环丙沙星论文.doc

环丙沙星类Cu.Mn.Zr配合物的合成与表征及应用谭正德 易兵 黄赛金 龙有前 （湖南工程学院化学化工学院 411104）摘 要：本文以盐酸环丙沙星为原料提取环丙沙星，用环丙沙星与铜，锰，锆等金属离子配合。采用高压反应釜法与溶剂热法进行对比性实验，合成对应的配合物并培养相应的晶体，并对近20种细菌进行抑菌实验。实验结果表明：在PH1,116条件下，采用高压反应釜和溶剂热法，反应8h,得到环丙沙星铜的配体单晶。在PH1,115条件下，合成对应锰的配合物，在PH12,110条件下，合成对应锆的配合物，采用溶剂挥发法得到相应的配体单晶。通过红外光谱分析、DSC-差示扫描量热仪、紫外、荧光等对原料、配体和单晶进行表征，同时进行了大量的抑菌实验，抑菌性能优秀。关键词：环丙沙星 ；配体 ；表征；抑菌Ciprofloxacin metal ions (Cu、Mn、Zr)Synthesis and characterization of complex and application TAN zheng-de HUANG sai-jin YI bing LONG you-qian(College of Chemistry and Chemical Engineering, Hunan Institute of Engineering,Hu Nan Xiang Tan 411104, Peoples Republic of China)Abstract : In this paper, take ciprofloxacin hydrochloride acid as the raw material through the reaction to extract pure ciprofloxacin. synthesizing ciprofloxacin with metal ions(copper, manganese, zirconium), using high-pressure reactor method and solvent thermal method to comparative experiment, making corresponding complexes and developing the appropriate crystal. bacteriostatic test of almost 20 species of bacteria, The results show that: under the conditions of PH1,116 , using high-pressure reactor method and solvent thermal method , the reaction time 8h, got ciprofloxacin ligand copper single crystal. under the conditions of PH1,115, got ciprofloxacin ligand manganese single crystal. under the conditions of PH12,110, got ciprofloxacin ligand zirconium single crystal. Using solvent evaporation method to get the corresponding ligand single crystal. These compounds are investigated by Thermal analyses, Infrared Spectra and UV Spectra, Fluorescence Spectra, Differential Scanning Calorimetry (DSC). The structures and the related properties of complexes are also discussed. At the same time, we did a large number of antibacterial experiments, getting excellent antibacterial properties.Key words : Ciprofloxacin; Ligand; Characterization; AntibacterialII 1 前言喹诺酮类抗菌药1具有抗菌谱广2-4、活性高、毒性低，作用机制独特等特点，在临床上广泛应用于各种感染的治疗，是目前最为重要的抗菌素之一。