Синтез, физико-химические свойства и механизм образования 1-гидрокси-4-аминобутилиден-1,1-бисфосфоновой кислоты и её солей тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

004616453

Российский химико-технологический университет имени Д. И. Менделеева

Ильин Вадим Игоревич

Синтез, физико-химические свойства и механизм образования 1-гидрокси-4-аминобутилиден-1,1-бисфосфоновой кислоты и её солей

02.00.03 - Органическая химия

АВТОРЕФЕРАТ

- 9 ДЕК 2010

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Москва - 2010 год

004616453

Работа выполнена в Российском химико-технологическом университете имени Д.И. Менделеева

Научный руководитель: доктор химических наук,

профессор Офицеров Евгений Николаевич

Официальные оппоненты: доктор химических наук,

вед. науч. сотрудник Вацадзе Сергей Зурабовнч

доктор химических наук профессор Коротеев Михаил Петрович

Ведущая организация: Учреждение Российской Академии наук

Институт элементоорганическнх соединений им. А.Н. Несмеянова РАН

Защита состоится «17» декабря 2010 года на заседании диссертационного совета Д 212.204.04 в РХТУ им. Д. И. Менделеева (125047 г. Москва, Миусская пл., д. 9) в 12.00 в малом актовом зале им. А.П. Бородина.

С диссертацией можно ознакомиться в Информационно-библиотечном центре РХТУ имени Д.И. Менделеева.

Автореферат диссертации разослан «^»"ноября 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.204.04 >\ —,

Доктор химических наук, профессор // Бухаркина Т.В.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Гидроксилсодержащие аминоалкилиден-1,1-бисфюсфюновые кислоты, в частности, 1-гидрокси-4-амтюбутилиден-1,1-бисфосфоновая (алеидроновая, Alelí) кислота, находят широкое применение в качестве экстрагентов при выделении радиоактивных элементов, в гидрометаллургии, сельском хозяйстве и, особенно, в медицине. Несмотря на большую мощность производства, совокупную прибыль от продаж (более 4 млрд. $ США ежегодно) и богатую историю изучения этого класса соединений, открытого научной группой Кабачника М.И. в 1978 году, получение лекарственных препаратов (ЛП) на основе этой группы соединений в РФ отсутствует. Для создания отечественных дженериковых ЛП на основе AleH и других аминогембисфосфоновых кислот необходима разработка и усовершенствование производственной схемы с точки зрения технологии, охраны окружающей среды, а также цены на готовую субстанцию.

Необходимо отметить, что в научной литературе слабо проработаны как теоретическая, так и доказательная базы механизма реакции образования вышеописанных соединений. Индивидуальность физико-химических свойств каждой из 1-гидрокси-1Д-бисфосфоновых кислот предопределяет выбор и последующую разработку количественных и качественных методов физико-химического анализа последних как в виде фармацевтической субстанции, так и в составе готовой лекарственной формы (ГЛФ). В связи с этим, изучение механизма синтеза бмсфосфонатов, а также их физико-химических свойств на примере алендроновой кислоты, является необходимым элементом в комплексе исследований по разработке и оптимизации производственного цикла при организации выпуска лекарственных препаратов для лечения остеопороза и других нарушений метаболизма костной ткани, что представляется важной прикладной задачей по обеспечению фармацевтической безопасности РФ.

Цель работы. Настоящая диссертационная работа посвящена исследованию механизма реакции образования 1-гидрокси-4-аминобутшщцен-1,1-бисфосфоновой кислоты, изучению её физико-химических свойств, а также решению задачи

комплексной разработки производственного цикла получения А1еН как субстанции для выпуска дженериковош ЛП.

Научная новизна работы. В ходе исследования механизма взаимодействия алканкарбоновых (в частности, 4-аминобутановой (ГАМК) и уксусной) кислот и РС13 в среде метансульфоновой и фосфористой кислот впервые синтезированы, выделены и охарактеризованы новые, ранее не описанные в научной литературе соединения. Изучены отдельные стадии процесса фосфорилирования уксусной, фосфористой и метансульфоновой кислот: анализ результатов этих исследований позволяет судить об определённой направленности, лимитирующих факторах, а также необратимости отдельных процессов получения производных НСООН и Н3Р03, конденсация которых приводит к образованию фосфор-углеродной связи. Сделаны предположения о структуре таких производных, а также обобщён предполагаемый механизм образования Р-С-связи как промежуточного этапа в синтезе 1-гидрокси-4-аминобутилиден- 1,1-бисфосфоновой кислоты.

