Ионные равновесия в растворах пенициллинов, цефалоспоринов и их металлокомплексов

Скачать 447.38 Kb.

Название	Ионные равновесия в растворах пенициллинов, цефалоспоринов и их металлокомплексов
страница	2/3
Дата публикации	12.08.2015
Размер	447.38 Kb.
Тип	Автореферат

100-bal.ru > Химия > Автореферат

1 2 3

Антибиотики кислотного типа обычно содержат одну карбоксильную группу, реже – две (тикарциллин, карбенициллин), либо карбоксильную и сульфоновую группы (цефсулодин). В водных растворах эти вещества ведут себя как органические кислоты. Вследствие отрицательного индуктивного эффекта пенам- и цефем-групп кислотные свойства у связанных с ними карбоксильных групп выражены сильнее, чем у алифатических карбоновых кислот (уксусной, пропионовой и т.д.). Все антибиотики этой группы полностью диссоциируют по кислотному типу при рН > 5. В крови человека (т.е. при рН около 7) присутствуют в виде одно- или двухзарядных анионов. Исключением является цефалоридин, содержащий в боковой цепи положительно заряженный четвертичный атом азота. Вследствие этого в нейтральной и щелочной среде он существует в виде цвиттер-иона. Амфотерные антибиотики с карбоксильными и аминными группами, как правило, содержат одну карбоксильную и одну аминогруппу. К этой же группе можно отнести и цефапирин, содержащий пиридиновый цикл вместо аминогруппы. По структуре молекул и кислотно-основным свойствам они близки к аминокислотам и дипептидам, могут существовать в виде аниона L^– (в щелочной среде), цвиттер-иона HL^ (в нейтральной среде, протонирована аминогруппа боковой цепи) или катиона H₂L⁺ (в кислой среде), которые находятся в равновесии. Для этих антибиотиков характерны две константы кислотной диссоциации. K₁ соответствует диссоциации катиона с отщеплением протона от карбоксильной группы и образованием цвиттер-иона: H₂L⁺  HL^ + H⁺. K₂ соответствует диссоциации цвиттер-иона с отщеплением протона от аммонийной группы и образованием аниона: HL^  L^– + H⁺. Некоторые антибиотики этого типа помимо карбоксильной и аминной групп, содержат также фенольную группу. Для таких соединений определяются три константы кислотной диссоциации. K₃ соответствует диссоциации фенольной группы HL^–  L^2– + H⁺. В кислой среде они существуют в виде катиона H₃L⁺, в нейтральной – в виде цвиттер-иона H₂L^, в слабощелочной – в виде аниона HL^–, в сильнощелочной – в виде аниона L^2–. Значения K₁ (COOH) примерно такие же, как и у антибиотиков кислотного типа. Значения K₂ (NH₃⁺) больше, чем у аминокислот на 2 порядка и близки к соответствующим константам дипептидов. Так для GlyGly и GlyAla pK₂ при 25 С и ионной силе 0.1 равны 8.09 и 8.19, соответственно. Это является следствием отрицательного индуктивного эффекта амидной группы в дипептидах и антибиотиках. K₃ (ArOH) соответствуют значениям для пара-замещенных фенолов. Амфотерные антибиотики с карбоксильными и аминотиазольными группами встречаются только среди цефалоспоринов. Входящий в цикл атом азота слабоосновной аминотиазольной группы в кислой среде способен присоединять протон. Для таких соединений определяются две константы кислотной диссоциации. При этом K₁ соответствует диссоциации карбоксильной группы катиона c образованием цвиттер-иона H₂L⁺  HL^ + H⁺, а K₂ – диссоциации протона, координированного аминотиазольной группой, с образованием аниона HL^  L^– + H⁺. Эти антибиотики существуют в виде катиона (в сильнокислой среде), цвиттер-иона (в слабокислой) и аниона (в нейтральной и щелочной). Цефепим и цефпиром и в щелочной среде существуют в виде цвиттер-ионов благодаря наличию положительно заряженного четвертичного атома азота в боковой цепи.

Цвиттер-ион цефотаксима

Анализируя совокупность литературных данных по константам кислотно-основных равновесий в растворах пенициллинов и цефалоспоринов, можно отметить значительный разброс литературных значений pK_a, в том числе и определенных при сходных условиях (температура, ионная сила). В ряде случаев наблюдается явная несогласованность изменения условий эксперимента и изменения значений констант, например, рост значений pK_a(COOH) с увеличением температуры и ионной силы раствора, что маловероятно.

Интересным фактом является также зависимость значений pK_a от метода определения. Большинство представленных в литературе констант определено классическим потенциометрическим методом. Использовались также методы растворимости, УФ спектрофотометрии и капиллярного электрофореза. В некоторых работах константы найдены в одинаковых условиях методами потенциометрии и капиллярного электрофореза. Во всех случаях имеется большее или меньшее различие в значениях pK_a, однако какая-либо тенденция завышения или занижения pK_a не прослеживается. Какой метод в данном контексте заслуживает большего доверия – пока остается под вопросом.

