Комплексные соединения германия с ациклическими полиолами и способ их получения
COMPLEX COMPOUNDS OF GERMANIUM WITH ACYCLIC POLYOLS AND METHOD FOR SYNTHESIS THEREOF

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к комплексным соединениям германия с многоатомными спиртами (ациклическими полиолами) и способу их получения.
2
n
2
Более конкретно, изобретение касается получения комплексных соединений германия с ациклическими полиолами общей формулы (HOCH[CH(OH)]CHOH), где n=2, 3 или 4, которые также содержат аминокислоту или гидроксикислоту, причем когда комплексные соединения содержат гидроксикислоту, они необязательно дополнительно содержат катион металла 2 или 12 группы периодической системы, а в том случае, когда они содержат указанный катион металла, соединения необязательно могут быть представлены в форме этанольного сольвата.
Комплексные соединения германия получают посредством взаимодействия водного раствора ациклического полиола с диоксидом германия при нагревании. В состав приготовленного комплекса вводят аминокислоту, например аргинин, лизин, цистеин, или треонин, или гидроксикислоту, например, яблочную, лимонную, винную, миндальную, а также необязательно катион металла 2 или 12 группы периодической системы, такой как, например, катион магния, кальция или цинка.
Полученные комплексные соединения германия с ациклическими полиолами могут быть использованы для профилактики или лечения различных заболеваний полости рта, таких как гингивит, пародонтит, кариес зубов, а также в таких областях, как косметика и медицина.
Уровень техники
Ациклические полиолы, такие как ксилит, сорбит, эритрит и другие используются для приготовления зубных паст и различных фармацевтических препаратов.
Известно, что обычные пищевые углеводы влияют на осаждение солей кальция в местах недостатка минералов в эмали и дентине. В свою очередь присутствие полиолов, таких как ксилит, D-сорбит, маннит и мальтит замедляет образование мутности в слюне и ингибирует образование осадков даже в присутствии декстранов и крахмала. [Mäkinen, K.K., Söderling, E., Peacor, D.R. et al. Carbohydrate-controlled precipitation of apatite with coprecipitation of organic molecules in human saliva: Stabilizing role of polyols. Calcif Tissue Int 44, 258–268 (1989)].
Приводятся данные, демонстрирующие лучшую эффективность эритрита по сравнению с сорбитом и ксилитом для поддержания и улучшения здоровья полости рта. Присутствие эритрита эффективно уменьшает массу зубного налета и прилипание обычных оральных стрептококковых бактерий к поверхности зубов, подавляет рост и активность бактерий, таких как Streptococcus mutans, снижает образование кариеса зубов. [de Cock P, Mäkinen K, et al. Erythritol Is More Effective Than Xylitol and Sorbitol in Managing Oral Health Endpoints. International Journal of Dentistry 6, 1-15 (2016)].
Широко известно, что оральные биопленки (зубной налет) вызывают заболевания пародонта, такие как гингивит, пародонтит и кариес зубов. [Pihlstrom, B. L., Michalowicz, B. S. & Johnson, N. W. Periodontal diseases. The Lancet 366, 1809–1820 (2005)]. Зубной кариес образуется с течением времени в результате сложного взаимодействия между кислотообразующими бактериями и ферментируемым углеводом. Сахарные спирты, такие как ксилит, являются одними из наиболее широко используемых веществ для гигиены полости рта благодаря их способности ингибировать образование биопленок. Также недавно сообщалось, что использование катионных комплексов с координационными связями между хлоридом цинка и полиолом (эритрит, ксилит, сорбит) повышает эффективность разрушения биопленки [Lim, J.H., Y. Jeong, S.H. Song, J.H. Ahn, J.R. Lee, and S.M. Lee. Penetration of an antimicrobial zinc-sugar alcohol complex into Streptococcus mutans biofilms. Scientific Reports 1(8): 16154 (2018)].
