способ получения d(+)-глюкозамина гидрохлорида

Формула изобретения

Способ получения D(+)-глюкозамина гидрохлорида путем гидролиза хитина концентрированной соляной кислотой при нагревании с выделением целевого продукта, включающий выпаривание, кристаллизацию, отделение, промывку и сушку целевого продукта, отличающийся тем, что перед гидролизом хитина концентрированной соляной кислотой проводят предварительную подготовку хитина посредством его ацетилирования уксусным ангидридом, промывания и сушки ацетилированного хитина.

Описание изобретения к патенту

Изобретение предназначено для использования в медицине, ветеринарии, косметике и относится к способу получения аминосахаров, используемых в качестве химических реактивов и лекарственных препаратов.

Известен способ получения D(+)-глюкозамина гидрохлорида, заключающийся в гидролизе хитина в концентрированной соляной кислоте при перемешивании и нагревании на кипящей водяной бане в течение 2,5 ч. Соотношение массы хитина и массы соляной кислоты с удельной массой 11,18 г/см³ составляет 1:5,9. По окончании гидролиза к раствору добавляют воду (при соотношении хитин : вода 1:5) и активный уголь (при соотношении 1:0,1). Смесь обесцвечивают при перемешивании при 60°С в течение 1 ч и фильтруют. При необходимости обесцвечивание гидролизата повторяют. Очищенный гидролизат упаривают в вакууме при 50°С до 2-4% от исходного раствора 10-15 мл.

Кристаллы D(+)-глюкозамина гидрохлорида промывают этиловым спиртом, а затем высушивают. Выход продукта составляет 60-70% (Синтезы органических препаратов. Сборник 4 / Пер. с англ. - М.: Изд-во иностранной литературы, 1953. - 660 с. С.140-141). (Purchase E.R., Braun С.Е. D-Glucosamine hydrochloride // Organic Syntheses. - 1946. - Vol.26. - P.36-37).

Известен также способ получения D(+)-глюкозамина гидрохлорида путем растворения хитина в избытке концентрированной соляной кислоты и последующего упаривания раствора до образования кашицы. Полученную суспензию разбавляют водой при соотношении хитина и воды 1:2,5 и раствор обесцвечивают активным углем в течение 4-5 мин. Уголь отделяют фильтрованием, фильтрат упаривают в вакууме до начала кристаллизации, охлаждают, а выпавшие кристаллы отделяют фильтрованием.

Далее кристаллы промывают холодной водой, спиртом и сушат. Дополнительную очистку D(+)-глюкозамина гидрохлорида проводят перекристаллизацией из горячего 80%-ного этилового спирта.

Выход продукта составляет 70-74% (Марков С. Метод за получаване на гликозамингидрохлорид // Фармация (Бълг). - 1964. - Т.14, № 2. - С.30-32).

Близким к предлагаемому является способ по изобретению (Казаков А.Л., Самокиш И.И., Компанцев В.А., Лобова Е.И., Новиков В.Ю., Орлова Т.А. Пятигорский фармацевтический институт; НПО «Севрыбтехцентр», г.Мурманск. Способ получения глюкозамина гидрохлорида, обладающего противоартрозной активностью: Патент RU 2038095. - МКИ⁶ А61К 35/60. - Заявл. 05.09.1991; № 5037787/14; Опубл. 27.06.1995. - Бюл. № 18), в котором для получения целевого продукта гидролиз хитина проводят концентрированной соляной кислотой (1:10) в течение 2 ч при температуре водяной бани 75°С с последующим разбавлением гидролизата водой и совмещением гидролиза и очистки его активированным углем при 60°С, упариванием гидролизата в вакууме при температуре не выше 60°С до остаточного объема жидкости 15% от исходного количества соляной кислоты и выделением целевого продукта кристаллизацией из водного кислого раствора при перемешивании.

Осадок D(+)-глюкозамина гидрохлорида отделяют и промывают 96%-ным спиртом до белого цвета, сушат при температуре не выше 60°С.

Выход целевого продукта составляет 69% при содержании основного вещества D(+)-глюкозамина гидрохлорида 99,4-99,6% по хлорид иону и не менее 99% по методу Эльсона-Моргана.

Известен также усовершенствованный способ, исключающий применение активного угля (Новиков В.Ю., Иванов А.Л. Фирма «Атлант-СИМ-Виктор». Способ получения гидрохлорида D(+)-глюкозамина: Патент РФ 2042685, МКИ⁶ С07Н 5/06, С08В 37/08. - Заявл. 02.11.92; № 92003453/04; Опубл. 27.08.95. - Бюл. № 24).

Хитин из панциря ракообразных растворяют в концентрированной соляной кислоте 30-37%, нагревают на кипящей водяной бане в течение 45-120 мин при соотношении массы хитина и массы соляной кислоты (1:2)-(1:4).

В течение 5-10 мин после начала нагревания хитин растворяется в кипящей соляной кислоте, затем раствор выдерживают до полного гидролиза хитина, реакционную смесь охлаждают до комнатной температуры (10-20°С) и оставляют при такой температуре для кристаллизации D(+)-глюкозамина гидрохлорида на 8-48 ч.

Выпавший осадок грязного продукта отделяют декантацией, фильтрованием или центрифугированием при комнатной температуре. Осадок промывают органическим растворителем (например, этиловым или изопропиловым спиртом, ацетоном и др.) при соотношении масс хитина и растворителя (1:5)-(1:3), промытый осадок растворяют при перемешивании в воде с температурой 50-80°С при соотношении масс хитина и воды (1:2)-(1:3).

Раствор фильтруют (центрифугируют), упаривают в вакууме до 5-10% от первоначального объема при температуре в растворе не более 60°С.

Кристаллы D(+)-глюкозамина гидрохлорида отделяют и промывают органическим растворителем порциями 2-4 раза. Промывку проводят до рН промывного раствора не менее 2-3 по универсальной индикаторной бумаге.

Промытые кристаллы D(+)-глюкозамина гидрохлорида сушат на воздухе при комнатной температуре в течение 4-24 ч, а затем в сушильном устройстве при температуре не выше 60°С.

Этот способ позволяет исключить использованием активированного угля, проводить технологический процесс без фильтрации горячих солянокислых растворов и без дорогостоящей операции упаривания концентрированной соляной кислоты. Описанный способ близок к заявленному.

Отсутствие потерь целевого продукта на активном угле позволяет повысить выход D(+)-глюкозамина гидрохлорида до 70-76%.

Все приведенные выше способы получения D(+)-глюкозамина гидрохлорида включают гидролиз хитина соляной кислотой при нагревании, выпаривание, кристаллизацию, отделение, промывку и сушку целевого продукта, при этом выход готового продукта не превышает 60-76%, что недостаточно, так как этот результат можно улучшить.

В качестве сырья обычно используется хитин, полученный по технологии, включающей депротеинизацию горячим раствором щелочи (обычно 4% NaOH) и при комнатной температуре раствором минеральной кислоты (обычно 3,5-7% НСl).

Анализ образцов хитина, полученных таким способом, и известные данные по такому же анализу, приведенные в научной литературе, показывают, что такой хитин имеет степень деацетилирования около 15%.

Это объясняется тем, что в процессе получения продукта и при щелочной обработке, и при кислотной происходит гидролиз амидных связей, вызывающий деацетилирование.

Известно также, что гликозидные связи у второго углеродного атома деацетилированного мономерного звена частично деацетилированного хитина (или хитозана) подвергается кислотной деструкции и деполимеризации со скоростью в несколько раз меньшей, чем такие же связи у ацетилированного звена, что объясняется тем, что аминогруппа в положении 2, заряженная положительно в условиях кислотно-катализируемого гидролиза, понижает электронную плотность на гликозидном центре, дестабилизируя карбокатины, сдвигая равновесие в сторону исходного состояния.

С другой стороны, ацетилирование аминогруппы у второго углеродного атома ускоряет гидролиз гликозидов за счет повышения электронной плотности и анхимерного содействия. Это стабилизирует карбокатины, что приводит к повышению вероятности их диссоциации и, следовательно, увеличению скорости расщепления гликозидной связи (Komano Т. Studies on the chemical structure of mucopolysaccharides // Thesis or Dissertation. - Kyoto University, 1962. - 112 p. Varum K.M., Ottoy M.H. Smidsrod O. Acid hydrolysis of chitosans // Carbohydrate Polymers. - 2001. - Vol.46, No.1. - P.89-98).

Нами установлено, что скорость деструкции резко уменьшается с увеличением начальной степени деацетилирования хитина (Новиков В.Ю. Кислотный гидролиз хитина и хитозана // Журнал прикладной химии. - 2004. - Vol.77, No.3. - P.490-493). Это приводит к увеличению выхода побочных продуктов и снижению выхода мономера D(+)-глюкозамина.

Рассмотренный механизм предполагает два пути для увеличения выхода целевого продукта: подавление реакции деацетилирования в кислой среде или уменьшение начальной степени деацетилирования хитина.

Первый способ практически невозможен в кислой среде, в которой амидные связи легко расщепляются в присутствии протонов (кислотный катализ).

Второй путь успешно использован нами для совершенствования способа получения целевого продукта - D(+)-глюкозамина гидрохлорида.

Предлагаемый способ предусматривает проведение предварительного ацетилирования хитина уксусным ангидридом, промывание и сушку ацетилированного хитина с целью уменьшения степени его деацетилирования и, как результат, повышение выхода целевого продукта - D(+)-глюкозамина гидрохлорида при получении его посредством гидролиза ацетилированного хитина концентрированной соляной кислотой при нагревании с последующим выпариванием, кристаллизацией, отделением, промывкой и сушкой целевого продукта.

По предлагаемому способу 1 ч. (100 г) хитина для ацетилирования заливают 10 ч. (1 л) 20% раствора уксусного ангидрида в этаноле, тщательно перемешивают в течение 2-3 ч и оставляют при 4°С в течение 24 часов при периодическом перемешивании. По окончании реакции в раствор добавляют 20 ч. (2 л) воды, доводят раствор до рН 7 при помощи 1н. NaOH, фильтруют и несколько раз промывают ацетилированный хитин дистиллированной водой. Полученный ацетилированный хитин предварительно высушивают при температуре не выше 60°С. После ацетилирования степень деацетилирования хитина уменьшается и составляет от 1 до 3%.

Степень ацетилирования определяли методом ИК-спектрофотометрии (Чеботок Е.П., Новиков В.Ю., Коновалова И.Н. Влияние кристалличности хитина и хитозана на кинетику щелочного деацетилирования // Журнал прикладной химии. - 2007. - Т.80, № 10. - С.1724-1729).

Последующее получение целевого продукта - D(+)-глюкозамина гидрохлорида из ацетилированного хитина может быть осуществлено описанными выше известными способами, включающими кислотный гидролиз при нагревании (аналоги предлагаемого способа). При этом, например:

- по изобретению (пат. № 2038095), включающему гидролиз хитина концентрированной соляной кислотой при нагревании, добавление активированного угля, фильтрование, упаривание, промывку и сушку, выход целевого продукта увеличился с 69% при содержании основного вещества D(+)-глюкозамина гидрохлорида 99,4-99,6% до 81% при такой же чистоте продукта;

- по изобретению (пат. № 2042685), включающему гидролиз соляной кислотой при нагревании, охлаждение и кристаллизацию, фильтрование, промывку этанолом, растворение и фильтрование, упаривание, промывку, сушку, выход целевого продукта увеличился с 70-76% до 87%, массовая доля его в продукте также составляла 99,5-99,9%.

Исследования показали, что предварительное ацетилирование хитина уксусным ангидридом при получении D(+)-глюкозамина гидрохлорида известными способами, включающими гидролиз хитина концентрированной соляной кислотой при нагревании, позволяет увеличить выход целевого продукта с 60-76% до 81-87% за счет уменьшения степени деацетилирования хитина, подвергаемого гидролизу. Таким образом, техническим результатом изобретения является существенное повышение выхода целевого продукта при сохранении его высокого качества.

Примеры осуществления способа.

Пример 1.

В круглодонную колбу вместимостью 4 л с перемешивающим устройством залили 1 л 20% раствора уксусного ангидрида в этиловом спирте, охладили до 4°С и добавили при перемешивании 100 г хитина. Смесь непрерывно перемешивали в течение 3 ч, а затем оставили при 4°С и периодическом перемешивании на 24 ч.

После окончания реакции в смесь при перемешивании добавили 2 л дистиллированной воды и нейтрализовали 1 н. раствором гидроокиси натрия до рН 7.

Осадок ацетилированного хитина отделили фильтрованием под вакуумом на воронке Бюхнера через 1-2 слоя фильтровальной бумаги, промыли 2-3 раза дистиллированной водой до рН фильтратов не ниже 6,5.

Полученный осадок высушили на воздухе при температуре 20-25°С, а затем в сушильном шкафу при температуре не выше 60°С.

Высушенный ацетилированный хитин загрузили в круглодонную колбу вместимостью 2 л, залили 1000 г (847,5 мл) концентрированной соляной кислоты (d=1,18 кг/м³) при комнатной температуре (пат. 2038095).

Колбу с обратным холодильником и перемешивающим устройством поместили на водяную баню с температурой 75°С. После полного растворения хитина провели гидролиз при температуре 75°С и перемешивании в течение 120 мин.

После окончания гидролиза в колбу с реакционной смесью добавили 500 мл дистиллированной воды (1:5 хитин:вода) с температурой 80°С, 50 г активного угля (1:0.5 хитин:уголь) и перемешивали смесь при температуре 60°С в течение 2 ч для очистки гидролизата.

Горячий раствор профильтровали через 4 слоя фильтровальной бумаги на воронке Бюхнера под вакуумом. По окончании фильтрации уголь промывали на фильтре горячей (70°С) дистиллированной водой 500 мл (1:5 хитин-вода). Промывную воду объединяли с фильтратом, который должен быть бесцветным или иметь слабый зеленовато-желтый цвет.

Затем очищенный раствор упарили под вакуумом на ротационном испарителе ИР-1М при температуре в растворе 40-50°С на 85%. Суспензию охладили до температуры не выше 4°С, выдерживали в течение 8 ч до полной кристаллизации растворенного продукта.

Полученные кристаллы промывали 96%-ным этиловым спиртом порциями 3-4 раза до белого цвета. Общее количество спирта на промывку 300 мл (240 г).

Промытые кристаллы высушили сначала на воздухе при комнатной температуре в течение 3 ч, а затем в сушильном шкафу при температуре 60°С в течение 2 ч.

Получили 81 г D(+)-глюкозамина гидрохлорида. Выход целевого продукта составил 81%.

Пример 2.

Ацетилированный хитин получили из 100 г хитина, как описано в примере 1.

Часть высушенного ацетилированного хитина (40 г) загрузили в круглодонную колбу вместимостью 500 мл, залили 120 г (101,7 мл) концентрированной соляной кислоты (d=1,18 кг/м³) при комнатной температуре (пат. 2042685).

Колбу с обратным холодильником и перемешивающим устройством поместили на кипящую водяную баню. Через 5-10 мин хитин полностью растворился в кипящей кислоте. При перемешивании в колбу добавили остальную часть ацетилированного хитина (около 60 г). После полного растворения хитина провели гидролиз при температуре кипения смеси 94-96°С и перемешивании в течение 120 мин.

После окончания гидролиза колбу с реакционной смесью охладили до комнатной температуры и оставили для кристаллизации на 18 ч.

Осадок грязного глюкозамина гидрохлорида отделили от раствора фильтрованием под вакуумом на воронке Бюхнера через 5 слоев фильтровальной бумаги.

Осадок промыли порциями (4 раза) этилового спиртом. На промывку использовали 200 мл (160 г) спирта.

Промытый осадок грязного продукта растворили в 200 см³ горячей дистиллированной воды с температурой 50°С. Горячий раствор профильтровали через 2 слоя фильтровальной бумаги на воронке Бюхнера под вакуумом.

Затем чистый раствор упарили под вакуумом на ротационном испарителе ИР-1М при температуре в растворе 40-50°С на 95%. Суспензию охладили до комнатной температуры.

Полученные кристаллы промывали этиловым спиртом порциями 4 раза. Общее количество спирта на промывку 200 мл (160 г). Промытые кристаллы высушили сначала на воздухе при комнатной температуре в течение 3 ч, а затем в сушильном шкафу при температуре 60°С в течение 2 ч.

Получили 87 г D(+)-глюкозамина гидрохлорида. Выход - 87%.

Полученный D(+)-глюкозамин гидрохлорид - белый кристаллический порошок без запаха, не гигроскопичный, остаточная влажность 0,5% зольный остаток менее 0,1%. Температура разложения (почернение пробы) 195-200°С, рН водного 20%-ного раствора при 20°С 3.5-4,5 ед.

Массовая доля D(+)-глюкозамина гидрохлорида в продукте, полученном предложенным способом, составила 99,5-99,9%.

Определение массовой доли основного вещества в продукте проводили двумя методами: титрованием хлористого водорода, связанного с молекулой D(+)-глюкозамина, раствором гидроокиси натрия с регистрацией изменений рН или электропроводности раствора; определением массовой доли общего азота методом Кьельдаля. Оба метода дали совпадающие результаты.

Идентификацию проводили методом инфракрасной спектроскопии.

Идентификацию и чистоту готового продукта определяли методом высокоэффективной жидкостной хроматографии.

В качестве стандарта использовали препарат по ТУ 6-09-05-936-78, D(+)-глюкозамин гидрохлорид квалификации чистый.

Полученные результаты подтверждают, что предварительная обработка хитина, путем его ацетилирования уксусным ангидридом для уменьшения начальной степени деацетилирования хитина при получении D(+)-глюкозамина гидрохлорида известными способами, включающими гидролиз хитина концентрированной соляной кислотой при нагревании, позволяет существенно увеличить выход целевого продукта с 60-76% до 81-87%. При этом качество продукта остается таким же высоким.

Кроме того, предлагаемый способ более экологичен, так как предварительная обработка хитина позволяет снизить количество отходов переработки до 11-14%.