторхинолонов и их способности к ком-плексообразованию помогает более глубоко понять физико-химическое и фотохимическое поведение этого важного для практического использования класса соединений. Их реакция в водных и водноорганических растворителях весьма многообразна; данные рентгеноструктурных исследований позволяют оценивать координационные возможности и состав соединений в жидких средах, включая физиологические жидкости живых организмов.

Физические методы определения хинолонов

Методам анализа лекарственных препаратов, действующих в биологических средах, таких как кровь, моча, сыворотка, посвящен ряд статей, а также обзор [6], содержащий 270 ссылок на реферируемые работы. Описаны методы анализа, применявшиеся в фармакологии при изучении фармакокинетики, антибактериального действия перепаратов, клинической эффективности и т. п.

Ципрофлоксацин, налидиксовую кислоту, циноксацин и норфлоксацин, согласно британской фармокопее, рекомендуется определять жидкостной хроматографией [11, 13, 16]. Для одновременного определения ципрофлоксацина и ломефлокса-цина предлагается использовать этот же метод со спектрофотометрическим окончанием [13]. Иногда для повышения чувствительности определения антибиотиков прибегают к сочетанию жидкостной хроматографии с люминесцентным детектированием сигнала. Это позволяет зафиксировать концентрацию норфлоксацина в плазме в интервале 0,025-5,0 мкг/мл.

Все производные 4-хинолина обладают фотолюминесценцией в растворах и твердом состоянии, это свойство ученые используют для анализа медицинских препаратов в биологических средах [16]. Получены данные о сенсибилизированной люминесценции ионов тербия в комплексах с хинолонами и ее применении для выявления последних [7]. Люминесценция соединения ТЬ(Ш) с ципрофлокса-цином и норфлоксацином использована для определения антибиотиков в плазме и моче. Измерения проводились в полосе люминесценции тербия 545 нм при возбуждении УФ-светом 325 нм и составили 0,05-1,0 мкг/мл.

Были исследованы комплексообразование и люминесцентные свойства хиноло-нов с металлами - скандием и алюминием [9]. По люминесценции комплекса с алюминием определялось содержание норфлоксацина в сыворотке - 0,001-2,0 мкг/мл. Люминесценцию измеряли при 440 нм, длина волны возбуждения составила 320 нм. Аналогичный метод применялся для выявления норфлоксацина в фармацевтических препаратах и моче [15]. Чувствительность определения хинолонов повышалась при этом на 1-2 порядка по сравнению с измерением флуоресценции.

Состав и устойчивость комплексов лантаноидов с некоторыми хинолонами

Изучению состава и устойчивости комплексов лантаноидов с хинолонами посвящено весьма ограниченное число работ [4, 16]. Методом рН-потенци-ометрического титрования при 22 °С и ионной силе 0,1 определяются ступенчатые константы устойчивости комплексов тербия с пефлоксацином, ломефлокса-цином, офлоксацином, норфлоксацином, налидиксовой и пипемидиевой кисло-

тами [4]. Для ципрофлоксацина и налидиксовой кислоты определена прочность хелатов всего ряда лантаноидов. Согласно данным титрования, исследуемые соединения являются слабыми одноосновными кислотами, значения рК которых 7,3-8,8. Комплексообразование сопровождается понижением рН, при подщела-чивании выше рН 8,5 комплексы разрушаются вследствие гидролиза. При анализе значения ступенчатых констант устойчивости комплексов тербия выделяются две группы лигандов. Одна образует прочные соединения (^К1 больше 6), а вторая, к которой принадлежат офлоксацин, норфлоксацин и пипемидиевая кислота, - хелаты, устойчивость которых примерно на 3 порядка ниже [4]. В первой группе кислот наблюдается удовлетворительная корреляция констант кислотной диссоциации с устойчивостью тербиевых хелатов, тогда как в другой подобная закономерность не наблюдалась. Из-за наличия пиримидинового цикла в пипе-мидиевой кислоте, бензоксазинового - в офлоксацине и чисто хинолонового фрагмента в норфлоксацине их структуры существенно различаются, и корректные сопоставления невозможны.

Молекулы фторхинолона в зависимости от различных факторов, включая рН среды, могут существовать в четырех формах: нейтральной, анионной, катионной, цвиттер-ионной. Этому способствует относительная подвижность электронов и протонов при сложных окислительно-восстановительных процессах. Суммируя результаты фотохимической реакции ципрофлоксацина, норфлоксацина, офлокса-цина и налидиксовой кислоты и литературные данные по поведению фторхиноло-нов в нейтральной, щелочной и кислой водной среде, схемы протолитического равновесия можно представить так (рис. 6) [18]:

Рис. 6. Схема протолитического равновесия фторхинолов

Выделение комплексных соединений фторхинолонов с редкоземельными элементами из водных и водноорганических сред - трудоемкая задача, сопряженная с поиском состава и концентрации растворителей, исходных солей, оптимальной кислотности среды, температурного режима и т. д. В осадках нередко оседает гидроокись лантаноида. Работы по препаративным методам исследования подобных комплексов, изучению люминесцентно-спектроскопических и антибактериальных свойств представляют как научный, так и практический интерес в связи с перспективностью их применения.