Нет литературных данных о количественных взаимосвязях структурных характеристик молекул и их кислотно-основных свойств.

Автором работы исследование кислотно-основных свойств было проведено для восьми широко используемых в России пенициллинов и цефалоспоринов (табл. 1). Использовали: натриевую соль бензил-пенициллина NaBzp («Биохимик», Саранск, Россия), натриевую соль карбенициллина Na₂Carb, натриевую соль ампициллина NaAmp и тригидрат ампициллина HAmp ∙ 3 H₂O («Ферейн», Москва, Россия), натриевую соль цефалотина NaClt («Pharmachim», Болгария), натриевую соль цефазолина NaCzl («Биосинтез», Пенза, Россия), моногидрат цефалексина HCpx ∙ H₂O, тригидрат амоксициллина H₂Amx ∙ 3 H₂O («Hemofarm», Югославия), натриевую соль цефотаксима NaCxm («Деко», Москва). HBzp, H₂Carb, HClt, HCzl – антибиотики кислотного типа; HAmp, HCpx, H₂Amx – амфотерные антибиотики с карбоксильной и аминной группами (H₂Amx содержит также фенольную группу); HCxm – амфотерный антибиотик с карбоксильной и аминотиазольной группами.

Концентрационные константы кислотной диссоциации определяли из кривых рН-метрического титрования растворов антибиотиков или их натриевых солей при 20 °С. В качестве фоновых электролитов использовали KCl и KNO₃ концентрацией 0.1, 0.4, 0.7 и 1.0 моль/л.

Значения pK_a были рассчитаны с использованием программы New DALSFEK. Результаты представлены в табл. 2. Обращает на себя внимание рост значений pK_a протонированных аминогрупп и аминотиазольных групп с увеличением ионной силы µ. Это вполне согласуется с литературными данными. Подобная «обратная» зависимость pK_a от µ наблюдается для аминокислот.

Математический анализ кривых титрования в сравнении с кривыми холостого опыта показал, что другие функциональные группы, входящие в состав исследованных антибиотиков (амидная, тетразольная, тиофеновая, тиадиазольная), в диапазоне рН от 2 до 11 не участвуют в кислотно-основных равновесиях. Это опровергает некоторые сообщения в литературе об определении значений pK_a амидной группы цефалоспоринов около 10.5.
Таблица 1. Объекты исследования

Пенициллины	Цефалоспорины

Бензилпенициллин (HBzp)	Цефалотин (HClt)

Карбенициллин (H₂Carb)	Цефазолин (HCzl)

Ампициллин (HAmp)	Цефалексин (HCpx)

Амоксициллин (H₂Amx, HAxn)	Цефотаксим (HCxm)

Таблица 2. Концентрационные и термодинамические значения pK_a исследованных антибиотиков. 20 С.

Равновесие	Фоновый электролит	ионная сила раствора µ, моль/л					pK_a
Равновесие	Фоновый электролит	1.0	0.7	0.4	0.1		pK_a
HBzp  H⁺ + Bzp^–	KCl	2.97	3.01	3.04	3.11	0.12	3.04
HBzp  H⁺ + Bzp^–	KNO₃	3.02	3.04	3.08	3.11	0.07	3.04
H₂Carb  H⁺ + HCarb^–	KCl	2.46	2.55	2.65	2.79	0.33	2.79
H₂Carb  H⁺ + HCarb^–	KNO₃	2.67	2.70	2.76	2.81	0.13	2.79
HCarb^–  H⁺ + Carb^2–	KCl	3.44	3.50	3.55	3.64	0.11	3.63
HCarb^–  H⁺ + Carb^2–	KNO₃	3.49	3.54	3.57	3.65	0.08	3.63
HClt  H⁺ + Clt^–	KCl	2.33	2.45	2.52	2.64	0.30	2.74
HClt  H⁺ + Clt^–	KNO₃	2.41	2.51	2.58	2.65	0.23	2.74
HCzl  H⁺ + Czl^–	KCl	2.67	2.73	2.79	2.86	0.18	2.95
HCzl  H⁺ + Czl^–	KNO₃	2.71	2.77	2.81	2.87	0.14	2.95
H₂Cpx⁺  H⁺ + HCpx^±	KCl	3.06	3.11	3.22	3.26	0.27	3.22
H₂Cpx⁺  H⁺ + HCpx^±	KNO₃	2.94	3.05	3.17	3.24	0.37	3.22
HCpx^±  H⁺ + Cpx^–	KCl	7.71	7.65	7.57	7.53	– 0.24	7.57
HCpx^±  H⁺ + Cpx^–	KNO₃	7.63	7.58	7.54	7.52	– 0.15	7.57
H₂Amp⁺  H⁺ + HAmp^	KCl	2.83	2.89	2.95	3.01	0.23	2.97
H₂Amp⁺  H⁺ + HAmp^	KNO₃	2.97	2.99	3.02	3.04	0.11	2.97
HAmp^  H⁺ + Amp^–	KCl	7.28	7.27	7.26	7.25	– 0.07	7.33
HAmp^  H⁺ + Amp^–	KNO₃	7.48	7.37	7.35	7.28	– 0.24	7.33
H₃Amx⁺  H⁺ + H₂Amx^±	KCl	2.92	2.99	3.04	3.09	0.22	3.04
H₃Amx⁺  H⁺ + H₂Amx^±	KNO₃	2.96	3.04	3.06	3.10	0.18	3.04
H₂Amx^±  H⁺ + HAmx^–	KCl	7.74	7.70	7.68	7.65	–0.13	7.71
H₂Amx^±  H⁺ + HAmx^–	KNO₃	7.84	7.78	7.73	7.66	–0.23	7.71
HAmx^–  H⁺ + Amx^2–	KCl	9.70	9.74	9.78	9.88	0.09	10.09
HAmx^–  H⁺ + Amx^2–	KNO₃	9.36	9.49	9.64	9.84	0.43	10.09
H₂Cxm⁺  H⁺ + HCxm^±	KCl	2.14	2.22	2.27	2.30	0.21	2.26
H₂Cxm⁺  H⁺ + HCxm^±	KNO₃	1.99	2.11	2.21	2.29	0.37	2.26
HCxm^±  H⁺ + Cxm^–	KCl	3.58	3.48	3.40	3.32	– 0.32	3.36
HCxm^±  H⁺ + Cxm^–	KNO₃	3.36	3.33	3.31	3.30	– 0.10	3.36