Методом 31Р-ЯМР спектроскопии показано, что в процессе синтеза ацетилхлорида из уксусной кислоты и трёххлористого фосфора, помимо фосфористой кислоты и её неполных хлорангидридов и ацетштроизводных, образуется 1-ацетилоксиэтилиден-1,1-бисфосфоновая кислота, что, с одной стороны, проливает свет на фундаментальную проблему количественного образования ацилхлоридов из карбоновых кислот и РС13, а с другой - даёт ключ к оптимизации и увеличению практических выходов ЛС(0)С1 в этой реакции.

В ходе анализа образцов А1еН, а также её мононатриевых солей методом ТГА опровергнуты существующие в литературе противоречивые данные о процессе плавления вышеописанных соединений. Предложены вероятные схемы последовательной трансформации последних при различных температурах.

Сочетанием электрохимических методов и математического моделирования показано существование в растворах алендроновой кислоты при различных значениях рН ассоциатов разнообразного строения, имеющих собственные кислотно-основные свойства.

Практическая значимость работы. Базируясь на данных исследования механизма реакции бисфосфорилирования ЛСООН, предложены некоторые альтернативные производные (в частности, соли ГАМК с хлористоводородной и

метансульфоновой кислотами) аминокарбоновых кислот, использование которых позволяет увеличить выходы конечного продукта при внедрении схемы с применением апротонных растворителей в отсутствии Н3РО3.

На основании результатов изучения физико-химических свойств алендроновой кислоты разработан экспрессный и высокоэффективный аналитический метод капиллярного зонного электрофореза, рекомендуемый для качественного и количественного определения субстанции бисфосфоната и его основных примесей как в индивидуально чистой форме, так и в составе ГЛФ.

Подобраны и оптимизированы реакционные условия синтеза 1-гидрокси-о>-аминоалкилиден-1,1-бисфосфоновых кислот (на примере алендроновой кислоты), проведено масштабирование, а также составлены материальные балансы процесса получения AleH, а также процедуры рециклизации основных реагентов и растворителей, используемых в последнем. Применение разработанных схем позволяет снизить стоимость лечения социально-значимого заболевания не менее чем на 100% по сравнению с использованием оригинального препарата, что особенно важно для малоимущих слоев населения преклонного возраста и детей школьного возраста, имеющих начальную стадию остеопороза - остеопещпо.

Автор приносит благодарность Васяниной J1.K. (Mill У, к.х.н., вед. науч. сотр.) и Орешкиной A.B. (МПГУ, к.х.н., доц.) за помощь в регистрации и последующей интерпретации спектров ЯМР и термогравиметрического анализа, Девятову Ф.В. (проф., д.х.н., КГУ им. В.И. Ульянова-Ленина) за вклад в изучение электрохимических свойств синтезированных продуктов, а также Тихонову В.П. (ОАО «ДИОД», ген. дир.) за финансовую поддержку работы.

Аппобапия работы. По материалам диссертационной работы опубликовано 2 статьи в научных журналах, рекомендуемых ВАК Минобрнауки РФ. Основные результаты работы были представлены на следующих конференциях: XXI международная конференция молодых учёных по химии и химической технологии "МКХТ-2007" (Москва, 14-17 ноября, 2007 г.), XVмеждународная конференция по химии соединений фосфора (Санкт-Петербург, 25-30 мая, 2008 г.), Всероссийская конференция «Итоги и перспективы химии элементорганических соединений» (Москва, 28 сентября-2 октября, 2009 г.), XVIII Международная конференция по химии соединений фосфора (Вроцлав, Польша, 11-15 июля, 2010).

Структура работы. Диссертационная работа изложена на 170 страницах машинописного текста и включает в себя введение, обзор литературы, обсуждение результатов, экспериментальную часть, выводы и приложения, содержит 22 рисунка и 5 таблиц. Библиография насчитывает 207 наименования.

Основное содержание работы

1. Обзор литературы. Литературный обзор построен по принципу разделения и анализа синтетических методов А1еН на те, с помощью которых конструируется гембисфосфоновая структура, а также на те, с помощью которых эта структура химически модифицируется. Из них выделяются реакции Арбузова-Михаэлиса и Михаэлиса-Беккера, присоединение эфиров Н3РО3 по кратной связи элемент-углерод, взаимодействие производных карбоновых кислот с Н3РО3 и РС1з, а также различные прочие методы, среди которых трёхкомпонентное взаимодействие ортоформиатов, диалкилфосфитов и вторичных аминов, а также конденсация фосфоноацеталей с ароматическими аминами и дериватами фосфинистой кислоты.

