Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Димерные производные в-циклодекстрина на основе некоторых алкилендиаминов

• Содержание
• Введение
• Глава I. Литературный обзор
• 1.1 История открытия циклодекстринов
• 1.2 Строение и физико-химические свойства циклодекстринов
• 1.3 Получение циклодекстринов
• 1.4 Применение циклодекстринов
• 1.5 Способность циклодекстринов образовывать комплексы включения
• 1.6 Димерные производные в-циклодекстрина
• 1.7 Катионные производные в-циклодекстрина
• 1.8 Одноосновные карбоновые кислоты
• 1.8.1 Бензойная кислота
• 1.8.2 Пара-аминобензойная кислота
• 1.8.3 Никотиновая кислота
• 1.8.4 Изоникотиновая кислота
• Глава II. Обсуждение результатов
• 2.1 Синтез димерных производных в-циклодекстрина
• 2.2 Этерификация монокатионных производных в-циклодекстрина
• Глава III. Экспериментальная часть
• Заключение
• Список используемой литературы

Введение

Циклодекстрины - природные циклические олигосахариды - занимают важное место среди веществ, способных выступить в качестве хозяина комплекса типа «хозяин-гость». Этим свойством циклодекстрины обладают благодаря своему строению: их молекулы имеют гидрофильную внешнюю поверхность и сквозную гидрофобную полость, по своим размерам сопоставимую с величиной многих органических и неорганических соединений. Циклодекстрины связывают молекулу «гостя» главным образом путем, так называемых, гидрофобных взаимодействий. Это приводит к изменению физико-химических свойств «молекулы-гостя», таких как стабильность, растворимость, биодоступность и др.

Целью данной работы было получение димерных производных в- циклодекстрина на основе алкилендиаминов, а также исследование возможности этерификации монокатионных производных в-циклодекстрина.

Глава I. Литературный обзор

Циклодекстрины (ЦД) - синтетические соединения, получаемые путем ферментативного расщепления одного из наиболее важных полисахаридов - крахмала.

В составе циклодекстринов остатки D-(+)-глюкопиранозы объединены в макроциклы б-D-1,4-гликозидными связями [1]. Наиболее широко распространенные циклодекстрины, так называемые ?-, ?- и ?- циклодекстрины, состоят соответственно из 6, 7 и 8 глюкозных фрагментов [2] (рис. 1).

Рисунок 1 - Структуры трёх основных циклодекстринов

1.1 История открытия циклодекстринов

Первое письменное упоминание о циклодекстринах было опубликовано в 1891 году французским ученым Антуаном Вильерсом, в котором он описал выделение 3 г кристаллического вещества в результате ферментативной обработки 1000 г крахмала. Полученное вещество оказалось устойчивым по отношению к кислотному гидролизу и, как целлюлоза, не проявило восстановительные свойства. Его экспериментальные результаты показали, что это вещество является декстрином [3]. Во втором сборнике научных трудов Вильерс описал химический состав нового кристаллического углевода: была представлена его простейшая формула [(C6H10O5)2Ч3H2O], и предложено название «целлюлозин» («cellulosinem») из-за сходства с целлюлозой, которая также устойчива к кислотному гидролизу. Вильерс отметил, что «белые кристаллы обладают слабым сладковатым вкусом», а также обладают высокой степенью оптической активности, которая была гораздо выше, чем у большинства декстринов, формирующихся под действием масляного брожения. Растворимость в воде новых кристаллов была мала, но возрастала с увеличением температуры. При разных условиях эксперимента, было получено два вида кристаллов, вероятнее всего это были б-декстрин (б-цикодекстрин) и в-декстрин (в-циклодекстрин). Вильерс рассматривал эти новые соединения в качестве изомеров крахмала, которые практически не растворимы в воде, растворимы в спирте, не подвергаются ферментации, устойчивы к действию кислоты, но могут превращаться в эфиры под действием хлорангидридов. Вильерс пришел к выводу, что свойства этих новых декстринов очень отличаются от свойств всех других сахаров, известных на тот момент. Тем не менее, он не продолжил исследование новых соединений (циклодекстринов), а предпочел сосредоточиться на алкалоидах [4].

Австрийский микробиолог Франц Шардингер работал в пищевом научно-исследовательском институте, где изучал различные бактерии, вызвавшие порчу пищевых продуктов, в том числе крахмала. В 1903 году Шардингер опубликовал статью, в которой описывал два кристаллических соединения А и В, полученных на основе бактерий, ответственных за растворение крахмала и образование кристаллических продуктов. Он смог выделить очень небольшое количество соединения А, но значительно большее количество соединения В, которое он определил, как «целлюлозин Вильерса». В своей статье Шардингер предполагает, что «кристаллический декстрин» (Krystallisiertes декстрин) является наиболее подходящим название, чем «целлюлозин» для этих соединений. В 1911 году Шардингер посчитал, что номенклатура, которую он предложил в 1904 году не была на самом деле соответствующей и решил назвать «целлюлозины Вильерса» как «кристаллический б-декстрин» и «кристаллический в-декстрин». Он обнаружил, что декстрины могут быть синтезированы из нескольких источников крахмала, такие как картофель, рис, пшеница, а также действием бактерий, которые расщепляют крахмал с образованием декстринов. Шардингер был первым исследователем, которому удалось изучить и описать основные свойства декстринов. Кроме этого, он открыл способность декстринов к образованию комплексов с органическими молекулами. В самом деле, Шардингер известен как «отец-основатель» химии циклодекстринов. Он предположил, что загадочные кристаллические вещества являлись циклическими «полисахаридами». В последующие годы циклодекстрины были названы декстринами Шарденгера, в его честь [3].

С середины 1930-х годов начался исследовательский период циклодекстринов. В 1938 году Фройденберг и его сотрудники показали, что циклодекстрины имеют кольцевую структуру (1>4)-связанной единиц глюкозы с центральной полостью, и в последующие годы была определена их молекулярная масса. В конце 1930-х годов Фройденберг впервые предложил, что внутренняя полость декстрина обладает гидрофобными свойствами и описал почему декстрины образуют молекулярные комплексы включения. Через несколько лет, чтобы объяснить формирование комплексов включения типа «гость-хозяин», он впервые показал причастность гидрофобных сил к данному явлению. Научная группа Фройденберга обнаружила г-декстрин и объяснила его структуру между 1948 и 1950 годами. Фройденберг также предположил возможность существования циклодекстрина с 9 или 10 единицами глюкозы. Их существование было продемонстрировано несколько лет спустя Фрэнчем. Фройденберг изучил природу гликозидных связей. В 1953 году он зарегистрировал первый патент по применению циклодекстринов в фармацевтической промышленности. Работа Фройденберга значительно продвинула понимание структуры и химии декстринов Шардингера на новый уровень.