Доверительный интервал значений pK_a 0.01.
Концентрационные константы равновесий, определенные при заданном значении µ, относятся только к конкретным условиям эксперимента. Более объективными характеристиками ионных равновесий являются термодинамические константы Kº, не зависящие от химической природы и концентрации фонового электролита. Поскольку путем прямого эксперимента определить Kº невозможно, их вычисляют, экстраполируя к нулевой ионной силе ряд концентрационных значений. Для ионных равновесий чаще всего используют линейную экстраполяцию с использованием уравнений теории Дебая-Хюккеля в третьем приближении. Этот метод используется для определения термодинамических констант кислотной диссоциации, констант образования комплексов, произведений растворимости, тепловых эффектов реакций.

Термодинамическую константу диссоциации кислоты HB в общем виде можно записать как

, (1)

где a – активность, f – молярный коэффициент активности, [HB], [B] – равновесные концентрации кислоты HB и сопряженного основания B (моль/л), K_a – «смешанная» константа кислотной диссоциации, определяемая в результате рН-метрических измерений.

pK_a° = pK_a – lgf_B + lgf_H_B . (2)

Коэффициенты активности нейтральных молекул и цвиттер-ионов (в целом электронейтральных) при их небольшой концентрации в растворе 1,1-валентного электролита определяются соотношением

lg f = k_s µ , (3)

где k_s – солевой коэффициент, µ – ионная сила раствора (моль/л).

Коэффициенты активности ионов при ионной силе раствора µ  1 согласно уравнению Хюккеля:

, (4)

где A_f и B_f – постоянные, зависящие от температуры и химической природы растворителя, при 20 С для водного раствора A_f = 0.5070, B_f = 0.3282, D – коэффициент ионного взаимодействия, z – заряд иона,  – диаметр иона (Å).

Поскольку частицы HB и B могут быть катионами (Kt), нейтральными молекулами (Mol), цвиттер-ионами (ZI) и анионами (An), то возможны следующие равновесия:

Kt⁺  H⁺ + Mol	(5)
Kt⁺  H⁺ + ZI^	(6)
Mol  H⁺ + An^–	(7)
ZI^  H⁺ + An^–	(8)
An₁^n–  H⁺ + An₂^(n+1)–	(9)

Для равновесий (5) и (6) pK_a° можно выразить, подставляя (3) и (4) в (2), следующим образом:

. (10)

Для равновесий (7) и (8)

. (11)

Для равновесия (9)

. (12)

Уравнения (10) – (12) можно представить в общем виде как линейную зависимость некоторой переменной  от µ с углом наклона :

 = pK_a° –  µ , (13)

экстраполируя которую к нулевой ионной силе, можно найти pK_a°. Пример экстраполяции приведен на рис.1.