Сравнительный анализ полученных нами спектроскопических данных показал, что излучение комплексов Ей и ТЬ с сГдЫ значительно ярче люминесценции аналогичного соединения с налидиксовой кислотой; это указывает на активное участие в излучении дополнительных заместителей - пиперазина и атомов фтора. У пиперазина, выступающего в качестве заместителя хинолинкарбо-новой кислоты, имеются две системы пп-переходов. Структура энергетических уровней исследуемых лигандов весьма сложна (рис. 7). Наличие фторированного заместителя в ароматической п-сопряженной системе сГдЫ приводит к снижению нижних вакантных уровней, что способствует более эффективному перекрыванию их с возбужденными 5Б4,5Б3, 5Б2-уровнями ТЬ3+ и 5Б3, 5Ь6, 502-уровнями Еи3+ и резкому возрастанию люминесценции с метастабильных уровней редкоземельных ионов.

Антимикробная активность хинолонов

Большинство из 10 000 синтезированных фторхинолонов находится в стадии биологических и медицинских исследований. В зависимости от химического строения и физико-химических свойств фторхинолоны различаются по характеру антибактериальной активности, фармакокинетике и особенностям токсикологии.

Фторхинолоны разбиваются на группы, в которые подбираются соединения с модификацией отдельных атомов в положении N(1), С(2), С(5), С(7) и т. д. Считается, что атом азота в положении 1 играет важную роль в усилении антибактериальной активности. Замена атома азота на атом углерода или кислорода дезактивирует молекулу хинолона [2]. Наибольшей эффективностью обладают фторхиноло-ны, содержащие в положении 1 циклопропильный, фторвинильный и третбутиль-ный заместители.

Модификация 3-карбоксигруппы на водород, ацил-, карбоэтокси- и другие кислотные остатки приводит к резкому снижению антибактериальной активности [5].

Противоречивы данные о модификации положения С(5). Можно предположить, что введение аминогруппы в положение 5 на порядок усиливает отрицательное воздействие хинолонов на стафилококки и стрептококки [2].

Установлено, что высокой активности фторхинолонов способствует атом фтора в положении 6 [2]. Его влияние усиливается при введении в молекулу хинолона заместителей: в положение 1 - алкильных группировок, в том числе циклопро-пильного радикала; в положение 7 - шести- и пятичленных структур. Из обзора также следует, что для получения высокоактивных соединений не обязательно присутствие атома фтора в положении 6. При наличии фармакоформных группировок, таких как М(1)-циклопропил и С(7)-3-аминопирролидин, перемещение атома фтора в положение 8 приводит к незначительной потере активности.

В последние годы путем модификации 6-фторхинолонов получен ряд препаратов (гепафлоксацин, гатифлоксацин, моксифлоксацин и др.), которые эффективно воздействуют на грамположительные кокки, анаэробы и микобактерии. Фторхино-лоны высокоэффективны при лечении кишечных инфекций, включая холеру, брюшной тиф и различные формы сальмонеллезов. Однако эти препараты пассивны в отношении вирусов, грибов, возбудителя сифилиса, и они не используются для лечения заболеваний, вызванных ими.

Исследования антибактериальной активности металлокомплексов фторхиноло-нов немногочисленны, и зачастую они носят противоречивый характер [8]. Следует обратить внимание, что присутствие в координационной сфере дополнительных нейтральных лигандов, таких как 1,10-фенантролин и 2,2-дипиридил, приводит к росту антибактериальной активности [14].

Следует подчеркнуть важность изучения токсичности фторхинолонов и метаболизма антибактериальных препаратов. Все хинолоны подвергаются биотрансформации в организме. Некоторые могут оказывать влияние на метаболизм ме-тилксантинов (кофеина), тормозя их биотрансформацию, отчего повышается кон -центрация последних в крови. Перспектива развития этого важного направления -детальный анализ отдельных стадий метаболизма с использованием совокупности физических методов: высокочувствительной жидкостной хромотографии, ядерномагнитного резонанса, масс-спектроскопии и ЭПР, фоторентгеноэлектронной спектроскопии [12].

В настоящее время ведется поиск новых синтетических антибиотиков, эффективно и щадяще действующих на организм человека. Актуальны вопросы, касающиеся особенностей токсикологии, в частности изучения проблемы фототоксичности некоторых хинолонов и выявления механизма подобного действия с позиций электрон-протонного обмена.

Представляют интерес перспективы утилизации снятых по тем или иным причинам с производства антибиотиков. Они должны быть связаны не с использованием для откорма скота и птицы (что ведет фактически к их возвращению в организм человека), а с применением в технике, например, в качестве люминофоров -активаторов светотрансформирующих материалов, рабочих тел перестраиваемых фотохимических лазеров, люминесцентных индикаторов и др. [1]. Такой комплексный подход будет способствовать улучшению экономических показателей производства фторхинолонов.

