SYNTHESIS OF A MONOLIGAND COMPLEX COMPOUND BASED ON COBALT (II) SULFATE AND CEFOTAXIME AND STUDY OF ITS STRUCTURAL FEATURES

УДК 546.58+615.28

Аннотация

В настоящем исследовании было синтезировано монолигандное координационное соединение на основе сульфата кобальта (II) и антибиотика цефотаксима, а также изучены его физико-химические и структурные свойства. В ходе синтеза были подобраны оптимальные условия, а состав полученного комплексного соединения подтвержден с помощью элементного анализа. Процесс комплексообразования исследован методами инфракрасной спектроскопии, СЭМ-ЭДХ, термического анализа и ЭПР. Результаты ИК-спектроскопии показали, что ион металла координируется через карбоксильную и карбонильную группы лиганда. Данные термического анализа позволили определить термическую устойчивость комплекса. Кроме того, на основании исследований молекулярного докинга было установлено, что комплексное соединение обладает высокой способностью к связыванию с биологически активными белковыми рецепторами. Полученные результаты свидетельствуют о том, что синтезированное комплексное соединение представляет собой стабильную координационную систему с октаэдрической структурой.

Abstract

In this study, a monoligand coordination complex compound was synthesized based on cobalt (II) sulfate and the antibiotic cefotaxim, and its physicochemical and structural properties were studied. During the synthesis process, optimal conditions were selected, and the composition of the resulting complex compound was confirmed using elemental analysis. The complex formation process was investigated using infrared spectroscopy, SEM-EDX, thermal analysis, and EPR methods. IR spectrum results showed that the metal ion is coordinated through the carboxyl and carbonyl groups of the ligand. The results of the thermal analysis made it possible to determine the thermal stability of the complex. Furthermore, based on molecular docking studies, it was established that the complex compound possesses high binding capacity with biologically active protein receptors. The obtained results showed that the synthesized complex compound is a stable coordination system with an octahedral structure.

Ключевые слова: комплекс кобальта (II); цефотаксим; координационное соединение; ИК-спектроскопия; СЭМ-ЭДХ; термический анализ; ЭПР-спектр; молекулярный докинг; биологическая активность; октаэдрическая структура.

Keywords: Cobalt (II) complex; cefotaxim; coordination compound; IR spectroscopy; SEM-EDX; thermal analysis; EPR spectrum; molecular docking; biological activity; octahedral structure.

Введение

На сегодняшний день использование современных инновационных технологий играет важную роль в повышении урожайности основных сельскохозяйственных культур мира, в частности, в создании эффективных средств, ускоряющих рост растений и повышающих их урожайность. При производстве таких средств, наряду с их антимикробными свойствами, большое значение имеет использование в качестве сырья материалов с простой, дешевой и общеизвестной структурой. Координационная химия — одно из важнейших направлений современной неорганической и бионеорганической химии, основанное на изучении механизмов взаимодействия ионов металлов и лигандов различной природы. Такие комплексные соединения заслуживают особого внимания не только с теоретической точки зрения, но и благодаря своей практической значимости, в частности, широкому применению в фармацевтике, катализе и материаловедении.

В последние годы синтез металлокомплексов на основе биологически активных веществ стал одним из актуальных направлений научных исследований. В частности, наблюдается, что при образовании комплекса антибиотиков с ионами металлов их биологическая активность значительно изменяется или возрастает. β-лактамные антибиотики, такие как цефотаксим, могут координироваться с ионами металлов, образуя комплексы с новыми свойствами.

Антибиотик цефотаксим относится к цефалоспоринам третьего поколения, и резистентность к нему может быть связана с неспособностью антибиотика достигать своих сайтов-мишеней, с изменением пенициллин-связывающих белков, являющихся мишенью для цефалоспоринов, или с бактериальными ферментами (бета-лактамазами), способными инактивировать цефалоспорин. Грамположительные микроорганизмы выделяют в окружающую среду большое количество бета-лактамазы, которые могут разрушать бета-лактамные антибиотики путем гидролиза бета-лактамного кольца, что является наиболее распространенным механизмом резистентности [7, 8, 12]. Однако цефалоспорины обладают различной чувствительностью к бета-лактамазе. Например, цефалоспорины третьего поколения значительно более устойчивы к гидролизу бета-лактамазами, вырабатываемыми грамотрицательными бактериями, чем цефалоспорины первого поколения.

Многие лекарственные препараты в форме металлокомплексов обладают измененными токсикологическими и фармакологическими свойствами. Наиболее изученным металлом в этом отношении является медь (II), которая доказала свою эффективность при таких заболеваниях, как туберкулез, язва желудка, ревматоидный артрит и рак [3, 4, 9, 15]. Эти результаты имеют важное значение для изучения способов связывания в твердом состоянии и биологической активности полученных комплексных соединений. Целью исследования является синтез нового монолигандного координационного комплексного соединения на основе сульфата кобальта (II) и антибиотика цефотаксима, изучение его физико-химических и структурных свойств с помощью современных инструментальных методов анализа, а также оценка его способности связываться с биологически активными белками методом молекулярного докинга.

Методика исследования. Были взяты навески 0,001 моль (0,155 г) CoSO₄ и 0,002 моль (0,952 г) натриевой соли цефотаксима. CoSO₄ и NaC₁₆H₁₆N₅O₇S₂ растворяли при взаимном перемешивании в 50 мл водно-ацетонитрильных растворов с помощью магнитной мешалки со скоростью 800 об/мин при температуре 40°C в течение 1,5 часов. Полученные растворы оставляли при комнатной температуре на 5 – 16 суток до образования кристаллов. Выпавшие светло-коричневые поликристаллы [Co(C₁₆H₁₆N₅O₇S₂)₂] промывали сначала этиловым спиртом, затем водой и отфильтровывали.

CoSO₄ +2NaC₁₆H₁₆N₅O₇S₂ → [Co(C₁₆H₁₆N₅O₇S₂)₂] +Na₂SO₄

Таблица 1. Элементный анализ комплексного соединения

Результаты и их обсуждение. Для сравнения с теоретически рассчитанными значениями элементного состава координационного соединения, синтезированного на основе сульфата кобальта (II) и цефотаксима, был проведён элементный анализ полученного в ходе реакции комплексного соединения. Анализ выполнялся методом сканирующей электронной микроскопии с энергодисперсионным рентгеновским анализом (СЭМ-ЭДА) (рис. 1), по результатам которого было установлено соответствие между экспериментальными и расчётными данными.

a)                                                                б)

Рисунок 1. Микроструктура комплексного соединения [Co(C₁₆H₁₆N₅O₇S₂)₂] (a) и результаты энергодисперсионного анализа (б)

По результатам СЭМ-ЭДА, наряду с образованием комплекса с ионом металла и изменением микроструктуры лиганда, отмечались многочисленные пики, характерные для иона металла. Также была определена степень кристалличности нового комплексного соединения [1, 2].

На практике широко распространен порошковый рентгеновский метод, который используется при рентгенофазовом анализе. В настоящее время этот метод используется чаще, чем другие рентгеновские методы. Это связано с тем, что большинство природных и синтетических, технически значимых материалов находятся в поликристаллическом состоянии, и именно в этом состоянии можно изучать их структуру и свойства [14]. Исходя из вышеизложенного, для идентификации синтезированного соединения был проведен рентгенофазовый анализ свободного лиганда, исходной соли и синтезированного вещества, а полученные рентгенограммы были сопоставлены и доказана индивидуальность синтезированных веществ. Для сравнения межплоскостных расстояний и относительной интенсивности были выбраны межплоскостные расстояния лиганда и синтезированного соединения при относительной интенсивности выше 15 %. Соответствующие межплоскостные расстояния для лиганда наблюдались в следующих областях: цефотаксим – 3,79 (100 %), 3,15 (92 %) и 7,63 Å (77 %). Для синтезированного соединения [Co(C16H16N5O7S2)2] – 3,67 (100 %), 3,77 (99 %) и 4,38 (92 %) Å.

Известно, что использование ИК-спектроскопии является эффективным методом определения координационных центров. На сегодняшний день создана богатая база данных по ИК-спектроскопическому анализу органических и неорганических веществ, на основе которой имеются виды и частоты колебаний практически всех функциональных групп [13]. Это позволяет определить химические процессы, образование и структуру связей, происходящих через изменения частот поглощения функциональных групп, входящих в состав новых синтезируемых веществ. ИК-спектр свободной молекулы лиганда представлен следующими пиками (см-1) [105], цефотаксима: 700-ν(C-Sцикл), 1290-ν(C-N), 1585-ν(C=N), 2560-ν(S-H), 3431-νas(NH2), 3266-νs(NH2), 1740-ν(C=O), νs(COO-)-1300-1420, νas(COO-) -1500-1600 см-1.

В однолигандных координационных соединениях кобальта (II) с цефотаксимом асимметричные и симметричные колебания карбоксильного аниона наблюдались при νs(COO-)=1380 – 1447 см-1 и νas(COO-) =1531 – 1551 см-1. При переходе в координированное состояние наблюдаются изменения в области колебаний, νs(COO-)=1371 – 1443 см-1, νas(COO-)=1514 – 1609 см-1. Валентные колебания связей C-S и C-N, частоты колебаний связи C=N практически не изменялись. На основании этих результатов можно сделать вывод, что координационные связи образуются за счет кислорода карбонильных групп в составе карбоксильной группы и сложной эфирной группы [16].

На кривой ДТА координационного соединения состава [Co(C16H16N5O7S2)2] наблюдаются два эндотермических эффекта при 150, 225 oC и три экзотермических эффекта при 385, 566 и 685 oC. Появление эндоэффектов связано с разжижением и началом распада каптаксового комплекса. В интервале 150 – 225 оС потеря массы составляет 14,84 %. Дальнейшее повышение температуры соответствует первоначальному образованию карбоната кобальта, а затем его разложению выше 400 °C [10]. Общая потеря массы в диапазоне 50 – 700 оС составляет 85,61 %

Рисунок 2. Дериватограмма соединения [Co(C₁₆H₁₆N₅O₇S₂)₂]

На основании параметров спектров ЭПР можно делать выводы о строении парамагнитных веществ. Во многих случаях в спектре наблюдаются не только синглетные линии. Кроме них, присутствует одна или несколько дополнительных линий. Основной причиной этого является сверхтонкое взаимодействие (СТВ) неспаренного электрона со спином ядра парамагнитного атома (J=0), а также возникновение дополнительного сверхтонкого взаимодействия (ДСТВ) из-за взаимодействия со спинами ядер других атомов в ближайшем окружении (N, P, …) [18].

Спектр ЭПР иона Co2+ также характеризуется спиновым гамильтонианом (СГ), и для этого иона λ˂0, а g-фактор больше, чем значение для свободного электрона. Спектры ЭПР комплексного соединения [Co(C16H16N5O7S2)2], образованного этим ионом, получают в кубическом поле путем смешивания с диамагнитными веществами: ZnS, CdS, CaF2, CdF2. В комплексном соединении Co (II) координационное число центрального иона равно 6, имеется 3 неспаренных электрона и S=3/2. Из-за присутствия в спектре двух парамагнитных частиц А-константа для иона Co2+ представляет собой сумму анизотропного и изотропного спектров [6] (рис. 3)

Рисунок 3. Спектр ЭПР комплексного соединения [Co(C₁₆H₁₆N₅O₇S₂)₂]

Для проведения анализа в программах CB-Dock требуется файл макромолекулы, структура которой определена методом рентгеноструктурного анализа и доступна в базе данных белков (www.pdb.com). Определяется активный центр выбранной макромолекулы, с которым может связываться комплексное соединение. Координаты активного центра белка, определенные в результате анализа, вводятся в программу, и на основе энергии связывания (ΔG, ккал/моль) лигандов с активным центром осуществляется выбор. С помощью программы молекулярного докинга можно анализировать связывание уже существующих, еще не синтезированных или предполагаемых комплексных соединений или структур лигандов с макромолекулами ДНК и белков [11].

С целью сравнения с комплексным соединением [Co(C₁₆H₁₆N₅O₇S₂)₂] и лигандом цефотаксимом, показавшими положительный результат в борьбе с грибковым заболеванием томата, было изучено воздействие на рецепторный белок гриба Fusarium oxysporum, вызывающего болезнь “чёрная ножка” или “гниль”. Связывание с белком рецептора гриба Fusarium oxysporum (XYNA_FUSO4) (PDB ID: FOXG_17421) осуществлялось с помощью сервера CB-DOCK и теоретически рассчитывались энергии белково-лигандного и белково-комплексного взаимодействия. Полученные данные показали, что комплексное соединение может образовывать более прочную связь с белком по сравнению с молекулами цефотаксима.

Результаты расчетов являются фактором, показывающим прочность связи при минимальном значении энергии в процессах взаимодействия. Также на рис. 4 представлен докинг (расположение молекулы, оказывающей внешнее воздействие на белок-рецептор), проведенный для цефотаксима и синтезированного на его основе комплекса [Co(C₁₆H₁₆N₅O₇S₂)₂]

сунок 4. Расположение молекулы [Co(C₁₆H₁₆N₅O₇S₂)₂] в молекуле белка и её связывание с аминокислотами: а) 3D-вид; б) расположение в полости рецептора

По результатам расчетов было установлено, что энергия связывания цефотаксима с молекулой белка в свободном состоянии составляет -5,1 ккал/моль, а энергия связывания комплексного соединения равна -7,9 ккал/моль (табл. 4).

На основании данных, полученных с помощью программы CB-Dock, было показано, что комплекс [Co(Cxm)2] может связываться с белковым рецептором прочнее, чем молекулы лиганда цефотаксима [17].

Таблица 4. Данные

Заключение

В ходе исследования был успешно синтезирован новый монолигандный координационный комплекс на основе сульфата кобальта (II) и цефотаксима. Состав и структура комплексного соединения были подтверждены методами СЭМ-ЭДА, ИК-спектроскопии, ЭПР и термического анализа. По результатам исследования установлено, что ион металла координируется через карбоксильную и карбонильную группы лиганда, образуя октаэдрическую конфигурацию с координационным числом 6. Результаты молекулярного докинга показали, что синтезированный комплекс эффективно связывается с биологически активными белками, подтвердив его потенциал в качестве перспективного биологически активного вещества. Полученные научные результаты имеют важное значение для создания металлокомплексов на основе антибиотиков и расширения возможностей их практического применения.

Список литературы:

1. Zeer G.M., Fomenko O.Yu., Ledyaeva O.N. Application of scanning electron microscopy in solving current problems of materials science // Journal of the Siberian Federal University. – 2009. – Pp. 287–293.
2. Kalmykov K.B., Dmitrieva N.E. Scanning electron microscopy and X-ray spectral analysis of inorganic materials. Methodological manual. Moscow, – 2017. – P. 54.
3. Karekal M.R., Biradar V., Mathada M.B. H.M. R. Karekal, V. Biradar, M.B. H. Mathada. Synthesis, characterization, antimicrobial, DNA cleavage, and antioxidant studies of some metal complexes derived from Schiff base containing indole and quinoline moieties // Bioinorganic Chemistry and Applications,. – 2013.
4. Masoud M.S., Mohamed G.B., Ali A.E. et al. Synthesis, spectral, computational, and thermal analysis studies of cefotaxime metal complexes // Elsevier Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy. – 2015. – Vol. T. 135. – P. 839–850.
5. Kadirova Sh.A., Abdullaeva Z.Sh., Khasanov Sh. Heterometallic complex of nickel(II) formate with zinc acetate // Universum: Chemistry and Biology: Electronic Scientific Journal. – 2021. – No. 8. – P. 46–49
6. Abragam A., Bleaney B. Electron Paramagnetic Resonance of Transition Ions. – Oxford University Press, 2017 reprint edition. – 911 P.
7. Al-Thubaiti E.H., El-Megharbel S.M., Albogami B., Hamza R.Z.E.H. Al-Thubaiti, S.M. El-Megharbel, B. Albogami, R.Z. Hamza. Synthesis, Spectroscopic, Chemical Characterizations, Anticancer Capacities against HepG-2, Antibacterial and Antioxidant Activities of Cefotaxime Metal Complexes with Ca(II), Cr(III), Zn(II), Cu(II) and Se(IV) // MDPI Antibiotics. – 2022. – Т.Т. 11, № 7.
8. Anacona J.R., Estacio J.J.R. Anacona, J. Estacio. Synthesis and antibacterial activity of cefotaxime metal complexes // Journal of the Chilean Chemical Society. – 2005. – Т.Т. 50, № 2. – P. 447–450.
9. Anacona J.R., Salazar R., Santaella J., Celis F.J.R. Anacona, R. Salazar, J. Santaella, F. Celis. Synthesis and characterization of transition metal complexes with a Schiff base derived from cephalexin and 1,2-diaminobenzene: antibacterial activity // Taylor & Francis Inorganic and Nano-Metal Chemistry. – 2018. – Т.Т. 48, № 8. – P. 404–411.
10. Brown M.E., Gallagher P.K. Handbook of Thermal Analysis and Calorimetry. – Vol. 6. – Elsevier, 2018. – 760 P.
11. Liu Y., Grimm M., Dai W.T., Hou M.C., Xiao Z.X., Cao Y. CB-Dock: a web server for cavity detection-guided protein–ligand blind docking // Acta Pharmacologica Sinica. – 2020. – № 1. – P. 138–144.
12. Mustafa S. Abd El-Zahir, Mohamed H.A. Soliman, Hamdy A. ELKady, Sahar S. El-Sakka, Adel S. Orabi. New inorganic inhibitors derived from cefotaxime to enhance corrosion resistance of mild steel in 3 % NaCl // Nature Publishing Group Scientific Reports. – 2024.
13. Nakamoto K. Infrared and Raman Spectra of Inorganic and Coordination Compounds. – 7th ed. – Hoboken: John Wiley & Sons, 2018. – 408 P.
14. Pecharsky V.K., Zavalij P.Y. Fundamentals of Powder Diffraction and Structural Characterization of Materials. – 3rd ed. – New York: Springer, 2019. – 744 P.
15. Reiss A., Florek A., Cieslik-Boczula M. et al. A. Reiss, A. Florek, M. Cieslik-Boczula et al. Transition Metal(II) Complexes with Cefotaxime-Derived Schiff Bases: Synthesis, Characterization and Antimicrobial Activity // Hindawi Bioinorganic Chemistry and Applications. – 2014.
16. Socrates G. Infrared and Raman Characteristic Group Frequencies: Tables and Charts. – 4th ed. – Chichester: Wiley, 2020. – 366 P.
17. Trott O., Olson A.J. AutoDock Vina: improving the speed and accuracy of docking with a new scoring function, efficient optimization and multithreading // Journal of Computational Chemistry. – 2021. – № 2. – P. 455–461.
18. Weil J.A., Bolton J.R. Electron Paramagnetic Resonance: Elementary Theory and Practical Applications. – 2nd ed. – Wiley, 2020. – 664 P.