Поскольку необходимые для вычисления  значения параметра  для ионных форм антибиотиков экспериментально не определены, их рассчитывали, создавая соответствующие компьютерные модели. Моделирование было проведено методом PM3 в программе Chem3D. Найдены следующие значения : Bzp^– 11.2, HCarb^– (протонирована карбоксильная группа боковой цепи) 11.6, HCarb^– (протонирована карбоксильная группа ядра молекулы) 12.7, Carb^2– 13.0, Clt^– 13.3, Czl^– 13.6, H₂Amp⁺ 12.2, HAmp^ 11.4, Amp^– 11.0, H₂Cpx⁺ 14.2, HCpx^ 12.1, Cpx^– 12.2, H₃Amx⁺ 12.8, H₂Amx^ 11.1, HAmx^– 11.6, Amx^2– 12.2, H₂Cxm⁺ 12.2, HCxm^ 15.5, Cxm^– 12.2. Построение графиков и экстраполяция зависимостей  от µ к µ = 0 были выполнены в программе Origin (OriginLab Corporation, http://www.originlab.com). Полученные значения pK_a и  приведены в табл.2.

Одна из основных задач работы состояла в том, чтобы найти количественные закономерности влияния структуры боковых цепей пенициллинов и цефалоспоринов на константы их ионизации. Ввиду существенных различий в структуре боковых цепей реально существующих антибиотиков построение гомологических рядов, аналогичных, например, рядам карбоновых кислот в данном случае невозможно. Ранее в ряде работ было показано, что существуют корреляции между теоретически рассчитанными методами квантовой механики параметрами молекул, такими как длины связей, парциальные заряды атомов, и экспериментально определенными значениями pK_a .

На основе выводимых количественных зависимостей возможен теоретический расчет приблизительных значений pK_a по структурной формуле соединения. Этот подход и был использован для исследования влияния структуры боковых цепей пенициллинов и цефалоспоринов на кислотность карбоксильной группы ядра молекулы. На первом этапе был выполнен квантово-химический расчет параметров молекул (длины и углы связей, парциальные заряды атомов, дипольные моменты, энтальпии образования) 22 алифатических и 24 ароматических карбоновых кислот полуэмпирическим методом PM6 в программе MOPAC 2009 с использованием программы HyperChem для визуализации полученных структур. Были проанализированы зависимости значений pK_a от параметров карбоксильной группы: длины связи O–H, парциальных зарядов гидроксильного атома кислорода δO и атома водорода δH. В последнем случае наблюдается явная количественная зависимость pK_a от δH. Затем были рассчитаны параметры молекул 5 дипептидов, 16 пенициллинов, 20 цефалоспоринов и построены соответствующие зависимости pK_a от δH в сравнении с зависимостями для карбоновых кислот. При этом зависимости pK_a от δH для дипептидов и карбоновых кислот полностью совпадают.

Рис. 1. Линейная экстраполяция зависимостей переменной  от ионной силы раствора для амоксициллина. 1 – равновесие H₃Amx⁺  H₂Amx^ + H⁺, 2 – равновесие H₂Amx^  HAmx^– + H⁺, 3 – равновесие HAmx^–  Amx^2– + H⁺. Во всех случаях а – растворы в KNO₃, б – растворы в KCl.

Рис. 2. Зависимость pK_a от δH для карбоновых кислот алифатического (1) и ароматического (2) ряда и дипептидов (3).

Рис. 3. Зависимость pK_a от δH для карбоновых кислот алифатического (1) и ароматического (2) ряда, пенициллинов (3), цефалоспоринов (4) и дипептидов (5).
Математический анализ совокупности данных для карбоновых кислот и дипептидов (рис.2) показывает, что количественно зависимость pK_a от δH может быть описана полиномом второй степени pK_a = –1841.25(±410.59) + 11003.03(±2382.91)δH – 16392.89 (±3456.91)(δH)². Для этой кривой R² = 0.9395. Для линейной регрессии получаем больший разброс данных (R² = 0.8745), следовательно, менее точную зависимость. Найденные автором данной работы термодинамические значения pK_a пенициллинов и цефалоспоринов достаточно хорошо соответствуют найденной полиномиальной зависимости (рис.3). Из литературных значений pK_a пенициллинов и цефалоспоринов часть соответствует зависимости, часть – нет. С высокой вероятностью можно утверждать, что значения pK_a , не соответствующие полиномиальной зависимости, определены недостаточно точно.
Глава 3. Равновесия комплексообразования в растворах пенициллинов и цефалоспоринов

В главе 3 в контексте предложенной кислотно-основной классификации антибиотиков представлены результаты собственных исследований равновесий комплексообразования в растворах пенициллинов и цефалоспоринов и критический обзор литературных данных по составу, устойчивости и структуре их металлокомплексов.

