Научный журнал

Фундаментальные исследования

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Голубева М.В. 1 Алексеев В.Г. 1

---

1 ФГБОУ ВПО «Тверской государственный университет», Тверь

Кислотно-основные равновесия в водном растворе антибиотика цефтриаксона исследованы методом рН-метрического титрования при 25°С на фоне 0,1 моль/л KNO3. Показано, что анион цефтриаксона Ctx2–может присоединять в кислой среде до трех протонов. С использованием программы NewDALSFEKрассчитаны константы протонирования аниона цефтриаксона: lgK1 = 4.35 ± 0,03 (аминотиазольная группа), lgK2 = 3,19 ± 0,06 (окситриазиноновая группа), lgK3 = 2.34 ± 0,13 (карбоксилатная группа).Рассчитана диаграмма равновесных концентраций протонированных форм. Анион Ctx2– преобладает в растворе при рН более 5, форма HCtx– – при рН от 3,5 до 4,5, формы H2Ctxи H3Ctx+– при рН менее 3,5. Полуэмпирическим квантовохимическим методом PM6 с использованием программы MOPAC 2009 созданы модели изомерных протонированных форм цефтриаксона и рассчитаны их энтальпии образования. На основании значений энтальпий образования проведено отнесение найденных констант равновесий к процессу протонирования той или иной функциональной группы.

Статья в формате PDF

342 KB

ионные равновесия

константы равновесий

цефтриаксон

компьютерное моделирование структуры молекул

1. Алексеев В.Г. Кислотно-основные равновесия в растворах цефотаксима и цефтриаксона / В.Г. Алексеев, Н.В. Воробьев, Ю.Я. Якубович // Журнал физической химии. – 2006. – Т. 80, № 9. – С. 1615–1619.

2. Алексеев В.Г. Комплексообразование в системах никель(II)–глицин–β-лактамные антибиотики / В.Г. Алексеев, И.С. Самуйлова // Коорд. химия. – 2007. – Т. 33, № 12. – С. 930–933.

3.Солдатенков А.Т., Колядина Н.М., Шендрик И.В. Основы органической химии лекарственных веществ. – М.: Мир, 2003. – 192 с.

4.Страчунский Л.С., Козлов С.Н. Современная антимикробная химиотерапия. – М.: Боргес, 2002. – 432 с.

5. Alcock R.M. A Damped Non-linear Least-squares Computer Program (DALSFEK) for the Evaluation of Equilibrium Constants from Spectrophotometric and Potentiometric Data / R.M. Alcock, F.R. Hartley, D. Rogers //

J. Chem. Soc., Dalton Trans. – 1978. – № 2. – P. 115–123.

6. Alekscić M. Acidity constants of cefetamet, cefotaxime and ceftriaxone; the effect of the substituent at C3 position / M. Alekscić, V. Savić, G. Popović, N. Burić, V. Kapetanović // J. Pharm. Biomed. Analysis. – 2005. – Vol.39,

№ 3-4. – P. 752–756.

7. Braibanti A. Recommended procedure for testing the potentiometric apparatus and technique for the pH-metric measurement of metal-complex equilibrium constants / A. Braibanti, G. Ostacoli, P. Paoletlti, L.D. Pettit, and

S. Sammartano // Pure Appl. Chem. – 1987. – Vol.59, № 12. –P. 1721–1728.

8. El-Shaboury S.R. Analysis of cephalosporin antibiotics /

S.R. El-Shaboury, G.A. Saleh, F.A. Mohamed, A.H. Rageh //

J. Pharm. Biomed. Analysis. – 2007. – Vol. 45, № 1. – P.1–19.

9. Halgren T.A. Merck Molecular Force Field. I. Basis,Form, Scope, Parameterization, and Performance of MMFF94 // J. Comput. Chem. – 1996. – Vol. 17, № 5–6. – P. 490–519.

10. http://openmopac.net/MOPAC2009.html (Дата обращения 18.03.2012).

11. http://www.cambridgesoft.com/software/chemoffice/ (Дата обращения 18.03.2012).

12. Jameson R.F. Apparent Molar Ionic Products of Water in Aqueous Potassium Nitrate Solutions and Calibration of the Glass Electrode as a Wide-range Proton Concentration Probe / R.F. Jameson, M.F. Wilson // J. Chem. Soc., Dalton Trans. – 1972. – P. 2607–2610,

13. Stewart J.J.P. Optimization of parameters for semiempirical methods V:Modification of NDDO approximations and application to 70 elements// J. Mol. Modeling. – 2007. – Vol.13. – P. 1173–1213.

14. Thiazole and its derivatives. Ed. by J. V. Metzger // J. Wiley&Sons. – 1979. – Part 2. – P.18–20,

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.

Библиографическая ссылка