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

Российский химико-технологический университет
имени Д. И. Менделеева
На правах рукописи
Ильин Вадим Игоревич
Синтез, физико-химические свойства и
механизм образования 1-гидрокси-4аминобутилиден-1,1-бисфосфоновой
кислоты и её солей
02.00.03 – Органическая химия
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата химических наук
Москва − 2010 год
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 Зурабович
доктор химических наук
профессор
Коротеев Михаил Петрович
Ведущая организация:
Учреждение Российской Академии наук
Институт элементоорганических 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
бисфосфоновые
Гидроксилсодержащие
проблемы.
кислоты,
в
частности,
аминоалкилиден-1,1-
1-гидрокси-4-аминобутилиден-1,1-
бисфосфоновая (алендроновая, AleH) 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-1,1-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
бисфосфонатов, 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-аминобутилиден-1,1-бисфосфоновой
кислоты, изучению её физико-химических свойств, а также решению задачи
3
комплексной разработки производственного цикла получения AleH как субстанции
для выпуска дженерикового ЛП.
Научная новизна работы. В ходе исследования механизма взаимодействия
алканкарбоновых (в частности, 4-аминобутановой (ГАМК) и уксусной) кислот и PCl3
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 RCOOH и H3PO3, конденсация
которых
приводит
к
образованию
фосфор-углеродной
связи.
Сделаны
предположения о структуре таких производных, а также обобщён предполагаемый
механизм образования P-C-связи как промежуточного этапа в синтезе 1-гидрокси-4аминобутилиден-1,1-бисфосфоновой кислоты.
Методом
ацетилхлорида
31
P-ЯМР
из
спектроскопии
уксусной
кислоты
показано,
и
что
в
процессе
синтеза
трёххлористого
фосфора,
помимо
фосфористой кислоты и её неполных хлорангидридов и ацетилпроизводных,
образуется 1-ацетилоксиэтилиден-1,1-бисфосфоновая кислота, что, с одной стороны,
проливает свет на фундаментальную проблему количественного образования
ацилхлоридов из карбоновых кислот и PCl3, а с другой – даёт ключ к оптимизации и
увеличению практических выходов RC(O)Cl в этой реакции.
В ходе анализа образцов AleH, 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
pH
ассоциатов
разнообразного
строения,
имеющих
собственные
кислотно-основные свойства.
Практическая значимость работы. Базируясь на данных исследования
механизма
реакции
бисфосфорилирования
RCOOH,
предложены
некоторые
альтернативные производные (в частности, соли ГАМК с хлористоводородной и
4
метансульфоновой кислотами) аминокарбоновых кислот, использование которых
позволяет увеличить выходы конечного продукта при внедрении схемы с
применением апротонных растворителей в отсутствии H3PO3.
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-ωаминоалкилиден-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 слоёв населения преклонного возраста и детей
школьного возраста, имеющих начальную стадию остеопороза – остеопению.
Автор приносит благодарность Васяниной Л.К. (МПГУ, к.х.н., вед. науч. сотр.)
и Орешкиной А.В. (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.
Апробация 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.), XV международная 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).
5
Cтруктура работы. Диссертационная работа изложена на 170 cтраницах
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 AleH 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 H3PO3 по кратной связи элементуглерод, взаимодействие производных карбоновых кислот с H3PO3 и PCl3, 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-гидрокси-ω-аминоалкилиден-1,1-бисфосфоновых кислот.
В настоящее время промышленный синтез AlеH основан на следующих схемах:
H2N
OH
3
H 2N
B
6,4 eq. MSA
t = 650C.
T = 7-15h.
O
A
OH
3
O
C
3
O
1 eq. H3PO3
1,5 eq. PCl3
chlorobenzene
t = 900C.
T = 2-3h.
OH
H2N
1 eq. H3PO3
2eq. PCl3
1 eq. H3PO3
1,57 eq. PCl3
PEG-400, toluene
t = 75-800C.
T = 2-3h.
O
...
H 2O
T = 3-5h.
...
NaOH
pH = 2,0
OH
P
H2N
OH
3
OH
P
HO
OH
78-85% O
O
...
H 2O
T = 3-5h.
...
Acetone
H 2O
OH
P
H2N
OH
3
OH
P
HO
OH
22-50% O
O
...
H2O
T = 3-5h.
...