2. Некоторые новые данные о процессах, происходящих при синтезе

1-гидр0кси-<а-аминоалкилиден-1.1-бис(Ьос<Ьо11овых кислот.

В настоящее время промышленный синтез А1еН основан на следующих схемах:

h2N^0H

1 eq. Н3РО3 2eq. PCI3

6,4 eq. MSA t = 65°C. T = 7-15h.

H,0

T = 3-5h.

\/°H

NaOH pH = 2,0

HO ¡\ 78-85% 0

'OH OH

OH

в

1 eq. H3PO3 1,5 eq. PCI3

chlorobenzene О t - 90°C.

T-2-3h.

H,0

T = 3-5h.

Acetone H,0

HO |4 22-50% О

OH OH ÖH

1 eq. H3PO3

.OH 1,57 eq PCI3

PEG-400, toluene t = 75-80°C. T = 2-3h.

н,о

T = 3-5h.

Acetone H,0

4/°

HO 60-63%

h

OH OH

OH

Поэтому нами в рамках исследования взаимодействия стартовых реагентов и растворителей синтеза 1-гидрокси-ш-аминоалкилиден-1,1-бисфосфоновых кислот была проведена серия экспериментов по модельному потенциометрическому титрованию 4-аминобутановой кислоты соляной, фосфористой, и метансульфоновой кислотами. Необходимость выбора последних была продиктована их непосредственным участием в процессе бисфосфоршшровапия. Большинство предложенных методов синтеза алендроиовой кислоты основано на аналогии с получением ОЭДФК (1-п1Дроксиэтилиден-1,1-бисфасфоггавая кислота). Однако введение аминогруппы существенно изменило механизм образования бисфосфоната и сделало промышленный синтез в тех условиях, какие отличают получение ОЭДФК, невозможным. Дело в том, что на первой стадии в избытке РСЬ образуется ацилдихлорфосфит в виде соли:

2 PCI3 + NH2(CH2)3COOH -С12РОСО(СН2)3ЫНз CI j + РС13

и реакция на этой стадии заканчивается". Как показано нами в отдельных опытах, образующийся ацилдихлорфосфит представляет собой в используемых растворителях (бензол, хлорбензол, толуол) сплошной сгусток, препятствующий перемешиванию и, как следствие, дальнейшему проведению процесса.

В том случае, если к суспензии аминокислоты в вышеописанных растворителях прикапывают РС13, то в этом варианте сначала образуется фосфит Р[ОСО(СН2)зК+Н3СГ]3, который отличается большой гидролитической устойчивостью и малой растворимостью. После добавления избытка трёххлористого фосфора в реакционной среде реализуется система реакций диспропорционирования с образованием продуктов:

С1Р[ОСО(СН2)з1^113СГ]2 CljPOCOiCHzJjN^IjCr Последние вступают в серию дальнейших превращений, о которых указано ниже. Поэтому в реакционную смесь вынуждены добавлять гидролизующие реагенты -кислоты, по силе сравнимые с HCl. В качестве такого реагента используют Н3РО3. Однако, как обнаружено нами, эта кислота образует с ГАМК (4-аминомасляная кислота) соль состава 1:1.

_,

У

О 0,5 I 1,5 2

«ОЛЬ ГЛМК / моль НЗРОЗ

Рисунок 1. Кривая титрования раствора Н3РО3 водным раствором ГАМК

Наличие перегибов и плато на представленной кривой титрования Н3Р03 водным раствором ГАМК свидетельствует о взаимодействии компонентов между собой: при этом в первый момент титрования в растворе присутствуют частицы диссоциированной Н3Р03, определяющие общее значение рН раствора, а также небольшое количество соли ГАМК*Н3Р03. В ИК-спектре

вышеописанные процессы выражаются в сдвиге vc=o протонированного карбоксила в сторону более высоких частот относительно таковых у ионизированного карбоксила (1720 см"' в случае соли против 1580 см"1 у ГАМК), тогда как рентгено-структурный анализ свидетельствует о супрамолекулярности структуры полученной субстанции: в её основе лежат полимерные цепи, образованные за счет водородных связей фосфористой кислоты и протонов кватернизированного атома азота.

^ Ч^ T' vL/ Молекулы ГАМК образуют циклические / Í .X димеры по типу «голова-хвост». Эти димеры

• ^¿Т >

j | J уложены в стопки. Димеры в стопке между "^ j. собой удерживаются водородными связями, образованными молекулами Н3Р03. ^ , Образование вышеописанных структур также

Рисунок 2. Димерная структура ГАМК в кристалле (данные РСА)

не будет способствовать гомогенизации на начальной стадии смеси стартовых реагентов в неполярных, и, к тому же, апротонных растворителях, таких как толуол, хлорбензол, анизолы, ксилолы и пр. Очевидно, что для этих целей более подходящими будут являться полярные растворители-доноры протонов, - такие, как, например, алкилсульфокислоты, в частности, метансульфоновая кислота (МСК). МСК, будучи в «псевдоизбытке», и, к тому же, являясь более сильной кислотой, будет постепенно вытеснять более слабую фосфористую кислоту из её солей с ГАМК:

+ a CH3SO2OH-^ » в + "нзр°з

CH3SO3 H;N Ъ

D

Образующаяся при этом соль D ведет себя в последующих реакциях подобно уксусной кислоте.

Являясь на два с половиной порядка слабее МСК , Н3РО3 в смеси с метансульфоновой кислотой является основанием, вступая в реакцию нейтрализации с последней:

(Н0)2НР=0 + HOSO2CH3 (Н0)2НР+~0~Н + -OSO2CH3 1 eq.

Таким образом, в реакционной смеси па момент добавления трёххлористош фосфора нет свободной фосфористой кислоты, а есть сопряженная кислота (НО)2НР+—О—И:

рК МСК < рК (HO)jP+H < рК (H0)jP(0)H не диссоциирующая в среде метансульфоновой кислоты. Поэтому реакционная среда стартовых реагентов - сосредоточие двух нуклеофильных центров - аниона МСК, отличающегося довольно низкой нуклеофилыюстью, а также гидроксила карбоксильной группы аминокарбоновой кислоты, нуклеофила гораздо более сильного не только по отношению к метансульфонат-иону, но и даже цвиттер-иону ГАМК. На второй же стадии появляется ещё одна кислота - HCl.

Изучение взаимодействия с компонентами стартовой смеси выделяющегося в процессе ацилирования аминокарбоновой кислотой РС13 хлористого водорода показало, что, обладая поляризованной ковалештгой связью, HCl способен давать комплексы с ионизированными группами и анионами. На примере Н3Р03, образование таких структур можно показать следующим образом:

С1

(ноьр—6 + HCl -(Н0)2р—он нс| » (ноьр—он [ci—h—Cl]

н н н

С одной стороны, представленную выше схему взаимодействия можно обосновать на основании данных матбалансных экспериментов, показавших, что всего лишь 62-66% от теоретически возможного количества хлористого водорода выделяется в ходе реакции бисфосфорилирования и последующего гидролиза из

HjN

(CHjfc— С,

/

,он

W

Н2РОз"

реакционной массы в газоуловитель. С другой стороны, результаты исследования по потенциометрическому титрованию Н3Р03 раствором HCl, свидетельствуют в пользу образования при различном соотношении фосфит/HCl ионных пар [Р(ОН)3Н]+ [С1НС1]'П, имеющих различные электрохимические характеристики, такие как константы диссоциации, буферная емкость в водных растворах и др.

Данные 3|Р ЯМР-спектроскопии образца, содержащего фосфористую кислоту в присутствии избытка хлористого водорода, также подтверждают вышеприведенные предположения: в ЯМР-спектре присутствует чёткий и узкий сигнал с 8=4,82 (JP.H = 693 Гц) (Рис.За), соответствующий Н3Р03 с протонированной фосфорильной группой, стабилизированной в среде полярного апротонного растворителя, тогда как в случае отсутствия HCl (Рис.Зб) сигнал с 8=7,94 (JP.H = 650 Гц) весьма уширен, что говорит о довольно быстром протонном обмене между свободной и протонированной фосфорильными группами (Рис.3):

В основе синтеза гидроксилсодержащих "■"" гембисфосфоновых кислот лежит

S «/- ¡41

известная реакция получения RC(0)C1 из RCOOH и РС13 при соотношении реагентов 3:1 с выходом, не превышающим 50-55%. Результаты, полученные при моделировании взаимодействия алканкарбоновых кислот с РС13 (в качестве карбонильной компоненты была взята СН3СООН) позволяют предположить, что на первой стадии реализуется схема, учитывающая катализ трёххлористого фосфора молекулами HCl и образование устойчивого к действию последнего ацилдихлорфосфита:

1 1 Vi

А Б

Рисунок 3. А) 31Р-ЯМР Н5РО3 в

МТБЭ + HCl; Б) 31Р-ЯМР спектр Н3Р03 в МТБЭ

РС13 -

н|а — hJci

С12Р |ci...H...d] +НС1

С12Р С1 — H-OSO2CH3

+RCOOH

CI2P—о—с—R + h-ci...h-ci...h-oso2ch3 O-H-Cl

Реакция ацидолиза, как и гидролиза Р-С1 связи является автокаталитической.

Каталитические свойства хлористого водорода в этой реакции вытекают из того факта, что, как было практически показано, пи РС1з, ни IIC1 в отдельности при комнатной температуре не расщепляют мсгилтретбутиловый эфир до метилдихлорфосфита или метанола, тогда как при их совместном применении в значительном количестве образуется СН3ОРС12:

20°С

PCI,

HCl

PCI,

^ "С. ^

МеОН + t-BuCl

Образование подобных хлорангидридов должно происходить и в случае каталитического взаимодействия РС13 и fvlCK:

PCI3 + CH3S020H -CH3S020-PC12 + HCl

Однако, ни при комнатной температуре, ни при подогревании нам не удалось найти продуктов данной реакции в спектре 31Р-ЯМР эмульсионной массы смешения вышеописанных реагентов.

Реакция образования галогенировагшых ацилфосфитов является обратимой. Смещение равновесия в правую сторону происходит за счет выведения смешанных ангидридов из равновесия.

Н+ 0С(0)СН3

А + нс1

X CI

ХРС12 + АсОН

HCl

VH ■

X CI

х—R

/

.CI

\ OH

+ AcCl

X = -0C(0)Alk, -0C(0)Ar, -0S02Alk

Как можно видеть из представленных выше и ниже схем, это осуществляется посредством дальнейшего ацидолиза ЯС(0)РС12 с образованием диацилхлорфосфитов и триацилфосфитоа, гидролизуемых в дальнейшем хлористым водородом с образованием ацилхлоридов и неполных ангидридов фосфористой кислоты:

х—f^ + АсОН ОАс

.ОАс

Н+

Х-Рч

HCl

ОАс

<4 /Н , НС! \/Н + А г, АсС1 + R. у\ + АсС|

X ОН X ОАс

X = -0С(0)А1к, -OC(0)Ar, -OSOiAIk Как стадия 2, протекающая быстрее стадии 1, так и стадия образования XClPOAc проходят без протонирования атома Р. Очевидно, что в присутствии избытка HCl, источником которого являются не только процессы ацидолиза, фосфо-эфирные связи смешанных ангидридов подвергаются расщеплению:

RCOOH + С1Н0Р(0)Н

_ Vй Е

\ ©А ^

с— (Э Лон

- 7 RC(0)C1 + Н3Р03

о'

Неполные ангидриды фосфористой кислоты Е представляют собой исходные компоненты для получения активированных производных, содержащих трёхкоординированный атом фосфора:

н+ II

С1,РОН С1—р—С1

г н+ I н

CI I

3|ci-p=o| -- ? ?

На наш взгляд, именно производные такого типа в процессе синтеза 1-гидрокси-ш-аминоалкилиден-1,1-бисфосфоновых кислот способны при взаимодействии с другой активированной компонентой - К.С(0)С1 образовать первую из двух необходимых Р-С-связей. В результате последующих реакций образуется не только Н3РО3, как принято считать, а целая гамма кислот фосфора (Рис.4). Образование же неполных ангидридов возможно и из фосфористой кислоты и РС1з при удалении НС1 из сферы реакции.

Рисунок 4. Р ЯМР-спекгр реакционной массы синтеза ацетшшгорида

3. Синтез и физико-химические свойства

1-гидрокс11-4-ами|1о6утилиде11-1.1-б|1сФосФоновой кислоты. Полученные на этапе исследования механизма реакции данные позволили целенаправленно перейти к оптимизации лабораторной и технологической прописей синтеза А1еН. Для этого на этапе разработки промышленного регламента получения субстанции алевдроната был проведен ряд экспериментальных исследований по синтезу последнего в среде различных растворителей (ПЕГ-400, хлорбензол, метансульфоновая кислота) с использованием патентных данных. Наиболее высокий практический выход конечного бисфосфоната получается при использовании в качестве растворителя-реагента метансульфоновой кислоты (от 78% до 85%, см. стр.5). Кроме того, обсуждаемый метод характеризуется крайне высокой степенью воспроизводимости, в результате чего был легко масштабирован до килограммовых количеств пересчёте на конечную А1еН.

Полученные с применением метансульфоновой кислоты высокие процентные выходы объясняются уникальными свойствами последней в реакции бисфосфорилирования - выступать не столько в качестве полярного протонодонорного растворителя, сколько являться катализатором и реагентом, что, в частности, выражается в образовании реакционноспособных смешанных ангидридов, в дальнейшем легко присоединяемых к активированным производным фосфора Р(111) с образованием Р-С связи (Рис.5):

сг

ГАМ К С12Р0С(0)ССН 2)пкн3+ ОСО(СН 2)пЫН 3*

»V сГ

ОЭОгСНз

рс13 + снз0о2он —* с12Р0502сн3 + нс1

С12Р0302СН3 + СНзБОзОН —--С1Р(ОБО 2СНз)2 + НС1

РС1Э + НзР03 ч »* С12Р0Р(0)Н0Н + НС1

СГ

РС13 + Н3М*(СН2)пС00Н =5=-С12РОС(С)(СН 2)пМН3+ + НС1

С12Р0С(0)(СН 2)П№3* + Н3^(СН2)пСООН -С1Р(ОСО(СН 2)ПШ3*)2 2СГ

НС, !

СГ „ ♦

ОСО(СН 2)пМН3 нс,

С1-р[ -Н3М+(СН2)пС0С1 +

0302СН3 С| СГ

+ + Vм <гЧ

ОБО 2СН3 0С(0)(СН 2)п1ЧН3 С1 О^

С1

II 0 НС|

НзМ (СН2)пС0С1 + , V ---//

ПГ -р^ /Ч.

^^Л/ + // + С12Р РС12

п О он ""

С1 С1

С12Р^л^РС12 + СН33020Н -С12Р0802СН3 + С12Р(0)Н

о

"о'

С1

О п I

II о Ч' ,он

СУОДН + ¥чД // -- с/\/ С1

Рисунок 5. Каталитическая роль МСК в процессе синтеза А1еН Уменьшение себестоимости конечной субстанции (МСК - дорогой реагент) удалось достичь, разработав лабораторный регламент процесса рециклизации основных реагентов и растворителей синтеза А1еН, суть которого заключается в протонировании натриевой соли МСК хлористым водородом с последующим удалением ЫаС1 в виду пизкой растворимости последнего в среде концентрированной соляной кислоты (Рис.6).

Рисунок 6. Блок-схема процесса рециклшации основных реагентов и растворителей синтеза алендроновой кислоты

Противоречивость данных относительно некоторых из физико-химических свойств А1еН побудила нас детально исследовать особенности поведения её как субстрата при нагревании, а также в водных растворах при различных значениях рН, поскольку характеристики фазового перехода, а также титриметрические методы качественно-количественной оценки являются одними из основных, используемых в

Государственной Фармакопее для подтверждения подлинности субстанций, а проблема её биодоступности - проблема образования солей субстанции с Са.

Проведённые дериватографические испытания образцов показали, что А1еН и её мононатриевая соль действительно не имеют точки плавления в интервале температур 20-450 °С (Рис.6), хотя в научной литературе приводятся:

Т. пл. А1еН Н20, °С: 228-235 Т. пл. АШа-ЗН20, °С: 257-262,5

т«с 400

м<4 100 100

-200

И

Время хин

50

Рисунок 7. Дериватограмма кристаллов апендроновой кислоты (ТГА). Величина эндоэффекта при 220°С по сравнению с эндоэффектом удаления молекулы кристаллизационной воды свидетельствует об образовании макроэргической связи.

Сравнение кривых ТГ и ДТА (Рис.7) -ЮО позволяет сделать вывод о том, что при нагревании кристаллы исследуемых соединений претерпевают ряд структурных процессов. При нагревании образцов до 100-110 СС происходит выделение одной молекулы кристаллизационной воды. При дальнейшем нагревании до температуры 220-240 °С происходит потеря одной молекулы воды от двух

молекул алендроната с образованием симметричного Р-О-Р-ангидрида в:

оч

но. к/

"V01

// ^сн

•Е^О .

100-110°С

-нр

Vе*

НО^ -о-

к-А^он г

220-240 °С

-^0

,-ОН

НО. Ь'

н:

/^Он

но,

-о

^-0

г

ноА

Я = (СН2)3МН3+;

И, наконец, при температурах выше 300 °С происходит потеря ещё трёх молекул воды образцом. Предположительно, при этом образуется ангидрид, содержащий два фосфазеновых цикла:

о

300-390°С

-6Н20

О н

Результаты исследований позволяют заключить, что для ряда бисфосфоновых кислот такая характеристика, как температура плавления в действительности не отражает протекающего при этом фазового перехода. Поэтому её как параметр оценки подлинности при разработке фармакопейных статей на субстанции, в частности, алендроновой кислоты и её натриевых солей использовать нельзя.

