Способ получения водорастворимых гидроксилированных производных эндометаллофуллеренов лантаноидов
METHOD FOR PRODUCING WATER-SOLUBLE HYDROXYLATED DERIVATIVES OF ENDOMETALLOFULLERENES OF LANTHANIDES

82
22
Изобретение относится к методам получения водорастворимых гидроксилированных производных эндометаллофуллеренов лантаноидов, которые могут быть использованы в диагностике различных заболеваний в качестве контрастирующих агентов для магнитно-резонансной томографии, повышающих контрастность получаемых изображений [Seung-gu Kang, Raul Araya-Secchi, Deqiang Wang, Bo Wang, Tien Huynh, and Ruhong Zhou Dual Inhibitory Pathways of Metallofullerenol Gd@C(OH) on Matrix Metalloproteinase-2: Molecular insight into drug-like nanomedicine Sci Rep. 2014; 4: 4775] [1].
Процесс получения водорастворимых гидроксилированных производных эндометаллофуллеренов лантаноидов состоит из следующих стадий.
1. Получение фуллеренсодержащей сажи с эндометаллфуллеренами лантаноидов электродуговым испарением. На продуктивность процесса в этой стадии оказывает влияние содержание металла в испаряемом электроде, ток дуги, электродуговой зазор и давление инертного газа.
2. Экстрагирование эндометаллофуллеренов лантаноидов из фуллеренсодержащей сажи. На продуктивность этой стадии оказывает влияние выбор растворителей и условия проведения разделения эндометаллофуллеренов лантаноидов от пустотелых фуллеренов.
3. Гидроксилирование полученного кристаллического экстракта эндометаллофуллеренов лантаноидов. На продуктивность этой стадии оказывают влияние условия перевода эндометаллофуллеренов в водорастворимое состояние.
4. Осаждение водорастворимых гидроксилированных эндометаллофуллеренов лантаноидов.
Любая из этих стадий вносит существенный вклад в общую производительность способа получения водорастворимых гидроксилированных производных эндометаллофуллеренов лантаноидов.
2n
x
В работе [Zhao Y., Chen С, Xing G. Metallofullerenols and its application in preparation of medicines for inhibiting the growth of tumor. Patent EP №1941887 B1, 2012 г.] предложен синтез металлофуллеренолов общей формулы М@C(ОН), где М - La или Gd, m=41 или 30, х=10-50 [2].
В этом способе фуллеренсодержащую сажу, содержащую эндометаллофуллерены лантаноидов, получают электродуговым испарением с использованием смеси оксидов металлов лантаноидов с углеродсодержащим материалом - графитом.
Электродуговая сажа сначала растворялась в слабополярном растворителе (толуоле) при 100-200°С в течение 12-24 часов (метод высокотемпературной экстракции под высоким давлением) для выделения пустотелых фуллеренов, а затем экстрагировалась диметилформамидом (ДМФА) сильнополярным растворителем при 100-200°С и давлении 50-100 МРа в течение 12-24 часов для выделения эндометаллофуллеренов лантаноидов. Такие жесткие условия проведения процесса принято называть бомбовым методом. Проведение способа бомбовым методом позволяет получать только миллиграммовые количества ЭМФ лантаноидов.
Известен способ получения водорастворимых гидроксилированных производных эндометаллофуллеренов лантаноидов, описанный в работе [D. Sun, Z. Liu, W. Xu and S. Liu. High-yield extraction of endohedral rare-earth fullerenes. J. Phys. Chem. B, 1997, 101, p. 3927-3930] [3]. В этом способе фуллеренсодержащую сажу получали также путем электродугового испарения смеси оксидов металлов лантаноидов с углеродсодержащим материалом - графитом. Экстракция лантаноидсодержащей фуллереновой сажи проводилась по методу Сокслета толуолом для выделения пустотелых фуллеренов, затем бомбовым методом пиридином для выделения эндометаллофуллеренов посредством проведения более эффективной операции их экстрагирования, за счет сочетания сильнополярного (пиридина) растворителя и бомбового метода. Однако и этот способ отличается низким выходом ЭМФ лантаноидов.
Известен способ, предложенный в работе [V.P. Bubnov, I.E. Kareev, V.K. Koltover, T.G. Prokhorova, E.B. Yagubskii and Y.P Kozmin. Endohedral metallofullerenes: a convenient gram-scale preparation/ Chem. Mater., 2002, 14, p. 1004-1008] [4]. ЭМФ лантаноидов получали электродуговым испарением лантаноидсодержащих графитовых электродов. Экстракцию пустотелых фуллеренов из фуллеренсодержащей сажи проводили о-ксилолом при кипении растворителя под аргоном за 5 циклов. Каждый цикл длился 3 часа. Затем проводили экстракцию ЭМФ лантаноидов из фуллеренсодержащей сажи сильно полярным диметилформамидом (6-7 циклов) при кипении растворителя также под аргоном для более полного выделения эндометаллофуллеренов лантаноидов. Каждый цикл также длился 3 часа. Общий выход экстракта, содержащего пустотелые фуллерены, экстрагированием о-ксилолом составил 2,5-3% от веса сажи, а при экстрагировании ДМФА удалось извлечь еще 6-8% вес. экстракта, содержащего ЭМФ лантнаоидов.
Недостатки данного способа: низкий выход экстракта, содержащего ЭМФ лантаноидов (несколько сотен миллиграмм), и длительное экстрагирование при температуре кипения растворителей. Использование кипящего растворителя является одним из наиболее существенных недостатков данного способа, так как все используемые растворители относятся к легковоспламеняющимся, при этом в значительной степени усложняются условия работы.
Наиболее близким к заявляемому является способ получения водорастворимых гидроксилированных эндометаллофуллеренов лантаноидов, описанный в патенте РФ 2396207 /Способ получения MRI-контрастирующего агента [5]. Способ заключается в следующем. Фуллеренсодержащую сажу, содержащую ЭМФ лантаноидов, получали электродуговым испарением графитовых электродов. Из фуллеренсодержащей сажи экстрагировали большую часть пустотелых фуллеренов кипящим слабо полярным ароматическим растворителем (о-ксилолом) в аппарате Сокслета не менее 5 часов. Далее проводили экстрагирование фуллеренсодержащей сажи, содержащей ЭМФ лантаноидов, сильно полярным растворителем ДМФА также в аппарате Сокслета и получали экстракт, состоящий из смеси ЭМФ лантаноидов и пустотелых фуллеренов. Далее проводили фильтрацию экстракта фуллеренов в ДМФА через фильтр зеленая лента и PTFE-фильтр 0.22 мкм. Затем осуществляли перевод этого экстракта в твердую фазу на роторном испарителе при пониженном давлении.
Гидроксилирование фуллеренсодержащего экстракта проводили концентрированной перекисью водорода при температуре ≥ 60°С в течение ~ 20 часов (до образования практически прозрачного окрашенного раствора). Раствор целевого продукта выливали в 20-кратный избыток изопропилового спирта для очистки от непрореагировавшей перекиси водорода, осадок гидроксилированных производных эндометаллофуллеренолов лантаноидов отделялся центрифугированием, промывался спиртом для удаления следов перекиси, сушился под разрежением при Т=40°С.
Однако этот способ также малопроизводителен, поскольку нет полноты извлечения эндофуллеренов лантаноидов на стадии экстракции ДМФА в аппарате Сокслета. Такое проведение экстрагирования позволяет выделить из сажи за один цикл не более 5-6% вес. экстракта фуллеренов лантаноидов, направляемого на гидроксилирование.
Количество получаемого целевого продукта (водорастворимых гидроксилированных ЭМФ лантаноидов) составляет несколько десятков миллиграмм относительно веса лантаноидсодержащего графитового электрода (~20 гр) за один цикл испарение-экстрагирование-гидроксилирование при длительных затратах времени.
Также экстракция эндофуллеренов лантаноидов по методу Сокслета требует проведения стадий в сложных условиях - длительное кипячение растворителей, что вредно и приводит к образованию нежелательных аддуктов эндофуллеренов лантаноидов с растворителем.
Таким образом, на данный момент времени еще не разработан способ получения эндометаллофуллеренолов лантаноидов в граммовом масштабе.
Технический результат заключается в создании способа, обеспечивающего повышение выхода эндометаллофуллеренолов лантаноидов (водорастворимых гидроксилированных производных ЭМФ лантаноидов), упрощение способа и снижение затрат для его реализации.
Задача данного способа - обеспечить более высокую полноту извлечения ЭМФ лантаноидов из фуллеренсодержащей сажи на стадиях экстракции и гидроксилирования и проведение способа в мягких условиях.
Технический результат достигается тем, что в известном способе получения водорастворимых гидроксилированных производных эндометаллофуллеренов лантаноидов, заключающемся в том, что из фуллеренсодержащей сажи, содержащей эндометаллофуллерены лантаноидов, полученной электродуговым испарением лантаноидсодержащего графитового электрода, отделяют пустотелые фуллерены слабополярным ароматическим растворителем, затем экстрагируют эндометаллофуллерены лантаноидов сильно полярным растворителем - диметилформамидом в виде раствора над твердой фазой (фракцией) непрореагировавшей фуллеренсодержащей сажи, из полученного раствора кристаллизуют эндометаллофуллерены лантаноидов, которые затем гидроксилируют раствором перекиси водорода до образования гомогенной фазы целевого продукта, и осаждение водорастворимых гидроксилированных эндометаллофуллеренов лантаноидов осуществляют спиртосодержащей осадительной смесью, новым является то, что эндометаллофуллерены лантаноидов и пустотелые фуллерены разделяют центрифугированием после экстракции слабополярным ароматическим растворителем - о-килолом, сажу сушат для удаления растворителя и затем из нее экстрагируют эндометаллофуллерены лантаноидов сильно полярным растворителем диметилформамидом с добавкой 0,1-0,2% об. гидразин-гидрата в виде раствора над твердой фазой непрореагировавшей фуллеренсодержащей сажи, а гидроксилирование эндометаллофуллеренов лантаноидов осуществляют разбавленным водным раствором перекиси водорода концентрацией 15-22% вес.
Технический результат заявляемого способа основан на экспериментальных данных, которые получены авторами и направлены на выявление реагентов, которые обеспечивают при определенных условиях более полную экстракцию эндометаллофуллеренов лантаноидов и более эффективное их гидроксилирование по сравнению с прототипом и аналогами. По сравнению с прототипом, который дает невысокий процент выхода целевого продукта, заявляемый способ обеспечивает более эффективную экстракцию ЭМФ лантаноидов, приводящую к более высокому выходу целевого продукта (на порядок), снижению затрат и проведение вышеуказанных операций в мягких условиях (отказ от высоких температур).
В табл. 1 представлены показатели экстрагирования ЭМФ лантаноидов по способу-прототипу (ДМФА) и по заявляемому способу (ДМФА + 0,1% об. гидразин-гидрата).
Как видно из таблицы 1, добавка 0,1% об. гидразин-гидрата к ДМФА в заявляемом способе позволяет не только повысить продуктивность экстрагирования ЭМФ из лантаноидфуллеренсодержащей сажи, но также позволяет исключить нежелательную стадию длительного нагрева раствора фуллеренов (прототип) и, следовательно, упростить условия процедуры.
В табл. 1 для заявляемого способа приведены данные для однократной экстракции ДМФА. Повторное экстрагирование еще 3-4 раза позволяет извлечь из электродуговой сажи приблизительно 60 -70% вес. экстракта, содержащего ЭМФ лантаноидов.
В табл. 2 приведено обоснование выбранного интервала добавки гидразин-гидрата к сильнополярному растворителю диметилформамиду (при комнатной температуре) для повышения эффективности экстрагирования ЭМФ лантаноидов из фуллеренсодержащей сажи.
Как следует из таблицы 2, увеличение добавки гидразин-гидрата к ДМФА приводит к резкому возрастанию эффективности экстрагирования фуллеренов. Однако при добавке более 0,2% об. раствор приобретает мутный черный цвет, что, по-видимому, свидетельствует об экстрагировании высокомолекулярных углеродных образований с неопределенной структурой. В дальнейшем экспериментально установлено, что эти образования практически не подвергаются гидроксилированию. Кроме того, повышенная добавка гидразин-гидрата может привести к нежелательному изменению свойств растворителя, а также к образованию побочных продуктов его взаимодействия с фуллеренами. Поэтому заявляемый интервал 0,1-0,2% об. добавки гидразин-гидрата к ДМФА является необходимым и достаточным для достижения технического результата.
Технический результат достигается также тем, что гидроксилирование проводится в разбавленном растворе перекиси водорода, а не в концентрированном, как в способе-прототипе. Это позволяет сократить потери ЭМФ экстракта лантаноидов и предотвратить загрязнение гидроксилированного продукта перекисными примесями при сохранении длительности процедуры и приемлемого выхода водорастворимого продукта.
В табл. 3 приведены показатели процесса гидроксилирования по заявляемому способу (температура гидроксилирования 60-65°С).
Представленные в табл. 3 результаты показывают, что выход водорастворимого продукта сильно зависит от концентрации перекиси водорода в растворе и длительности процесса гидроксилирования. Наибольшие выходы достигнуты для концентрации перекиси водорода 15-22,0% при длительности 5-20 часов. Низкий выход гидроксилированных эндометаллофуллеренов лантаноидов при использовании концентрированной перекиси водорода и при больших длительностях процедуры можно объяснить тем, что в реакционных условиях происходит разрушение фуллеренов за счет их окисления.
Пример конкретной реализации заявляемого способа.
Для проведения электродугового испарения был изготовлен лантаноидсодержащий графитовый электрод путем прессования 8-9 г порошкообразной смеси оксида лантаноида Ln (например, Gd) и графита в трубчатый графитовый стержень внешним диаметром 10 мм и внутренним диаметром 6 мм. Атомное соотношение Ln:C в смеси равно (0,8÷1):100. Электрод отжигали в вакууме при температуре 1100-1200°С в течение 1,5-3 часов, помещали в испарительную камеру генератора фуллеренов и испаряли в электрической дуге постоянного тока 140 А при начальном давлении гелия 380-684 мм рт. ст. Исходный вес электрода - 38,0 г.
8
10
После электродугового испарения было получено 23,56 г (выход 62,0% масс.) ЭМФ-содержащей сажи, содержащей 12,3% масс.Gd. Из фуллеренсодержащей сажи, содержащей эндометаллофуллерены лантаноида, проводили экстракцию пустотелых фуллеренов слабополярным растворителем - о-ксилолом CH (920 мл) при комнатной температуре в течение 1 часа на магнитной мешалке для удаления пустотелых фуллеренов. Смесь фуллеренсодержащей сажи с эндометаллофуллеренами лантаноидов и раствор пустотелых фуллеренов разделяли центрифугированием и сушили сажу в вакууме при 80°С в течение 3 часов для удаления неполярного растворителя.
Затем из фуллеренсодержащей сажи экстрагировали ЭМФ лантаноидов сильно полярным растворителем - ДМФА с добавкой гидразин-гидрата - в виде раствора над твердой фазой (фракцией) непрореагировавшей фуллеренсодержащей сажи. Экстракцию проводили путем перемешивания на магнитной мешалке в течение 0,5-1 часа ДМФА при соотношении Ж/Т=40:1 мл/г, с добавлением 0,1-0,2% об. водного раствора гидразин-гидрата. Смесь фуллеренсодержащей сажи с ЭМФ лантаноидов и раствор ЭМФ лантаноидов разделяли центрифугированием, дополнительно фильтруя раствор ЭМФ лантаноидов через бумажный фильтр «синяя лента», упаривали досуха, промывали полученный кристаллический экстракт дистиллированной водой и сушили в вакууме при температуре 80°С в течение 3 часов. Получали 5,82 г (выход 24,7% вес.) экстракта, содержащего смесь эндометаллофуллеренов лантаноидов и примесь пустотелых фуллеренов. Содержание металла (Gd) в экстракте 7,8% масс.
2n
38-40
Полученные 5,0 г экстракта эндометаллофуллеренов лантаноидов помещали в колбу емкостью 250-500 мл, добавляли 15-22% раствор перекиси водорода, взятый из расчета 1 мл на 20-25 мг экстракта, и гидроксилировали при температуре 60-65°С в течение 5-20 часов. Процесс гидроксилирования перекисью водорода вели до образования коричневого раствора целевого продукта - гидроксилированных производных эндометаллофуллеренов лантаноидов. Раствор гидроксилированных производных эндометаллофуллеренов лантаноидов охлаждали до комнатной температуры и выливали в спиртосодержащую осадительную смесь (ИПС : гептан = 90:10). Выпавший осадок гидроксилированных производных эндометаллофуллеренов лантаноидов отделяли центрифугированием, промывали еще 1-2 раза чистой осадительной смесью для удаления оставшейся непрореагировавшей перекиси водорода и сушили при температуре 60°С в течение 2-3 часов. Получили 1,5 г водорастворимого производного Gd@C(OH).
Число гидроксильных групп определяли по методу термической оценки числа заместителей [Т.Н. Goswami, R. Singh, S.Alam, G.N. Mathur. Thermal analysis: a unique method to estimate the number of substituents in fullerene derivatives. Thermochimica Acta 419 (2004) 97-104], содержание металла термогравиметрическим методом [7].
Растворимость продукта в воде составила 40 мг/мл.
По такому способу были получены гидроксилированные водорастворимые ЭМФ лантаноидов: Gd, Dy, Pr, Но, Tb, Sm, Eu, Tm.