Автором работы лигандные свойства антибиотиков кислотного типа были исследованы на примерах взаимодействия бензилпенициллина с ионами Ca²⁺, Ni²⁺, Zn²⁺, Cd²⁺, Nd³⁺. Комплексообразования с Ca²⁺ и Nd³⁺ не обнаружено. С Ni²⁺, Zn²⁺, Cd²⁺ образуются малоустойчивые комплексы, существующие в слабокислой среде. lg(NiBzp) = 2.8  0.3, lg(ZnBzp) = 1.8  0.3, lg(CdBzp) = 1.3  0.3. Лигандные свойства антибиотиков аминокислотного типа исследованы на примерах взаимодействия ампициллина, амоксициллина и цефалексина с ионами Mg²⁺, Ca²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺, Al³⁺, Zn²⁺, Cd²⁺, Ag⁺, Cr³⁺, Mn²⁺, Co²⁺, Ni²⁺, Nd³⁺. С ионами Mg²⁺, Ca²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺ комплексообразования не происходит. Ионы Mn²⁺, Co²⁺, Nd³⁺ образуют малоустойчивые комплексы. Остальные ионы образуют средне- и высокоустойчивые комплексы состава ML и M(OH)L, только для Ag⁺, Ni²⁺ и Cr³⁺ обнаружено образование комплексов ML₂.Гипсохромные сдвиги полос поглощения Ni²⁺ и Cr³⁺ в комплексах свидетельствуют о координации лиганда через аминогруппу. Предполагается также образование связей с карбонильным атомом O амидной группы и карбоксильной группой, в комплексах Ag(I) – образование связей с атомом S. Найденные значения констант образования комплексов представлены в табл.3.

Таблица 3. Десятичные логарифмы констант образования комплексов (lgβ) антибиотиков аминокислотного типа. 20 С, µ = 0.1 (KNO₃)

Комплекс	L
Комплекс	Amp^–	Axn^–	Cpx^–
AgL	3.37 ± 0.02	3.26 ± 0.04	3.72 ± 0.03
AgL₂^–	6.24 ± 0.05	6.0 ± 0.1	7.36 ± 0.04
MnL⁺	2.78 ± 0.04	2.09 ± 0.03	0.75 ± 0.06
Mn(OH)L		7.1  0.1	6.0  0.1
CoL⁺	3.68 ± 0.04	2.79 ± 0.03	1.83 ± 0.02
Co(OH)L		7.86  0.05	7.97  0.03
CoGlyL	7.48  0.08	7.32  0.08	6.42  0.05
NiL	4.25 ± 0.03	3.56 ± 0.05	2.38 ± 0.02
NiL₂	7.54  0.08	– *	–
Ni(OH)L		8.9  0.2	8.41  0.03
NiGlyL	8.48  0.09	8.95  0.06	8.13  0.05
ZnL⁺	3.45 ± 0.03	3.19 ± 0.02	1.86 ± 0.02
Zn(OH)L		9.14  0.03	8.84  0.04
CdL	3.10 ± 0.05	3.03 ± 0.02	1.58 ± 0.03
Cd(OH)L		8.64  0.03	7.93  0.04
Al(OH)L⁺	13.40 ± 0.06	14.53 ± 0.08	14.1 ± 0.1
Al(OH)₂L	23.08 ± 0.07	22.3 ± 0.1	23.9 ± 0.1
NdL²⁺	2.51 ± 0.04	3.24 ± 0.08	2.78 ± 0.04
Nd(OH)L⁺	9.2 ± 0.1	8.8 ± 0.2	8.8 ± 0.1

* Комплексы не образуются
Антибиотики с аминотиазольными группами проявляют весьма слабые лигандные свойства. В экспериментах по исследованию взаимодействия цефотаксима с катионами Co²⁺, Ni²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺, Cd²⁺ и Nd³⁺ потенциометрическим методом не было обнаружено образование устойчивых комплексов. Исследовано комплексообразование в тройных системах M–Gly^––L^– , где M – катион Co²⁺ или Ni²⁺, Gly^– – анион аминоуксусной кислоты, L^– – анион ампициллина, амоксициллина или цефалексина. Gly^– использован в качестве модельного биолиганда для исследования возможности образования тройных комплексов с участием антибиотиков в биосистемах. Обнаружено образование тройных комплексов MGlyL по механизму присоединения L^– к комплексам MGly⁺. Константы образования также представлены в табл.3.

Анализ результатов собственных исследований и литературных данных показывает, что пенициллины и цефалоспорины кислотного типа в целом обладают довольно слабыми лигандными свойствами. Их анионы способны образовывать комплексы малой и средней устойчивости с катионами p- и d-элементов, т.е. комплексы со значительной долей ковалентности связи. Комплексы преимущественно ионного типа, т.е. комплексы с катионами s-и f-элементов) для пенициллинов не описаны, а для цефалоспоринов упоминаются только в одной работе. В исследованных комплексах лиганды координированы через карбоксилатную группу и бета-лактамную группу. При этом способ координации бета-лактамной группы зависит от химической природы иона-комплексообразователя. Как правило, координируется атом O (структура 1). В случае комплексообразователей, имеющих большое сродство к азоту (Hg(II), Cu(II)) может координироваться атом N (структура 2), что приводит к ослаблению связи C–N и разрыву бета-лактамного цикла. Это вполне согласуется с современными представлениями о координационных свойствах амидной связи. В случае пенициллинов образование структуры 2 облегчается необычностью строения бета-лактамного фрагмента, входящего в состав пенам-группы. Для цефалоспоринов возможно участие в координации гетероциклов боковых цепей, что увеличивает устойчивость комплексов.

Антибиотики аминокислотного типа проявляют более сильную способность к комплексообразованию, чем антибиотики кислотного типа. С катионами p- и d-элементов они образуют высокоустойчивые ацидокомплексы. Комплексы с катионами s- и f-элементов существенно менее устойчивы. Данные о структуре комплексов различны и некоторых случаях противоречивы. Во многих работах делается вывод о том, что анионы этих антибиотиков координируются так же как и анионы дипептидов: через аминную и амидную (атом O) группы. В то же время активное каталитическое действие катионов металлов, прежде всего Cu²⁺, на гидролиз антибиотиков свидетельствует в пользу координации и бета-лактамной группы. Одновременная координация аминной, амидной и бета-лактамной групп невозможна. Легкость образования смешаннолигандных и гидроксокомплексов свидетельствует о незаполненности координационной сферы катионов-комплексообразователей. Таким образом, для комплексов антибиотиков аминокислотного типа в водном растворе наиболее вероятна структура, в которой лиганд координирован через аминную, бета-лактамную и карбоксильную группы. При этом бета-лактамная группа может быть координирована либо через атом O (структура 3), либо через атом N (структура 4) в зависимости от химической природы катиона-комплексообразователя.

Следует отметить, что результаты структурных исследований металлокомплексов пенициллинов и цефалоспоринов и выводы о координации тех или иных функциональных групп весьма противоречивы.


Структура 1 а (пенициллины)	Структура 1 б (цефалоспорины)

Структура 2 а (пенициллины)	Структура 2 б (цефалоспорины)

Структура 3 а (пенициллины)	Структура 3 б (цефалоспорины)

Структура 4 а (пенициллины)	Структура 4 б (цефалоспорины)

Автором данной работы был проведен расчет парциальных зарядов (δ) на атомах N и O амидных и бета-лактамных групп и атомах серы пенам- и цефем-групп. Результаты представлены на рис.4 – 6. На рисунках «тип молекулы» означает: 1 – цефалоспорины с аминотиазольными и карбоксильными группами, 2 – кислотные цефалоспорины, 3 – кислотные пенициллины, 4 – аминокислотные цефалоспорины, 5 – аминокислотные пенициллины, 6 – дипептиды. Видно, что у бета-лактамных групп пенициллинов δN больше, чем δO (рис.4), что позволяет предполагать большую вероятность координации бета-лактамной группы через атом N (структуры 2а и 4а). У кислотных и аминотиазольных цефалоспоринов δN и δO примерно одинаковы, либо δO больше, чем δN. Таким образом, бета-лактамные группы цефалоспоринов с большей вероятностью координируются через атом O (структуры 1б и 3б). Для амидных групп антибиотиков всех типов, как и для дипептидов δO больше, чем δN (рис.5). Таким образом, амидные группы могут быть координированы через атом O. В пенам-группах атомы серы имеют существенно больший отрицательный заряд, чем в цефем-группах (рис.6), вследствие чего для пенициллинов участие в координации атомов серы более характерно, чем для цефалоспоринов.

В главе 3 также представлены результаты исследования взаимодействия пенициллинов (бензилпенициллина, карбенициллина и ампициллина) с катионами Hg²⁺ в азотнокислом растворе. Во всех случаях образовывались осадки, которые были выделены и исследованы методами элементного анализа, термогравиметрии и ИК спектроскопии. Результаты исследований показали, что под влиянием катионов Hg²⁺ происходит гидролиз молекул пенициллинов, приводящий к существенному изменению их структуры, прежде всего разрыву циклов в пенам- и цефем-групах.

Рис.4. Парциальные заряды на атомах N и O бета-лактамных групп антибиотиков различных типов

Рис.5. Парциальные заряды на атомах N и O амидных групп антибиотиков различных типов и дипептидов

Рис.6. Парциальные заряды на атомах серы пенам- и цефем-групп антибиотиков различных типов

Глава 4. Новые методики анализа лекарственных форм пенициллинов и цефалоспоринов
На основании проведенных исследований кислотно-основных и лигандных свойств пенициллинов и цефалоспоринов предложены три новые методики их определения в лекарственных формах. Все методики характеризуются простотой аппаратурного оформления, малым временем анализа, хорошей селективностью, воспроизводимостью и точностью результатов.
Определение ампициллина, амоксициллина и цефалексина методом

рН-метрического титрования

Методика заключается в рН-метрическом титровании стандартным раствором щелочи раствора пробы, содержащей антибиотик аминокислотного типа. Методика основана на пониженной основности аминогрупп антибиотиков (pK_a = 7 – 8). Вследствие этого буферная область на кривой рН-метрического титрования, соответствующая диссоциации аммонийного протона, находится в слабощелочной (почти нейтральной) среде и ограничена двумя резкими скачками рН. Протяженность буферной области соответствует количеству антибиотика в пробе. По виду кривой можно легко различить антибиотики, имеющие и не имеющие фенольные группы, например, отличить амоксициллин от более дешевого и менее эффективного ампициллина. Методика опробована для различных лекарственных форм (таблетки, капсулы) ампициллина, амоксициллина и цефалексина. Методика применима только для определения антибиотиков аминокислотного типа. Лекарственные формы, содержащие те же антибиотики в виде натриевых солей, могут быть проанализированы путем титрования их растворов стандартным раствором кислоты.
Спектрофотометрическое определение ампициллина, амоксициллина и цефалексина с использованием солей меди(II)

Анализ литературных данных и собственные эксперименты показали, что ионы Cu²⁺ в слабощелочной среде образуют устойчивые комплексы сине-фиолетовой окраски с анионами антибиотиков аминокислотного типа. Координированные медью(II) антибиотики быстро гидролизуются. В результате чего образуется еще более устойчивые комплексы меди(II) с анионами соответствующей пенамальдовой кислоты, имеющие желтую окраску. Эти комплексы устойчивы и в кислой среде. Эти эффекты легли в основу спектрофотометрической методики определения антибиотиков аминокислотного типа. К фильтрованному раствору пробы лекарственной формы добавляют избыток 0.01 моль/л раствора CuSO₄ в 1 моль/л растворе NH₃. Образующийся сине-фиолетовый раствор через 30 минут меняет окраску на желтую или зеленую (при небольшом содержании антибиотика). К нему добавляют 2 моль/л раствор HCl до pH около 4 и измеряют оптическую плотность на волне 395 нм. По заранее построенному калибровочному графику для данного антибиотика определяют его содержание в пробе. Необходимость добавления HCl обусловлена тем, что в щелочной среде зависимость оптической плотности на волне 395 нм от количества антибиотика нелинейна вследствие образования и сосуществования комплексов различного состава. Методика опробована на различных лекарственных формах ампициллина, амоксициллина и цефалексина (порошки для инъекций, таблетки, капсулы), содержащих антибиотики, как молекулярной форме, так и в форме натриевой соли.
Определение пенициллинов методом окислительно-восстановительного потенциометрического титрования раствором нитрата ртути(II)

Исследования показали, что ионы Hg²⁺ в азотнокислой среде активно взаимодействуют с пенициллинами (см. глава 3). Это взаимодействие приводит к разрушению молекул антибиотиков и носит окислительно-восстановительный характер. На основе этой реакции предложена методика количественного определения пенициллинов в лекарственных формах. Образец лекарственной формы растворяют в воде, фильтруют и смешивают с равным объемом 0.1 моль/л HNO₃. Полученный раствор титруют 0.05 моль/л раствором Hg(NO₃)₂ в 0.05 моль/л HNO₃ с индикаторным платиновым электродом. Во всех случаях на кривых наблюдается четко выраженный излом, соответствующий эквимолярному соотношению Hg(NO₃)₂ и антибиотика. Полной воспроизводимости значений потенциала добиться не удается. Это вполне объяснимый результат, учитывая, что в растворе протекают сложные окислительно-восстановительные процессы, обусловленные не только взаимодействием ионов Hg²⁺ с антибиотиком, но и посторонними случайными факторами. Но точка эквивалентности во всех случаях хорошо воспроизводится, в том числе и при анализе сложных лекарственных форм, содержащих различные вспомогательные вещества. Это доказывает, что ионы Hg²⁺ в ходе титрования взаимодействуют только с пенициллином. Зная точную концентрацию раствора Hg(NO₃)₂, определяют содержание антибиотика в пробе. Методика была опробована для различных лекарственных форм (порошки для инъекций, таблетки, капсулы) бензилпенициллина, карбенициллина, ампициллина и амоксициллина.
В Приложении I представлены изображения компьютерных моделей ионных форм бензилпенициллина, карбенициллина, ампициллина, амоксициллина, цефалексина, цефалотина, цефазолина и цефотаксима. Расчет проведен методом РМ3.
В Приложении II представлены кривые рН-метрического титрования растворов цефалексина, амоксициллина, натриевых солей бензилпенициллина, цефалотина, цефазолина, карбенициллина, ампициллина, цефотаксима на фоне 0.1, 0.4, 0.7 и 1.0 моль/л растворов KNO₃ и KCl.
В Приложении III представлены результаты квантовохимического расчета методом РМ6 параметров молекул карбоновых кислот, дипептидов и антибиотиков. Алифатические кислоты: 2,2-диметилпропановая, 2-хлорбензилуксусная, 2-хлорпропановая, 2-метилбутановая, 2-метил-пропановая, 3-хлор-бензилуксусная, 3-хлорпропановая, 3-гидрокси-пропановая, 4-хлорбензил-уксусная, 4-хлорбутановая, 4-гидрокси-бутановая, уксусная, бромуксусная, бутановая, хлоруксусная, цианоуксусная, дихлоруксусная, нитроуксусная, пентановая, пропановая, трихлоруксусная, трифторуксусная. Ароматические кислоты: 2-бромбензойная, 2-хлорбензойная, 2-фторбензойная, 2-нитро-бензойная, 3,5-диметилбензойная, 3-бромбензойная, 3-хлорбензойная, 3-циано-бензойная, 3-фторбензойная, 3-формилбензойная, 3-гидроксибензойная, 3-метоксибензойная, 3-метилбензойная, 3-нитробензойная, 4-бром-бензойная, 4-хлорбензойная, 4-цианобензойная, 4-фторбензойная, 4-формилбензойная, 4-гидроксибензойная, 4-метоксибензойная, 4-метил-бензойная, 4-нитро-бензойная, бензойная. Дипептиды: глицилвалин, глициллейцин, глицилтреонин, глицилфенилаланин, глицилметионин. Пенициллины: бензилпенициллин, пара-оксибензилпенициллин, гептилпенициллин, феноксиметилпенициллин, фенетициллин, пропициллин, метициллин, нафциллин, оксациллин, клоксациллин, диклоксациллин, карфециллин, карбенициллин, ампициллин, амоксициллин, циклациллин. Цефалоспорины: цефазолин, цефалотин, цефамандол, цефуроксим, цефадроксил, цефалексин, цефалоглицин, цефапирин, цефрадин, цефроксадин, цефаклор, цефпрозил, цефотиам, цефузонам, цефдинир, цефетамет, цефиксим, цефменоксим, цефодизим, цефотаксим.
В Приложении IV представлены экспериментальные и теоретические кривые титрования и кривые распределения равновесных концентраций частиц для систем: Ni²⁺ (Zn²⁺, Cd²⁺) – бензилпенициллин, Mn²⁺ (Co²⁺, Ni²⁺, Zn²⁺, Cd²⁺) – амоксициллин, Mn²⁺ (Co²⁺, Ni²⁺, Zn²⁺, Cd²⁺) – цефалексин, Ag⁺ – ампициллин (амоксициллин, цефалексин), Al³⁺ – ампициллин (амоксициллин, цефалексин), Nd³⁺ – ампициллин (амоксициллин, цефалексин), Co²⁺ (Ni²⁺) – ампициллин (амоксициллин, цефалексин) – глицин.

1 2 3

	"Ионные уравнения" Основные понятия темы: реакции ионного обмена, ионные реакции, ионные уравнения, молекулярные уравнения реакций, полные и сокращённые...		Урок по теме: «Реакции электролитов в водных растворах» Цели урока: опираясь на ранее полученные знания учащихся, сформировать понятие о реакциях ионного обмена идущих до конца; закрепить...
	Тема: Условия равновесия тел Для равновесия тела необходимо, чтобы векторная сумма действующих на него сил была равна нулю первое условие равновесия тела		Программа экзамена кандидатского минимума по специальности 08. 00.... Вопросы существования и единственность равновесия. Понятие об устойчивости и неустойчивости равновесия. Паутинообразная модель и...
	«Внешние воздействия на слух и орган равновесия» Цели: Образовательная: обобщить знания по теме: «Условия нормального функционирования зрительного анализатора», изучение новой темы:...		Реферат по теме «Центральный Банк и его роль в установлении макроэкономического равновесия» Функции Банка России в установлении макроэкономического равновесия
	«Условия равновесия тела, имеющего закрепленную ось вращения» Цель занятия: организовать деятельность учащихся по осмыслению условия равновесия тела, имеющего закрепленную ось вращения при действии...		Работа на конкурс Северный Кавказ природная жемчужина России. Проблемы... Северный Кавказ – природная жемчужина России. Проблемы экологического равновесия
	Исследование пространственного строения олигопептидов и лекарственных...		Комплексообразование холестеринсодержащих полимеров в водных растворах Назмиева Г. Н., Вахонина Т. А., Шарипова С. М., Иванова Н. В., Низамеев И. Р., Валитов М. И., Смирнов Н. Н., Якиманский А. В., Балакина...
	Урок 8 класс «Ионные уравнения реакций» Самостоятельная работа обучающихся с планшетом, компьютером, учебником (частично- поисковый)		Урока: Обобщить и систематизировать знания по теме «Электролиты.... Методическая разработка интегрированного урока повторения и закрепления по химии в 8 классе
	Тема: «Ионные уравнения» ...		Влияние реабсорбции излучения и тушения синглетных возбуждений доноров... Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования
	Азеотропия в бинарных растворах В настоящее время эти данные в основном получают экспериментальным путем. При наличии значительного банка данных по фазовому равновесию,...		Урок по химии в 8 классе по теме «Ионные уравнения реакций» Формировать системный подход и способность предсказывать результат реакций на основе полученных знаний

Ионные равновесия в растворах пенициллинов, цефалоспоринов и их металлокомплексов

Похожие: