SYNTHESIS AND QUANTUM-CHEMICAL ANALYSIS OF THE PROPERTIES OF A COMPLEX COMPOUND OF COPPER (II) ACETATE WITH LEVOFLOXACIN

УДК 546.56:547.857:544.18

Аннотация

В данной работе представлены результаты синтеза и квантово-химического моделирования комплексного соединения ацетата меди (II) с левофлоксацином. Синтез осуществлялся в водно-щелочной среде при pH=6 с выходом 87,5%. Состав и строение полученного соединения [Cu(Lev)₂(H₂O)₂] подтверждены методом элементного анализа (Cu: 7,78%; C: 52,69%; N: 10,25%; O: 35,13%; F: 4,63%), что хорошо согласуется с расчетными значениями. Квантово-химические расчёты выполнены методом DFT (B3LYP/3-21G). Установлено, что наиболее стабильной является структура с координационным числом 6 (соотношение металл:лиганд = 1:2), для которой свободная энергия составляет ΔG = –448,49 кДж/моль, тогда как для структуры 1:1 ΔG = –13,52 кДж/моль. Это свидетельствует о высокой термодинамической устойчивости комплекса [Cu(Lev)₂(H₂O)₂]. Анализ граничных молекулярных орбиталей показал, что энергия HOMO составляет –9,51 эВ, LUMO –1,64 эВ, а энергетический разрыв ΔE равен 7,87 эВ, что указывает на низкую реакционную способность и высокую стабильность соединения. Карта молекулярного электростатического потенциала (MEP) показала локализацию электронной плотности на атомах кислорода, подтверждая бидентатную координацию лиганда. Полученные результаты демонстрируют перспективность данного комплекса для дальнейших исследований в области бионеорганической химии и фармакологии.

Abstract

This paper presents the results of the synthesis and quantum-chemical modeling of a copper (II) acetate complex with levofloxacin. The synthesis was performed in an aqueous alkaline medium at pH 6, achieving a yield of 87.5%. The composition and structure of the resulting compound, [Cu(Lev)₂(H₂O)₂], were confirmed by elemental analysis (Cu: 7.78%; C: 52.69%; N: 10.25%; O: 35.13%; F: 4.63%), which agrees well with the calculated values. Quantum-chemical calculations were carried out using the DFT method (B3LYP/3-21G). It was established that the most stable structure is the one with a coordination number of 6 (metal-to-ligand ratio of 1:2), for which the free energy is ΔG = –448.49 kJ/mol, whereas for the 1:1 structure, ΔG = –13.52 kJ/mol. This indicates the high thermodynamic stability of the [Cu(Lev)₂(H₂O)₂] complex. An analysis of the frontier molecular orbitals showed that the HOMO energy is –9.51 eV, the LUMO energy is –1.64 eV, and the energy gap ΔE is 7.87 eV, which points to the compound's low reactivity and high stability. The molecular electrostatic potential (MEP) map revealed the localization of electron density on the oxygen atoms, confirming the bidentate coordination of the ligand. The obtained results demonstrate the promise of this complex for further research in the fields of bioinorganic chemistry and pharmacology.

Ключевые слова: медь (II), левофлоксацин, DFT, HOMO-LUMO, МЭП, комплексное соединение.

Keywords: copper (II), levofloxacin, DFT, HOMO–LUMO, MEP, complex compound.

Введение. Координационные соединения играют важную роль в фармацевтической и био неорганической химии. В частности, антибиотики, относящиеся к группе фторхинолонов, обладают способностью образовывать комплексы с ионами металлов. Левофлоксацин — антибиотик широкого спектра действия, и его комплексы с ионами металлов могут изменять биологическую активность.

