способ получения водорастворимых аминокислотных производных фуллерена

Формула изобретения

1. Способ получения водорастворимых аминокислотных производных фуллерена общей формулы I

НС₆₀N(СН₂)_nСОO^-Кt⁺,

где С₆₀ - фуллереновое ядро;

Кt⁺ - водород, катион аммония или щелочного металла;

n= 1, 3, 5,

включающий взаимодействие фуллерена с солью аминокислоты при нагревании и последующего выделения целевого продукта, отличающийся тем, что в качестве соли аминокислоты используют соединение общей формулы II

NH₂-(СН₂)_nСОО^-Э⁺R_m,

где R-CqH_2q+1;

n= 1, 3, 5;

m= 3, 4;

q= 2-5;

Э - химический элемент, выбранный из Va или VIa групп Периодической системы Менделеева,

при этом получают соединение общей формулы III

Н-С₆₀-NH-(CH₂)_n-СОO(Э⁺R_m),

где К, Э, n, m имеют вышеуказанные значения,

которое подвергают следующим реакциям: в случае получения целевого продукта общей формулы I, где Kt⁺ водород - воздействуют раствором кислоты, а если Kt⁺ - катион аммония или щелочного металла - соответствующей солью.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве химического элемента используют предпочтительно азот, фосфор, мышьяк, сурьму, висмут, серу, селен или теллур.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве катиона щелочного металла предпочтительно используют натрий или калий.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что соединение общей формулы II NH₂-(СH₂)_nСОO-Э⁺R_m получают путем взаимодействия аминокислоты с ониевой солью общей формулы IV R_mЭ⁺OR, где R, Э и m - имеют вышеуказанные значения.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что взаимодействие осуществляют в присутствии органического растворителя, такого, как толуол.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве аминокислоты используют кислоты алифатического рада, предпочтительное -аминокапроновую или -аминомасляную.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что ониевую соль общей формулы IV используют в виде спиртового раствора.

8. Способ по п. 2, отличающийся тем, что ониевую соль общей формулы IV получают in situ взаимодействием галогенидов формулы КmЭ⁺X, где R, Э и m - имеют вышеуказанные значения, Х - хлор, бром или йод, с алкоксидом щелочного металла.

9. Способ по п. 6, отличающийся тем, что в качестве алкоксида щелочного металла предпочтительно используют бутоксид натрия.

10. Способ по пп. 1-3, 7 и 8, отличающийся тем, что процесс осуществляют при температуре не выше 60^oС.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к органической химии фуллерена (С₆₀), а именно к технологии получения на его основе биологически активных соединений, в частности аминокислотных производных фуллерена, которые могут быть использованы в фармакологии и микробиологии.

Наибольший интерес представляют водо-растворимые аминокислотные производные фуллерена (АПФ), которые способны проникать через липидные мембраны, модулировать транспорт ионов, преодолевать гематоэнцифалический барьер, проявляя при этом биологическую активность. Проведенные многочисленные исследования показали, что именно водорастворимые аминокислотные или пептидные производные фуллеренов способны ингибировать широкий круг вирусных инфекций, в том числе ВИЧ-инфекции, обладают цитотоксичностью и способностью расщеплять ДНК (Киселев О. И. и др. Противовирусная активность фуллерена С₆₀ в комплексе с поли(N-винилпирролидоном). Доклады АН, 1998, т. 361(4), с. 547-549; Парнес З.Н. и др. Аминокислотные и пептидные производные фуллерена. Известия АН, серия химическая, 1998, 2; Андреев С.М. и др. Иммуногенные и аллергенные свойства конъюгатов фуллерена с аминокислотами и белком. Доклады АН, 2000, т. 370(2), с.261-264).

Указанные свойства аминокислотных производных фуллеренов ставят проблему разработки высокоэффективных технологий их получения с последующей реализацией в промышленных условиях.

Известен способ получения водорастворимых фуллеренов, включающий смешивание предварительно растворенных в органическом растворителе фуллеренов с полимерной матрицей в флороформе, выпаривание смеси под вакуумом до полного удаления растворителей, растворение полученного комплекса в фосфатно-солевом буфере (рН 7,4 - 7,6) с последующей обработкой продукта ультразвуком (RU 2162819, 02.10.01). При этом в качестве водорастворимой полимерной матрицы используют мембранные кефалины. Получают водную суспензию фуллеренов, которую обрабатывают ультразвуком, что позволяет увеличить степень дисперсности суспензии.

Целевой продукт представляет собой стойкую суспензию коричневого цвета, не расслаивающуюся при хранении более 14 дней. Суспензии хранят под резиновыми пробками в атмосфере азота.

В связи с тем, что продукт получают в виде суспензии, определить четко его концентрацию практически невозможно. Кроме того, условия хранения конечного продукта создают значительные трудности при его получении в промышленных условиях.

Известен способ получения симметричных растворимых в воде производных бакминстерфуллеренов (С₆₀), в частности производных метанофуллерена С₆₀ (PCT/WO 95/19949, 27.07.95), которые могут быть использованы для профилактики и лечения вируса, вызывающего СПИД и КС.

Новые, неизвестные ранее, водорастворимые производные - метанофуллерены получают через промежуточный продукт - интермедиат (4,4-Би(N-ацетил-2-аминоэтил)дифенил С₆₁, синтез которого достаточно сложный и включает несколько стадий. Основной компонент - замещенный дифенилдиазометан, который используется в синтезе получения целевого продукта, получают известными приемами из замещенного бензофенона гидразона путем окисления в присутствии пероксида никеля. Интермедиат синтезируют путем присоединения замещенного дифенилдиазометана в тетрагидрофуране к фуллерену С₆₀, предварительно растворенному в толуоле. Полученную смесь перемешивают, удаляют растворители, а продукт очищают известными приемами и обрабатывают уксусной кислотой и концентрированными водными растворами соляной кислоты. На данной стадии получают метанофуллерен в виде би(гидрохлорида). Для приготовления растворимого в воде производного метанофуллерена С₆₀ к полученному раствору на предыдущей стадии добавляют сукцинат ангидрида в сухом пиридине. Реакционную смесь обрабатывают водным раствором соляной кислоты и центрифугированием выделяют преципитат, который выделяют известными приемами, промывают водой и метанолом и высушивают в вакууме. Полученный целевой продукт растворяется в воде при рН7 (растворимость ~ 1 мг/мл).

Основными недостатками способа получения описанных новых производных метанофуллеренов С₆₀ являются сложность и многостадийность технологического процесса, а также использование на всех стадиях большого количества растворителей, таких как тетрагидрофуран, пиридин, о-дихлорбензол и метиловый спирт. Кроме того, целевой продукт имеет низкую растворимость, что ограничивает его применение в медицинских целях.

Наиболее близким аналогичным решением по технической сущности является способ получения, в частности, фуллеренаминокапроновой кислоты HC₆₀NH(CH₂)₅COOH, описанный в патенте РФ 2124022, который включает несколько стадий.

К раствору фуллерена в о-дихлорбензоле добавляют водный раствор калиевой соли аминокапроновой кислоты и 18-краун-6. Реакционную массу перемешивают 6-8 часов при 60^oС. Затем растворители отгоняют, остаток обрабатывают насыщенным раствором хлористого калия и остаток фуллеренового производного промывают водой. Выход целевого продукта количественный. Полученная N-(моногидро)фуллеренаминокапроновая кислота растворима в диметилсульфоксиде, диметилформамиде, пиридине.

Недостатком известного способа получения фуллеренового производного, в частности фуллеренаминокапроновой кислоты, является использование в процессе такого растворителя, как о-дихлорбензол, высокотоксичного с сильным неприятным запахом. Кроме того, используемый в качестве катализатора 18-краун-6 имеет высокую стоимость, сравнимую со стоимостью фуллерена, и является также токсичным реагентом.

Таким образом, использование в известном процессе токсичных реагентов приводит к необходимости проведения дополнительной стадии очистки, что значительно усложняет технологический процесс в целом и повышает стоимость целевого продукта.

Для устранения вышеуказанных недостатков была поставлена задача по разработке нового способа получения водорастворимых аминокислотных производных фуллерена формулы I, приведенной в формуле изобретения, высокоэффективного и экономически выгодного при реализации в промышленных условиях.

Поставленная задача решается способом получения водорастворимых аминокислотных производных фуллерена общей формулы I HC₆₀NH(CH₂)_nCOO^-Kt⁺, где С₆₀ - фуллереновое ядро, Кt⁺ - водород, катион аммония или щелочного металла, n=1, 3, 5, включающим взаимодействие фуллерена с солью аминокислоты при нагревании и последующее выделение целевого продукта, причем в качестве соли аминокислоты используют соединение общей формулы II NН₂-(СН₂)_nСОO^-Э⁺R_m, где R - C_qH_2q+1, n= 1, 3, 5, m=3,4, q=2-5, Э - химический элемент, выбранный из Va или VIa групп периодической системы элементов, с образованием соединения общей формулы III НС₆₀NH(СН₂)_nСОО(Э⁺R_m), где R, Э, n, m имеют вышеуказанные значения, которое подвергают следующим реакциям: в случае получения целевого продукта общей формулы I, где Kt⁺ - водород, воздействуют раствором кислоты, а если Kt⁺ - катион аммония или щелочного металла - соответствующей солью.

Предпочтительными ионами щелочных металлов в общей формуле I являются ионы натрия или калия.

Соединение общей формулы II является новым неописанным ранее в научно-технической литературе. Его получают путем взаимодействия аминокислоты с ониевой солью общей формулы IV R_mЭ⁺OR, где R, Э и m имеют вышеуказанные значения.

Ониевые соли общей формулы IV могут быть получены известными приемами и находят применение в межфазном катализе. Широко доступными являются такие, как четвертичные аммониевые и фосфониевые соли, которые вырабатываются промышленностью (Э. Демлов и др. Межфазный катализ, М.: Мир, 1987, с.80 и 81).

Однако их можно также получать in situ путем взаимодействия галогенидов формулы R_mЭ⁺X, где R, Э и m имеют вышеуказанные значения, Х - хлор, бром или йод, с алкоксидом щелочного металла в спиртовом растворе. Спиртовой раствор ониевой соли отделяют от осадка и используют для получения соли аминокислоты общей формулы II путем введения в него алифатической аминокислоты, в частности аминокапроновой или -аминомасляной. Таким образом, можно отказаться от отдельного получения ониевых солей, особенно тех, которые не являются торговыми продуктами. В качестве алкоксида щелочного металла предпочтительно используют бутоксид натрия.

Процесс взаимодействия фуллерена с солью аминокислоты формулы II осуществляется в присутствии органического растворителя, такого как толуол, что однако не ограничивает использование других растворителей, таких как бензол, ацетонитрил, хлорнафталин.

Использование толуола в качестве органического растворителя наиболее предпочтительно, так как он является наименее токсичным по сравнению с другими растворителями. Кроме того, фуллерен хорошо растворяется в толуоле и реакция взаимодействия с солью аминокислоты формулы II протекает с высокой скоростью.

Температура реакции составляет не выше 60^oС. Реакционную смесь перемешивают до полного осветления раствора. Полученный осадок отделяют и промывают спиртом, например этиловым. Получают соединение общей формулы III HC₆₀NH(CH₂)_nCOOЭ⁺R_n, где R, Э и n имеют вышеуказанные значения, которое представляет собой твердое кристаллическое вещество, обладающее высокой растворимостью в воде и высокой реакционной способностью в реакциях обмена.

Для получения целевого продукта общей формулы I, где Kt⁺ - водород, соединение общей формулы III подвергают взаимодействию с раствором кислоты, а если Kt⁺ - аммоний или щелочной металл, предпочтительно натрий или калий - с соответствующей солью.

В качестве кислоты могут быть использованы неорганические кислоты, такие как соляная кислота, серная кислота, азотная кислота, фосфорная кислота и подобные им, а также органические карбоновые кислоты, такие как уксусная кислота, пропионовая кислота, салициловая кислота и подобные им.

Структура целевых продуктов и соединения общей формулы III подтверждается данными аминокислотного анализа. Показано, что соотношение фуллерена и аминокислотного остатка равно 1: 1. ИК-спектры поглощения синтезированных соединений содержат полосы, характерные для замещенного фуллерена: 1105 см^-1, 935 см^-1, 845 см^-1; полосы асимметричных и симметричных валентных колебаний карбоксилатных групп: 1560 см^-1, 1400 см^-1; полосы валентных колебаний R-NH-R-групп - 3350 см^-1, 3440 см^-1 и 1580 см^-1 - NH - деформационная.

Состав полученных соединений подтверждается также данными УФ-спектроскопии и ВЭЖХ.

Таким образом, использование в качестве соли аминокислоты соединения общей формулы II позволило значительно упростить процесс получения водорастворимых аминокислотных производных фуллерена общей формулы I и исключить из технологии использование высокотоксичных растворителя и катализатора. При этом снижаются общие затраты на получение целевых продуктов, что делает новый способ экономически выгодным при реализации в промышленных условиях.

Приведенные ниже примеры поясняют изобретение.

Пример 1. Получение фуллеренаминокапроновой кислоты HC₆₀-NH-(CH₂)₅-СООН.

К раствору 3,22 г (0,01 моля) тетрабутиламмоний бромида в 10 мл бутилового спирта добавляют спиртовой раствор бутилата натрия (0,23 г натрия в 5 мл бутилового спирта). Полученный спиртовой раствор ониевой соли тетрабутиламмоний бутоксида Ви₄N⁺ОBu^- отделяют от осадка бромида натрия и к раствору добавляют 1,31 г -аминокапроновой кислоты. Спирт отгоняют, получают твердый осадок тетрабутиламмониевой соли -аминокапроновой кислоты NH₂-(CH₂)₅COO NBu₄, который суспензируют в толуоле и добавляют к раствору 0,72 г (0,001 моля) фуллерена, предварительно растворенного в 400 мл толуола. Реакционную смесь перемешивают при 60^oС до полного осветления раствора. Выпавший осадок отфильтровывают и промывают этиловым спиртом, получают тетрабутиламмониевую соль фуллеренаминокапроновой кислоты формулы III HC₆₀NH(CH₂)₅COO^-NBu⁺ ₄, которую растворяют в воде, и добавляют 0,1 M раствор НСl. Получают гель фуллеренаминокапроновой кислоты, который центрифугируют, промывают водой до рН 7 и сушат. Выход целевого продукта количественный.

Пример 2. Получение натриевой соли фуллеренаминомасляной кислоты HC₆₀NH(CH₂)₃COONa.

К раствору 2,9 г (0,01 моля) тетрабутилфосфоний хлорида в 10 мл этилового спирта добавляют спиртовой раствор этоксида натрия (0,23 г Na в 5 мл сухого этилового спирта). Спиртовой раствор ониевой соли - тетра-н-бутилфосфоний этоксид отделяют от выпавшего осадка хлористого натрия и добавляют 1,03 г (0,01 моля) -аминомасляной кислоты. Затем спирт отгоняют, получают твердый осадок соли аминокислоты формулы II, тетра-н-бутилфосфониевой соли -аминомасляной кислоты NН₂-(СН₂)₃СООРВu₄, который суспензируют в толуоле и добавляют при перемешивании к раствору 0,72 г (0,001 моля) фуллерена в 400 мл толуола. Реакционную массу нагревают до 60^oС и выдерживают до полного исчезновения фуллеренового окрашивания раствора. Выпавший осадок отфильтровывают, промывают спиртом, в частности этиловым, и высушивают. Полученное соединение формулы III HC₆₀NH(CH₂)₃COO^-PBu⁺ ₄ растворяют в воде и добавляют насыщенный раствор хлористого натрия. Смесь перемешивают, упаривают и из твердого остатка горячим этиловым спиртом экстрагируют Et₄P⁺Cl^-. Полученную соль перекристаллизовывают из воды и сушат в вакууме. Выход целевого продукта количественный по взятому фуллерену.

Пример 3. Получение калиевой соли фуллеренаминомасляной кислоты.

Способ осуществляют аналогично примеру 2. В качестве спирта используют бутиловый спирт. В качестве соответствующей соли на конечной стадии получения целевого продукта используют насыщенный водный раствор хлористого калия.

Пример 4. Получение аммонийной соли феллеренаминомасляной кислоты.

Способ осуществляют аналогично примеру 2. В качестве соответствующей соли на конечной стадии получения целевого продукта используют насыщенный водный раствор хлористого аммония.

Таким образом, в соответствии с примерами 2, 3, 4 синтезированы соединения, представляющие собой водорастворимые соединения фуллеренаминокислот. ИК-спектры солей и их свойства показывают сохранение структуры H-C₆₀NH(CH₂)_nCOOKt⁺, где Кt⁺ - натрий, калий или аммоний. Полученные соединения проходят дополнительные исследования и могут быть широко использованы в фармакологии, микробиологии и медицине.

Новый способ получения заявляемых соединений общей формулы I технологически прост в осуществлении, не требует специальной аппаратуры и его реализация может быть осуществлена при использовании общехимического оборудования.