За последние годы было опубликовано большое количество работ по комплексообразованию катионов металлов с сахарами и полиолами. Комплексы полиолов с катионами Ca(II), Cu(II), Fe(II), Mn(II) и других металлов представляют интерес благодаря их вкладу в различные биологические процессы. Координация между металлом и полиолом может осуществляться во многих биохимических процессах, например при реминерализации поражений зубной эмали за счет выделения Ca(II).
В патенте US 8153687 (Bernstein L.R., 2012) было показано, что комплексы галлия и полиспиртов полезны для фармацевтического применения, в частности для лечения инфекций и связанных с инфекцией биопленок. Многоатомные спирты, используемые в указанном изобретении, включают арабит, эритрит, сорбит, маннит, ксилит и другие.
Для животных и человека германий является биологически активным и необходимым микроэлементом, что подтверждается его присутствием практически во всех органах и тканях человека. Германий является одним из микроэлементов, участвующих в обменных процессах в организме человека. Рекомендуемая суточная доза германия составляет 0,4-1,5 мг.
Некоторые из ранних исследований авторов настоящего изобретения указывают на то, что Ge является эффективным стимулятором иммунитета, и его незначительные дозы могут стимулировать выработку IgG и IgA, а также интерферонов. Как хорошо известно, Ig A является основным иммуноглобулином в слюне и полости рта, ответственным за местный иммунитет.
Также по неопубликованным данным авторов настоящего изобретения при использовании комплексных соединений германия в эксперименте на беспородных крысах-самках наблюдали восстановление минеральной плотности альвеолярной кости челюсти.
В публикации патентной заявки JPS6317891A (Watanabe S., 1988) представлен способ получения комплекса германия с моносахаридом или сахарным спиртом. Полученные углеводные комплексы германия могут быть использованы в качестве питательной среды для выращивания растений, которые при употреблении в пищу могут быть полезны для здоровья. В качестве сахара предпочтительной является фруктоза, а в качестве сахарных спиртов наиболее предпочтительны маннит, сорбит. Комплекс может быть получен при взаимодействии в водном растворе моносахарида (например, фруктозы) или сахарного спирта (маннита или сорбита) с оксидом германия и щелочью (гидроксид натрия).
Таким образом, в области гигиены, профилактики или лечения заболеваний зубов и ротовой полости, в частности, в области лечения заболеваний пародонта существует потребность в новых средствах, способных оказывать комплексное благотворное воздействие на состояние зубов и ротовой полости.
Раскрытие сущности изобретения
Целью настоящего изобретения является разработка способа получения комплексных соединений германия с ациклическими полиолами, которые дополнительно содержат аминокислоту.
Другой целью изобретения является разработка способа получения комплексных соединений германия с ациклическими полиолами, которые дополнительно содержат гидроксикислоту.
Другой целью изобретения является разработка способа получения комплексных соединений германия с ациклическими полиолами, которые помимо оксикислоты дополнительно содержат катион металла 2 или 12 группы периодической системы, и которые необязательно могут быть представлены в форме этанольного сольвата. .
Другой целью изобретения является применение полученных комплексов германия с полиолами для профилактики или лечения полости рта от различных заболеваний, таких как гингивит, пародонтит и кариес зубов.
Заявленные цели достигаются тем, что предложены комплексные соединения германия, содержащие ациклические полиолы, которые дополнительно содержат аминокислоту или гидроксикислоту и необязательно дополнительно катион металлла, и состав которых описывается следующей структурной формулой (I):
a
b
c
Ge[L][A][M] (I)
2
n
2
где L – ациклический полиол общей формулы (HOCH[CH(OH)]CHOH), где n = 2, 3 или 4;
A – аминокислота или гидроксикислота;
M – катион металла 2 или 12 группы периодической системы;
a представляет собой целое или рациональное число от 1 до 2 включительно;
b = 1;
c = 0, когда A представляет собой аминокислоту, или с представляет собой целое или рациональное число от 0 до 1 включительно, когда A представляет собой гидроксикислоту;
причем когда A представляет собой гидроксикислоту и с не равно 0, указанное комплексное соединение необязательно представляет собой этанольный сольват;
при этом все L в комплексном соединении являются одинаковыми или разными.
Способ приготовления комплексных соединений германия структурной формулы (I)осуществляют взаимодействием диоксида германия с водным раствором ациклического полиола при нагревании. Далее полученное комплексное соединение вводят в реакцию с аминокислотой или гидроксикислотой и необязательно с оксидом или гидроксидом металла 2 или 12 группы периодической системы при нагревании в водном растворе.
Комплексные соединения германия структурной формулы (I) проявляют высокую биологическую активность. В частности, комплексные соединения германия настоящего изобретения полезны для профилактики или лечения различных заболеваний полости рта, таких как гингивит, пародонтит и кариес зубов.
Комплексные соединения германия настоящего изобретения представляют собой германий-органические соединения, содержащие в одной молекуле несколько биологически активных составляющих, таких как собственно германий, а также полиолы, аминокислоты, гидроксикислоты и катионы металлов, которые проявляет биологическую активность. Это обеспечивает предложенным соединениям высокую иммуностимулирующую активность. Наличие в комплексном соединении гидроксикарбоновой кислоты обеспечивает соединениям высокую растворимость в воде. На основе соединений настоящего изобретения может быть разработана эффективная противовоспалительная терапия для лечения, в частности, таких заболеваний, как гингивит, пародонтит, кровоточивость десен, периодонтит и т.д., для повседневного применения, позовляющая отказаться от использования антибактериальных средств, таких как хлоргексидин, триклозан или гекситидин и т.д.
Также на основе соединений настоящего изобретения возможно разработать ассортимент различных средств по уходу за полостью рта в зависимости от различных используемых органических лигандов, входящих в состав комплекса с германием. Например, использование лимонной кислоты в качестве одного из лигандов может оказывать дополнительное отбеливающее действие. Использование молочной кислоты при получении комплекса настоящего изобретения в качестве одного из лигандов может быть эффективным для укрепления тканей мягкой десны.
Краткое описание чертежей
1
2
Фиг. 1 – H ЯМР спектр в DO комплексного соединения германия, содержащего эритритол и цистеин.
1
2
Фиг. 2 – H ЯМР спектр в DO комплексного соединения германия, содержащего ксилитол и аргинин.
1
2
Фиг. 3 – H ЯМР спектр в DO комплексного соединения германия, содержащего сорбитол и треонин.
1
2
Фиг. 4 – H ЯМР спектр в DO комплексного соединения германия, содержащего сорбитол и миндальную кислоту.
1
2
Фиг. 5 – H ЯМР спектр в DO комплексного соединения германия, содержащего эритритол, яблочную кислоту и магний.
1
2
Фиг. 6 – H ЯМР спектр в DO комплексного соединения германия, содержащего сорбитол, винную кислоту и цинк.
Осуществление изобретения
Заявленные цели достигаются тем, что предложены комплексные соединения германия, содержащие ациклические полиолы, которые дополнительно содержат аминокислоту или гидроксикислоту, а также необязательно дополнительно содержат катион металлла 2 или 12 группы периодической системы, и состав которых описывается следующей структурной формулой (I):
a
b
c
Ge[L][A][M] (I)
2
n
2
где L – ациклический полиол общей формулы (HOCH[CH(OH)]CHOH), где n = 2, 3 или 4;
A – аминокислота или гидроксикислота;
M – катион металла 2 или 12 группы периодической системы;
a представляет собой целое или рациональное число от 1 до 2 включительно;
b = 1;
c = 0, когда A представляет собой аминокислоту, или с представляет собой целое или рациональное число от 0 до 1 включительно, когда A представляет собой гидроксикислоту;
причем когда A представляет собой гидроксикислоту и с не равно 0, указанное комплексное соединение необязательно представляет собой этанольный сольват;
при этом все L в комплексном соединении являются одинаковыми или разными.
В структурной формуле (I) a предпочтительно принимает значения 1 или 2; c предпочтительно принимает значения 0 или 1.
В качестве диоксида германия может быть использован диоксид германия с гексагональной кристаллической структурой, который не растворяется в воде и при смешивании с водой образует суспензию диоксида германия в воде.
В качестве ациклических полиолов с длиной цепи 4 (n=2), 5 (n=3) или 6 (n=4) атомов углерода предпочтительными являются эритритол, ксилитол или сорбитол, соответственно.
В качестве аминокислот предпочтительными аминокислотами являются α-аминокислоты.,. Однако это не исключает возможность использования и иных аминокислот, например не являющихся α-аминокислотами, а также α-аминокислот, отличных от указанных выше, в том числе аминокислот, не являющихся биогенными. Неограничивающий перечень аминокислот, полезных при осуществлении изобретения, включает глутаминовую кислоту, аспарагиновую кислоту, триптофан, метионин, фенилаланин, аргинин, лизин, треонин, цистеин. Наиболее предпочтительными аминокислотами являются аргинин, лизин, треонин, цистеин.
В качестве гидроксикислот предпочтительными являются яблочная, лимонная, винная, миндальная, молочная, салициловая, никотиновая кислоты. Однако это не исключает возможность использования и иных гидроксикислот, отличных от указанных выше. В целом, любые фармацевтически приемлемые, в частности, приемлемые для применения в ротовой полости гидроксикислоты могут быть полезными при соуществлении заявленного изобретения. Наиболее предпочтительными гидроксикислотами являются яблочная, лимонная, винная, миндальная.
Для введения катионов металла в комплексное соединение, может быть использован оксид или гидроксид металла 2 или 12 группы периодической системы. Предпочтительными металлами являются кальций, магний, цинк.
Способ по изобретению характеризуется тем, что к водной суспезии диоксида германия при перемешивании добавляют водный раствор ациклического полиола. Согласно способу может быть добавлен один ациклический полиол или  смесь нескольких различных ациклических полиолов. Смесь перемешивают при 70-100°С в течение 1-5 часов до получения прозрачного раствора. Далее к полученному раствору добавляют аминокислоту или гидроксикислоту, а также необязательно оксид/гидроксид металла 2 или 12 группы периодической систсемы, и смесь перемешивают при 60-90°С в течение 1-5 часов до получения прозрачного раствора целевого продукта. Затем раствор концентрируют путем отгонки части воды и осаждают продукт добавлением этилового спирта.
Для выделения комплексных соединений германия с ациклическими полиолами осадок выделяют из раствора фильтрацией или декантацией и затем сушат при нагревании под вакуумом для удаления остатков воды и спирта.
В том случае, когда комплексное соединение германия настоящего изобретения содержит в своем составе годроксикислоту и катион металла (с не равно 0), указанное комплексное соединение может быть необязательно представлено в форме этанольного сольвата. В предпочтительном воплощении комплекс настоящего изобретения находится в форме этанольного сольвата, когда с = 1.
Данное изобретение позволяет регулировать состав комплексного соединения германия и получать различные комбинации, которые включают ациклический полиол, аминокислоту или гидроксикислоту, а также необязательно  катион металла. Это является важным преимуществом предложенных комплексных соединений при их использовании для профилактики или лечения различных заболеваний полости рта, таких как гингивит, пародонтит, кариес зубов, поскольку позволяет получать соединения с увеличенной антибактериальной активностью.
Заявленный способ обеспечивает гибкость в получении комплексных соединений германия, содержащих ациклический полиол, аминокислоту или гидроксикислоту, а также необязательно катион металла, с различными комбинациями указанных компонентов в зависимости от потребностей и целей их последующего использования.
Более детально возможность получения по изобретению комплексных соединений германия с ациклическими полиолами продемонстрирована в приведенных ниже примерах осуществления изобретения, которые, однако, служат исключительно для целей иллюстрации, но не для целей ограничения объема притязаний, который определяется прилагаемой формулой изобретения.
Пример 1.
2
2
2
2
2
2
2
4
10
4
2
3
7
2
В 4-х горлую круглодонную колбу объемом 0,5 л, снабженную мешалкой и термометром, загружают 200 мл дистиллированной воды и 3,13 г диоксида германия, GeO. К водной суспензии диоксида германия, при перемешивании и нагревании, добавляют 100 мл водного раствора полиола, содержащего 7,32 г эритритола, HOCH(CHOH)CHOH. Суспензию перемешивают при 90-95°С в течение 2 часов до образования прозрачного раствора. Далее добавляют 3,63 г цистеина, HOCCH(NH)CHSH и перемешивают в течение 1 часа при 80-90°С. Полученный водный раствор олаждают до комнатной температуры, фильтруют и концентрируют, удаляя большую часть воды на роторном испарителе. Из водного концентрата осаждают продукт добавлением этилового спирта в соотношении 1:5 по объему. Осадок выделяют и сушат на роторном испарителе для удаления остатков воды и спирта. Получают 12 г порошка комплесного соединения германия с эритритолом и аминокислотой, Ge[CHO][CHNOS]. Соединение хорошо растворимо в воде, 2% раствор имеет рН 6,6. ЯМР-спектр полученного соединения представлен на Фиг. 1.
Элементный анализ:
расч.:  C 30,14 H 6,16 N 3,20 S 7,32 Ge 16,57
обнаруж.: C 30,06 H 6,05 N 3,14 S 7,24 Ge 16,45
Пример 2.
2
2
3
2
2
2
3
2
5
12
5
6
14
4
2
В 4-х горлую круглодонную колбу объемом 0,5 л, снабженную мешалкой и термометром, загружают 200 мл дистиллированной воды и 3,13 г диоксида германия, GeO. К суспензии диоксида германия добавляют 100 мл водного раствора полиола, содержащего 4,56 г ксилитола, HOCH(CHOH)CHOH. Суспензию перемешивают при 90°С в течение 3 часов до образования прозрачного раствора. Далее добавляют 50 мл водного раствора аминокислоты, содержащего 5,22 г аргинина, HN=C(NH)NH(CH)CH(NH)COOH, и перемешивают в течение 1 часа при 80-90°С. Выделение продукта осуществляют по аналогии с примером 1. Получают 9 г порошка комплесного соединения германия с ксилитолом и аминокислотой, Ge[CHO][CHNO]. Соединение хорошо растворимо в воде, 2% раствор имеет рН 8,9. ЯМР-спектр полученного соединения представлен на Фиг. 2.
Элементный анализ:
расч.:  C 33,08 H 6,52 N 14,03 Ge 18,20
обнаруж.: C 33,01 H 6,45 N 13,97 Ge 18,09
Пример 3.
2
2
4
2
2
2
3
6
14
6
4
9
3
В 4-х горлую круглодонную колбу объемом 0,5 л, снабженную мешалкой и термометром, загружают 200 мл дистиллированной воды и 3,13 г диоксида германия, GeO. К суспензии диоксида германия добавляют 100 мл водного раствора полиола, содержащего 5,46 г сорбитола, HOCH(CHOH)CHOH. Суспензию перемешивают при 90°С в течение 3 часов. Образовавшийся прозрачный раствор охлаждают до 80°С  и добавляют 50 мл водного раствора аминокислоты, содержащего 3,57 г треонина, HOCCH(NH)CH(OH)CH, и перемешивают в течение 2 часов при 80°С. Выделение продукта осуществляют по аналогии с примером 1. Получают 9,5 г порошка комплесного соединения германия с сорбитолом и аминокислотой, Ge[CHO][CHNO]. Соединение хорошо растворимо в воде, 2% раствор имеет рН 5,6. ЯМР-спектр полученного соединения представлен на Фиг. 3.
Элементный анализ:
расч.:  C 32,08 H 6,15 N 3,74 Ge 19,41
обнаруж.: C 32,01 H 6,04 N 3,66 Ge 19,26
Пример 4.
2
6
5
6
14
6
8
8
3
В 4-х горлую круглодонную колбу объемом 0,5 л, снабженную мешалкой и термометром, загружают 200 мл дистиллированной воды и 3,13 г диоксида германия, GeO. К суспензии диоксида германия добавляют 100 мл водного раствора полиола, содержащего 5,46 г сорбитола. Суспензию перемешивают при 90°С в течение 3 часов. К образовавшемуся прозрачному раствору добавляют 50 мл водного раствора, содержащего 4,56 г миндальной кислоты, СHCH(OH)COOH и перемешивают в течение 1 часа при 80-90°С. Выделение продукта осуществляют по аналогии с примером 1. Получают 9,9 г порошка комплесного соединения германия с сорбитолом и гидроксикислотой, Ge[CHO][CHO]. Соединение хорошо растворимо в воде, 2% раствор имеет рН 2,0. ЯМР-спектр полученного соединения представлен на Фиг. 4.
Элементный анализ:
расч.:  C 41,28 H 5,40 Ge 17,84
обнаруж.: C 41,19 H 5,31 Ge 17,70
Пример 5.
2
4
10
4
4
4
5
2
5
В 4-х горлую круглодонную колбу объемом 0,5 л, снабженную мешалкой и термометром, загружают 200 мл дистиллированной воды и 3,13 г диоксида германия, GeO. К суспензии диоксида германия добавляют 100 мл водного раствора полиола, содержащего 7,32 г эритритола. Суспензию перемешивают при 90°С в течение 3 часов. К образовавшемуся прозрачному раствору добавляют 50 мл водного раствора, содержащего 4,02 г яблочной кислоты и перемешивают в течение 1 часа при 70-80°С. Далее вводят 1,2 г оксида магния, MgO и перемешивают 1 час при 70-80°С. Выделение продукта осуществляют по аналогии с примером 1. Получают 9,4 г порошка комплесного соединения германия в форме этанольного сольвата, содержащего эритритол, яблочную кислоту и магний, Ge[CHO][CHO]Mg×0,7CHOH. Соединение хорошо растворимо в воде, 2% раствор имеет рН 5,3. ЯМР-спектр полученного соединения представлен на Фиг. 5.
Элементный анализ:
расч.:  C 29,45 H 4,75 Ge 18,95 Mg 6.26
обнаруж.: C 29,38 H 4,70 Ge 18,78 Mg 6.13
Пример 6.
2
6
14
6
4
4
6
2
5
В 4-х горлую круглодонную колбу объемом 0,5 л, снабженную мешалкой и термометром, загружают 200 мл дистиллированной воды и 3,13 г диоксида германия, GeO. К суспензии диоксида германия добавляют 100 мл водного раствора полиола, содержащего 10,92 г сорбитола. Суспензию перемешивают при 90°С в течение 3 часов. К образовавшемуся прозрачному раствору добавляют 50 мл водного раствора, содержащего 4,5 г винной кислоты и перемешивают в течение 1 часа при 70-80°С. Далее вводят 2,44 г оксида цинка, ZnO и перемешивают 1 час при 70-80°С. Выделение продукта осуществляют по аналогии с примером 1. Получают 14,3 г порошка комплесного соединения германия в форме этанольного сольвата, содержащего сорбитол, винную кислоту и цинк, Ge[CHO][CHO]Zn×0,6CHOH. Соединение хорошо растворимо в воде и 2% раствор имеет рН 6,2. ЯМР-спектр полученного соединения представлен на Фиг. 6.
Элементный анализ:
расч.:  C 27,10 H 4,35 Ge 14,64 Zn 16,41
обнаруж.: C 27,02 H 4,40 Ge 14,49 Zn 16,28