В 1942 году Декстер Фрэнч и Рандл, используя рентгеноструктурный анализ и кристаллическую плотность, определили молекулярные массы б- и

в-декстринов и обнаружили точное количество остатков глюкозы в них, то есть шесть и семь, соответственно. Использование частичного кислотного гидролиза и ферментативного расщепления с последующими измерениями с помощью рентгеноструктурного анализа и бумажной хроматографии, Фрэнч показал, что в-декстрин состоит из семи остатков глюкозы, симметрично расположенных по кольцу и связанных друг с другом с помощью б-1,4- гликозидных связей. Френч предложил название для такого соединения циклооктаамилоза. В конце 1950-х годов Фрэнч и сотрудники определили точный молекулярный вес, точное химическое строение, размеры и типы связей в трех циклоамилозах (б-, в-, и г-декстринах). Кроме этого, Фрэнч изучал образование комплексов включения: например, он использовал спектрофотометрию для изучения взаимодействие между циклоамилозой и йодом. Он показал, что абсорбционная спектроскопия - интересный метод для определения константы диссоциации комплекса включения между циклоамилозой и субстратом. Многочисленные фундаментальные исследования Фрэнча привели к возрастающему интересу к циклодекстринам в качестве агентов, стабилизирующий аромат для пищевой промышленности [4].

1.2 Строение и физико-химические свойства циклодекстринов

В основе уникальной структуры циклодекстринов лежит гидрофобная полость, имеющая постоянные геометрические размеры и способная инкапсулировать различные молекулы. В результате вхождения молекулы («гость») в полость макромолекулы циклодекстрина («хозяин») могут образовываться комплексы включения типа «гость-хозяин».

Природа взаимодействий между циклодекстрином и «гостем» однозначно не установлена и широко обсуждается [5]. Наиболее вероятными представляются относительно слабые взаимодействия (вандерваальсовы, гидрофобные и др.) [5], что и позволяет отнести эти комплексы к объектам супрамолекулярной химии. Химическое превращение таких комплексов приводит к образованию сложных молекулярных конструкций, таких как катенаны, ротаксаны, полиротаксаны и трубки, которые нелегко получить другими способами [6]. Способность циклодекстринов образовывать прочные комплексы в водных растворах с большим количеством «гостей» различных типов привела к использованию их в качестве строительных блоков для наноструктур, образующихся путем самоорганизации и входящих в наноустройства [6].

Строение молекул циклодекстринов определяет их клатратообразующую, комплексообразующую способность и, соответственно, практическое применение. Образующаяся полость недостаточно крупна для полного самовключения молекул циклодекстрина, однако хорошо подходит для включения менее крупных молекул или их частей, что и определяет их свойство к образованию клатратов [1]. В сравнении с циклодекстринами, линейные олигомеры глюкозы обладают куда более слабыми удерживающими способностями в отношении «гостей» как в твёрдом виде [7], так и в растворе [8]. Структура циклодекстринов [9], состоящая из шести глюкопиранозных остатков циклодекстрин называется б-циклодекстрином, из семи - в-циклодекстрином, восьми - г- циклодекстрином и т.д. Несмотря на то, что наиболее известны циклодекстрины, содержащие 13 и более звеньев, наиболее коммерчески доступными и получаемыми в промышленных условиях остаются б-, в- и г- циклодекстрины [1].

Основные параметры молекул и физико-химические свойства циклодекстринов, важные в случае практического применения, приведены в таблице 1.

Все циклодекстрины представляют собой бесцветные кристаллические вещества, плавящиеся с разложением при температурах 260-300 °С [1]. Существенно более низкая растворимость в-циклодекстрина в значительной мере определяет устойчивость его клатратов на воздухе вследствие меньшей скорости образования жидкой фазы водного раствора циклодекстрина в результате адсорбции паров воды. Именно у в-циклодекстрина наблюдается наибольший по сравнению с б- и г- циклодекстринами срок хранения клатратов [10].

Таблица 1 - Основные характеристики циклодекстринов [1]

Свойство	б-ЦД	в-ЦД	г-ЦД
Число глюкопиранозных звеньев	6	7	8
Молекулярный вес, Да	972	1135	1297
Внешний диаметр, Е	14,6	15,4	17,5
Внутренний диаметр, Е	4,7-5,3	6,0-6,5	7,9-8,3
Высота, Е	7,9	7,9	7,9
Растворимость в воде при 25°С, г/100 мл	14,5	1,85	23,2
Температура разложения, °С	278	299	267
Максимальное содержание воды в гидрате, моль/моль ЦД	6,1	12,3	15,5

Клатратообразующие свойства циклодекстринов тесно связаны со строением их молекул и размером внутримолекулярной полости. Молекула циклодекстрина имеет форму усеченного конуса (ведерка), полого внутри, в котором по окружности нижнего основания расположены первичные OH- группы, а по окружности верхнего основания вторичные ОН-группы (рис. 2) [6].

Открытый доступ к полости с двух сторон облегчает проникновение молекулы «гостя» во внутреннюю полость и делает возможным образование комплексов не только состава 1:1, но и других составов, а также трёхкомпонентных комплексов.

Возникающие и исчезающие напряжения в молекуле «хозяина» предопределяют одну из движущих сил клатратообразования [15, 16]. Не смотря на стабилизацию конуса молекулы циклодекстрина водородными связями, он все же гибок и способен претерпевать небольшие отклонения от строго симметричной формы, наблюдающиеся в кристаллической фазе гидрата циклодекстрина и исчезающие в результате связывания «гостя». В растворе с учётом усреднения по времени циклодекстринам приписывают симметрию Сn [17].

Рисунок 2 - Схематическое строение молекулы циклодекстрина

Основной формой, в которой поставляются и используются циклодекстрины, являются кристаллические гидраты [18]. Они способны содержать 8-18 % (по массе) воды в зависимости от величины кольца. При кристаллизации из водного раствора в-циклодекстрин способен образовывать гидраты, содержащие от 11 (ундекагидрат) до 12 (додекагидрат) молекул воды [12].

При получении клатратов циклодекстринов необходимо учитывать наличие молекул воды во внутренней полости циклодекстрина. Нейтронографическое исследование показывает, что 11 молекул воды в ундекагидрате в-циклодекстрина распределены между 16 позициями, в среднем на внутреннюю полость приходится 6,13 молекул, на межмолекулярное пространство - 4,88 [21]. В додекагидрате внутреннюю полость занимают 6,5-7,0 молекул воды, а межмолекулярное пространство -- 5,4-5,5 [22, 23].

Размер внутримолекулярной полости в-циклодекстрина подходит для образования соединений включения с наиболее широким кругом «гостей», что обусловило его наибольшую изученность в литературе. Преимуществом в-циклодекстрина перед другими циклодекстринами является его более высокая термостабильность. В некоторых случаях применения и при изучении клатратов методом термоанализа клатраты циклодекстринов подвергаются нагреванию, поэтому более высокая температура разложения в-циклодекстрина определяет его большую применимость, а также лучшую возможность изучения его клатратов с помощью термоанализа. Существенно более низкая растворимость в-циклодекстрина в воде, предопределяет его способность участвовать без перехода в раствор в твердофазных процессах клатратообразования с участием воды как широко распространённого компонента.

1.3 Получение циклодекстринов

Известен способ получения в-циклодекстрина, предусматривающий приготовление крахмальной суспензии, ее клейстеризацию и разжижение ферментным препаратом б-амилазы, добавку в полученный продукт ферментного препарата циклодекстринглюканотрансферазы (ЦГТ-азы) и комплексанта, проведение процесса циклизации, удаление комплексанта кипячением, очистку механических примесей, попавших с крахмалом, очистку активным углем, концентрирование полученного сиропа, кристаллизацию и высушивание циклодекстрина [24].

Использование в качестве исходного сырья крахмала приводит к усложнению процесса производства циклодекстрина. Необходимо проводить операции по ферментативному разжижению крахмала и применению механической очистки полученных после циклизации сиропов от примесей крахмала. Кроме этого, использование крахмала, содержащего примеси, снижает эффективность действия ферментного препарата вследствие связывания его части с жировыми включениями крахмала, что приводит к значительному усложнению технологического процесса получения циклодекстрина. Для получения циклодекстрина по этому способу требуется наличие линии по ферментативному разжижению крахмала, что влечет за собой значительный расход тепловой и электрической энергии. Кроме этого, необходимо наличие станции отделения попавших с крахмалом механических примесей - белка и жира - путем фильтрования через фильтровальные порошки.

Способ получения в-циклодекстрина предусматривает приготовление суспензии мальтодекстрина с глюкозным эквивалентом 2-7 %, внесение в него ферментного препарата циклодекстринтрансферазы, комплексанта, проведение процесса циклизации, удаление комплексанта кипячением, очистку сиропа активным углем, его концентрирование выпариванием, кристаллизацию в-циклодекстрина, центрифугирование и высушивание.

Для выделения и очистки каждого гомолога циклодекстринового ряда (б-, в-, г- и других циклодекстринов) требуются различные подходы, но основные этапы получения ЦД схожи. К ним относятся:

- культивирование продуцентов ЦГТ-аз, выделение ферментов;

- получение препаратов ЦГТ-аз заданной степени очистки;

- предобработка субстрата (крахмала) ферментативным методом;

- ферментативный катализ с использованием ЦГТ-азы - реакция конверсии крахмала с образованием смеси ЦД;

- разделение, выделение и очистка одного из гомологов ЦД.

Основное производство и потребление ЦД сосредоточено в Японии, хотя технологиями по получению этих продуктов обладают фармацевтические фирмы Венгрии, Франции, Бельгии, а также США [25].

1.4 Применение циклодекстринов

Хорошо известно и широко описано в литературе, что циклодекстрины и их производные имеют широкий спектр практических приложений: фармация, лекарства, продукты питания, косметика, туалетные принадлежности, химия, катализ, биотехнология, текстильная промышленность и т.д. Исследования по ЦД также очень активны в таких областях, как разработка моющих средств, клеев, в секторе пластмасс и индустрии волокон и бумаги [2]. Подавляющее большинство этих химических и биологических областей применения заключается в способности образовывать комплексы включения.

в-Циклодекстрин находит наибольшее практическое применение среди всех циклодекстринов [26], он зарегистрирован в качестве пищевой добавки с кодом E451 [27]. Способность образовывать сильные водородные связи влияет на его растворимость. Он наименее растворим, сравнительно недорогой и способен формировать комплексы включения с лекарственными веществами. При помощи в-циклодекстрина нерастворимые в воде вещества приобретают большую растворимость, становятся стабильными в процессах окисления и гидролиза, меняют вкус, цвет и запах.

Япония стала крупнейшим потребителем циклодекстрина в мире с годовым потреблением около 1800 тонн, 80 % из которых ушла в пищевую промышленность и чуть более 10 % в косметической промышленности. Менее 5 % были использованы в фармацевтической и сельскохозяйственной промышленности. В Европе и Америке промышленное использование циклодекстринов прогрессирует несколько медленнее. С начала 1990-х годов базируемая в США компания Procter & Gamble, является крупнейшим промышленным потребителем циклодекстринов.

В фармацевтических препаратах циклодекстрины обычно используются как солюбилизаторы, но иногда в качестве стабилизаторов или для уменьшения местного раздражения наркотиков [2].

Таким образом, циклодекстрины:

· используются для улучшения фармакокинетических и фармакодинамических свойств лекарств;

· применяются в качестве переносчиков других медикаментов при назальном и трансдермальном путях введения;

· с давних пор используются для улучшения растворимости других лекарственных препаратов, улучшая проницаемость через кожу таких лекарств, как стероиды, препараты для химиотерапии, пропофол, назальный мидазолам;

· делают возможным ректальный путь введения лекарств;

· вызывают минимальное местное раздражение;

· используются для создания препаратов продленного действия и с замедленным высвобождением лекарственной субстанции [28].

Циклодекстрины применяют в производстве косметики по уходу за полостью рта, как например, в производстве зубной пасты или готовых полосканий для ротовой полости, поскольку это вещество помогает избавиться от неприятных запахов - рыбы, алкоголя, чеснока и лука, а также табачного дыма. Потому в-циклодекстрин часто используют еще и как активную добавку в производстве жевательных резинок, поскольку он поглощает неприятные запахи, в отличие от простого ароматизатора. Для дезодорантов также часто используют в-циклодекстрин: он хорошо поглощает запах пота, а не просто маскирует его за счет отдушек. Обладающий адсорбирующим (поглощающим) действием в-циклодекстрин широко используется в косметической индустрии в составах тональных кремов, основ для нанесения макияжа, лосьонов для лица, ухаживающей косметики для проблемной кожи и пудр. Поглощая излишки кожного жира, циклодекстрин помогает улучшить состояние кожи, уменьшить воспалительные процессы и не допустить их развития в дальнейшем, поскольку вещество блокирует попадание на кожу. Помимо этих функций в- циклодекстрин является еще и прекрасным проводником полезных веществ на клеточном уровне. Его использование в производстве декоративной косметики оправдано для получения матирующего эффекта, защиты от вредных факторов, увлажнения и ухода за кожей, а в производстве косметики для волос в-циклодекстрин используется для избавления от жирного блеска кожи, придания мягкости и яркого цвета волосам и ухода за кожей головы в целом.

1.5 Способность циклодекстринов образовывать комплексы включения

Циклодекстрины образуют комплексы включения с самыми разнообразными веществами от малых молекул газов и неорганических солей до относительно больших молекул органических красителей и стероидов. Включение не приводит к каким-либо существенным изменениям размера и формы полости молекулы циклодекстрина, за исключением незначительной ее деформации. В то же время образование соединения включения влияет на физические и химические свойства молекулы «гостя»: таким путем можно стабилизировать соединения, чувствительные к действию света, тепла и кислорода воздуха, увеличить растворимость труднорастворимых веществ.

Использование циклодекстринов при обогащении пищевых продуктов биологически активными веществами направлено в первую очередь на повышение качества получаемых продуктов и их функциональности. При образовании комплексов с циклодекстринами уменьшается их окисление, увеличивается стабильность, проявляется лучшая биодоступность. Стабилизирующий эффект сказывается и на процессе фоторазложения.

Большой интерес представляют комплексы включения циклодекстринов с витаминами, поскольку витамины, как правило, представляют собой очень сложные органические молекулы, которые практически не растворяются в воде и легко разрушаются под действием кислорода воздуха, света, окислителей и при повышенных температурах. Все это создает определенные трудности при создании витаминных препаратов для медицины, пищевой промышленности и для сельского хозяйства. Для ряда витаминов показано, что в виде соединений включения с циклодекстринами они характеризуются более высокой биодоступностью, термической стабильностью. Стабилизирующий эффект сказывается и на процессе фоторазложения витаминов. Разработаны методы получения порошкообразных стабильных форм комплексов включения циклодекстринов с витаминами А, B2, Е, D. Полученные комплексы прошли положительную апробацию при изготовлении различных продуктов питания. Наиболее распространенные методы получения комплексов включения заключаются в соосаждении, растирании в полужидком состоянии, пастообразном состоянии и в сухом виде. Все эти методы подобны и отличаются только последовательным уменьшением используемого количества воды. Вода очень важна для образования комплексов, т.к., являясь движущей силой для включения гидрофобного гостя в гидрофобную полость циклодекстринов, она является средой для растворения как циклодекстрина, так и «гостя». В ряде случаев вода необходима для поддержания целостности комплекса. Вода присутствует в кристаллах комплекса и может участвовать в образовании водородных связей между гидроксилами соседних молекул циклодекстрина, образуя клетку, в которую заключен «гость». Циклодекстрины ограниченно растворимы в воде, причем самый распространенный и самый дешевый ?-циклодекстрин хуже всех. Однако водорастворимость циклодекстринов легко увеличивается путем введения в состав их молекул небольшого количества (2-5) заместителей, например, гидроксипропильных или гидроксиэтильных гидрофильных групп, что часто и применяется на практике [29].

Основные преимущества комплексообразования с циклодекстринами заключаются в следующем: изменение в нужную сторону растворимости «гостя» в заданной среде (чаще всего водной), защита «гостя» от действия света, окисления и других нежелательных внешних физических и химических воздействий, уменьшение летучести (уноса) «гостя» и др.

Циклодекстрины часто используются для «экстракции» какого-либо продукта из смеси. Наиболее широко известно применение циклодекстринов для удаления холестерина из животных продуктов, таких как яйца, молочные продукты, жиры (свиное сало, топленое сало). Для этого циклодекстрины добавляют к продуктам, из которых нужно удалить холестерин, и смешивают. В процессе смешения циклодекстрин образует комплексы включения с холестерином, которые не растворимы в воде и жире. Комплекс удаляют фильтрованием или центрифугированием. Таким образом обеспечивается до 80 % удаления холестерина. Комплекс включения «циклодекстрин-холестерин» затем суспендируют в воде и нагревают. Нагрев в воде разрушает комплекс и холестерин всплывает на поверхности воды.

Фруктовые и овощные соки обрабатывают циклодекстрином для того, чтобы избавиться от соединений, которые вызывают коричневый цвет. Соки из винограда, персиков и сельдерея после обработки водонерастворимым производным циклодекстрина долгое время при стоянии не темнеют.

Итак, центральная полость циклодекстрина, сформированная глюкозными связями, липофильна и в водных растворах может обратимо захватывать молекулы подходящего размера или их фрагменты, формируя комплексы включения (1):

свободный ЦД + свободный гость -ЦД-гость (комплекс включения) (1)

Формирование и расформирование комплекса включения регулируется константой K, которая может иметь различные названия:

– константа аффинности, характеризующая прочность связывания молекулы «гостя» в полости ЦД;

– константа стабильности, выражающая стабильность комплекса в недиссоциированной форме;

– константа ассоциативности, или константа связывания.

Наивысшее значение K зависит от размера полости ЦД и размера молекулы «гостя» (или его фрагмента). Также оно зависит от хорошего прилаживания «гостевой» молекулы внутри полости ЦД; а взаимная комплементарность повышает прочность комплекса включения [30]. В зависимости от своих размеров молекула «гость» может входить в полость ЦД с узкой или широкой стороны (рис. 3).

Движущая сила образования комплексов включения формируется такими факторами, как «выталкивание» воды из полости, гидрофобность, связывание водородов и электростатические взаимодействия, а также индукционные и дисперсионные силы [31]. Кроме того, следует учитывать такие термодинамические параметры, как стандарты изменений свободной энергии (ДG), энтальпии (ДН) и энтропии (ДS) [32].

Рисунок 3 - Влияние размеров молекулы «гостя» и размеров полости ЦД на формирование комплекса включения: а) б-ЦД - «гость»; б) в-ЦД - «гость» с узкой стороны; в) в-ЦД - «гость» с широкой стороны; г) г-ЦД - «гость» с узкой стороны; д) г-ЦД - «гость» с широкой стороны

В зависимости от структуры и размера молекулы «гости» могут формировать комплекс включения с различными ЦД. Для молекул с алифатическими цепями лучше подходят б-ЦД (рис. 4), тогда как для молекул с фенильными группами - в-ЦД (рис. 5) или г-ЦД (рис. 6).

Рисунок 4 - Формирование комплекса включения б-ЦД-простагландин Е1

Рисунок 5 - Формирование комплекса включения в-ЦД-аспирин

Рисунок 6 - Формирование комплекса включения г-ЦД-доксорубицин

При наличии у «гостя» нескольких фенильных групп появляется возможность получения комплекса включения, которые отличаются друг от друга участками, входящими в полость ЦД. Ярким примером является молекула фексофенадина, которая может образовывать комплексы в-ЦД- фексофенадин в соотношении 1:1 и 2:1 в различных зонах прикрепления молекул в-ЦД (рис. 7) [33].

Рисунок 7 - Варианты структур комплексов включения в-ЦД-фексофенандин в соотношении 1:1 и 2:1

Также установлено, что в растворе с ЦД молекулы («гости») могут образовывать комплексы путём взаимодействия молекул циклодекстрина друг с другом. Сформированные в водном растворе скопления циклодекстринов растворяют препараты внутри своей макроструктуры, не являясь при этом комплексом включения [36, 37].

1.6 Димерные производные в-циклодекстрина

Природные и химически модифицированные циклодекстрины служат в качестве синтетических рецепторов («хозяев») супрамолекулярной системы, проявляют резко различное поведение связывания к гостю молекулы [4, 38- 41]. Обладающие двумя близко расположенными гидрофобными полостями в одной молекуле, мостиковые бис-в-циклодекстрины могут заметно повысить молекулярно-связывающее сродство и молекулярную селективность природного в-циклодекстрина для конкретных гостей через взаимное распознавание. Благодаря этому они могут использоваться как отличная модель системы, имитируя взаимодействие субстрат-фермент [42, 43]. Поэтому, ряд бис-в-циклодекстринов был разработан и синтезирован для изучения и сравнения молекулярного связывания природных и мостиковых бис-в-циклодекстринов, а также для получения представления о факторах, регулирующих процесс комплексообразования между бис-в- циклодекстрином («хозяином») и «гостем» [44-46]. Yan Zhao и др. показали, что мостиковые бис-в-циклодекстрины, где в качестве мостика выступали ароматические диамины, образовывали более устойчивые комплексы с некоторыми «гостями» благодаря взаимному связыванию одной молекулы «гостя» двумя полостями в-циклодекстрина [46].

Ранее в 1980-е годы, Бреслоу и др. [47], Табуши и др. [48], Харада и др. [49], Фуджита и др. [50] сообщили о синтезе мостиковых бис- циклодекстринов и комплексов включений на их основе. С тех пор бис- циклодекстрины и их комплексы с металлами широко изучались в качестве универсиальных рецепторов для молекулярного распознавания и в качестве строительных блоков для функциональных материалов. По сравнению с природными и монозамещенными в-циклодекстринами, мостиковые бис- циклодекстрины демонстрируют значительно высокую связывающую способность и молекулярную селективность благодаря взаимному связыванию двух смежных циклодекстриновых полостей [51]. Кроме того, линкер может предоставить хорошо организованную псевдо-полость, что в свою очередь обеспечивает дополнительные связывающие взаимодействия с гостевыми молекулами. Благодаря этому бис-циклодекстрины могут быть успешно использованны в качестве переносчиков [52, 53], в катализе [45, 54], в темплатном синтезе [55], в фотохимических материалах [42, 56], в качестве солюбилизаторов [57] и т. д.

Существует несколько удобных способов синтеза бис-в- циклодекстрина. Самый простой из них заключается в реакции гидроксильных групп производных в-циклодекстрина, содержащих карбоксильные или галоидные группы, с мостиковыми реагентами [58]. Другим способом получения мостиковых производных является использование тозильных, галогенидных, альдегидных, олигоэтилендиаминовых, алкеновых производных в-циклодекстрина, которые выступают в качестве промежуточных продуктов (рис. 8) для последующих реакций с мостиковыми реагентами через нуклеофильное замещение [59], конденсацию [60] или ацилирование [61].

Рисунок 8 - Производные в-циклодекстрина для получения мостиковых соединений

Координация ионов переходных металлов к линкерам бис-в- циклодекстринов дает метало-бис-в-циклодекстрины, а координационная стехиометрия главным образом зависит от структурной особенности линкера (рис. 9). Так, например, для бис-в-циклодекстринов, где в качестве мостика выступает селен подходящими ионами металлов, являются Pt(IV) и Pd(II), координационная стехиометрия бис-в-циклодекстрина и иона металла, как правило, 2:1, 1:1 или 1:2 [62, 63]. Для бис-в-циклодекстрина с азотистыми линкерами, соответствующими ионами металлов являются Cu(II), Ni(II), Ru(II), Zn(II), Co(II), Mn(III) и катионы лантаноидов, соответствующая координационная стехиометрия, как правило, 1:1 [59], 1:2 [64], 2:1 [65], 3:1 [66] или 2:3 [65].



Рисунок 9 - Координационная стехиометрия бис-в-циклодекстринов

Основная функция бис-в-циклодекстрина заключается в их кооперативном связывании. Обширные исследования показывают, что существует две модели связывания: внутримолекулярное и межмолекулярное кооперативное связывание. Чаще всего, бис-в-циклодекстрин образует стабильные комплексы включения с «гостями» путем внутримолекулярного связывания, в то время как межмолекулярное связывание приводит к образованию молекулярных ансамблей. Рисунок 10 иллюстрирует некоторые модели внутримолекулярных связываний с бис-в-циклодекстрином как «голова к голове».

Рисунок 10 - Модели внутримолекулярного связывания «голова к голове»

1.7 Катионные производные в-циклодекстрина

Среди многочисленных соединений в-циклодекстрина известное внимание привлекают его катионные производные, обладающие повышенной водорастворимостью и другими практически важными свойствами, присущими алкиламмониевым («заряженным») амфифильным циклодекстринам [67]. Чаще всего для получения катионных соединений используют соответствующие 6-азидо-6-дезоксипроизводные циклодекстринов, обработка которых трифенилфосфином в водном аммиаке приводит к образованию аммоний содержащих соединений.

Однако этот метод годится только для получения первичных алкиламмониевых производных циклодекстринов, поэтому ранее в группе М.К. Грачева показали перспективность прямого синтеза катионных фрагментов путем алкилирования подходящего амина как пер-6-дезокси-пер-6-бром- [68], так и дезоксипроизводным циклодекстрином, несущим меньшее количество атомов брома [69]. В последнем случае трудность заключается в том, что если получение пер-6-дезокси-6-галогенциклодекстринов достаточно хорошо проходит с помощью реагентов Райдона и Вильсмейера-Хаака [70-72], то для синтеза циклодекстринов, содержащих меньшее количество атомов галогена, потребовались другие подходы, например, с применением тозильных и силильных производных [73].

При этом оказалось важным, что в отличие от классического алкилирования аминов алкилгалогенидами, гидрофобная циклодекстриновая полость оказывает специфическое (супрамолекулярное) влияние на ход алкилирования [69] и это требует индивидуального подхода к разработке методов аминирования 6-галоиддезоксициклодекстринов.

Таким образом, нами исследованы новые возможности алкилирования 6-галоид-6-дезокси-в-циклодекстринами нуклеофильных реагентов, несущих терминальную диметиламиногруппу, на основе чего предложены практические пути синтеза катионных производных в-циклодекстрина, содержащих остатки ковалентно привязанных фармакологически важных кислот, представляющих интерес для медико-биологических исследований в разных направлениях.

Катионные циклодекстрины также применимы в области табачных изделий или табачных фильтров, таких как сигаретные и сигарные фильтры, независимо от того, являются ли эти фильтры неотъемлемой частью самой сигареты или сигары. При таком использовании производные помогают улавливать смолы, нежелательные ароматизаторы и др.

1.8 Одноосновные карбоновые кислоты

Карбоновые кислоты - класс органических соединений, молекулы которых содержат одну или несколько функциональных карбоксильных групп -COOH.

Рисунок 11

При введении в молекулы кислоты других функциональных групп (например, -ОН, =CO, -NH2 и др.) образуются окси-, кето-, аминокислоты и другие классы соединений.

Низшие кислоты с числом атомов углерода до 3 -- легкоподвижные бесцветные жидкости с характерным резким запахом, смешиваются с водой в любых соотношениях. Большинство кислот с 4-9 атомами углерода -- маслянистые жидкости с неприятным запахом. Кислоты с большим количеством атомов углерода -- твёрдые вещества, нерастворимые в воде.

Разнообразные карбоновые кислоты очень широко распространены в природе. Так, например, одноосновные предельные карбоновые кислоты, такие как, муравьиная кислота содержится в выделениях муравьёв, крапиве, пчелином яде, сосновой хвое; уксусная кислота -- продукт уксуснокислого брожения; масляная кислота образуется при прогоркании сливочного масла; валериановая кислота есть в валериановом корне; миристиновая кислота преобладает в масле растений семейства мускатниковых; пальмитиновую кислоту легче всего выделить из пальмового масла, выжимаемого из ядер кокосового ореха (копры).

К двухосновным предельным карбоновым кислотам относятся щавелевая, янтарная, глутаровая и другие кислоты. Щавелевая кислота содержится в щавеле, а также в ревене, является продуктом распада некоторых аминокислот, например глицина. Янтарная кислота была синтезирована ещё алхимиком Агриколой при прокаливании янтаря. Глутаровая кислота была найдена в клейковине пшеницы.

Представителями непредельных карбоновых кислот являются акриловая, сорбиновая кислоты и др. Акриловая кислота имеет острый запах, получается при дегидратации глицерина. Сорбиновая кислота была получена из ягод рябины.

Карбоновые кислоты находят свое применение как исходные соединения для получения промежуточных продуктов органического синтеза, в частности кетенов, галогенангидридов, виниловых эфиров, галогенкислот. Соли карбоновых кислот и щелочных металлов применяют как мыла, эмульгаторы, смазочные масла; соли тяжелых металлов - сиккативы, инсектициды и фунгициды, катализаторы. Эфиры кислот - пищевые добавки, растворители; моно- и диэфиры гликолей и полигликолей

- пластификаторы, компоненты лаков и алкидных смол; эфиры целлюлозы - компоненты лаков и пластмассы.

1.8.1 Бензойная кислота

Бензойная кислота C6H5СООН -- простейшая одноосновная карбоновая кислота ароматического ряда.

Впервые кислота была выделена возгонкой в XVI веке из бензойной смолы (росного ладана), отсюда и получила своё название.

Бензойная кислота дешевая и легкодоступная, представляет собой белые кристаллы, плохо растворимые в воде, хорошо -- в этаноле, хлороформе и диэтиловом эфире.

Первый производственный процесс получения кислоты включал в себя гидролиз бензолтрихлорида под действием гидроксида кальция в воде в присутствии железа или его солей в качестве катализатора. Образующийся бензоат кальция переводили в бензойную кислоту обработкой соляной кислотой. Продукт содержал значительное количество хлорпроизводных бензойной кислоты, поэтому не использовался в качестве пищевой добавки.

Бензойная кислота находит широкое применение в разных отраслях. Так, например, в колориметрии используется как тепловой стандарт для калибровки калориметров по температуре и теплоемкости, так как теплота кристаллизации и плавления хорошо известны и воспроизводимы.

Также бензойная кислота служит для получения многих реактивов, наиболее значимые из них: бензоилхлорид C6H5C(O)Cl, бензоатные пластификаторы (гликоль-, диэтиленгликоль- и триэтиленгликолевые эфиры), фенол C6H5OH.

Бензойную кислоту и её соли используют при консервировании пищевых продуктов (пищевые добавки E210, E211, E212, E213). Бензойная кислота, блокируя ферменты, замедляет обмен веществ во многих одноклеточных микроорганизмах и грибках. Она подавляет рост плесени, дрожжей и некоторых бактерий. В пищевые продукты её добавляют в чистом виде или в виде натриевой, калиевой или кальциевой соли. Губительное действие на микрофлору начинается с абсорбции бензойной кислоты липидной стенкой клетки. Поскольку через стенку клетки может проникнуть только недиссоциированная кислота, бензойная кислота проявляет антимикробное действие только в кислых пищевых продуктах. Кислая пища, напитки, такие, как фруктовые соки, (содержащие лимонную кислоту), газированные напитки, содержащие в растворе (углекислый газ), безалкогольные напитки (c фосфорной кислотой), соленья (молочная кислота) и другие кислые пищевые продукты консервируются бензойной кислотой и её солями. Принятые и оптимальные концентрации бензойной кислоты при консервации пищи 0,05-0,10 %.

В медицине бензойную кислоту применяют при кожных заболеваниях, как наружное антисептическое (противомикробное) и фунгицидное (противогрибковое) средства, при трихофитиях и микозах, а её натриевую соль - бензоат натрия - как отхаркивающее средство.

Эфиры бензойной кислоты (со спиртами от метилового до амилового) обладают сильным и приятным запахом и применяются в парфюмерной промышленности.

Бензойная кислота в свободном виде и в виде сложных эфиров встречается в составе многих растений и животных. Значительное количество бензойной кислоты находится в ягодах (около 0,05 %). Например, в бруснике - до 0,20 %, в спелых ягодах и в клюкве - до 0,063 %. Бензойная кислота также образуется в яблоках после заражения грибком Nectria galligena. Среди животных бензойная кислота обнаружена в основном во всеядных или фитофагных видах, например, во внутренних органах и мускулах тундряной куропатки (Lagopus muta), также как и в выделениях самцов овцебыка или азиатского слона.

Бензойная кислота присутствует как часть гиппуровой кислоты (N- бензоилглицин) в моче млекопитающих, особенно травоядных животных. Бензойная кислота хорошо всасывается, через коэнзим А связывается с аминокислотой глицином в гиппуровую кислоту и в таком виде выводится через почки. Человек выделяет около 0,44 г/л гиппуровой кислоты в день в моче и больше, если находится в контакте с толуолом или бензойной кислотой. Для человека считается безопасным потребление 5 мг/кг массы тела в день бензойной кислоты.

1.8.2 Пара-аминобензойная кислота

Пара-аминобензойная кислота C7H7NО2 (бактериальный витамин H1, витамин B10, ПАБК) -- аминокислота, производное бензойной кислоты.

Как химическое соединение пара-аминобензойная кислота известна с 1863 г., как вещество со свойствами витамина - с 1939 г., как биологический препарат - с 1940 г. (выделена из дрожжей Вудсом). Высокая биологическая активность низких концентраций пара-аминобензойной кислоты была открыта выдающимся генетиком И.А. Рапопортом в 1939 г.

Пара-аминобензойная кислота представляет собой белое кристаллическое вещество, плохо растворимое в воде, хорошо - в спирте и эфире. Химически стойкая, она не разрушается при автоклавировании, выдерживает кипячение в кислой и щелочной средах.

Пара-аминобензойная кислота в природе синтезируется шикиматным путём. Промежуточными соединениями являются шикимат, хоризмат, 4-амино-4-дезоксихоризмат.

Является предшественником в биосинтезе важных кофакторов -- тетрагидрофолата и тетрагидрометаноптерина. Являясь составной частью тетрагидрофолата, остаток пара-аминобензойной кислоты участвует в синтезе пуринов и пиримидинов и, следовательно, РНК и ДНК.

Пара-аминобензойная кислота является «фактором роста» для многих видов бактерий, например, лакто- и бифидобактерий, кишечной палочки. Участвует в синтезе витамина B9, и, как следствие, образовании эритроцитов (эритропоэзе). В пара-аминобензойной кислоте нуждаются, кроме микроорганизмов, также животные. Пара-аминобензойная кислота необходима для нормального процесса пигментации волос, шерсти, перьев и кожи. Также обладает лактогонным свойством (благотворно воздействует на образование грудного молока у кормящей женщины).

В медицине широко используются структурные аналоги пара- аминобензойной кислоты, в частности сульфаниламиды, обладающие антибактериальными свойствами. Предполагают, что сульфаниламидные препараты вследствие структурного сходства могут конкурентно замещать пара-аминобензойную кислоту в ферментных системах микроорганизмов с последующей остановкой их роста и размножения. Коферментные функции кислоты не установлены, но, являясь составной частью коферментов фолиевой кислоты, пара-аминобензойная кислота тем самым участвует во многих процессах обмена.

Являясь мощным антиоксидантом, благотворно влияет на состояние кожи и волос, она предохраняет их от разрушительного воздействия ультрафиолета, сохраняя тем самым их молодость и привлекательный внешний вид. Именно поэтому ПАБК широко используется в современной косметологии для производства многих ухаживающих средств для кожи и волос.

Противовирусные свойства ПАБК легли в основу производства активно используемого в современной хирургии новокаина. Также он активно используется для лечения многих известных глазных заболеваний.

Препараты пара-аминобензойной кислоты принято назначать при таких заболеваниях, как различные задержки в развитии, при повышенных физических и умственных нагрузках и соответственно утомляемости, при анемии, при болезни Пейрони, при артритах различной степени сложности. Обязательным считается применение парааминобензойной кислоты при наличии светочувствительности кожи, при таких кожных проблемах как витилиго, как склеродерма, при ожогах ультрафиолетовыми лучами, и при алопеции.

Источниками пара-аминобензойной кислоты для человека являются продукты растительного происхождения - это, прежде всего, картофель, морковь, грибы, орехи и семечки, зерновые, патока, пивные дрожжи. Среди продуктов животного происхождения - это молочные продукты, почки, печень, морепродукты и яичный желток.

В организме человека синтез ПАБК осуществляется микрофлорой толстого кишечника.

1.8.3 Никотиновая кислота

Никотиновая кислота C6H5NО2 (витамин РР, витамин В3, никотинамид, ниацин) - соединение пиридинового ряда, содержащее карбоксильную группу.

Впервые это вещество было получено исследователем Хубером при окислении никотина хромовой кислотой в 1867 г. Современное название никотиновая кислота обрела в 1873 г., когда Вайдел (Weidel) получил это вещество, окисляя никотин азотной кислотой. Однако о витаминных свойствах никотиновой кислоты еще ничего не было известно.

В двадцатых годах XX в. американский врач Голдбергер (Goldberger) предположил существование витамина РР, который помогает вылечить пеллагру (pellagra preventing). И только в 1937 г. группой ученых во главе с К. Эльвегеймом было доказано, что никотиновая кислота и есть витамин РР. В 1938 г. в России уже успешно лечили пеллагру никотиновой кислотой.

Никотиновая кислота представляет собой бесцветные кристаллы, плохо растворимые в воде. Является чрезвычайно устойчивым веществом. Она не гигроскопична, сохраняет стойкость в сухом виде. Ее растворы могут переносить автоклавирование при 120 °С. Кислота устойчива как в щелочной, так и в кислой средах.

Никотиновая кислота может быть получена окислением никотина азотной кислотой марганцовокислым калием или хромовой кислотой, а также введением карбоксильной группы в литиевые производные, получаемые из 3- бромпиридина.

Никотиновая кислота включается в простетическую группу ферментов, являющихся переносчиками водорода: никотинамидадениндинуклеотида (НАД) и никотинамидадениндинуклеотидфосфата (НАДФ), регулирует окислительно-восстановительные процессы, тканевое дыхание, синтез белков и жиров, распад гликогена.

Угнетает липолиз в жировой ткани. Нормализует липидный состав крови: снижает уровень общего холестерина, триглицеридов, обладает антиатерогенными свойствами. Оказывает сосудорасширяющее действие, в том числе на сосуды головного мозга, улучшает микроциркуляцию, повышает фибринолитическую активность крови и уменьшает агрегацию тромбоцитов.

Никотиновая кислота применяется для профилактики и лечения пеллагры (авитаминоз PP); атеросклероза, гиперлипидемии, спазм периферических сосудов, мигрени, нарушения мозгового кровообращения, включая ишемический инсульт (комплексная терапия), стенокардии, болезни Хартнупа, неврита лицевого нерва, интоксикации длительно незаживающей раны, язвы, инфекционных заболеваний, заболеваний ЖКТ.

В организме никотиновая кислота трансформируется в амид - никотинамид. Метаболизируется в печени. Выводится почками в виде метаболитов, при приеме высоких доз может выводиться в неизмененном виде.

Никотиновая кислота практически не разрушается при консервировании, замораживании и сушке.

Источниками никотиновой кислоты являются, дрожжи, печень, почки, арахис, птица, телятина, баранина, цельная пшеница, гречневая крупа, говядина, свинина, пшено, ячневая крупа, овсяная крупа, шлифованный рис, манная крупа, бобовые, шпинат, томаты, капуста. Суточная потребность для взрослого человека составляет 18 мг.

1.8.4 Изоникотиновая кислота

Изоникотиновая кислота C6H5NО2 (4-пиридинкарбоновая кислота, г- пиридинкарбоновая кислота, антивитамин PP) - гетероциклическая одноосновная карбоновая кислота, структурный изомер никотиновой кислоты.

Представляет собой твёрдое кристаллическое вещество без цвета и запаха, плохо растворимое в воде (растворимость растёт при нагревании), нерастворимое в этиловом спирте, ацетоне и диэтиловом эфире.

Изоникотиновую кислоту в основном получают окислением г- пиколина либо г-этилпиридина раствором перманганата калия. Лучший выход достигается окислением триметилол-г-пиколина, при нагревании всей фракции, кипящей при 140-145 °C, с водным раствором формальдегида. Также изоникотиновую кислоту можно получить при термическом разложении пиридин-2,4,5-трикарбоновой кислоты.

Проявляет слабые антивитаминные свойства (антивитамин PP), её производные - амид и гидразид - обладают более выраженными антивитаминными свойствами. Замещают молекулу никотинамида на более активный радикал в структуре кофермента NAD+ и, тем самым ингибируют окислительно-восстановительные реакции, происходящие в дыхательной цепи. Слаботоксична, на кожу и слизистые оболочки оказывает раздражающее воздействие.

Изоникотиновую кислоту используют в качестве сырья для получения противотуберкулёзных препаратов: гидразида изоникотиновой кислоты (ГИНК) и его производных (метазида, салюзида, фтивазида и т.д.); тиоамида и его производных (этионамид, протионамид), сходных по действию с ГИНК, но менее активных. В производстве антидепрессантов, таких как ипрониазид, ниаламид (ингибиторы МАО). А также в производстве гербицидов, например, феноксиариламиды никотиновой кислоты.

Глава II. Обсуждение результатов

2.1 Синтез димерных производных в-циклодекстрина

В последнее десятилетие было опубликовано большое число работ о синтезе и описании мостиковых димеров циклодекстринов, соединенных друг с другом линкерами различной длины и структуры. Такие димеры, обладая двумя гидрофобными полостями в непосредственной близости проявляют гораздо более высокую связывающую способность и молекулярную селективность, чем исходные циклодекстрины, образуя стабильные супрамолекулярные продукты. Благодаря этому они могут использоваться как отличная модель системы, имитируя взаимодействие субстрат-фермент.

Поэтому мы исследовали возможность синтеза димерных циклодекстринов из монойодсодержащего в-циклодекстрина 1 и соответствующего диамина. Синтез йодпроизводного 1 осуществлен по общей методике [74] на основе монотозильного производного в- циклодекстрина 2 [75].

Далее йодпроизводное алкилировали диамины 3-7 с разным числом метильных звеньев.

...