В водных растворах А1еН ведёт себя как сильная органическая кислота с рКа по первой ступени, а потому существует в цвиттер-ионной форме. При обработке щелочами образует соли в соотношении 1:1 и 1:2, что, в диапазоне значений рН от 2 до 12 при проведении потенциометрического титрования характеризуется двумя точками эквивалентности. Наши попытки получить и выделить в индивидуально чистом виде описанные в литературе три- и тетранатриевые соли алендроновой кислоты закончились неудачей: вместо этого мы имели смеси моно- и ди-, в одном случае, и ди- и тринатриевых солей - в другом в различном процентном соотношении.

Математическое моделирование кривых потенциометрического титрования водных растворов А1еН показало, что, помимо наличия традиционных кислотных форм разной степени диссоциации в воде имеют место комплексные явления, выражающиеся в образовании ассоциативных форм, по сути являющихся самостоятельными соединениями с присущими им индивидуальными физико-химическими характеристиками:

н,м

V

?

н-Л

V

но

-он ^он

(Н4^)2 О ОН_

V V

+ / ОН + / ОН

^Ан__

V • ' V-^>0? • >

уоДон

оДон

у

но \

П о" 1

•о"

Лн

* ^^х,

V-

(Н2Ь+'3~)1*НЬ+'4"

о

но' V0"

А,

V"

НО \

он

но' V0"

оДон

V" 1

но' V0"

О О

Состав ассоциатов и характеристики вышеописанных диссоционных процессов, определяющих как конечную точку титрования, так и, в конечном итоге, интерпретацию данных, полученных в ходе титрования, сильно зависят от концентрации исходной формы 1-гидрокси-4-аминобутилиден-1,1-бисфосфоновой кислоты, а потому требуются дальнейшие исследования физико-химических свойств А1еН в водных растворах, предшествующие внедрению титриметрических методов для количественной оценки алендроновой кислоты и её натриевых солей в составе фармацевтической субстанции.

Разработка методов количественно-качественного анализа - актуальная задача, которую необходимо решать в процессе производства субстанции и выпуска лекарственного препарата на рынок.

Разработанный для решения этой задачи нами при тесном сотрудничестве с

Рисунок 8; Электрофореграмма модельной смеси ионов. Полимер -3,6-ионен. Пики: 1 - СГ, 2 - Н2Р03\ 3 - Н2Р04", 4 - CH3S03", 5-А1еН. Концентрации всех ионов -20мг/л.

алендроновой кислот, наравне с ВЭЖХ обладает необходимой селективностью количественной детекции следов целевой компоненты на фоне повышенного содержания в маточнике иного иона и характерной для аналитических методов воспроизводимостью, однако отличается от первой более высокой степенью экспрессности и разделения, меньшей трудоёмкостью и стоимостью анализа.

Описанный выше метод физико-химического анализа был использован в ходе разработки методологии синтеза алендроновой кислоты и её солей с целью определения чистоты и подлинного полученного продукта, а также при исследовании направлений и путей рециклизации основных растворителей и реагентов синтеза для оценки количественных характеристик компонент продуктовых и маточных растворов и составления материальных балансов по ним.

Разработанная схема (Рис.6), исходя из данных КЗЭ, позволяет на 98% очистить маточный раствор от ионов натрия, более чем 75% от изначально взятых в реакцию количеств метансульфоновой и Н3Р03 вернуть в рецикл, и, что наиболее важно, сохранить до 15% от получаемой AleH. Как следствие, применение вышеописанной стратегии позволяет снизить конечную стоимость субстанции на 70-80%, что, в купе с использованием эффективной схемы синтеза с применением МСК позволяет получать субстанцию AleH по цене, не превышающей 15 тыс. руб. за 1 кг., что в 2 раза меньше среднерыночной (30-35 тыс.руб., по данным базы данных «Chemical Abstracts»), и, следовательно, значительно уменьшить стоимость ЛП на её основе.

кафедрой аналитической химии МГУ (чл.-корр. РАН, Шпигун O.A.) метод капиллярного зонного электрофореза (КЗЭ) (Рис.8) характеризуется низким пределом обнаружения для всех без исключения компонентов маточного раствора, таких как хлорид-, фосфит-, метансульфонат-, фосфат-ионов, а также анионов у-аминомасляной и

Основные результаты и выводы

1. Реакционная система синтеза алендроновой кислоты характеризуется сложностью и многочисленностью образующихся как побочных, находящихся в равновесии с исходными, так и промежуточных соединений. Так, например, при смешении фосфористой и 4-аминомасляной кислот в ходе реакции реализуется комплексное взаимодействие, выражающееся в образовании соли, имеющей супрамолекулярное «псевдополимерное» строение (что доказано методом РСА), определяющее её сольватацию в присутствии протонных полярных растворителей.

2. Фосфористая кислота в присутствии метансульфоновой кислоты и HCl ведёт себя как основание, а потому в растворах последних существует в виде сопряжённой кислоты и не может выступать в качестве нуклеофила при фосфорилировании производных карбоновых кислот, как принято считать в научной литературе.

3. Образование хлористого ацетила как промежуточного продукта при бисфосфорилировании есть результат многоступенчатого ацидолиза карбоновых кислот, катализируемого HCl и проходящего через равновесную стадию образования ацилдихлорфосфитов, атом фосфора в которых имеет высокий потенциал ионизации, а потому не способен к образованию квазифосфониевых производных.

4. Ряд исследованных 1-гидроксиаминоалкилиден-1,1-бисфосфонатов, в частности, алендроновая кислота, при нагревании претерпевают последовательные изменения в своей структуре, характеризующиеся образованием производных, содержащих фосфоангидридные связи.

5. Сочетанием методов рН-метрии и математического моделирования равновесных систем показано, что кроме традиционных форм НДД H3L+'2 , H2L+'3 , HL+'4 , L4 в водных растворах алендроновой кислоты образуются ассоциаты, проявляющие собственные, отличные от других, кислотно-основные свойства.

6. На основании результатов, полученных в ходе отработки и масштабирования схемы получения алендроновой кислоты с применением МСК, составлены лабораторные и опытно-промышленные регламенты синтеза AleH, а также процесса рециклизации основных реагентов и растворителей, используемых в процессе бисфосфорилирования.

7. По результатам исследования физико-химических свойств AleH предложен и,

в последующем, разработан метод высокоэффективного капиллярного

электрофореза для количественной и качественной оценки конечного продукта в

соответствии с фармакопейными требованиями.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:

1. Офицеров Е.Н., Ильин В.И., Коваленко JI.B. Химия фосфорорганических соединений. Часть 1. Реакция Михаэлиса-Арбузова в синтезе алкшшдендифос-фоновых кислот и их производных // Бутлеровские сообщения, 2007,12, 1.

2. Свидрицкий Е.П., Цзян М.Ш., Ильин В.И., Дыньков Д.И., Пирогов А.В., Шпигун О.А. Определение алендронат-иона и ряда неорганических ионов методом капиллярного электрофореза//Вестник МГУ, Серия 2. Химия, 2010, 51, 53.

3. Ilin V.I., Ofitserov E.N., Kovalenko L.V. l-Hydroxyalkylidene-l,l-bisphosphonates. Synthesis and Physico-chemical Properties//^. докл. «XVIl{h International Conference On Phosphorus Compounds» (11-15 July 2010, Wroclaw, Poland), 2010, p.50.

4. Devyatov F.V., Ignat'eva K.A., Ilin V.I., Ofitserov E.N. Acid-Base Properties and Association Equilibria in Alendronic Acid Water Solutions // Тез. докл. «XVIlfh International Conference On Phosphorus Compounds» (11-15 July 2010, Wroclaw, Poland), 2010, P2.03.29 (p.149).

5. Ильин В.И., Офицеров E.H., Коваленко JI.B. Особенности процесса регенерации и рециклизации реагентов и растворителей синтеза Ьгидрокси-ш-аминоалкилиден-1,1-бисфосфоновых кислот//7ез. докл. Всеросс. конф. «Итоги и перспективы химии элементорганических соединений» (2009, Москва), 2009, С.41.

6. Ильин В.И., Орешкина А.В., Офицеров Е.Н., Коваленко JI.B. Термическое поведение 1-гидрокси-4-аминобутилиден-1,1-бисфосфоновой (алендроновой) кислоты и её натриевой соли // Успехи химии и химической технологии, 2007, XXI, 75.

7. Москва В.В., Офицеров Е.Н., Исмагилов Р.К., Ильин В.И., Литвинов И.А., Коваленко JIB. Фосфористая кислота как синтон в синтезе супрамолекулярных протонных проводников II Тез. докл. «XV-ой Международной конференции по химии соединений фосфора» (25-30 мая 2008, Санкт-Петербург), Санкт-Петербург, 2008, Р-90 (С.401).

Подписано в печать:

15.11.2010

Заказ № 4533 Тираж - 130 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru