Scientific journal

Fundamental research

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

Цефтриаксон - высокоэффективный и широко используемый в современной медицине цефалоспориновый антибиотик третьего поколения [4].

Цефтриаксон (H₂Ctx) [3]

Молекула цефтриаксона содержит одну карбоксильную группу, однако при этом цефтриаксон ведет себя как двухосновная кислота и образует динатриевую соль Na₂Ctx. Именно в виде Na₂Ctx цефтриаксон используется в медицине. В литературе имеются сведения, что помимо карбоксильной группы кислотные свойства проявляет также гидроксильная группа гидрокситриазинонового цикла боковой цепи молекулы [3]. При этом аминотиазольная группа другой боковой цепи проявляет слабые основные свойства и способна к протонированию в кислой среде [14]. Литературные данные о константах кислотно-основных равновесий в растворах цефтриаксона немногочисленны и неоднозначны [1, 6, 8].

Цель данной работы заключалась в том, чтобы уточнить константы протонирования аниона цефтриаксона в кислой среде и сделать обоснованные выводы о соответствии полученных значений равновесиям протонирования тех или иных функциональных групп.

Экспериментальная часть

Для проведения экспериментов использовали динатриевую соль цефтриаксона Na₂Ctx(ОАО «Биосинтез», Пенза). Раствор KNO₃ 1 моль/л готовили из навески соли квалификации «х.ч.», раствор HNO₃ 0,1 моль/л - из фиксанала. Для приготовления всех растворов использовали бидистиллированную воду, из которой предварительно кипячением был удален CO₂. Исследование кислотно-основных равновесий было проведено рН-метрическим методом. Для измерения рН применяли иономер И-160 (Белоруссия, Гомельский завод измерительных приборов) со стеклянным измерительным электродом и насыщенным каломельным электродом сравнения. Систему калибровали по буферным растворам Na₂B₄O₇ (pH = 9,18 при 25°С) и KH₃(C₂O₄)₂ (pH = 1,68 при 25°С). Точность измерения рН ± 0,02. Растворы для титрования готовили непосредственно перед экспериментом. В мерную колбу на 500 мл вносили 1,0 г Na₂Ctx и 50 мл 1 моль/л раствора KNO₃ растворяли цефтриаксон и доводили до метки водой. 100 мл полученного таким образом раствора помещали в термостатируемую ячейку при 25,0 ± 0,1°С и титровали раствором HNO₃. Поскольку в соответствии с литературными данными предполагалась возможность присоединения к аниону Ctx^2- как минимум трех протонов, титрование вели до 5 моль кислоты в расчете на 1 моль цефтриаксона.

Математическая обработка рН-мет­ри­чес­кой кривой,усредненной из трех экспериментальных, была проведена с помощью специализированной программы расчета химических равновесий NewDALSFEK (KCMSoft, 2000), основанной на алгоритме известной программы DALSFEK [5]. Программа NewDALSFEK и ее описание размещены в интернете на сайте http://sinisha.chat.ru. Работа потенциометрической установки и методика расчета констант ранее были проверены на рекомендованной модельной системе Ni(NO₃)₂-глицин [8]. Результаты проведенного нами ранее исследования системы Ni(NO₃)₂-глицин представлены в работе [9].

Для выполнения компьютерного моделирования структуры молекулы и ионов цефтриаксона использовали пакет Chem­ Office­ Ultra версии 12 (Cambrid­ge Soft, 2010) [11] с подключенной программой MOPAC 2009 (Stewart J.J.P., Stewart Computational Chemistry, Colorado Springs, CO, USA) [10]. Работа программ была реализована на персональном компьютере под управлением Windows Vista SP2 Ultimate. В программе Chem Draw создавали структурную формулу молекулы или иона цефтриаксона с учетом стереоспецифичности строения и через буфер обмена Windows копировали в рабочее поле программы Chem3D. Затем запускали процедуру отыскания конформации с минимальной энергией методом молекулярной механики с использованием силового поля MMFF94, ориентированного на расчет параметров биомолекул [9]. Для этого запускали команды Calcula- tions  MMFF94  PerformMMFF94 Minimization. Тем самым проводили предварительную оптимизацию системы с целью избегания локальных энергетических минимумов. Далее проводили оптимизацию геометрии частицы и расчет энтальпии ее образования полуэмпирическим квантовохимическим методом PM6 [13]. Запускали команды Calculations  Mopac Interface  Minimize припараметрах: Job Type - Minimize (Energy/Geometry), Method - PM6, Wave Function - Closed Shell, Optimizer - EF, Solvent - Cosmo, Move with all Atom.

Были проанализированы различные модели равновесий, включающие самоионизацию воды (1) и протонирование аниона Ctx^2- (2)-(5):

H⁺ + OH^{- →}_← H₂O (1)

H⁺ + Ctx^{2- →}_← HCtx^- (2)

2 H⁺ + Ctx^{2- →}_← H₂Ctx (3)

3 H⁺ + Ctx^{2- →}_← H₃Ctx⁺ (4)

4 H⁺ + Ctx^{2- →}_← H₄Ctx²⁺ (5)

С учетом ионной силы 0,1 (KNO₃) pK_w = 13,78 при 25°С [12]. Наилучшее соответствие теоретической кривой титрования экспериментальным данным (рис. 1) обеспечивает модель, включающую образование форм HCtx^-, H₂Ctx и H₃Ctx⁺. Форму H₄Ctx²⁺ программа оценивает как незначимую и исключает из расчета. Распределение форм цефтриаксона в зависимости от рН раствора представлено на рис. 2.

Получены следующие значения ступенчатых констант протонирования аниона Ctx^2-: lgK₁ = 4,35 ± 0,03, lgK₂ = 3,19 ± 0,06, lgK₃ = 2,34 ± 0,13. При этом можно предполагать, что K₁ соответствует протонированию тиазольного цикла (1), K₂ - окситриазиноновой группы (2), K₃ - карбоксилатной группы (3).

Эти выводы базируются на результатах компьютерного моделирования молекулы и ионов цефтриаксона. Моделирование молекулы H₂Ctx методом молекулярной механики показывает, что неподеленную электронную пару, а следовательно, и возможность координации протона или катиона металла имеет атом азота тиазольного цикла, а не присоединенной к нему енаминной группы. Далее полуэмпирическим квантовохимическим методом PM6 был проведен расчет энергетически выгодных конформаций и соответствующих значений энтальпий образования ΔH_fизомерных по позиции протонирования форм HCtx^- и H₂Ctx. Результаты представлены в таблице. В соответствие с минимальными значениями ΔH_f можно сделать вывод, что для формы HCtx^- энергетически более выгоден изомер, протонированный по аминотиазольной группе, а для формы H₂Ctx - изомер, протонированный по аминотиазольной и окситриазиноновой группе.

Вычисленные методом PM6 значения энтальпии образования различных форм цефтриаксона

Рецензенты:

• Козловский Е.В., д.х.н., профессор, и.о. зав. кафедрой неорганической и аналитической химии Ивановского государственного университета (Министерство образования и науки РФ), г. Иваново;
• Луцик В.И., д.х.н., профессор, зав. кафедрой химии Тверского государственного технического университета (Министерство образования и науки РФ), г. Тверь.

Работа поступила в редакцию 20.04.2012.