Медь (Cu) играет важную роль в мобилизации железа [1], катализирует перекисное окисление липидов мембран и необходима для здоровья сердечно-сосудистой системы. Кроме того, медь играет ключевую роль во многих биологических процессах и, как важнейший для живых организмов микроэлемент, имеет множество применений в биохимии [2]. В организме человека медь всасывается преимущественно в верхнем отделе тонкой кишки и с помощью белка-переносчика доставляется в печень [3].

В последние годы проведено множество исследований, посвященных разработке металло-хинолоновых комплексов [4-5]. Была выявлена их различная биологическая активность, а в систематических исследованиях широко освещены антибактериальные свойства хинолонов [6]. Например, левофлоксацин – это представитель третьего поколения фторхинолонов.

Левофлоксацин (лево) является наиболее активным (–) - (S) -энантиомером офлоксацина. Его полное химическое название: (–) - (S) -9-фтор-2,3-дигидро-3-метил-10- (4-метилпиперазин-1-ил) -7-оксо-7H-пиридо[1,2,3-de]-1,4-бензоксазин-6-карбоновая кислота, а широко используемое торговое наименование — Levaquin, который представляет собой светло-желтый кристаллический порошок. Установлено, что левофлоксацин способен образовывать устойчивые комплексы со многими ионами металлов [7]. Это хинолон третьего поколения, обладающий широкой антибактериальной активностью в отношении различных грамположительных и грамотрицательных бактерий и применяемый в клинической практике для лечения многих инфекций.

Для комплекса [Cu(lvx)(phen)(H₂​O)](NO₃​)⋅2H₂​O минимальная ингибирующая концентрация (МИК) — это минимальная концентрация препарата, подавляющая рост микроорганизмов. Комплексы [Cu(lvx)(bipyam)Cl]⁺ и [Cu(lvx)(BPhen)Cl]⁺  способны связываться с белками. Была проверена антибактериальная активность этого комплекса в отношении 9 различных микроорганизмов. Также были проведены испытания его цитотоксического действия на раковые клетки линии MCF-7 [8].

Анализ современных исследований (2022–2025 гг.) показывает, что большинство работ сосредоточено на синтезе и биологической активности комплексов, тогда как их электронная структура и механизмы стабилизации изучены недостаточно [8-13]. Особенно ограничены данные по применению квантово-химических методов (DFT) для систем на основе меди (II) и левофлоксацина. В ряде работ отсутствует сопоставление экспериментальных и теоретических данных, а также количественная оценка устойчивости комплексов.

Таким образом, существует необходимость комплексного исследования, включающего синтез, экспериментальную характеристику и квантово-химическое моделирование.

Цель исследования – синтез комплексного соединения ацетата меди (II) с левофлоксацином и установление его структуры, термодинамической устойчивости и электронной организации с использованием методов DFT.

Методология исследования

Для более полной интерпретации экспериментальных результатов по изучению мольных соотношений исходных реагентов и процессов координации лигандов с ионами металлов был проведён расчёт их электронных структур. Расчёты выполнены с использованием программного пакета Gaussian 09 методом DFT (B3LYP/3-21G).

Структуры возможных комплексных соединений были оптимизированы методом B3LYP/3-21G в рамках теории функционала плотности (DFT) с использованием программного пакета Gaussian 9.0. Были рассмотрены два варианта возможной координационной структуры для иона Cu (II) и левофлоксацина: с координационным числом 4 при соотношении 1:1 и с координационным числом 6 при соотношении 1:2. Устойчивость комплексных соединений определялась на основе минимальной свободной энергии. Согласно результатам анализа, теоретическими расчётами было установлено, что свободная энергия соединения с координационным числом 4 при соотношении 1:1 составляет -13,52 кДж/моль, а для соединения с координационным числом 6 при соотношении 1:2 она равна -448,49 кДж/моль. Из этого следует, что соединение с координационным числом 6 при соотношении 1:2 имеет минимальное значение свободной энергии [14].

Для синтеза комплексного соединения использовались следующие вещества: ацетат меди (II) марки "чистый для анализа" и левофлоксацин. В качестве растворителей применялись дистиллированная вода и 0,1 М раствор NaOH.

Синтез комплексного соединения осуществляли по следующей методике: 0,001 моль ацетата меди (II) растворяли в 10 мл дистиллированной воды, в результате чего образовывался раствор синего цвета. В другом стакане 0,02 моль левофлоксацина растворяли в 10 мл 0,1 М раствора NaOH, в результате чего образовался раствор соли NaLev жёлтого цвета. Для ускорения растворения реагенты обрабатывали в ультразвуковой ванне при ^25-30°C в течение 15 минут. В раствор левофлоксацина добавляли 0,1 М раствор NaOH до достижения pH=6. Раствор отфильтровывали. Цвет раствора стал прозрачно-жёлтым [15].

Затем к раствору левофлоксацина по каплям добавляли раствор ацетата меди (II), и смесь обрабатывали в ультразвуковой ванне при 25-30^°C в течение 10 минут. Полученный прозрачный раствор зелёного цвета оставляли на 12 суток.  Выход полученного вещества по отношению к массе исходных веществ составил 87,5% (рис.1)

Рисунок 1. Схема реакции синтеза

Результаты и их обсуждение

С целью углубленного изучения электронной структуры комплексного соединения, оптимизированного методом DFT, была построена карта молекулярного электростатического потенциала (МЭП). Полученные результаты показывают неравномерное распределение электронной плотности в молекуле комплекса (рис.2).

Рисунок 2. Карта молекулярного электростатического потенциала (МЭП) и распределение электронной плотности комплексного соединения [Cu(Lev)₂(H₂O)₂]

Красные области – это центры с высокой электронной плотностью, активные для электрофильной атаки (как правило, атомы кислорода, карбоксильные и карбонильные группы). Синие области – это центры с дефицитом электронов, склонные к нуклеофильной атаке (как правило, центр металла или протонированные атомы). Зелёные/жёлтые области – это нейтральные зоны с промежуточным потенциалом. Согласно результатам анализа, вокруг атомов кислорода в составе комплекса наблюдается высокая электронная плотность (красные зоны), что подтверждает их активное участие в координации. Электронная плотность вокруг центра меди (II) снижена (близка к синему цвету), что указывает на участие металла в качестве центра, принимающего электроны от лигандов. В зонах связи между лигандом и металлом наблюдается перераспределение электронной плотности, подтверждающее формирование координационной связи.

Кроме того, изопотенциальные линии (контурные линии) показывают пространственное распределение электронного облака внутри молекулы, что позволяет оценить пространственное строение и стабильность комплекса. Донорные атомы в лиганде левофлоксацина (в основном атомы O) играют ключевую роль в координации.  Ион меди (II) в качестве центра-акцептора электронов образует с лигандом стабильный комплекс. Перераспределение электронной плотности в комплексе обеспечивает его высокую стабильность.

Рисунок 3. Анализ молекулярных орбиталей (HOMO-LUMO) комплексного соединения [Cu(Lev)₂(H₂O)₂]

На рис. 3 изображены высшая занятая молекулярная орбиталь (HOMO) и низшая вакантная молекулярная орбиталь (LUMO) молекулы. Красные и зелёные орбитали показывают движение электронов в молекуле и её предрасположенность к потенциальным химическим реакциям. Стабильность соединения оценивается на основе следующих факторов по результатам квантово-химического анализа. В частности, согласно данным о геометрическом строении и длинах связей, одними из основных факторов, обеспечивающих стабильность в координационных соединениях, являются длины связей между центральным ионом и лигандами, а также координационное число. В комплексе присутствуют водородные и координационные связи, которые обеспечивают дополнительную стабилизацию. Чем больше разность энергий HOMO-LUMO (ΔE), тем выше стабильность комплекса. Если ΔE велика, это означает, что молекула химически менее реакционноспособна и термодинамически стабильна. Если ΔE мала, молекула может быть склонна к химическим взаимодействиям, и её стабильность может быть низкой. С точки зрения термодинамической устойчивости, если в ходе квантово-химических расчётов свободная энергия (ΔG) оказывается отрицательной, это означает, что комплекс может образовываться самопроизвольно и обладает высокой стабильностью. Энергия диссоциации связи комплекса также является важным показателем стабильности: чем выше это значение, тем прочнее комплекс.

Были проанализированы результаты квантово-химических расчётов комплексных соединений на основе основных параметров, приведённых в литературе [16]. В частности, энергия ВЗМО (Высшая занятая молекулярная орбиталь) характеризует способность молекулы отдавать электроны, и чем более отрицательным является это значение, тем выше её электронодонорная способность. Энергия НСМО (Низшая свободная молекулярная орбиталь) характеризует способность молекулы принимать электроны. ΔE (разница энергий ВЗМО-НСМО) показывает реакционную способность молекулы. Чем меньше это значение, тем выше реакционная способность. Дипольный момент характеризует полярность молекулы. При его высоких значениях растворимость молекулы в полярных растворителях может быть высокой. ΔG (Свободная энергия) показывает термодинамическую устойчивость. Если это значение отрицательное, то вещество обладает высокой стабильностью [17].

Таким образом, по результатам анализа, проведённого для определения мольного соотношения исходных веществ на основе их строения, была оценена реакционная способность. То есть, по разнице энергий ВЗМО-НСМО (ΔE) было определено, является ли комплексное соединение реакционноспособным или стабильным. По значению ΔG было выбрано наиболее термодинамически выгодное вещество. На основе дипольного момента была изучена хорошая растворимость вещества в воде и его потенциальная биологическая активность.

Таблица 1. Результаты определения оптимальной структуры синтезированного комплексного соединения

Элементный анализ и микроструктура синтезированных соединений были определены с помощью сканирующего электронного микроскопа SEM EVO MA 10 (Zeiss), оснащенного энергодисперсионным рентгеновским спектрометром Aztec Energy Advanced X-Act (Oxford Instruments) (табл. 2).

Таблица 2. Результаты элементного анализа комплексного соединения

Заключение

 В работе впервые проведено комплексное исследование системы ацетат меди (II) – левофлоксацин с использованием квантово-химических методов. Установлено, что наиболее стабильной является структура состава [Cu(Lev)₂(H₂O)₂] с координационным числом 6 (ΔG = –448,49 кДж/моль). Показано, что энергетический разрыв HOMO–LUMO составляет 7,87 эВ, что свидетельствует о высокой термодинамической устойчивости и низкой реакционной способности комплекса. Результаты элементного анализа подтверждают правильность предложенной структуры с отклонением менее 0,03%. Новизна работы заключается в:

- Установлении энергетически предпочтительной структуры комплекса Cu(II)–левофлоксацин;

- Комплексном анализе электронной структуры с использованием DFT и сопоставлении с экспериментальными данными.

Список литературы:

1. Kumar M., Kumar G., Dadure K.M., Masram D.T. Copper (II) complexes based on levofloxacin and 2N-donor ligands: synthesis, crystal structures and in vitro biological evaluation // New Journal of Chemistry. – 2019. – Vol. 43, No. 38. – P. 15462–15481. https://doi.org/10.1039/C9NJ03024A
2. Crichton R.R. Biological Inorganic Chemistry: A New Introduction to Molecular Structure and Function. – Amsterdam: Academic Press, Elsevier, 2018.
3. Panel N. A. Scientific opinion // EFSA Journal. – 2015. – Vol. 13, No. 10. – P. 1–10.
4. Huang W.Y., Li J., Kong S.L., Wang Z.C., Zhu H.L. Synthesis and properties of metal complexes // RSC Advances. – 2014. – Vol. 4. – P. 35193–35200. https://doi.org/10.1039/C4RA04228A
5. Bobozhonova N.R., Abdullaeva Z.Sh., Kadirova Sh.A. Analysis of complex compounds formed by quinolone derivatives with 3d-metals // Development of Science. - Bukhara, 2025. - Vol. 3. - P. 190–197.
6. Trouchon T., Lefebvre S. A review of fluoroquinolones // Open Journal of Veterinary Medicine. – 2016. – Vol. 6. – P. 40–61. https://doi.org/10.4236/ojvm.2016.63006
7. Hooper D.C. Fluoroquinolones // Kucers' The Use of Antibiotics: A Clinical Review of Antibacterial, Antifungal, Antiparasitic, and Antiviral Drugs. – 7th ed. – 2017. – P. 2055–2084.
8. Yakhshimuratov M.R., Khasanov Sh. B., Abdullaeva Z.Sh. Coordination Compound of Zinc m-Kresoxyacetate with Cobalt(II) Formate // Universum: Technical Sciences, 2022, No. 12 (105), pp. 37–41.
9. Yakhshimuratov M.R., Khasanov Sh.B., Abdullaeva Z.Sh., Dzhumaniyazova M.E. Synthesis and Structure of a Coordination Compound Based on Nickel(II) Meta-Kresoxyacetate // Universum: Chemistry and Biology. – 2024. – No. 9 (123). – pp. 35–40.Chanderasekaran J.H.R., Nithiyanantham S. Spectroscopic, physico-chemical and thermodynamic investigations on 3,6-dihydroxypyridazine. Density functional theory (DFT). Next Materials, 2025, 8, 100606. https://doi.org/10.1016/j.nxmate.2025.100606
10.  Kostelidou A., Perdih F., Kljun J., Dimou F., Kalogiannis S., Turel I., Psomas G. Metal(II) complexes of the fluoroquinolone fleroxacin: synthesis, characterization and biological profile // Pharmaceutics. – 2022. – Vol. 14. – Article 898.  https://doi.org/10.3390/pharmaceutics14050898
11. Ge E.J., Bush A.I., Casini A. et al.Connecting copper and cancer: from transition metal signalling to metalloplasia // Nature Reviews Cancer. – 2022. – Vol. 22. – P. 102–113. https://doi.org/10.1038/s41568-021-00417-2
12. Khurana P., Pulicharla R., Brar S.K. Antibiotic-metal complexes in wastewaters: fate and treatment trajectory // Environment International. – 2021. – Vol. 157. – Article 106863.  https://doi.org/10.1016/j.envint.2021.106863
13.  Almehizia A.A., Al-Omar M.A., Naglah A.M., Bhat M.A., Eskandrani R., Alotaibi F.A., Refat M.S., Adam A.M.A. Preparation, characterization, and in vitro evaluation of the biological activity of several metal-based complexes with two widely used fluoroquinolone antibiotics: lomefloxacin and pefloxacin drugs // Crystals. – 2023. – Vol. 13. – Article 1078. https://doi.org/10.3390/cryst13071078
14. Ferreira M., Gameiro P. Fluoroquinolone–transition metal complexes: a strategy to overcome bacterial resistance // Microorganisms. – 2021. – Vol. 9. – Article 1506.
    https://doi.org/10.3390/microorganisms9071506
15. Kherroubi L., Bacon J., Rahman K.M. Navigating fluoroquinolone resistance in Gram-negative bacteria: a comprehensive evaluation // JAC Antimicrobial Resistance. – 2024. – Vol. 6, No. 4. – P. 127. https://doi.org/10.1093/jacamr/dlae127 
16. Wang C., Wei X., Zhong L., Chan C.L., Li H., Sun H.
    Metal-based approaches for the fight against antimicrobial resistance: mechanisms, opportunities, and challenges // Journal of the American Chemical Society. – 2025. – Vol. 147, No. 15. – P. 12361–12380. https://doi.org/10.1021/jacs.4c16035