Прогресса в исследовании первичных процессов метаболизма и фотодеградации антибактериальных препаратов можно достичь при установлении взаимосвязи электронного строения молекулярных комплексов, их радиационного поведе-

ния и возможностей регулирования протонного и электронного внутри- и межмо-лекулярного транспорта в молекулярных агрегатах, включающих ДНК-гиразу -фотокатализирующий антибактериальный агент, белки, аминокислоты и водную среду.

ЛИТЕРАТУРА

1. Карасев В.Е. Новые полимерные светотрансформирующие материалы для солнечной энергетики // Вестн. ДВО РАН. 2002. № 3. С. 52-61.

2. Мокрушина Г.А., Чарушин В.Н., Чупахин О.Н. Взаимосвязь структуры и антибактериальной активности в ряду фторхинолонов. Обзор // Хим.-фарм. журн. 1995. Т. 29, № 9. С. 5-19.

3. Падейская Е.Н., Яковлев В.П. Фторхинолоны. М.: Биоинформ, 1995. 208 с.

4. Теслюк О.И., Бельтюкова С.В., Егорова А.В., Желтвай И.И. Устойчивость комплексов лантаноидов с производными хинолинкарбоновой кислоты // Журн. неорг. химии. 2000. Т. 45, № 12.

С. 2103-2107.

5. Фадеева Н.И., Шульгина М.В., Глушков РГ Молекулярно-биологические особенности антибактериального действия производных 4-хинолон-3-карбоновой кислоты. Обзор // Хим.-фарм. журн. 1993. Т. 27, № 5. С. 4-19.

6. Belal F., Al-Majed A.A., Al-Obaid A.M. Metods of analysis of 4-quinolone antibacterials // Talanta. 1999. Vol. 50. P 765-786.

7. Beltyukova S., Teslyuk O., Egorova A., Tselic E. Solid-phase luminescensce determination of ciprofloxacin and norfloxacin in biological fluids // J. Fluorescence. 2002. Vol. 12, N 2. P. 269-272.

8. Castillo-Blum S.E., Barba-Behrens N. Coordination chemistry of some biologically active ligands // Coord. Chem. Rev. 2000. Vol. 196. P. 3-30.

9. Dracopoulos A.J., Ioannou PC. Spectrofluorimetric study of the behavior of the fluoroquinolone antibiotics ofloxacin, norfloxacin and pefloxacin in aqueous solution // Anal. Chim. Acta. 1997. Vol. 345, N 1-2. P. 197-204.

10. Florence A.J., Kennedy A.R., Shankland N., Wright E., Al-Rubayi A. Norfloxacin dihydrate // Acta Crystallog. 2000. Vol. 56 C. P. 1372-1373.

11. Kraemer H.J., Gehrke R., Breithaupt A., Breithaupt H. Simultaneous quantification of cefotaxime, desacetyl cefotaxime, ofloxacine and ciprofloxacine in ocular aqueous humor and in plasma by high-performance liquid chromatography // J. Chromatogr. B. 1997. Vol. 700, N 1. P. 147-153.

12. Lode H., Hoffken G., Boeckk M. et al. Quinolone pharmacokinetics and metabolism // J. Antimicrob. Chemother. 1990. Vol. 26 B. P. 41-49.

13. Maya M.T., Goncalves N.J., Silva N.B., Morais J.A. Simple high-performance liquid chromatographic assay for the determination of ciprofloxacin in human plasma with ultraviolet detection // J. Chromatogr. B. 2001. Vol. 755, N 1-2. P. 305-309.

14. Mendoza Diaz G., Martinez Aguilera L.M.R., Moreno Esparza R., Pannell K.H., Cervantes Lee F. Some mixed-ligand complexes of copper (II) with drugs of the quinolone family and (N-N) donors - crystal-structure of [Cu(Phen)(Cnx)(H2O)]NO3-H2O // J. Inorg. Biochem. 1993. Vol. 50, N 1. P 65-78.

15. Perez-Ruiz T., Martinez-Lozano C., Tomas V., Carpena J. Determination of norfloxacin in real samples by different spectrofluorometric techniques // Analyst. 1997. Vol. 122. P. 705-708.

16. Rieutord A., Prognon P, Brion F., Mahuzier G. Liquid chromatographic determination using lanthanides as time-resolved luminescence probes for drug and xenobiotics: advantages and limitations // Analyst. 1997. Vol. 122. P. 59 R-66 R.

17. Ruiz M., Perello L., Server-Carrio J., Ortiz R., Garcia-Granda S., Diaz M.R., Canton E. Cinoxacin complexes with divalent metal ions. Spectroscopic characterization. Crystal structure of a new dinuclear Cd(II) complex having two chelate-bridging carboxylate groups. Antibacterial studies // J. Inorg. Biochem. 1998. Vol. 69, N 2. P. 231-239.

18. Turel I. The interactions of metal ions with quinoline antibacterial agents // Coord. Chem. Rev. 2002. Vol. 232. P. 27-47.