Acetone
H2O
OH
P
H2N
3
HO
P
60-63% O
6
OH
OH
OH
Поэтому нами в рамках исследования взаимодействия стартовых реагентов и
растворителей синтеза 1-гидрокси-ω-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 бисфосфорилирования. Большинство
предложенных методов синтеза алендроновой кислоты основано на аналогии с
получением ОЭДФК (1-гидроксиэтилиден-1,1-бисфосфоновая 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 PCl3 образуется
ацилдихлорфосфит в виде соли:
2 PCl3 + NH2(CH2)3COOH
Cl2POCO(CH2)3NH3 Cl
+ PCl 3
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
PCl3,
то
P[OCO(CH2)3N+H3Cl-]3,
в
этом
который
варианте
отличается
сначала
большой
образуется
фосфит
гидролитической
устойчивостью и малой растворимостью. После добавления избытка трёххлористого
фосфора в реакционной среде реализуется система реакций диспропорционирования
с образованием продуктов:
ClP[OCO(CH2)3N+H3Cl-]2
Cl2POCO(CH2)3N+H3Cl-
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 H3PO3.
Однако, как обнаружено нами, эта кислота образует с ГАМК (4-аминомасляная
кислота) соль состава 1:1.
7
Наличие перегибов и плато на представленной
кривой
титрования
H3PO3
водным раствором ГАМК свидетельствует
о
взаимодействии
собой:
при
титрования
частицы
этом
в
в
первый
растворе
между
момент
присутствуют
диссоциированной
определяющие
Рисунок 1. Кривая титрования раствора
H3PO3 водным раствором ГАМК
компонентов
общее
H3PO3,
значение
pH
раствора, а также небольшое количество
соли
ГАМК*H3PO3.
В
ИК-спектре
вышеописанные процессы выражаются в сдвиге νС=O протонированного карбоксила в
сторону более высоких частот относительно таковых у ионизированного карбоксила
(1720 см-1 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.
Молекулы
ГАМК
образуют
циклические
димеры по типу «голова-хвост». Эти димеры
уложены в стопки. Димеры в стопке между
собой удерживаются водородными связями,
образованными
молекулами
H3PO3.
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:
8
Образующаяся при этом соль D ведёт себя в последующих реакциях подобно
уксусной кислоте.
Являясь на два с половиной порядка слабее МСК , H3PO3 в смеси с
метансульфоновой
кислотой
является
основанием,
вступая
в
реакцию
нейтрализации с последней:
(НО)2НР=О + HOSO2CH3 (НО)2НР+ --О--H + -OSO2CH3
1 eq.
Таким образом, в реакционной смеси на момент добавления трёххлористого фосфора
нет свободной фосфористой кислоты, а есть сопряженная кислота (НО)2НР+--О—H:
pK МСК < pK (HO)3P+H < pK (HO)2P(O)H
не диссоциирующая в среде метансульфоновой кислоты. Поэтому реакционная среда
стартовых реагентов – сосредоточие двух нуклеофильных центров – аниона МСК,
отличающегося
довольно
низкой
нуклеофильностью,
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 PCl3 хлористого водорода
показало, что, обладая поляризованной ковалентной связью, HCl способен давать
комплексы с ионизированными группами и анионами. На примере H3PO3,
образование таких структур можно показать следующим образом:
Cl
(HO)2 P
H
O
+ HCl
(HO) 2P
OH
HCl
(HO)2P
OH
Cl
H
Cl
H
H
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
9
реакционной массы в газоуловитель. С другой стороны, результаты исследования по
потенциометрическому титрованию H3PO3 раствором HCl, свидетельствуют в пользу
образования при различном соотношении фосфит/HCl ионных пар [P(OH)3H]+
[ClHCl]-n, имеющих различные электрохимические характеристики, такие как
константы диссоциации, буферная емкость в водных растворах и др.
Данные
31
P ЯМР-спектроскопии образца, содержащего фосфористую кислоту в
присутствии избытка хлористого водорода, также подтверждают вышеприведенные
предположения: в ЯМР-спектре присутствует чёткий и узкий сигнал с δ=4,82 (JP-H =
693 Гц) (Рис.3а), соответствующий H3PO3 с протонированной фосфорильной
группой, стабилизированной в среде полярного апротонного растворителя, тогда как
в случае отсутствия HCl (Рис.3б) сигнал с δ=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
известная реакция получения RC(O)Cl из
RCOOH и PCl3 при соотношении реагентов
3:1 с выходом, не превышающим 50-55%.
Результаты, полученные при моделировании взаимодействия алканкарбоновых
кислот с РCl3 (в качестве карбонильной
А
Б
компоненты
Рисунок 3. А) 31P-ЯМР Н3PO3 в
МТБЭ + HCl;
Б) 31P-ЯМР спектр H3PO3 в МТБЭ
была
взята
CH3COOH)
позволяют предположить, что на первой
стадии реализуется схема, учитывающая
катализ трёххлористого фосфора молекулами HCl и образование устойчивого к
действию последнего ацилдихлорфосфита:
PCl3
...
