Обзор литературы. 
Импринтинг цефтриаксона в присутствии ионов меди как способ повышения качества его молекулярных отпечатков

Физико-химические свойства цефалоспоринов

Цефалоспорин — антибиотик, образуемый грибами из рода Cephalosporium.

По химическому строению антибиотик принадлежит к группе в-лактамных соединений, близких к пенициллинам (рис. 1). Основу молекул цефалоспоринов составляет цефем-группа, состоящая из соединенных циклов — в-лактамного и дигидротиазинового. Цефем-группа определяет антимикробную активность цефалоспоринов, разрыв циклов приводит к полной потере антимикробных свойств.

Рис. 1. Структурные формулы пенициллинов и цефалоспоринов.

Пенам-группа пенициллинов имеет неплоское строение, и углы связей атома N бета-лактамной группы искажены относительно sp²-гибридизации. Цефем-группа, имеет почти плоское строение, атом N, как и в обычной амидной группе находится в состоянии sp²-гибридизации, к тому же его негибридная p-орбиталь сопряжена с двойной связью C=C дигидротиазинового цикла. Радикалы R, R₁, R₂ (боковые цепи) могут иметь различную химическую природу. От их структуры в значительной степени зависят кислотно-основные свойства, растворимость, химическая устойчивость и спектр антимикробного действия антибиотика [1].

В отличие от пенициллина, цефалоспорин подавляет развитие не только грамположительных бактерий, но и грамотрицательных, также цефалоспорин устойчив к действию в-лактамаз.

В последнее время методом смешанного (биологического и химического) синтеза было получено большое число (около 25 тысяч) аналогов цефалоспорина. Спектры биологического действия этих аналогов весьма разнообразны. Многие из этих соединений имеют важное практическое (клиническое) значение [2]. Один из них — цефтриаксон — высокоэффективный и широко используемый в современной медицине антибиотик третьего поколения. В отличие от антибиотиков первого и второго поколений цефалоспорины третьего поколения обладают высокой устойчивостью к в-лактамазам.

Молекула цефтриаксона содержит одну карбоксильную группу, однако при этом цефтриаксон ведет себя как двухосновная кислота и образует динатриевую соль Na₂Cftr (рис. 2). Именно в виде Na₂Cftr 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 [5].

В нейтральной и слабощелочной средах (рН 7.3 — 9.1) цефтриаксон практически не разрушается, что может быть использовано для его определения в свежеприготовленных препаратах спектрофотометрическим методом [4].

При рН 5 — 9 оптическая плотность остается практически постоянной, а при рН >10 резко увеличивается, что может быть связано с отрывом протона от амидной группы и разрушением цефемного ядра (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость оптической плотности цефтриаксона (л=271 нм) от времени при рН: 7.3 (1), 8.2 (2), 9.1 (3), 10.2 (4), 11.2 (5)

Анализируя совокупность литературных данных по константам кислотно-основных равновесий в растворах цефалоспоринов, можно заметить значительный разброс литературных значений pK_a, том числе и определенных при сходных условиях (температура, ионная сила). В ряде случаев наблюдается явная несогласованность изменения условий эксперимента и изменений значений констант, например, рост значений pK_a (COOH) с увеличением температуры и ионной силы раствора, что маловероятно. Можно предположить, что причинами отклонений являются: 1) недостаточная степень чистоты использованных антибиотиков; 2) изменение состава раствора в процессе подготовки и проведения эксперимента вследствие склонности цефалоспоринов к гидролизу в кислой и сильнощелочной средах.

Кислотно-основные равновесия в водном растворе цефтриаксона исследованы методом рН-метрического титрования при 25 °C на фоне 0.1 М KNO₃. Показано, что анион цефтриаксона Cftr₂-может присоединять в кислой среде до трех протонов. С использованием программы NewDALSFEK рассчитаны 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). Анион Cftr₂— преобладает в растворе при рН более 5, форма HCftrпри рН от 3.5 до 4.5, формы H₂Cftr и H₃Cftr⁺ — 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 [5].

При этом можно предполагать, что K₁ соответствует протонированию тиазольного цикла (1), K₂ — окситриазиноновой группы (2), K₃ — карбоксилатной группы (3) (рис. 4).

Рис. 4. Протонирование групп цефтриаксона.

Комплексообразование цефтриаксона с ионами металлов.

На сегодняшний день круг антибиотиков естественного происхождения ограничен темпами обнаружения их продуцентов в природе, поэтому большое значение получили работы по созданию синтетических и полусинтетических антибиотических препаратов. Выбор металлов в качестве компонента соединения обусловлен имеющимися наблюдениями антибактериальных свойств отдельных представителей этой группы элементов (серебро, медь), и недостаточной изученностью действия прочих.

Было проведено исследование воздействия экспериментальных соединений аминокислот и металлов с антибиотиком цефтриаксоном на микроорганизмы, in vitro. Объектами исследования являлись грамположительные — Staphylococcus aureus 25 923 — и грамотрицательные — Escherichia coli 25 922 и Klebsiella pneumoniae 13 883 - виды микроорганизмов. В рамках данного исследования синтезированы и применены соединения на основе тр? х металлов: цинка, свинца и олова: [Zn (CeftrNa)]Cl*2H₂O, Pb (Ceftr)*3H₂O, Sn (Ceftr)*H₂O. Также установлено, что цефтриаксон образует комплексы с аминокислотами: цистеином и аланином: [CeftrNa₂*HCysc]*2H₂O, [CeftrNa₂Ala]*2H₂O. Методика синтеза заключается в соединении растворенной в воде двунатриевой соли цефтриаксона с солями металлов и аминокислотами при добавлении этилового спирта (за исключением соединения с хлоридом цинка, где используется только вода) с получением порошкового осадка, который затем отфильтровывается, промывается спиртом и высушивается. Также, в случае с солями олова и цинка, синтез проводился в атмосфере N₂ [6].

Способность цефалоспоринов к образованию комплексов с катионами металлов в значительной степени связана с их кислотно-основными свойствами, поскольку и в кислотно-основных реакциях и в реакциях комплексообразования участвуют, прежде всего, карбоксильные и аминные группы антибиотиков.

В литературных данных имеются сведения о том, что при pH 8.1 — 9.5 цефтриаксон образует комплексы с серебром состава Ag₂L₂^2-, где L — цефтриаксон, а в слабокислой среде (рН 4.2 — 5.8 образует комплексы стехиометрического состава 1:1) [4].

импринтированный мембрана цефтриаксон антибиотик.