Способ получения клатратных комплексов летучих веществ
METHOD OF PRODUCING CLATHRATE COMPLEXES OF VOLATILE SUBSTANCES

Изобретение относится к способам получения клатратных комплексов, которые находят применение в самых разнообразных областях химии, технологии, медицины, сельском хозяйстве.
Получение и использование клатратных комплексов (комплексов включения) является относительно новой областью т.н. «супрамолекулярной» химии. Комплексы включения представляют собой молекулярные соединения, имеющие характерную структуру аддукта, в котором молекула одного из соединений (молекула-"хозяин") пространственно ограничивает, по меньшей мере, часть молекулы другого соединения. Заключенная в этот объем молекула соединения (молекула-"гость") расположена в полости молекулы-хозяина таким образом, что она не влияет на остовную структуру хозяина. Характерной особенностью комплекса включения является то, что размер и конфигурация соответствующей полости чаще всего остаются неизменными, не считая легкой деформации, "хозяином" может являться любое соединение-хозяин или любая молекула-хозяин, известные в технике. Примеры подходящих "хозяев" включают, но без ограничения, циклодекстрины, карцеранды, кавитанды, краун-эфиры, криптанды, кукурбитурилы, каликсарены, арабиногалактан лиственницы сибирской, сферанды и т.п. Примеры "гостей", пригодных в качестве комплексообразующих агентов, включают такие соединения, как адамантан, диадамантан, нафталин и холестерин.
Циклодекстрины являются предпочтительными хозяевами, способными взаимодействовать со многими ионными и молекулярными соединениями и дающими в результате соединения включения, относящиеся к классу комплексов "гость-хозяин". Используемые для получения комплексов включения циклодекстрины и арабиногалактан являются широко известными комплексообразователями. Так, известно, что молекулы циклодекстринов имеют тороидальную форму, причем ее внутренняя полость гидрофобна. Водорастворимые межмолекулярные комплексы липофильных органических соединений образуются в растворе за счет интеркапсуляции их молекул в эту полость. Арабиногалактан является полисахаридным метаболитом эндемиков сибирской лесной флоры лиственницы сибирской (Larix sibirica) и лиственницы Гмелина (Larix Gmelinii) и легко выделяется из древесины указанных деревьев.
Для того, чтобы реализовалось взаимодействие "хозяин-гость", соединения должны отвечать нескольким требованиям: одно из них - это то, что связывание молекул хозяина и гостя должно быть комплементарным с точки зрения стереоэлектронных эффектов. Циклодекстрины способны образовывать комплексы включения с соединениями, размеры молекул которых сравнимы с размерами полости. Однако степень образования комплекса зависит также от полярности молекулы-"гостя". Образование комплекса с молекулами, значительно большими по объему, чем полость, также возможно при условии, что только некоторые группы или боковые цепи проникают в канал углевода (См. /1/).
Известно получение клатратных комплексов в решении проблем транспорта лекарственных средств оказывает существенное влияние практически на каждый способ введения от перорального до инъекционного. Широко применяются также клатратные комплесы 1-метилциклопропена для решения задач по увеличению сроков хранения сельскохозяйственной продукции (См. /2-4/).
Для получения клатратных циклодекстриновых комплексов могут быть использованы α-, β- или γ-циклодекстрины, гидроксипропил-β-циклодекстрин.
Известно большое количество способов получения клатратных комплексов. Так, известен способ получения комплексов включения α- или β-циклодекстрина с уксусной кислотой, причем молярное соотношение циклодекстрина к кислоте в комплексе составляет 1:1. /5/ Комплексы получают при введении концентрированного водного раствора циклодекстрина, нагретого до температуры кипения, в ледяную уксусную кислоту при комнатной температуре с последующим отделением кристаллического осадка и его сушкой. Комплекс α- или β-циклодекстрина с уксусной кислотой стабилен в сухом состоянии, но при его растворении в воде распадается на составляющие, при этом полученный раствор приобретает свойства разбавленной уксусной кислоты, что позволяет использовать его в качестве вкусовой добавки в пищевых концентратах, в качестве консерванта, регулятора кислотности растворов, а также в биохимии и аналитической химии в качестве буферного компонента.
Недостатком известного способа является его малая универсальность, в частности, невозможность его осуществления в случае использования более летучих, чем уксусная кислота, «гостей».
Известен способ получения комплексов включения циклодекстрина, включающее сухое смешивание циклодекстрина и гидроколлоида для образования сухой смеси и последующее смешивание растворителя и «гостя» с сухой смесью для образования комплекса с включением циклодекстрина. В некоторых вариантах осуществления способ получения комплекса с включением циклодекстрина может включать смешивание циклодекстрина и гидроколлоида для образования первой смеси, смешивание первой смеси с растворителем для образования второй смеси и смешивание гостя со второй смесью для образования третьей смеси /6/. Термин "гидроколлоид" в рамках известного способа в основном относится к веществу, которое образует гель с водой.
Недостатками способа является его многостадийность и не универсальность, а также необходимость использования промежуточных растворителей.
Известен способ получения комплекса включения 1-метилциклопропена с циклодекстринами путем сорбции 1-МЦП циклодекстринами. Способ осуществляется пропусканием газообразного 1-метилциклопропена через водный раствор, содержащий чистый α-циклодекстрин, с последующей фильтрацией и сушкой влажного препарата. Данный способ позволяет получать препараты с содержанием 1-МЦП до 5% масс. /7/.
Основным недостатком способа является то, что при пропускании газообразного 1-метилциклопропена через водный раствор α-циклодекстрина возникают неизбежные потери ввиду разницы скоростей прохождения газа (пробулькивания) и его сорбции. Кроме того, при пониженных скоростях прохождения газа возможны неизбежные перепады давления, обусловленные закупоркой барботажных отверстий ввиду обильного образования осадка - комплексного соединения 1-МЦП и α-циклодекстрина, что весьма сказывается на работе действующей установки и может являться следствием ее разгерметизации, попадания примесей и нежелательных для проведения синтеза посторонних веществ. Следует также отметить, что использование водного раствора α-циклодекстрина весьма ограничено во времени ввиду воздействия на него бактерий и, как следствие этого, утрачивание своих сорбционных способностей и потери относительно дорогостоящего компонента данного синтеза.
Известен способ получения соединений включения инертных газов с α-циклодекстрином /8/. Способ осуществляют в течение нескольких часов при повышенном давлении и температуре 60-240 градусов С, причем в качестве исходного циклодекстрина используют α-циклодекстрин, содержащий 0,4-10 масс.% кристаллогидратной воды. В качестве инертных газов используют ксенон или криптон.
Недостатком известного способа является малая стабильность получаемых комплексов, которые выделяют захваченный инертный газ просто при хранении при нормальном давлении и температуре.
Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемому результату к заявленному является способ получения комплексов включения различных веществ с циклодекстринами путем замещения в циклодекстрине одного гостя на другой, причем взаимодействие между нужным гостем и комплексом циклодекстрина осуществляют при контакте комплекса в сухом виде с парами гостя при обычном давлении /9 прототип/.
Основным недостатком известного способа является его многостадийность, связанная с необходимостью предварительного получения комплекса включения циклодекстрина с каким-либо не нужным гостем, и лишь дальнейшее его использование для получения нужного комплекса включения.
Задачей данного изобретения состоит в повышении универсальности и упрощения способа, что делает его промышленно применимым.
Задача решается заявленным способом получения клатратных комплексов летучих веществ с циклодекстринами взаимодействием газообразного летучего вещества с циклодекстрином при повышенном давлении с одновременным замещением связанного с циклодекстрином вещества, отличающийся тем, что циклодекстрины подвергают взаимодействию с летучими веществами, выбранными из группы: этилен, 1-метилциклопропен, пропан, бензол, бутановая фракция, содержащая метан, этан, пропан, н-бутан и изобутан, в виде исходного товарного продукта без предварительной обработки под внешним избыточным давлением 0,05-10 атм и температуре 20-100 град. С в течение 0,5-10 часов в замкнутом аппарате, которое сопровождается циркуляцией через циклодекстрин газовой фазы, представляющей собой летучее вещество, с кратностью газообмена 1-20 литров газа при н.у. на каждые 100 грамм циклодекстрина в минуту, причем замещающимся веществом является кристаллизационная вода, связанная с исходным циклодекстрином, и циркулируемая газовая фаза постоянно проходит через внешнее устройство с осушающим реагентом, выбранным из группы: хлористый кальций, сульфат натрия, карбонат калия, твердые натриевая или калиевая щелочи, окись кальция, цеолиты или любые их смеси. Предпочтительно циклодекстрины в процессе поглощения газовой фазы постоянно перемешивают.
В качестве устройств, в которых осуществляют взаимодействие циклодекстринов с летучими веществами, но без какого-либо ограничения для других возможностей осуществления способа, могут быть использованы аппараты колонного типа, аппараты с кипящим слоем, аппараты с витанием частиц внутри при восходящем потоке газа, аппараты типа рукавных фильтров, сосуды с перемешивающими устройствами и без, автоклавы с перемешивающими устройствами и без, либо комбинации таких аппаратов, а также другие известные специалистам подобные устройства.
Изобретение иллюстрируется приведенными ниже примерами, которые никак не ограничивают возможность осуществления способа в пределах заявляемого объема притязаний.
Пример 1.
В автоклав с рубашкой и внешним перемешивающим устройством внутренним объемом 500 мл загружают 100 грамм товарного β-циклодекстрина. Автоклав соединен газовой линией с 40-литровым баллоном с этиленом, находящимся под давлением 110 атм. Газовая линия, идущая от редуктора баллона, соединена с барботером, установленным на крышке автоклава, нижний конец барботера доходит до дна внутреннего пространства автоклава. Редуктор баллона может регулировать давление на выходе из баллона в пределах от 0,5 до 15 атм. Другой газовой линией, идущей от патрубка на крышке автоклава, автоклав через механический фильтр соединен с патроном с внутренним объемом 1,0 литра, в котором находится 250 грамм свежепрокаленного хлористого кальция. В середину газовой линии, идущей от редуктора баллона, через тройник врезана нагнетающая линия от газового насоса, насос имеет производительность 5,0 литра в минуту по газу при нормальных условиях. Всасывающая линия насоса соединена с выходом из патрона с осушителем. Таким образом, обеспечивается непрерывная циркуляция газовой фазы через слой циклодекстрина, проходящей каждый раз через патрон с осушителем.
Автоклав закрывают герметично, в рубашку автоклава начинают подавать водно-глицериновый раствор из термостата при температуре 70 градусов С. Давление в автоклаве с помощью редуктора доводят до 7,0 атм, после чего включают перемешивание.
Поглощение этилена циклодекстрином продолжают 8,5 часов, затем давление сбрасывают, автоклав охлаждают до комнатной температуры, содержимое автоклава выгружают в эксикатор. Всего получено 95,4 грамма комплекса включения, содержащего газ этилен. Из полученного количества отбирают пробу 1,2 грамма комплекса для анализа на дериватографе «PYRIS Dimond TG/DTA». По результатам анализа определяют, что содержание этилена в циклодекстрине составило 2,31 масс.%.
Пример 2.
В автоклав с рубашкой и внешним перемешивающим устройством внутренним по примеру 1100 грамм товарного α-циклодекстрина. Автоклав соединен газовой линией с 40-литровым баллоном с бутановой фракцией газа, содержащей метан, этан, пропан, н-бутан и изо-бутан и находящейся под давлением 10 атм. В осушающем патроне находится прокаленный цеолит NaX. Остальные конструктивные особенности описаны в примере 1. Производительность газового насоса устанавливают на 8,0 литров в минуту.
Автоклав закрывают герметично, в рубашку автоклава начинают подавать водно-глицериновый раствор из термостата при температуре 90 градусов С. Давление в автоклаве с помощью редуктора доводят до 4,0 атм. И включают перемешивание.
Поглощение бутановой фракции α-циклодекстрином продолжают 6,5 часов, затем давление сбрасывают, автоклав охлаждают до комнатной температуры, содержимое автоклава выгружают в эксикатор. Всего получено 96,8 грамма комплекса включения, содержащего бутановую фракцию. Из полученного количества отбирают пробу 1,2 грамма комплекса для анализа на дериватографе «PYRIS Dimond TG/DTA». По результатам анализа определяют, что содержание бутановой фракции в циклодекстрине составило 4,38 масс.%.
Пример 3.
В качестве аппарата для поглощения летучих веществ используют колонну с рубашкой высотой 2,0 м и внутренним диаметром 75 мм. Предварительно подбирают на азоте скорость потока газа, при котором циклодекстрин находится в псевдоожиженном слое.
Экспериментально установлено, что в такой колонке около 2-х кг α-циклодекстрина находятся в таком виде, если скорость газового потока находится в пределах от 30 до 36 литров в минуту, или от 1,5 до 1,8 литров газа на каждые 100 грамм циклодекстрина.
В колонну загружают 2,0 кг товарного α-циклодекстрина, температура поглощения составляет 45 градусов Цельсия. В качестве летучего вещества используют 1-метилциклопропен (1-МЦП), который получают в конденсированном виде по методике, описанной в /10/. Вместо баллона со сжатым газом используют испарительный сосуд, температура испарения 1-МЦП также составляет 45 градусов Цельсия. В испарительном сосуде находится 85 грамм сконденсированного 1-МЦП. В осушительном патроне находится смесь 50:50 цеолита NaX и свежепрокаленного карбоната калия в количестве 500 грамм. Нужное давление в системе поддерживают с помощью сжатого азота из баллона с редуктором, сделав для этого на нагнетательной линии насоса еще одну врезку. В остальных деталях устройство газовых потоков в установке совпадает с примером 1.
Процесс начинают, установив редуктором на азотном баллоне давление в системе 3,0 атм. Скорость подачи газовой фазы газовым насосом составляет 32 литра в минуту (1,6 литра на каждые 100 грамм циклодекстрина) и включаю обогрев колонны.
В течение 40 минут после начала процесса поглощения в испарительном сосуде конденсат исчезает, что видно визуально. Процесс продолжают еще 2,0 часа, общее время поглощения 2 часа 40 минут.
Всего получают 1,85 кг готового комплекса 1_МЦП с б-циклодекстрином, по данным дериватографического анализа содержание 1-МЦП составляет 3,85 масс.%.
Результаты примеров 1-11 представлены в таблице 1. В примерах 1, 2, 6, 8, 9 и 11 в качестве аппарата поглощения использовали автоклав с перемешивающим устройством, в примере 7* - автоклав без перемешивающего устройства, в примере 3 - колонну с витанием частиц, в примере 4 - рукавный фильтр с витанием частиц, в примере 5 - атоклав с перемешивающими телами (шары), в примере 10 - колбу с мешалкой и рубашкой (реактор).
Источники информации
1. J. Szejtly, Akademiai Kiado, Cyclodextrins and their inclusion complexes, Budapest, 1982.
2. EP 1787513.
3. Патент на изобретение РФ №2525722.
4. Патент на изобретение РФ RU 2325810.
5. Патент на изобретение РФ RU 2339649, МКП С08В 37/16.
6. Патент на изобретение РФ 2362785, МКП С08В 37/16.
7. Патент US 6953540.
8. А.с. СССР 1357410, МКП С08В 37/16.
9. Автореферат кандидатской диссертации Гиатулина А.К. «Твердофазное замещение "гостя" в безводных клатратах бета-циклодекстрина». Казань, 2014 г. (прототип).
10. Synthesis of 1-Methylcyclopropene" F. Fisher, D.E. Applequist, Noyes Chemical Laboratory. University of Illinois Urbana, Illinois 61803, February 24, 1965.