H-Cl ... H-Cl
Cl 2P Cl...H...Cl + HCl
Cl 2P
Cl2P
O
C
R
Cl ... H-OSO2CH3
+ H-Cl...H-Cl...H-OSO2CH3
O ... H-Cl
10
-
+ RCOOH
Реакция ацидолиза, как и гидролиза P-Cl связи является автокаталитической.
Каталитические свойства хлористого водорода в этой реакции вытекают из того
факта, что, как было практически показано, ни PCl3, ни HCl в отдельности при
комнатной
температуре
не
расщепляют
метилтретбутиловый
эфир
до
метилдихлорфосфита или метанола, тогда как при их совместном применении в
значительном количестве образуется CH3OPCl2:
200C
O
PCl 3
+ HCl
PCl 2
Образование
подобных
O
+
хлорангидридов
MeOH
HCl
должно
происходить
и
+
t-BuCl
в
случае
каталитического взаимодействия PCl3 и МСК:
PCl3 + CH3SO2OH
CH3SO2O-PCl 2 + HCl
Однако, ни при комнатной температуре, ни при подогревании нам не удалось найти
продуктов данной реакции в спектре
31
P-ЯМР эмульсионной массы смешения
вышеописанных реагентов.
Реакция образования галогенированных ацилфосфитов является обратимой.
Смещение равновесия в правую сторону происходит за счет выведения смешанных
ангидридов из равновесия.
XPCl2 + AcOH
H+
OC(O)CH3
+
P
Cl
X
HCl
HCl 1
O
Cl
H
X
P
X
Cl
P
+ AcCl
OH
X = -OC(O)Alk, -OC(O)Ar, -OSO2Alk
Как можно видеть из представленных выше и ниже схем, это осуществляется
посредством
дальнейшего
ацидолиза
RC(O)PCl2
с
образованием
диацилхлорфосфитов и триацилфосфитов, гидролизуемых в дальнейшем хлористым
водородом с образованием ацилхлоридов и неполных ангидридов фосфористой
кислоты:
11
Cl
X
P
OAc
2
AcOH
+
X
H+
P
+
HCl
OAc
OAc
3
H
O
AcCl
+
O
HCl
P
X
H
+
P
X
OH
AcCl
OAc
X = -OC(O)Alk, -OC(O)Ar, -OSO2Alk
Как стадия 2, протекающая быстрее стадии 1, так и стадия образования XClPOAc
проходят без протонирования атома P. Очевидно, что в присутствии избытка HCl,
источником которого являются не только процессы ацидолиза, фосфо-эфирные связи
смешанных ангидридов подвергаются расщеплению:
Неполные ангидриды фосфористой кислоты E представляют собой исходные
компоненты
для
получения
активированных
производных,
содержащих
трёхкоординированный атом фосфора:
Cl
H+
3
Cl 2POH
H+
O
Cl
P
Cl
3 Cl
P
O
O
Cl
H
P
P
O
O
P
Cl
На наш взгляд, именно производные такого типа в процессе синтеза 1-гидрокси-ωаминоалкилиден-1,1-бисфосфоновых кислот способны при взаимодействии с другой
активированной компонентой – RC(O)Cl образовать первую из двух необходимых PC-связей. В результате последующих реакций образуется не только H3PO3, как
принято считать, а целая гамма кислот фосфора (Рис.4). Образование же неполных
ангидридов возможно и из фосфористой кислоты и PCl3 при удалении HCl из сферы
реакции.
12
Рисунок 4. 31P ЯМР-спектр реакционной
массы синтеза ацетилхлорида
3. Синтез и физико-химические свойства
1-гидрокси-4-аминобутилиден-1,1-бисфосфоновой кислоты. Полученные на
этапе исследования механизма реакции данные позволили целенаправленно перейти
к оптимизации лабораторной и технологической прописей синтеза AleH. Для этого
на этапе разработки промышленного регламента получения субстанции алендроната
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 растворителяреагента 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 AleH.
Полученные с применением метансульфоновой кислоты высокие процентные
выходы
объясняются
бисфосфорилирования
уникальными
–
выступать
свойствами
не
столько
последней
в
качестве
в
реакции
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 P(III) с образованием P-C связи (Рис.5):
13
Рисунок 5. Каталитическая роль МСК в процессе синтеза AleH
Уменьшение себестоимости конечной субстанции (МСК – дорогой реагент)
удалось достичь, разработав лабораторный регламент процесса рециклизации
основных реагентов и растворителей синтеза AleH, суть которого заключается в
протонировании натриевой соли МСК хлористым водородом с последующим
удалением
NaCl
в
виду
низкой
растворимости
концентрированной соляной кислоты (Рис.6).
14
последнего
в
среде
Рисунок 6. Блок-схема процесса рециклизации основных реагентов и
растворителей синтеза алендроновой кислоты
Противоречивость данных относительно некоторых из физико-химических
свойств AleH побудила нас детально исследовать особенности поведения её как
субстрата при нагревании, а также в водных растворах при различных значениях pH,
поскольку характеристики фазового перехода, а также титриметрические методы
качественно-количественной оценки являются одними из основных, используемых в
15
Государственной Фармакопее для подтверждения подлинности субстанций, а
проблема её биодоступности – проблема образования солей субстанции с Ca.
Проведённые дериватографические испытания образцов показали, что AleH и её
мононатриевая соль действительно не имеют точки плавления в интервале
температур 20-450 °С (Рис.6), хотя в научной литературе приводятся:
T. пл. AleH⋅H2O, °С: 228-235
Т. пл. AleNa⋅3H2O, °С: 257-262,5
Сравнение кривых ТГ и ДТА (Рис.7)
позволяет сделать вывод о том, что
при нагревании кристаллы исследуемых соединений претерпевают ряд
структурных
процессов.
При
нагревании образцов до 100-110 °С
происходит
Рисунок 7. Дериватограмма кристаллов
алендроновой кислоты (ТГА). Величина
эндоэффекта при 220°С по сравнению с
эндоэффектом удаления молекулы
кристаллизационной воды свидетельствует об
образовании макроэргической связи.
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 P-O-P-ангидрида G:
R = (СH2)3NH3+;
И, наконец, при температурах выше 300 °С происходит потеря ещё трёх молекул
воды образцом. Предположительно, при этом образуется ангидрид, содержащий два
фосфазеновых цикла:
16
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 AleH ведёт себя как сильная органическая кислота с pKa 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 pH 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 AleH 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 физикохимическими характеристиками:
17
O
O
P
H2N
HO
P
O
-
(H4L±)2
O
O
P
HO
OH
OH
P
*
H3N
P
O
OH
OH
OH
2
O
P
HO
OH
O
HO
2
(L ) 2
H3N
H3N
O
4-
O
P
-
O
O
O
O
O
OH
O
-
P
H3N
OH
O
-
HO
OH
O
O
P
P
OH
O
(H3L+,2-)2
O
P
H3N
-*
HO
P
O
H3N
HO
OH
O
P
H3L+,2-*H 2L+,3-
HO
P
O
O-
-
O
-
O
O
-
P
*
H3N
HO
O
HO
P
OH
O
2
O
O-
O-
-
(H2L+,3-)2
OH
O
2
O
P
H3N
HO
P
O
(HL+,4-)2
O
O
-
P
O
O
P
H3N
O
P
OH
O
O
O
O
P
OH
O
O
H3N
H4L±*H 3L+,2-
O
2
-
O
O
-
-
O
2
(H2L+,3-)2*HL+,4-
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
AleH 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.
18
Разработанный для решения этой задачи нами при тесном сотрудничестве с
кафедрой аналитической химии МГУ (чл.-корр.
РАН, Шпигун О.А.) метод капиллярного зонного
электрофореза
низким
(КЗЭ)
пределом
исключения
(Рис.8)
обнаружения
компонентов
характеризуется
для
маточного
всех
без
раствора,
таких как хлорид-, фосфит-, метансульфонат-,
фосфат-ионов, а также анионов γ-аминомасляной и
Рисунок 8. Электрофореграмма модельной
смеси ионов. Полимер – 3,6-ионен. Пики:
1 - Cl-, 2 - H2PO3-, 3 - H2PO4-, 4 - CH3SO3-,
5-AleH. 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 Н3РО3 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.
19
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 H4L±, 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.
20
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 Л.В. Химия фосфорорганических
соединений. Часть 1. Реакция Михаэлиса-Арбузова в синтезе алкилидендифосфоновых 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. 1-Hydroxyalkylidene-1,1-bisphosphonates.
Synthesis and Physico-chemical Properties//Тез. докл. «XVIIIth 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. «XVIIIth
International Conference On Phosphorus Compounds» (11-15 July 2010, Wroclaw,
Poland), 2010, P2.03.29 (p.149).
5. Ильин В.И., Офицеров Е.Н., Коваленко Л.В. Особенности процесса регенерации и
рециклизации реагентов и растворителей синтеза 1-гидрокси-ω-аминоалкилиден1,1-бисфосфоновых кислот//Тез. 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 Л.В. 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 Л.В. Фосфористая кислота как синтон в синтезе супрамолекулярных
протонных проводников // Тез. докл. «XV-ой Международной конференции по
химии соединений фосфора» (25-30 мая 2008, Санкт-Петербург), СанктПетербург, 2008, Р-90 (С.401).
21