第一代药物主要为萘啶酸(Nalidixic acid)和吡咯酸（Piromidic acid)，它们仅对大多数革兰氏阴性菌有抗菌作用，而对革兰氏阳性菌和绿脓杆菌几乎无活性。第二代喹诺酮类药物的代表是西诺沙星(Cinoxacin)和吡哌酸(Pipemidic aeid)。尽管它们也只对革兰氏阴性菌有抑制作用，但与第一代药物相比具有明显的抗菌活性5.6。第三代诺酮类药物的代表有诺氟沙星(Norfloxacin)、依诺沙星(Enoxaein)、环丙沙星(Ciprofloxacin)和氧氟沙星(Ofloxacin)等。第三代喹诺酮类抗菌药抗菌谱广，除对革兰氏阴性菌有较强的抑菌作用，对革兰氏阳性菌也显示出较强的活性。但在药物作用机理、耐药性和进一步开发等方面的研究遇到了相当多的难题，基于金属离子在药物作用中的特殊地位和其重要的生物功能，从机理研究和无机药物研究的角度出发，合成以药物分子为配体的配合物或合成金属化合物，对于开发喹诺酮药物的应用和金属化合物抗癌新药具有理论意义和实践意义7。目前对喹诺酮金属配合物的研究主要集中于其结构的研究，对配合物的性质研究还不够全面和深入8-11；研究对象也主要是萘啶酸、诺氟沙星、环丙沙星等，而对目前在临床上已被广泛应用的氧氟沙星和帕珠沙星的研究很少；对喹诺酮金属配合物的生物活性尤其是抗细菌抗肿瘤活性的研究尚还处在比较早期的阶段，缺乏系统的研究等。本课题正是针对这些问题做了一些研究工作：由于喹诺酮类药物在pH为4到9的范围内的溶解性较小，金属盐溶液与喹诺酮最后反应的产物大部分是沉淀，所以很难得到配合物单晶。环丙沙星为第三代喹诺酮类抗菌药物，具有广谱抗菌活性，已广泛应用于临床实践，治疗由革兰氏阴性细菌和革兰氏阳性细菌感染而引起的疾病。喹诺酮过渡金属配合物的合成、结构及其物理化学性质已被广泛研究：其生物活性12-15也有相关文件报道。但是这些研究主要集中于诺氟沙星、西诺沙星的金属配合物。到目前为止，对环丙沙星与过渡金属的配合物的报道文献依然不多，尽管对这些领域的研究还不够深入和系统，其进展也不明显，但对于这方面的研究趋势已初见端倪。对于此类前景良好的抗菌素而言，继续深入研究是理所当然，也是迫切需要的。在此我们报道标题配合物的合成及其晶体结构，目的在于研究环丙沙星同金属离子的配位方式以及获得体外活性测试的新材料及其新用途。肺炎链球菌（gtreptococcuspneumonias），旧称肺炎双球菌或肺炎球菌（pneumococci），为革兰氏阳性双球菌，属链球菌的一种。肺炎链球菌肺炎是由肺炎链球菌所引起的肺实质性炎症。通常起病急骤，以高热，寒战，咳嗽，血痰及胸痛为特征。链球菌(Streptococcus)是化脓性球菌的另一类常见的细菌，广泛存在于自然界和人及动物粪便和健康人鼻咽部，引起各种化脓性炎症，猩红热，丹毒，新生儿败血症，脑膜炎，产褥热以及链球菌变态反应性疾病等。金黄色葡萄球菌 (Staphyloccocus aureus Rosenbach) 是人类的一种重要病原菌，隶属于葡萄球菌属（Staphylococcus），可引起多种严重感染。有“嗜肉菌的别称。伤寒杆菌(Salmonella typhi)造成之伤寒病，常称“伤寒热”(typhoid fever)，其症状包括高烧，可达39至40C(103至104F)；其他症状有腹痛、严重腹泻、头痛、身体出现玫瑰色斑(rose spot)等。肠道出血或穿孔是其最严重的并发症。其传染途径为粪口途径，传染力很高。大肠杆菌是人和许多动物肠道中最主要且数量最多的一种细菌,主要寄生在大肠内.它侵入人体一些部位时,可引起感染,如腹膜炎,胆囊炎,膀胱炎及腹泻等.人在感染大肠杆菌后的症状为胃痛,呕吐,腹泻和发热.感染可能是致命性的,尤其是对孩子及老人.大肠细菌(E. coli)为埃希氏菌属(Escherichia)代表菌.一般多不致病,为人和动物肠道中的常居菌,在一定条件下可引起肠道外感染.某些血清型菌株的致病性强,引起腹泻,统称病致病大肠杆菌.链球菌(Streptococcus)是化脓性球菌的另一类常见的细菌，广泛存在于自然界和人及动物粪便和健康人鼻咽部，引起各种化脓性炎症，猩红热，丹毒，新生儿败血症，脑膜炎，产褥热以及链球菌变态反应性疾病等。本文采用高压反应釜法及水热合成法附加溶液直接混合法，以环丙沙星为配体，选择与生理功能密切相关的铜、锰、锆等过渡金属离子合成了一系列配合物。通过红外光谱、荧光光谱、紫外-可见光谱、DSC等方法和手段对配合物的配位化学，空间结构进行了表征，对配合物的物理化学性质进行了研究，最后进行抑菌实验，试验性能优秀。 图1：喹诺酮类药物分子结构的基本骨架Figure 1：The skeleton of quinolones诺氟沙星(Norfloxacin)、依诺沙星(Enoxaein)、环丙沙星(Ciprofloxacin)和氧氟沙星(Ofloxacin)的分子结构图如下：图2：部分喹诺酮类药物的分子结构Figure 2：Part of the molecular structure of quinolones2.实验部分2.1 主要试剂与设备2.1.1 主要试剂：盐酸环丙沙星胶囊，哈药集团制药总厂；乙酸，AR，汕头市西陇化工厂有限公司；二水合硫酸铜，AR，天津市科密欧化学试剂开发中心；氧氯化锆，AR，天津市科密欧化学试剂开发中心；氯化锰，AR，天津市天一达化工有限公司；乙醇，AR，天津市大茂化学试剂厂；丙酮，AR，天津市富宇精细化工有限公司；盐酸，AR，衡阳市讯源化学试剂有限公司。2.1.2 主要设备： 集热式恒温加热磁力搅拌器，DF-101S，巩义市英峪予华仪器厂；高压反应釜，KF-20ml，西安太康生物科技有限公司；循环水式真空泵，SHZ-D(III)，巩义市予华仪器有限责任公司；真空干燥箱，DZF-250，郑州长城科工贸有限公司；荧光分光光度计，960MC，上海精密科学仪器厂；傅里叶红外光谱仪，AVATAR370；美国尼高力；差热分析仪，DSC 200 F3；德国耐驰公司；紫外分光光度计，UV8100 ；上海嘉适科学仪器有限公司。2.2 实验步骤 2.2.1环丙沙星的提取 以盐酸环丙沙星为原料经过脱盐酸等反应步骤，提取出纯净的环丙沙星。 图3：环丙沙星制备Figure 3: Preparation of Ciprofloxacin将所买药品颗粒研磨后，称重得到45.963g盐酸环丙沙星置于250ml的烧杯中，在温度为50摄氏度的环境中，缓慢加入1mol/L的氨水至溶液成中性，搅拌15分钟，继而抽滤，取滤饼，置于真空干燥箱中干燥6个小时，最后，将干燥后的环丙沙星产物研磨成粉末称得M（环丙沙星）=46.27g，为下一步的合成反应做好准备。2.2.2 环丙沙星铜的合成准确称取2.5g环丙沙星于烧杯中，加入一定量盐酸（1mol/L），充分搅拌将环丙沙星溶解于盐酸中，控制PH为1，加入0.77g二水合硫酸铜（分析纯），水浴75摄氏度中加热搅拌半个小时左右，分两种方案操作：、将所得到溶液加入高压反应釜中，置于油浴锅中，控制反应温度在115摄氏度，经过八个小时的隔氧反应。然后关闭加热装置，待冷却至室温之后，放置一夜，第二天得到产物，产物经过水洗后放入真空干燥箱中干燥。得到所需晶体产物。将所得到的溶液加入三口圆底烧瓶中，安装冷凝回流装置，同样控制温度在115摄氏度条件下反应八个小时，反应完毕后，冷却至室温，上层为白色絮状，抽滤后，产物经过水洗后放入真空干燥箱中干燥，得到所需产物。2.2.3 环丙沙星锆的合成 准确称取2.5g环丙沙星于烧杯中，加入一定量氢氧化钠（1mol/L），充分搅拌将环丙沙星溶解于氢氧化钠中，控制PH为12，加入1.61g氧氯化锆（分析纯），水浴75摄氏度中加热搅拌半个小时，溶液此时呈白色糊状，将溶液置于250ml三口圆底烧瓶内，安装好回流装置，控制温度在110摄氏度条件下反应八到十个小时，反应完毕后，冷却至室温，上层为无色溶液，下层为白色沉淀物；抽滤后，产物经过水洗后放入真空干燥箱中干燥，得到所需产物，最后将干燥后的产物研磨成粉末即可。2.2.4 环丙沙星锰的合成 准确称取2.5g环丙沙星于烧杯中，加入一定量盐酸（1mol/L），充分搅拌将环丙沙星溶解于盐酸中，控制PH约为1，加入1.57g MnCL2，水浴75摄氏度中搅拌半个小时，此时混合溶液为乳白色，将溶液置于250ml三口圆底烧瓶内，安装好回流装置，控制温度在115摄氏度条件下反应八到十个小时（期间反应20min的时候溶液开始变黄），反应完毕后，冷却至室温，静止得到上层清液为无色澄清，下层为黄褐色乳液，抽滤后，滤渣经过水洗放入真空干燥箱中干燥，得到所需产物，最后将干燥后的产物研磨成粉末即可。2.3 配合物的表征 2.3.1 IR的检测分析将要检测的样品（原料及合成的配合物）与溴化钾按1：100的比例研磨混匀，压成片，在AVATAR370傅里叶红外光谱仪中检测，谱图见结果与讨论。2.3.2 DSC的检测分析用电子天平称取将要检测的样品（原料及合成的配合物）0.0050g左右，准确至0.0001g，进行制样，在NETZSCH DSC 200 F3分析仪中检测（保护气N2、吹扫气N260ml/min、采样速率200.00pts/min、升温速率20.000K/min），谱图见结果与讨论。2.3.3 UV的检测分析将要检测的样品（原料及合成的配合物）在磷酸氢二钠（0.5mol/l）、磷酸二氢钠(0.5mol/l)溶液中溶解，并加入乙酸助溶，定容至50ml。在UV8100分析仪中检测，根据文献资料确定扫描范围为200-400nm,谱图见结果与讨论。2.3.4荧光的检测分析将待测的样品（原料及合成的配合物）在磷酸氢二钠（0.5mol/l）、磷酸二氢钠(0.5mol/l)溶液中溶解，并加入乙酸助溶，定容至50ml。在960荧光仪中检测，原料进行全波长的检测，根据其确定配合物扫描范围为370-450nm。从中找出最大吸收波长，具体见结果与讨论。3 结果与讨论3.1 主要影响参数分析3.1.1 pH值与介质的分析通过实验过程中改变溶液不同的溶解介质，进行pH值的调整。其各项实验如下表:表1：pH值与介质的分析数据表 Table 1: data tables of pH value and medium pH金属离子介质（1mol/l）结果说明1014111 4二水合硫酸铜二水合硫酸铜二水合硫酸铜氯化锰氯化锰氯化锰 氢氧化钠盐酸乙酸氢氧化钠盐酸乙酸原料溶解效果不好，产物较少原料溶解效果好，并且合成的产物较好原料溶解效果不好，且产物很少、性质有出入有部分原料没有溶解，产物较少原料溶解效果好，并且合成的产物较好有部分原料没有溶解，并且合成的产物较少12氧氯化锆氢氧化钠原料溶解效果好，并且合成的产物较好14氧氯化锆氧氯化锆盐酸乙酸原料溶解效果不好，产物较少有部分原料没有溶解，并且合成的产物较少所以总结出合成条件铜、锰采用盐酸为介质，pH值为1；锆采用氢氧化钠为介质，pH值为12。3.1.2 温度的影响表2：水溶液法回流温度探索对照表Table2：Discover aqueous solution reflux temperature table温度（）90100105115环丙沙星铜环丙沙星锰环丙沙星锆无效无效无效效果不好、产品极少效果不好、产品极少效果不好、产品极少效果不好效果不好效果不好效果较好，产品较多效果较好，产品较多效果较好，产品较多表3:高压反应釜法温度探索对照表Table 3: Exploration of high pressure reactor method temperature control table温度（）100110120环丙沙星铜环丙沙星锰环丙沙星锆效果不好、产品极少效果不好、产品极少效果不好、产品极少效果较好，产品较多效果较好，产品较多效果较好，产品较多效果不好、产品极少效果较好，产品较少效果较好，产品较少总结出水溶液法采用温度为115，高压反应釜法温度控制在110左右，试验证实：温度控制在115最佳。3.2 红外谱图分析以下是环丙沙星、环丙沙星铜、环丙沙星锰、环丙沙星铜红外谱图图4：环丙沙星红外谱图Figure 4: Infrared spectra of ciprofloxacin由上面的红外谱图可以看出：1628.81、1507.34和1473.82 cm-1对应为苯环的CH2的振动吸收峰。1721cm-1处为羰基的伸缩振动峰。3403 cm-1是COOH中OH的伸缩振动吸收峰，跟标准谱图相比，应该为聚合体状态，标准谱图是含HCl的水合物，没有聚合体形式。同时在1396和941 cm-1为O-H的弯曲振动吸收峰，740 cm-1左右为二级胺的吸收峰。总的来说，和标准谱图是很相近的，说明为环丙沙星。图5：环丙沙星铜红外谱图Figure 5: Infrared spectra of ciprofloxacin copper环丙沙星铜：在1700cm-1处的峰消失，而3400cm-1处的峰没有消失，说明铜与羰基缔合，影响其吸收峰消失。 图6：环丙沙星锰红外谱图 Figure 6: Infrared spectra of ciprofloxacin manganese环丙沙星锰：在3400 cm-1左右的峰出现两个，说明锰与环胺缔合，使其二级胺的N-H的吸收峰出现。 图7：环丙沙星锆红外谱图Figure 7: Infrared spectra of ciprofloxacin zirconium环丙沙星锆：在1700cm-1处的峰消失，而3400cm-1处的峰没有消失，说明锆与羰基缔合，影响其吸收峰消失。同时25003000cm-1之间的峰也消失，说明锆的缔合也影响到其它C-H的影响峰。3.3 DSC分析称取将要检测的样品质量如下表：表4：样品质量Table 4: Sample Quality名称环丙沙星环丙沙星铜环丙沙星锰环丙沙星锆质量（g）0.00500.00510.00500.0049表5：温度段列表Table 5：Temperature list模式温度（）升温速率（K/min）采样速率（pts/min）持续时间（hh:mm）STCP2PGCo等待状态升温20.040.0001111等待状态恒温20.002：001111动态450.020.000200.0000：211111紧急460.0111结束等待状态升温20.040.00000：101111结束等待状态恒温20.002：001110图8：环丙沙星原料DSC图Figure 8: DSC diagram of ciprofloxacin raw materials环丙沙星吸热峰可能为物质自身分子内的变化，而放热峰为分子间或分子内新键的形成。图9：环丙沙星铜DSC图Figure 9: DSC diagram of ciprofloxacin copper345.4处较强放热峰，可能是分子间的相互作用，产生新键形成放热峰，由于合成物质不够稳定，所以峰值处出现多个尖峰。图10：环丙沙星锰DSC图Figure 10: DSC graph of ciprofloxacin Manganese331.5可以是金属配合物的熔融峰，由于金属离子作用，物质熔点升高。363.7是熔融后物质分子见的自相结合，产生新键，放出大量热。所以可以说明金属离子有配合上。图11：环丙沙星锆DSC图Figure 11: DSC graph of ciprofloxacin zirconium（前面是水峰，要忽略，然后就没有峰了，无法分析）3.4 UV分析 图12：环丙沙星UV图 图13：环丙沙星铜UV图Figure 12: Ciprofloxacin UV map Figure 13: Ciprofloxacin copper UV map 图14：环丙沙星锰UV图 图15：环丙沙星锆UV图Figure 14: ciprofloxacin manganese UV map Figure 15:ciprofloxacin zirconium UV map 从以上三图中可以得出配合物的峰值发生不同程度的红移，因为电荷更加分散，同时可以借助金属的轨道进行电子的转移，而使紫外光吸收减弱，发生红移，所以可以得出结论金属离子对其有影响，这是间接的反应金属离子有和原料环丙沙星发生反应，以至红移的产生。3.5 荧光光谱的分析 表6：荧光光谱数据表Table 6 : data sheet of fluorescence spectral名称PHSENSYmax（nm）荧光强度HN4.01244552.1H-Cu6.21238076.5H-Mn6.41137556.4H-Zr6.21237590.6从实验数据可以看出，由于金属离子的影响，荧光整体发生了红移现象，说明配属离子有配合上，但由于纯度问题，在荧光强度大小不一，总体来说，镍离子影响使荧光淬灭更为明显。3.6体外抗菌活性试验以下是我们所作的抑菌试验的MIC17参数：表6：体外抗茵活性数据表Table 6: vitro antibacterial activity data sheet菌株铜（MIC）锰（MIC）锆（MIC）肺炎链球菌70128128128肺炎链球菌9798化脓性链球菌A12金葡菌9616表葡菌9726大肠埃希菌ATCC25922大肠埃希菌834铜绿假单胞菌ATCC27853肺炎克雷伯菌14伤寒杆菌H9011281281616161632128161283241616812812816128128161616812812816实验结果表明：实验所合成的三种配合物，对大肠杆菌、金葡菌、表葡菌等都能在较低浓度下起到抑制作用，但对肺炎链球菌和肺炎克雷伯菌没有活性。总体说来环丙沙星的金属配合物的抑菌性能18-19还是良好的。 4 结论环丙沙星为第三代喹诺酮类抗菌药物，具有广谱抗菌活性，已广泛应用于临床实践，治疗由革兰氏阴性细菌和革兰氏阳性细菌感染而引起的疾病。本文就以盐酸环丙沙星为原料提取环丙沙星，用环丙沙星与铜，锰，锆等金属离子配合。采用高压反应釜法与溶剂热法进行对比性实验，合成对应的配合物并培养相应的晶体，并对近20种细菌进行抑菌实验。实验结果表明：在PH1,116条件下，采用高压反应釜和溶剂热法，反应8h,都得到环丙沙星铜的配体单晶。在PH1,115条件下，合成对应锰的配合物，在PH12,110条件下，合成对应锆的配合物，采用溶剂挥发法得到相应的配体单晶。通过红外光谱分析、DSC-差示扫描量热仪、紫外、荧光、X衍射等对原料、配体和单晶进行表征，同时进行了大量的抑菌实验，三种环丙沙星的金属离子配合物都能有效的抑制细菌的生长，其中以环丙沙星锰效果最为显著，抑菌性能优秀。参考文献1 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