Фармакологически активные полиолаты кремния и титана и гидрогели на их основе: синтез, свойства, применение
На правах рукописи
Хонина Татьяна Григорьевна ФАРМАКОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫЕ ПОЛИОЛАТЫ КРЕМНИЯ И ТИТАНА И ГИДРОГЕЛИ НА ИХ ОСНОВЕ:
СИНТЕЗ, СВОЙСТВА, ПРИМЕНЕНИЕ Специальность 14.04.02 – фармацевтическая химия, фармакогнозия
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора химических наук
Казань – 2012
Работа выполнена в ФГБУН Институте органического синтеза им. И.Я. Постовского Уральского отделения Российской академии наук, г. Екатеринбург.
Научный консультант доктор химических наук, академик РАН Чупахин Олег Николаевич
Официальные оппоненты: Мельникова Нина Борисовна доктор химических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Нижегородская государственная медицинская академия», зав.
кафедрой фармацевтической химии и фармакогнозии (г. Нижний Новгород) Халиуллин Феркат Адельзянович доктор фармацевтических наук, профессор, ГБОУ ВПО «Башкирский государственный медицинский университет», зав. кафедрой фармацевтической химии (г. Уфа) Краснов Виктор Павлович доктор химических наук, профессор, ФГБУН Институт органического синтеза им.
И.Я. Постовского Уральского отделения Российской академии наук, зав. лабораторией асимметрического синтеза (г. Екатеринбург) Ведущая организация ГБОУ ВПО «Пермская государственная фармацевтическая академия» (г. Пермь)
Защита диссертации состоится «30» мая 2012 г. в 1400 на заседании диссертационного совета Д 212.080.07 в ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет» по адресу: 420015, Казань, ул. К. Маркса, 68, зал заседаний ученого совета.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет».
Автореферат разослан _ 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Нугуманова Гульнара Наиловна
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Известно, что кремний является эссенциальным элементом нормального функционирования организма человека. Он присутствует практически во всех органах и тканях, особенно богата кремнием соединительная ткань. Кремний является структурным компонентом в составе мукополисахаридов и их белковых комплексов, образующих остов соединительной ткани и определяющих ее механическую прочность, эластичность и упругость. Кремний способствует биосинтезу коллагена и образованию костной ткани, играет существенную роль в метаболических процессах, препятствует отложению холестерина на стенках кровеносных сосудов. К настоящему времени накоплен огромный экспериментальный материал по поиску и созданию различных типов и классов биологически активных кремнийорганических соединений – потенциальных лекарственных препаратов. Перспективным классом являются органические соединения кремния, содержащие SiOC группировки, в частности, полиолаты кремния;
некоторые из них были внедрены в медицинскую и ветеринарную практику, в основном, как средства для местного и наружного применения с ранозаживляющим, регенерирующим и противовоспалительным действием.
Титан, не являясь эссенциальным элементом, также играет определенную роль в жизнедеятельности организма: он необходим для построения и регенерации эпителиальной и костной тканей, стимулирует ферментативную активность крови и защитную функцию макрофагов, участвует в процессах кроветворения. Известны отечественные титансодержащие препараты – тизоль и эфтидерм – гели на основе глицеролатов титана. Они включены в Государственный реестр лекарственных средств;
используются в виде самостоятельных лекарственных средств или в качестве основ фармацевтических композиций для местного и наружного применения, обладающих противовоспалительной, транскутанной и дерматопротекторной активностью.
Из вышеизложенного следует, что создание лекарственных средств на основе органических соединений кремния и титана, а именно, полиолатов кремния и титана, имеет под собой совершенно определенную как биохимическую, так и фармакологическую основу. Актуальность разработки отечественных лекарственных средств подтверждается принятой Правительством РФ Стратегией и Федеральной целевой программой развития фармацевтической промышленности в России «Фарма 2020».
С другой стороны, исследования полиолатов кремния и титана как биосовместимых прекурсоров в процессе образования гидрогелей (золь-гель процесс) представляются весьма актуальными в плане установления закономерностей, механизма образования, а также взаимосвязи состава, строения с их физико-химическими свойствами и биологической активностью. В мировой научной литературе золь-гель процесс для полиолатных кремний- и титансодержащих прекурсоров, в отличие от алкоксильных, практически не исследован.
Настоящая работа выполнена как часть плановых научно-исследовательских работ, проводимых в Институте органического синтеза им. И.Я. Постовского УрО РАН (ИОС УрО РАН) по темам: «Синтез и изучение взаимосвязи строения и свойств функциональных мономерных и олигомерных соединений переходных металлов в качестве реагентов и/или катализаторов в реакциях органических и кремнийорганических соединений и процессах получения сетчатых полимеров» (гос. рег. № 01.2.00 105147) и «Разработка методов синтеза, изучение процессов формирования структур наноразмерных органических и органо-неорганических материалов с целью создания биологически активных веществ и практически полезных продуктов» (гос. рег. № 01.2.00 950737).
Актуальность работы подтверждена финансовой поддержкой ряда проектов и государственных контрактов (под руководством автора):
– проект РФФИ р_офи 07-03-97638 (2007–2008 г.г.) «Синтез и исследование новых биологически активных кремний- и кремнийтитанорганических гидрогелей для фармацевтических композиций местного применения»;
– проект РФФИ р_урал_10-03-96072 (2010–2012 г.г.) «Исследование закономерностей, механизма образования и структуры биологически активных полиолатов кремния и гидрогелей на их основе»;
– гос. контракт 3403р/5842 «Старт-05» (2005–2007 г.г.) «Cоздание новой лекарственной субстанции и гелевого препарата для местного и наружного применения, организация выпуска, внедрение в медицину, фармацию и косметологию»;
– гос. контракты Правительства Свердловской области «Разработка и внедрение новых гелевых медицинских и лечебно-косметических препаратов для местного и наружного применения»: ЛС-26 от 29.09.2008;
ЛС-14 от 24.08.2009;
ГК-ЛС/6 от 03.11.2010.
Цель работы. Направленный синтез фармакологически активных кремний- и кремнийтитансодержащих полиолатов и гидрогелей на их основе в качестве лекарственных средств для местного и наружного применения, изучение физико химических закономерностей реакций их образования, исследование состава, строения и свойств.
Конкретные задачи работы.
1. Изучение физико-химических закономерностей реакций расщепления группировки SiOC в (алкил)алкоксисиланах спиртами, сложными эфирами, ацилоксисиланами, полисилоксанами в присутствии алкоксильных производных титана различного строения.
2. Cинтез фармакологически активных кремний- и кремнийтитансодержащих полиолатов и гидрогелей на их основе;
изучение состава, строения и свойств синтезированных продуктов;
исследование физико-химических закономерностей и механизма реакций их образования.
3. Проведение комплекса первичных токсикологических и фармакологических исследований в Уральской государственной медицинской академии (УГМА), выбор наиболее перспективных из синтезированных продуктов для углубленного изучения с целью сертификации и последующего внедрения в медицинскую и ветеринарную практику.
4. Разработка методов качественного (подлинность) и количественного анализа активных компонентов, примесей в кремний- и кремнийтитансодержащих производных полиолов, а также полного пакета нормативно-технической документации на кремнийсодержащую гелевую субстанцию – (2,3-диоксипропил)-орто-силиката глицерогидрогель и препарат «Силативит» (средство для местного и наружного применения) для предоставления в Федеральное государственное бюджетное учреждение Научный центр экспертизы средств медицинского применения (ФГБУ НЦ ЭСМП) Росздрава с целью сертификации. Разработка основной нормативно-технической документации на комбинированную кремнийтитансодержащую гелевую субстанцию – (2,3-диоксипропил)-орто-силикаттитаната глицерогидрогель, а также водорастворимые диметилглицеролаты кремния.
5. Разработка составов новых фармацевтических композиций с ранозаживляющей, регенерирующей, транскутанной и трансмукозной активностью на основе наиболее перспективных синтезированных субстанций для медицины и ветеринарии.
Научная новизна.
1. Разработаны методологические подходы к синтезу кремний- и кремнийтитансодержащих репарантов-регенерантов из класса полиолатов. Методами препаративного органического синтеза, физико-химическими методами и кинетическими исследованиями установлены основные физико-химические закономерности реакций расщепления Si–O–C группировки в (алкил)алкоксисиланах спиртами, сложными эфирами, ацилоксисиланами, силоксанами в присутствии алкоксильных производных титана. Изучены состав, строение и свойства полиолатов кремния и титана – новых фармацевтических субстанций или прекурсоров для их получения в золь-гель процессе.
2. Развиты теоретические и экспериментальные подходы к созданию гидрогелей медицинского назначения (золь-гель технология). Изучены физико-химические аспекты превращений полиолатов кремния и титана в водных средах, особенности состава (фазового и химического) и строения компонентов глицерогидрогелей.
3. В эксперименте на животных in vivo и in vitro показано ранозаживляющее, регенерирующее, транскутанное и трансмукозное действие новых фармацевтических кремний- и кремнийтитансодержащих субстанций. Установлена связь: состав, строение – фармакологическая активность;
определена острая и хроническая токсичность синтезированных веществ.
4. Теоретически и экспериментально обоснованы составы новых фармацевтических композиций для местного и наружного применения в медицине и ветеринарии (все разработки защищены патентами РФ).
5. Разработана методика количественного определения содержания нормированных компонентов (кремний, титан) в новых фармацевтических субстанциях.
Практическая значимость и внедрение результатов работы.
1. Разработан кремнийсодержащий глицерогидрогель «Силативит», проявляющий выраженную ранозаживляющую, регенерирующую, транскутанную и трансмукозную активность. Составлен полный пакет нормативно-технической документации на субстанцию глицерогидрогель и препарат (2,3-диоксипропил)-орто-силиката «Силативит», включая Фармакопейные статьи предприятия (ФСП), отчет о доклинических исследованиях, протокол клинических испытаний. В настоящее время препарат «Силативит» проходит экспертизу в ФГБУ НЦ ЭСМП Минздравсоцразвития России в качестве средства для лечения воспалительных стоматологических заболеваний;
получено разрешение Комитета по этике на проведение клинических испытаний (выписка из протокола № 72 от 23 июня 2010 г.);
завершена I фаза клинических исследований.
2. Разработан комбинированный кремнийтитансодержащий глицерогидрогель, проявляющий повышенную транскутанную активность, а также антиоксидантное и цитопротекторное действие. Показана безопасность применения;
подготовлен отчет о доклинических испытаниях. Разработан проект ФСП на субстанцию – (2,3-диоксипропил) орто-силикаттитаната глицерогидрогель.
3. Разработаны водорастворимые диметилглицеролаты кремния, проявляющие повышенную ранозаживляющую, регенерирующую и трансмукозную активность, перспективные для использования в виде жидкой лекарственной формы. Показана безопасность применения;
подготовлен отчет о доклинических испытаниях.
4. Проведен основной цикл доклинических исследований и предварительные клинические испытания новых фармацевтических композиций с использованием кремний и кремнийтитансодержащих субстанций для лечения различных заболеваний кожи, мягких тканей и слизистых оболочек организма человека и животных;
показана высокая эффективность действия.
Положения, выносимые на защиту.
1. Направленный синтез кремний- и кремнийтитансодержащих полиолатов и гидрогелей на их основе с заданным комплексом физико-химических и медико биологических свойств.
2. Разработка методик качественного анализа и количественного определения активных компонентов и примесей в кремний- и кремнийтитансодержащих производных полиолов;
стандартизация и разработка полного пакета нормативно-технической документации на кремнийсодержащий глицерогидрогель – субстанцию и препарат «Cилативит» – для предоставления в ФГБУ НЦ ЭСМП Росздрава с целью сертификации.
3. Разработка составов новых фармацевтических композиций на основе синтезированных субстанций с ранозаживляющим, регенерирующим, транскутанным или трансмукозным действием для медицины и ветеринарии.
Конкретное участие автора в получении научных результатов заключается в составлении литературного обзора, разработке методологических подходов к синтезу кремний- и кремнийтитансодержащих репарантов-регенерантов, выполнении в полном объеме химического эксперимента, разработке составов новых фармацевтических композиций, анализе и систематизации полученных данных;
составлении научно технической документации для сертификации наиболее перспективных разработок.
Фармакологические исследования проведены в УГМА на кафедре фармакологии под руководством и при непосредственном участии д.м.н., проф. Ларионова Л.П. и в Центре военно-технических проблем биологической защиты НИИ микробиологии Министерства обороны РФ. Клинические исследования препарата «Силативит» выполнены в многопрофильной стоматологической клинике при УГМА.
Разработка фармацевтических композиций выполнена совместно с сотрудниками УГМА и Уральской государственной сельскохозяйственной академии (УрГСХА).
Апробация результатов исследования. Материалы диссертации представлены на 9-и международных и 19-и российских конференциях, в том числе, в виде 5-и пленарных докладов:
Международной научно-практической конференции «Фармация и здоровье» (Пермь, 2005), V Международной конференции «Клинические исследования лекарственных средств» (Москва, 2005), I–III China-Russia (Russian-Chinese) International Conferences on Pharmacology (Harbin, Perm, 2005, 2006, 2008), Международной научно-практической конференции «Современные проблемы ветеринарного обеспечения репродуктивного здоровья животных» (Воронеж, 2009), II Международной конференции «Техническая химия. От теории к практике» (Пермь, 2010), IX Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2010), II Конгрессе Международного общества клинических фармакологов и фармацевтов стран СНГ (Москва, 2010), Российской научно-практической конференции «Рациональное использование лекарств» (Пермь, 2004), X и XI Андриановских конференциях «Кремнийорганические соединения: синтез, свойства, применение» (Москва, 2005, 2010), V–VIII Всероссийских конференциях «Химия и медицина» (Уфа, 2005, 2007, 2009, 2010), Российской научно практической конференции «Достижения и перспективы в области создания новых лекарственных средств» (Пермь, 2007), симпозиуме «Фундаментальные науки новым лекарствам» (Москва, 2008), Всероссийском конгрессе «Профилактика и лечение заболеваний пародонта. Проблемы стоматологии и их решение с помощью современных технологий» (Екатеринбург, 2008), конференции «Фармация и общественное здоровье» (Екатеринбург, 2009, 2010, 2011), III Всероссийской конференции «Масс-спектрометрия и ее прикладные проблемы» (Москва, 2009), Научно-практической конференции «Достижения клинической фармакологии в России» (Москва, 2009), IV Съезде физиологов Урала (Екатеринбург, 2009), XVII Российском национальном конгрессе «Человек и лекарство» (Москва, 2010), Первой Всероссийской конференции «Золь-гель синтез и исследование неорганических соединений, гибридных функциональных материалов и дисперсных систем симпозиуме (Золь-гель-2010)» (Санкт-Петербург, 2010), «Теоретическая, синтетическая, биологическая и прикладная химия элементорганических соединений» (Санкт-Петербург, 2011).
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 31 статья в рецензируемых российских и зарубежных журналах, монография, 2 главы в коллективной монографии, 12 статей в сборниках научных трудов, получено 18 патентов РФ. Всего по теме диссертации опубликовано 94 работы.
Объем и структура диссертации. Объем диссертации 291 страница. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, обсуждения результатов (8 разделов), экспериментальной части, выводов, списка цитируемой литературы (302 наименования) и приложений. В литературном обзоре рассмотрены органические соединения титана как катализаторы реакций (алкил)алкоксисиланов, основные методы синтеза и особенности строения полиолатов кремния и титана, их использование в золь-гель процессе в сравнении с алкоксильными производными, а также краткие литературные сведения о фармакологически активных органических соединениях кремния и титана, содержащих соответственно SiOC и TiOC группировки.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
1. Методы и подходы, использованные в ходе выполнения работы В работе использован комплексный подход к решению поставленных задач, включающий изучение каталитических свойств органических соединений титана и их химических превращений в реакциях (алкил)алкоксисиланов;
исследование реакций образования новых кремний- и кремнийтитансодержащих производных полиолов и их химических превращений как в процессе синтеза, так и в процессе получения гидрогелей;
изучение физико-химических и фармакологических свойств синтезированных веществ, включая разработку методики и исследование транскутанной и трансмукозной активности.
Реализация возможностей такого подхода позволяет установить связь между составом, строением и свойствами кремнийтитансодержащих производных полиолов и осуществлять получение продуктов с заданными свойствами.
В работе были использованы следующие аналитические методы: элементный анализ (элементный анализатор PE 2400 серия II CHNS-O EA 1108 фирмы Perkin Elmer);
ИК спектроскопия (ИК-Фурье спектрометры Spectrum One фирмы Perkin Elmer и Nicolett фирмы Thermo Scientific);
УФ спектроскопия (спектрофотометр UV-2401 фирмы Shimadzu) газо-жидкостная хроматография (газо-жидкостный хроматограф GC 2010 с пламенно-ионизационным детектором фирмы Shimadzu) и хроматомасс-спектрометрия с электронной и химической ионизацией (газо-жидкостный хроматограф Agilent 7890A с масс-спектрометрическим детектором 5975С Inert XL фирмы Agilient Technologies);
масс спектрометрия с электрораспылительной ионизацией (жидкостный хроматомасс спектрометр LCMS-2010 фирмы Shimadzu);
спектроскопия ЯМР 1Н, 13С, 29Si (спектрометр AVANCE DRX-400 фирмы Bruker);
электронная микроскопия (сканирующий электронный микроскоп BS-301 фирмы Tesla);
рентгенофазовый анализ (дифрактометр STADI-P фирмы STOE & Cie GmbH);
атомно-эмиссионная спектрофотомерия (спектрофотометр Оptima 4300 DV фирмы Perkin Elmer);
вискозиметрия (вискозиметр ротационного типа Viscotester (VT)550 фирмы НААКЕ);
методы электрофоретического и динамического рассеяния света (универсальный анализатор ZetaPlus фирмы Brookhaven);
термогравиметрический анализ (дериватограф ОД-102 фирмы МОМ);
рефрактометрия (рефрактометр ИРФ-456 фирмы Карат-МТ).
Доклинические исследования проведены согласно Руководству по экспериментальному (доклиническому) изучению новых фармакологических веществ (под ред. Р.У. Хабриева, М.: Медицина, 2005). Стандартизация новых разрабатываемых лекарственных средств проведена в соответствии с ОСТ 91500.05.001-00 и Государственной фармакопеей (ГФ) РФ, XII изд., ч.1 и 2, М.: Медицина, 2010).
2. Алкоксильные производные титана в реакциях функциональных органосиланов, содержащих SiOC-группировки Алкоксильные производные титана, в основном, тетраалкоксиды, находят широкое применение в органической химии в качестве реагентов и катализаторов, например, в таких классических реакциях как этерификация и переэтерификация. При этом в отличие от алкоксильных производных кремния (алкоксисиланов) они обладают более высокой реакционной способностью, а также проявляют высокую каталитическую активность, что связано со способностью атома титана к комплексообразованию.
Сведения об использовании алкоксидов титана в качестве катализаторов реакций кремнийорганических соединений крайне ограничены, носят, как правило, патентный характер и касаются, в основном, реакций отверждения гидроксилсодержащих силоксановых каучуков. В то же время хорошо известно взаимодействие алкоксильных производных титана с функциональными органосиланами, например, гетерофункциональная конденсация с ацилоксисиланами или расщепление силоксановой связи в полисилоксанах.
Нами были исследованы реакции (алкил)алкоксисиланов со спиртами – алкоголиз (1), сложными эфирами – переэтерификация (2), взаимодействие с ацилоксисиланами – гетерофункциональная конденсация (3) и полисилоксанами (4) (схема 1) в присутствии алкоксильных производных титана различного строения (табл. 1). Как видно из таблицы, они отличаются характером заместителя у атома титана (индуктивным и стерическим эффектами), а также координационным состоянием атома титана.
При рассмотрении каждой из приведенных на схеме 1 реакций было исследовано влияние строения алкоксильных производных титана на их каталитическую активность, строения реагентов на реакционную способность;
изучены возможные химические превращения алкоксидов титана в процессе реакции, включая реакции, моделирующие эти превращения;
изучены комплексообразование с целью подтверждения предлагаемого механизма каталитического действия, а также кинетика и равновесие в реакциях;
разработаны препаративные методики получения целевых продуктов.
Схема SiOR + ROH SiOR + RCOOR (2) (1) + ROH + RCOOR SiOR (3) + SiOСOR (4) + [SiMe2O] Me2Si(OR)2 + [Si(OR)O1,5] SiOSi + ROCOR R, R, R, R – Alk Таблица 1 Алкоксильные производные титана в реакциях функциональных органосиланов Алкоксиды титана Формула Тетраалкоксиды титана Ti(OR)4, где R = Et, Pr, s-Pr, Bu, s-Bu, t-Bu Алкоксититанхлориды (RO)4nTiCln, где n = 1– Алкоксититанацилаты Ti(OR)4n(OCOR)n, где n = 1, 2, R = Me, C6H4COOBu Бис(хелат)диалкоксититаны Ch2Ti(OR)2, где Ch = acac, oxinate Полититаноксаны BuO[Ti(OBu)2O]5Bu 2.1. Алкоксильные производные титана в реакции алкоголиза этоксисиланов Реакцию алкоголиза (схема 1, реакция 1) изучали на примере взаимодействия этоксисиланов с бутанолом, протекающего с образованием соответствующих бутоксисиланов (схема 2).
Схема кат.
RnSi(OEt)4–n + (4 n)BuOH RnSi(OBu)4n + (4 n)EtOH n = 0, n = 1, R = Me, Et;
n = 2, R = Me Реакцию проводили до достижения в системе равновесного состояния, при стехиометрическом соотношении реагентов, концентрации алкоксильных производных титана 0,015 моль на моль BuOH, температуре 20°С. О каталитической активности алкоксидов титана судили по кинетическим данным (величинам начальных скоростей реакции, 0·104, с1). Анализ реакционных смесей при кинетических исследованиях проводили методом газо-жидкостной хроматографии (ГЖХ).
На основании кинетических исследований установлено, что все исследуемые алкоксильные производные титана по уменьшению каталитической активности можно расположить в ряд (0·104, с1):
Ti(OBu)Cl3 (9,5) Ti(OBu)2Cl2 (4,5) Ti(OBu)3Cl (3,1) Ti(OR)4 (2,2) (BuO)12Ti5O4 (1,5) Ti(OBu)3OCOMe (0,51) Ti(OBu)2(OCOMe)2 (0,45) Ti(OBu)2(OCOC6H4COOBu)2 = Ti(OBu)2(acac)2 (0,38).
Независимо от природы R тетраалкоксиды Ti(OR)4 одинаково ускоряют реакцию.
Практически такую же активность проявляет полититаноксан (BuO)12Ti5O4. По мере замещения бутоксигрупп у атома титана на атомы хлора каталитическая активность возрастает. Замещение бутоксигрупп на ацильные и хелатные группы приводит к значительному снижению каталитической активности: фталат Ti(OBu)2(OCOC6H4COOBu) и хелат Ti(OBu)2(acac)2 малоактивны. В отсутствие катализатора реакция не имеет места.
Установлено также, что по каталитической активности тетрабутоксититан Ti(OBu) превосходит один из распространенных катализаторов реакции алкоголиза алкоксисиланов KF. В то же время катализ HCl значительно активнее и сопоставим с TiCl4. Следует отметить, что достигаемое в исследуемой системе равновесное состояние характеризуется ~ 55%-ой конверсией BuOH, что соответствует преимущественному образованию продукта дизамещения Si(OEt)2(OBu)2.
Для объяснения полученных результатов мы исходили из возможного образования каталитических комплексов А и Б, включающих молекулы алкоксисилана, спирта и алкоксида титана (схема 3). Эта схема основана на эффектах координации атомов титана и кремния с кислородом и образовании водородной связи.
Схема Bu Bu O O Ti H Ti H SiOBu + EtOH + TiOBu OBu OEt BuO OEt Si Si А SiOEt + BuOH + TiOBu Et Et O O Ti Si Ti Si SiOBu + BuOH + TiOEt OBu OBu BuO OBu H H Б TiOBu + EtOH Одинаковая каталитическая активность тетраалкоксидов титана является следствием легко протекающего обмена алкокси-групп при их взаимодействии со спиртами (схема 4).
Схема Ti(OR)4 + nBuOH Ti(OR)4n(OBu)n + nROH При большом избытке бутанола это приводит к образованию одного и того же продукта – Ti(OBu)4, участвующего в образовании промежуточных каталитических комплексов А и Б. Высокая каталитическая активность трихлорида Ti(OBu)Cl объясняется частичным замещением атомов хлора на бутокси-группы при взаимодействии со спиртом, при этом в обычных условиях реакция идет до образования дихлорида Ti(OBu)2Cl2 (схема 5). Образующийся НСl является высоко активным катализатором алкоголиза алкоксисиланов, и его влияние на реакцию является преобладающим.
Схема Ti(OBu)Cl3 + BuOH Ti(OBu)2Cl2 + HCl В случае хелатов в растворах осуществляется равновесие по схеме 6.
Схема Ti(OR)2Ch2 + nROH Ti(OR)2+nCh2n + nChH n = 1, 2;
Ch = acac, oxinate Образующиеся монохелат и тетраалкоксид титана имеют соответственно координационные числа 5 и 4 и способны принимать участие в образовании каталитических комплексов согласно схеме 3. Аналогично низкая каталитическая активность ацилатов титана является следствием координационной насыщенности атомов титана в этих соединениях.
Для подтверждения предложенного механизма (схема 3) методами рефрактометрии и волюмометрии было исследовано комплексообразование в системе тетрабутоксититан Ti(OBu)4 бутоксисиланы Me4nSi(OBu)n (n = 1–4) во всей области составов. На рисунке представлены изотермы отклонений от аддитивности показателя преломления n и плотности d в зависимости от состава смеси, выраженного в объемных процентах (рис.
1а), а для изотермы отклонения псевдомольного объема – от состава смеси, выраженного в мольных процентах (рис. 1б).
а б 15 15 d425103, nD25103 –, г/см3 м /моль 10 5 0 0 0 50 0 50 Si(OBu)4 Ti(OBu)4 Ti(OBu)4 Si(OBu) Si(OBu)4 4 Ti(OBu) мол% об% Рисунок 1 – Изотермы отклонения для системы Ti(OBu)4 – Si(OBu)4: 1 – плотности d425, – показателя преломления nD25, 3 – псевдомольного объема, 25°С Из рисунка 1 видно, что в системе Ti(OBu)4 – Si(OBu)4 изотермы отклонения плотности и псевдомольного объема имеют ярко выраженный экстремум при ~ 33 мол.% Ti(OBu)4. В этой же области находится максимум отклонения показателя преломления, однако его величина лишь незначительно превышает погрешность измерения. Полученные данные в совокупности свидетельствуют об образовании комплекса Ti(OBu)4 с Si(OBu)4 в мольном соотношении 1:2. В системах с метилбутоксисиланами Me4nSi(OBu)n (n = 1–3) изотермы отклонений свойств имеют плавный характер и находятся в пределах ошибки опыта, что не позволяет с достоверностью судить о наличие комплексообразования.
Наиболее вероятно, что комплексообразование между Ti(OBu)4 и Si(OBu) осуществляется за счет донорно-акцепторного взаимодействия между атомом титана и атомом кислорода силоксановой связи, что обусловлено высокой электроноакцепторной способностью атомов титана и значительной нуклеофильностью атомов кислорода силоксановой связи. Между тем нельзя исключить и возможность донорно-акцепторного взаимодействия с участием атома кремния и атома кислорода титаноксановой связи.
Ti O Si Ti O Si С предложенным механизмом влияния катализатора на реакцию хорошо согласуется и влияние строения (метил)этоксисиланов на их реакционную способность: по мере замещения этоксигрупп на метильные реакционная способность снижается;
наименее активен диметилдиэтоксисилан Me2Si(OEt)2, что также подтверждено кинетическими исследованиями и методами препаративного синтеза.
В препаративных синтезах реакцию проводили в присутствии Ti(OBu)4, при температуре кипения реакционной массы и избытке бутанола, в неравновесных условиях, сдвигая равновесие в сторону полнозамещенных продуктов путем удаления образующегося EtOH. По количеству выделившегося этанола определяли конверсию реагентов, которая во всех случаях была близка к 100% и не зависила от реакционной способности исходных (метил)этоксисисиланов.
Таким образом, установлено, что независимо от строения тетраалкоксиды титана эффективно ускоряют реакцию алкоголиза и могут быть с успехом использованы в препаративных целях, в том числе, и с многоатомными спиртами (полиолами).
2.2. Переэтерификация этоксисиланов бутилацетатом в присутствии алкоксильных производных титана Переэтерификация алкоксисиланов сложными эфирами (схема 1, реакция 2), приводящая к образованию новых алкоксисиланов, протекает в присутствии самых разнообразных катализаторов (кислот, оснований, галогенидов металлов и др.).
Литературных данных, указывающих на каталитическую активность алкоксильных производных титана в этой реакции, не обнаружено.
Реакцию изучали на примере взаимодействия этоксисиланов с бутилацетатом с образованием соответствующих бутоксисиланов по схеме 7 таких же, что и по реакции алкоголиза (схема 2).
Схема кат.
RnSi(OEt)4n + (4 n)AcOBu RnSi(OBu)4n + (4 n)AcOEt n = 0, n = 1, R = Me, Et;
n = 2, R = Me При выборе объектов исследования мы исходили из возможности сравнения наших результатов с полученными при исследовании реакции алкоголиза.
Влияние алкоксидов титана на реакцию изучали путем сопоставления кинетических данных (величин начальных скоростей реакции, 0·105, с1), полученных в условиях достижения в системе равновесного состояния, при стехиометрическом соотношении реагентов, концентрации алкоксидов титана 0,015 моль на моль бутилацетата, температуре 85°С. Концентрацию образующегося в реакции этилацетата АсОEt определяли методом ГЖХ.
Было установлено, что исследованные алкоксильные производные титана, за исключением ацильных и хелатированных производных, активно ускоряют реакцию, не уступая по активности или даже превосходя известные катализаторы. При этом их каталитическая активность уменьшается в ряду (0·105, с1):
Ti(Ot-Вu)4 (27,2) (BuO)12Ti5O4 (19,4) Ti(OВu)4, Ti(Os-Bu)4;
Ti(OBu)3OCOMe, Ti(OBu)2(OCOMe)2 (13,1) Ti(OEt)4, Ti(OРr)4 (10,0) Ti(ОВu)4nС1n (6,02) Ti(OBu)2(OCOС6Н4СООВu)2, Ti(OBu)2(acac)2 (1,44) без катализатора (0,37).
Анализ полученных результатов позволяет выявить ряд существенных отличий от реакции этоксисиланов с бутанолом: самым активным является пространственно затрудненный титанат Ti(Ot-Вu)4, также существуют некоторые различия в каталитической активности и других тетраалкоксидов;
бутоксититанхлориды не являются самыми активными;
моно- и бисацетаты титана существенно активнее ацилата Ti(OBu)2(OCOС6Н4СООВu)2.
При объяснении особенностей каталитического влияния алкоксильных производных титана на переэтерификацию также необходимо учитывать химические превращения, которые алкоксиды титана претерпевают в процессе реакции. Эти превращения могут приводить к образованию соединений, обладающих иной каталитической активностью по сравнению с исходными алкоксидами титана.
Известно, что тетраалкоксиды титана реагируют со сложными эфирами с образованием новых алкоксидов. При большом избытке бутилацетата по отношению к алкоксидам равновесие реакции (схема 8) существенно сдвигается вправо.
Схема Ti(OR)4 + nAcOBu Ti(OR)4n(OBu)n + nAcOR R = Et, Рr, Вu, s-Bu.
Однако в отличие от алкоголиза эта реакция протекает с меньшей скоростью, что приводит в конечном счете к некоторым отличиям в строении образующихся алкоксильных производных титана и, как следствие, к различию в каталитической активности. Повышенная активность пространственно-затрудненного титаната Ti(Ot-Вu)4, возможно, связана с отсутствием ассоциации, характерной для нормальных и малоразветвленных алкоксидов титана. Невысокую каталитическую активность бутоксититанхлоридов по сравнению с Ti(OВu)4, с можно объяснить тем, что дополнительный катализатор (НСl) не образуется;
вместо этого реакция сопровождается образованием полимерных алкоксититанацилатов и галогеналкилов (схема 9).
Схема mTi(OBu)4nCln + m(n 1)AcOBu [TiO(OBu)3n(OAc)n1]m + mnBuCl m – степень поликонденсации Дополнительные исследования модельных реакций методом ИК спектроскопии показали, что в случае ацилатов титана Ti(OBu)3OCOMe и Ti(OBu)2(OCOMe)2 имеет место реакция гетерофункциональной конденсации с образованием полититаноксановых соединений, которые являются активными катализаторами переэтерификации (схема 10).
Схема [TiO(OBu)3n(OСOR)n1]m + mTi(OBu)4n(OCOR)n [TiOn(OBu)42n]m + mnRCOOBu + mRCOOBu Как и в случае реакции алкоголиза, ускоряющее влияние алкоксильных производных титана на реакцию переэтерификации может быть связано с образованием каталитических переходных комплексов, включающих молекулы алкоксильного производного титана, алкоксисилана и сложного эфира.
При проведении реакции в неравновесных условиях конверсия во всех случаях была близка к 100% и не зависила от реакционной способности этоксисиланов.
Таким образом, установлено, что алкоксильные производные титана различного строения являются эффективными катализаторами реакции переэтерификации алкоксисиланов сложными эфирами и могут быть использованы в препаративных целях.
2.3. Алкоксильные производные титана в реакции гетерофункциональной конденсации алкокси- и ацилоксисиланов Влияние алкоксильных производных титана на реакцию гетерофункциональной конденсации алкокси- и ацилоксисиланов (схема 1, реакция 3) изучали на примере взаимодействия Si(OEt)4, Si(OBu)4 и Me3SiOBu с Me3SiOAc и Me3SiOCOCF3 (схема 11).
Схема кат.
RnSi(OR)4n + (4 n)Me3SiOCOR RnSi(OSiMe3)4n + (4 n)ROCOR n = 0, R = Et, Bu;
n = 3, R = Me, R = Bu;
R = Me, CF Были исследованы две системы: Me3SiOBu Me3SiOCOCF3 и Si(OEt)4 Me3SiOAc (мольное соотношение реагентов 1:1). Алкоксиды титана использовали в тех же концентрациях, что и ранее. Контроль за протеканием реакции осуществляли методами ИК спектроскопии и ГЖХ;
из кинетических кривых реакций определяли константы скоростей (k) или начальные скорости (0).
Показано, что каталитическая активность изменяется следующим образом:
1) в системе Me3SiOBu Me3SiOCOCF3 при 20°С (k·106, моль·л1·с1):
(BuO)2Ti(acac)2 (4,60) Ti(O-t-Bu)4 (2,53) Ti(OBu)4 (1,87) (BuO)3TiOAc (1,37) (BuO)2Ti(OAc)2, (BuO)12Ti5O4 (1,01) (BuO)2Ti(oxinate)2, без катализатора (0,10);
2) в системе Si(OEt)4 Me3SiOAc при 100°С (0·105, с1):
Ti(O-t-Bu)4 (8,34) Ti(OBu)4 (6,41) (BuO)3TiOAc, (BuO)2Ti(OAc)2;
(BuO)12Ti5O (5,42) (BuO)2Ti(acac)2 (3,47) (BuO)2Ti(oxinate)2, без катализатора (0,34).
Оба ряда в основном совпадают, за исключением влияния хелата (BuO)2Ti(acac)2.
На схеме 12 представлены возможные химические превращения алкоксильных производных титана в процессе реакции на примере Ti(OBu) Схема (BuO)3TiOBu + Me3SiOCOR'' (2) (1) (BuO)3TiOCOR'' + Me3SiOBu (BuO)3TiOSiMe3 + BuOCOR'' (6) Me3SiOCOR'' (5) (4) Me3SiOCOR'' (3) OBu OBu -[Ti-O]n- + Me3SiOBu (BuO)3TiOCOR'' + (Me3Si)2O -[Ti-O]n- + BuOCOR'' (Me3Si)2O + BuOCOR'' OBu OBu (7) Доказательство химических превращений и количественное определение образующихся продуктов было проведено с использованпием метода ГЖХ на примере модельных реакций.
Алкоксиды титана в условиях реакции образуют соединения, также обладающие каталитической активностью. Наиболее высокая активность хелата (BuO)2Ti(acac)2 в системе с ацилоксисиланом Me3SiOCOCF3 может быть объяснена образованием трифторацетокси-производного ацетилацетоната титана, содержащего некоординированную группу СF3СО с большой электроотрицательностью.
Таким образом, несмотря на различные химические превращения, алкоксильные производные титана могут быть использованы в качестве активных катализаторов реакции гетерофункциональной конденсации;
при этом ряды относительной каталитической активности также определяются их химическими превращениями в процессе реакции.
2.4. Взаимодействие полидиметилсилоксанов с тетраалкоксисиланами в присутствии алкоксильных производных титана Расщепление силоксановой связи тетраалкоксидами титана известно, однако в качестве катализаторов в реакции с алкоксисиланами они не использовались.
Каталитическое расщепление SiOSi связей в полиорганосилоксанах (схема 1, реакция 4) изучали на примере взаимодействия полидиметилсилоксанов [Si(Me)2O]n с тетраалкоксисиланами Si(OR)4 (схема 13). Мольное соотношение [Si(Me)2O]-группа :
Si(OR)4 = 1,5 : 1 теоретически достаточно для полного расщепления всех силоксановых связей до мономерного диметилдиалкоксисилана.
Схема кат.
1,5 [Si(Me)2O]n + nSi(OR)4 1,5nMe2Si(OR)2 + n/x [Si(OR)O1,5]x n = 4–340;
R = Me, Et, Bu Исследование каталитической активности алкоксильных производных титана (0, моль на 1 моль силана) проводили при 150°С в системе полидиметилсилоксановый каучук СКТН-A – тетраэтоксисилан Si(OEt)4;
концентрацию образующегося Me2Si(OEt) определяли методом ГЖХ.
Все исследованные титанаты по уменьшению каталитической активности можно расположить в ряд (определяли начальные скорости реакций 0·106, с1):
Ti(OBu)2Cl2 (8,1) Ti(OBu)4, Ti(Os-Bu)4 (4,1) Ti(OBu)2(acac)2 (0,7).
Поскольку алкоксильные производные титана не являются индифферентными по отношению к полиорганосилоксанам, имеет место взаимодействие с образованием алкоксисиланов и полититаноксанов по схеме 14:
Схема 1,5 [SiMe2O]n + nTi(OR)4 1,5nMe2Si(OR)2 + n/x [Ti(OR)O1,5]x R = Bu, s-Bu Предложен координационный механизм каталитического действия алкоксильных производных титана, в котором начальным актом взаимодействия является координация кислорода силоксановой связи с атомом титана.
В таблице представлены результаты препаративного получения диметилдиалкоксисиланов из полисилоксанов. Образующиеся диметилдиалкоксисиланы выделяли перегонкой. Наибольшие выходы наблюдались для каучука СКТН-A, менее активен полидиметилсилоксан ПМС-400, наименьшую активность проявлял октаметилциклотетрасилоксан ОМЦТС. В случае тетраалкоксисиланов выходы продукта уменьшались с увеличением длины алкильного радикала R в ряду: Si(OMe)4 Si(OEt) Si(OBu)4.
Таблица 2 Препаративное получение диметилдиалкоксисиланов Тетраалкоксисиланы Диметилсилоксаны Si(OMe)4 Si(OEt)4 Si(OBu) СКТН-А Me2Si(OMe)2 Me2Si(OEt)2 Me2Si(OBu) HO[SiMe2O]nH (n ~ 340) 91% 90% 40% ПМС-400 Me2Si(OMe)2 Me2Si(OEt)2 Me2Si(OBu) Me3[SiMe2O]nSiMe3 (n ~ 110) 75% 60% 30% ОМЦТС Me2Si(OMe)2 Me2Si(OEt)2 Me2Si(OBu) [SiMe2O]4 57% 30% 22% Таким образом, изучены основные физико-химические закономерности реакций расщепления SiOC-группировки в (алкил)алкоксисиланах спиртами, сложными эфирами, ацилоксисиланами, полисилоксанами в присутствие алкоксильных производных титана. Показано, что алкоксильные производные титана различного строения являются эффективными катализаторами реакций (алкил)алкоксисиланов, при этом ряды их относительной каталитической активности различны для каждой из реакций, что определяется способностью алкоксильных производных титана к химическим превращениям в процессе реакции. Знание основных закономерностей реакций (алкил)алкоксисиланов в присутствии алкоксильных производных титана позволяет не только углубить представления об их двойственной роли как реагентов и катализаторов в рассматриваемых реакциях, но и рационально подходить к выбору объектов реакции, оптимальных условий и осуществлять процесс с максимальным выходом целевого продукта.
В дальнейших исследованиях алкоксильные производные титана (в основном, тетрабутоксититан) были использованы в качестве катализаторов и реагентов реакций (алкил)алкоксисиланов с полиолами.
3. Тетрафункциональные глицеролаты кремния в избытке глицерина и гидрогели на их основе В качестве прототипа при синтезе тетрафункциональных глицеролатов кремния и гидрогелей на их основе нами был выбран гидрогель на основе глицеролатов титана состава Ti(C3H7O3)4 · 10C3H8O3 · 40H2O (лекарственный препарат тизоль).
Фармакологически активные глицерогидрогели на основе глицеролатов кремния получены впервые (пат. РФ № 2255939, 2005).
3.1. Синтез глицеролатов кремния Синтез глицеролатов кремния 1–5 проводили алкоголизом тетраэтоксисилана Si(OEt)4 глицерином как при стехиометрическом соотношении реагентов 1 (х = 0), так и в избытке глицерина 2–5 (х = 2, 4, 6, 10) (схема 15).
Схема Si(OEt)4 + (x + 4)C3H8O3 Si(C3H7O3)4 · xC3H8O3 + 4EtOH 1 (х = 0), 2 (х = 2), 3 (х = 4), 4 (х = 6), 5 (х = 10) В ряде случаев реакцию проводили в присутствии каталитических количеств тетрабутоксититана Ti(OBu)4 (0,06 моль на моль Si(OEt)4), при этом состав образующихся глицеролатов 6 (х = 6) и 7 (х = 10) соответствовал формуле Si(C3H7O3)4 · 0,06Тi(C3H7O3)4 · xC3H8O3.
Глицеролаты кремния, полученные в различном избытке глицерина, использовали для исследования их состава и строения, а также для изучения закономерностей процесса гелеобразования (см. раздел 5).
Реакцию проводили до убыли теоретического количества этилового спирта.
Контроль за полнотой проведения реакции также осуществляли методом ЯМР 1Н по отсутствию в спектре глицеролатов кремния сигналов протонов остаточных этокси-групп.
Глицеролаты кремния представляют собой вязкие прозрачные бесцветные жидкости, хорошо растворимые в воде;
при использовании Ti(OBu)4 – вязкие жидкости белого цвета, неограниченно смешивающиеся с водой. Это различие связано с тем, что Ti(OBu)4 не остается индифферентным в реакции и также подвергается алкоголизу, образуя глицеролаты титана (схема 16). Глицеролаты титана в избытке глицерина представляют собой жидкости белого цвета (см. раздел 5).
Схема Тi(C3H7O3)4 + 4BuOH Ti(OBu)4 + 4C3H8O Избыток глицерина способствует протеканию реакции алкоголиза и препятствует реакции конденсации, характерной для глицеролатов кремния как полифункциональных соединений. Кроме того, избыток глицерина придает глицеролатам кремния жидкую консистенцию, удобную для получения гидрогелей на их основе.
Глицеролаты кремния были охарактеризованы данными элементного анализа, рефрактометрии, ИК спектроскопии, ряд соединений – методами спектроскопии ЯМР 29Si и масс-спектрометрии с электрораспылительной ионизацией.
3.2. Исследование состава и строения глицеролатов кремния, синтезированных в различном избытке глицерина Литературные данные свидетельствуют, что полиолаты кремния, в том числе, глицеролаты, в индивидуальном (мономерном) виде выделить, как правило, не удается из за их склонности к полимеризационным или поликонденсационным превращениям.
Исследование состава глицеролатов кремния, полученных без избытка глицерина и в различном избытке глицерина 2–4, проводили методом масс-спектрометрии с электрораспылительной ионизацией. Исследуемые вещества растворяли в метаноле, в качестве мобильной фазы использовали водный метанол, содержащий 5% H2O;
регистрировали положительные ионы. Интерпретацию масс-спектров проводили с учетом процессов гидролиза, конденсации и метанолиза.
В масс-спектрах глицеролатов кремния, полученных без избытка глицерина 1 и в его небольшом избытке 2, присутствуют четыре серии пиков в диапазоне массовых чисел m/z от 300 до 900, соответствующие четырем рядам олигомерных глицеролатов.
В масс-спектрах глицеролатов кремния 3 и 4, полученных в значительном избытке глицерина, три из четырех серий имеют гораздо меньшую интенсивность, что соответствует замедлению процессов поликонденсации: полученные продукты являются в основном мономерными.
Мономерному комплексному глицеролату кремния в масс-спектрах соответствует пик с m/z = 341 (схема 17а). Уменьшение мольного содержания глицерина (х 4) способствует процессу поликонденсации и образованию олигомерных глицеролатов кремния (схема 17b).
Схема HO R O O O Si OH R Si R HO R O HO O O O + H2O -HOROH R + + Na O + OH Na HO O R R Si R O O OH Si O HO R O O R OH R m/z = (а) (b) R = CH2CH(OH)CH Следует отметить, что данные спектроскопии ЯМР 1Н оказались неинформативны при исследовании строения глицеролатов кремния 35 из-за избытка глицерина, в то же время спектры ЯМР 29 Si подтверждают неиндивидуальность продуктов 1 и 2.
3.3. Синтез гидрогелей на основе глицеролатов кремния Кремнийсодержащие глицерогидрогели 8–14 получали при нагревании (80°С) как в чистой воде, так и в присутствии ряда гелеобразующих добавок – электролитов (HCl, NaCl и др.) (схема 18). Массовая доля электролитов в реакционной смеси составляла от 0,1 до 0,6 масс.%.
Схема гидрогели 8– Si(C3H7O3)4 · xC3H8O3 + yH2O 8 (x = 6, y = 12), 9 (x = 6, y = 18), 10 (x = 6, y = 24), 11 (x = 6, y = 30), 12 (x = 10, y = 40) гидрогели 13, Si(C3H7O3)4 · 0,06Тi(C3H7O3)4 · xC3H8O3 + yH2O 13 (x = 6, y = 24), 14 (x = 10, y = 40) Кремнийсодержащие глицерогидрогели представляют собой прозрачные монолитные системы, устойчивые к синерезису;
при диспергировании легко переходят в мазеподобное состояние.
Содержание глицерина и воды в составе гидрогелей определяется их устойчивостью к синерезису и наиболее приемлемой консистенцией для практического применения.
Роль избытка глицерина, механизм образования и структура кремнийсодержащих гидрогелей будут рассмотрены в сравнительном аспекте с титансодержащими гидрогелями в разделе 5.
Для сертификации были выбраны глицерогидрогели состава Si(C3H7O3)4 · 6C3H8O3 · 24H2O (10) и Si(C3H7O3)4 · 0,06Тi(C3H7O3)4 · 6C3H8O3 · 24H2O (13) Гидрогели 10, зарегистрированы под товарным знаком «Силативит» и получены, соответственно, без каталитической добавки тетрабутоксититана или в его присутствии.
Разработаны ФСП на субстанцию и препарат «Силативит» в соответствии с требованиями НТД.
4. Комбинированные тетрафункциональные глицеролаты кремния и титана в избытке глицерина и гидрогели на их основе Известно, что глицеролаты титана и гидрогели на их основе (тизоль, эфтидерм) обладают специфической фармакологической активностью, поэтому можно ожидать, что введение атома титана в молекулярную структуру глицеролатов кремния положительно скажется на фармакологической активности этих веществ. Нами впервые синтезированы фармакологически активные комбинированные тетрафункциональные глицеролаты кремния и титана и гидрогели на их основе (пат. РФ № 2322448, 2007).
4.1. Синтез комбинированных глицеролатов кремния и титана Синтез комбинированных глицеролатов кремния и титана 15–18 проводили совместным алкоголизом тетраэтоксисилана Si(OEt)4 и тетрабутоксититана Ti(OBu)4, взятых в мольном соотношении 2:1, глицерином;
реакцию проводили в различном избытке глицерина (схема 19).
Схема 2Si(OEt)4 + Ti(OBu)4 + (x +12)C3H8O 2Si(C3H7O3)4 · Ti(C3H7O3)4 · xC3H8O3 + 8EtOH + 4BuOH 15 (х = 20), 16 (х = 22), 17 (х = 26), 18 (х = 30) Комбинированные глицеролаты кремния и титана были получены с количественными выходами;
они представляют собой вязкие жидкости белого цвета;
охарактеризованы методами элементного анализа, рефрактометрии, ИК спектроскопии;
определена их динамическая вязкость.
Комбинированные глицеролаты кремния и титана 2Si(C3H7O3)4 · Ti(C3H7O3)4 · xC3H8O3 являются результатом образования комплекса тетраэтоксисилана Si(OEt)4 c тетрабутоксититаном Ti(OBu)4 состава 2:1. Наиболее вероятно, что комплексообразование осуществляется за счет донорно-акцепторного взаимодействия между атомом титана и атомом кислорода силоксановой связи: (RO)4TiO(R)–Si(OR)3. При этом нельзя исключить и возможность донорно-акцепторного взаимодействия между атомом кремния и атомом кислорода титаноксановой связи: (RO)3Ti–(R)OSi(OR)4. В случае комбинированных глицеролатов последний тип взаимодействия, по-видимому, преобладает, поскольку известно образование комплексов титанатов со спиртами (глицерином) по типу (RO)4TiO(Н)–R, которое препятствует координации кислорода силоксановой связи c атомом титана.
Стабилизации комбинированных глицеролатов способствует также комплексообразование по связям Si–O–С, Ti–O–С и С–О–Н.
4.2. Синтез гидрогелей на основе комбинированных глицеролатов кремния и титана Кремнийтитансодержащие глицерогидрогели состава 2Si(C3H7O3)4 · Ti(C3H7O3)4 · xC3H8O3 yH2O (19–22) получали путем взаимодействии комбинированных глицеролатов кремния и титана с водой или водными растворами, содержащими от 0,1 до 0,6 масс.% электролитов (NaCl, CaCl2, NaF и др.), при 80°С (схема 20).
Схема 2Si(C3H7O3)4 · Ti(C3H7O3)4 · хC3H8O3 + yH2O гидрогели 19–22, 19 (х = 20, y = 80),20 (х = 22, y = 88), 21 (х = 26, y = 104), 22 (х = 30, y = 120) Кремнийтитансодержащие глицерогидрогели устойчивы при хранении, при диспергировании легко переходят в мазеподобное состояние.
Cодержание глицеролатов кремния и титана, глицерина и воды в составе гидрогелей определяется рядом факторов: оптимальным соотношением атомов кремния и титана с точки зрения комплексообразования, эффектом в плане cинергитическим фармакологической активности, а также устойчивостью к синерезису и наиболее приемлемой консистенцией для практического применения.
Механизм гелеобразования и структура комбинированных гидрогелей будут рассмотрены в сравнительном аспекте с кремний- и титансодержащими гидрогелями в разделе 5.
Для сертификации был выбран комбинированный кремнийтитансодержащий глицерогидрогель 20.
Разработка ФСП на субстанцию проведена в соответствии с требованиями НТД.
5. Исследование закономерностей, механизма образования и структуры гидрогелей на основе тетрафункциональных глицеролатов кремния и титана Исходя из практической значимости гидрогелей, полученных на основе глицеролатов кремния и титана, механизм гелеобразования и их основные физические свойства требуют более детального изучения. Глицеролаты кремния и титана можно рассматривать как прекурсоры в золь-гель процессе, при этом следует отметить, что золь гель процесс достаточно глубоко исследован для алкоксильных прекурсоров кремния и титана и практически не изучен для полиолатных.
При образовании гидрогелей различают коллоидное и полимерное гелеобразование, которое приводит к коллоидным и полимерным гелям соответственно. Коллоидные гели формируются из золей, образующихся в результате гидролиза и конденсации прекурсоров в золь-гель процессе. Полимерные гели формируются из прозрачных растворов прекурсоров. В основном тип гелеобразования определяется соотношением скоростей реакций гидролиза и конденсации, которые в свою очередь зависят от рН среды.
Мы исследовали влияние различных факторов на процесс образования гидрогелей из тетрафункциональных глицеролатов кремния различного состава: Si(C3H7O3)4 хC3H8O комбинированных (15), Si(C3H7O3)4 · 0,06Тi(C3H7O3)4 · 6C3H8O3 (6), кремнийтитансодержащих глицеролатов 2Si(C3H7O3)4 Тi(C3H7O3)4 22C3H8O3 (16) в сравнении с глицеролатами титана Ti(C3H7O3)4 10C3H8O3.
На рисунке 2 представлена зависимость времени гелеобразования от рН среды для глицеролатов кремния 1–5, полученных без Ti(OBu)4 (кривые 1–5 соответственно).
Как следует из рисунка, зависимость времени гелеобразования от рН носит экстремальный характер: во всех случаях время гелеобразования практически постоянно в диапазоне рН 4,0–7,0, увеличивается при снижении рН до 1,5 и уменьшается в более кислых растворах. При любом значении рН время гелеобразования возрастает с уменьшением концентрации глицеролатов кремния в растворе.
На рисунке 3 представлена зависимость времени гелеобразования от рН среды для раствора глицеролатов кремния, полученных в присутствии тетрабутоксититана, состава Si(C3H7O3)4 0,06Тi(C3H7O3)4 6C3H8O3 (6), комбинированных глицеролатов кремния и титана состава 2Si(C3H7O3)4 Тi(C3H7O3)4 22C3H8O3 (16), а также глицеролатов титана состава Ti(C3H7O3)4 10C3H8O3.
Рисунок 2 – Зависимость времени гелеобразования от рН среды для глицеролатов кремния 1–5 при 80°С: 1 – Si(C3H7O3)4 (1), 2 – Si(C3H7O3)4 2C3H8O3 (2), 3 – Si(C3H7O3)4 4C3H8O (3), 4 – Si(C3H7O3)4 6C3H8O3 (4), 5 – Si(C3H7O3)4 10C3H8O3 (5) Рисунок 3 – Зависимость времени гелеобразования от рН среды при 80°С для: 1 – Si(C3H7O3)4 0,06Тi(C3H7O3)4 6C3H8O3 (6), 2 – 2Si(C3H7O3)4 Тi(C3H7O3)4 22C3H8O3 (16), – Ti(C3H7O3)4 10C3H8O3, Как видно из рисунка 3, а также рисунка 2, влияние рН время образования гидрогелей из глицеролатов кремния и титана противоположно. Глицеролаты кремния Si(C3H7O3)4 0,06Тi(C3H7O3)4 6C3H8O3 (6) содержат каталитическое количество глицеролатов титана, поэтому полученная зависимость (рис. 3, кривая 1) качественно не отличается от случая глицеролатов кремния Si(C3H7O3)4 6C3H8O3 (рис. 2, кривая 4).
При увеличении количества глицеролатов титана в составе прекурсора процесс гелеобразования меняется радикальным образом: в области рН 1,5 время гелеобразования является минимальным. Как и для глицеролатов титана (рис. 3, кривая 3), время гелеобразования комбинированных глицеролатов 16 минимально в области рН 1,0–2, (рис. 3, кривая 2). Однако при этом сохраняются некоторые особенности, характерные для глицеролатов кремния: комбинированные глицеролаты 16 образуют гидрогели при рН так же, как и глицеролаты кремния 4.
Разница в гелеобразовании также может быть проиллюстрирована влиянием электролитов. В таблице 3 представлены значения времени гелеобразования для глицеролатов кремния 4, комбинированных глицеролатов кремния и титана 16 и глицеролатов титана;
для получения гидрогелей использовали 0,15М растворы различных солей.
Таблица 3 – Время гелеобразования для глицеролатов кремния, глицеролатов титана и комбинированных глицеролатов кремния и титана в 0,15M растворах солей Время гелеобразования, мин Температура, С Кремнийсодер- Комбинирован- Титансодержа Электролит жащий ный гидрогель щий гидрогель (тизоль*) гидрогель 10 Без добавки не образуется 80 33 не образуется KF 25 1,5 не образуется (NH4)3PO4 25 0,5 не образуется (NH4)2SO4 80 4 не образуется K2SO4 80 4 CaCl2 80 13 29 9 (пептизация) не образуется NaCl 80 15 ZnSO4 80 17 28 6 (пептизация) Al2(SO4)3 80 ~280 17 AlCl3 80 ~280 17 Al(NO3)3 80 ~280 21 * Тизоль – титансодержащий глицерогидрогель состава Тi(С3Н7О3)4 10С3Н8О3 40Н2О.
В подавляющем большинстве случаев гели на основе глицеролатов титана не образуются – за исключением растворов солей Al3+;
напротив, в случае глицеролатов кремния 4 все использованные соли, кроме солей Al3+, способствуют образованию гидрогелей, при этом соли Al3+ резко замедляют процесс. Комбинированные глицерогидрогели занимают промежуточное положение.
Особенности процесса образования гидрогелей из глицеролатов кремния свидетельствуют, что во всех случаях образуются полимерные гели, в отличие от алкоксильных прекурсоров, образующих, как правило, коллоидные гели (полимерные гели образуются лишь в сильно-кислых средах).
На схеме 21 представлен химизм золь-гель процесса.
Первые три реакции (гидролиз и конденсация) такие же, как и в случае алкоксильных прекурсоров в золь-гель процессе. Однако благодаря полифункциональности глицерина становится возможным встраивание глицериновых фрагментов в полимерную сетку геля в виде мостиков SiOROSi по реакции 4.
Свободный глицерин, присутствующий в системе, действует как стабилизатор комплексообразователь, препятствующий полному гидролизу и последующей конденсации с образованием неорганического геля SiO2.
Схема Кремнийсодержащий глицерогидрогель представляет собой прозрачный полимерный гель, образующийся по поликонденсационному механизму. Экстремальная зависимость времени гелеобразования от рН может быть объяснена формированием различных переходных комплексов, образующихся в результате нуклеофильных или электрофильных атак в ходе реакции конденсации при различных значениях рН. Растворы электролитов, как правило, способствуют образованию гидрогелей;
при этом влияние катионов и анионов на гелеобразование согласуется с рядами Гофмейстера, характеризующими конформационные изменения в биомакромолекулах. Растворы солей алюминия, имеющие кислый характер, замедляют гелеобразование. Полимерная сетка кремнийсодержащего глицерогидрогеля образуется сшитыми отрезками цепей со степенью полимеризации 40–180, которая определяется содержанием воды в геле.
В отличие от глицеролатов кремния, которые хорошо растворимы и в воде, и в глицерине, гидрофобный комплексный глицеролат титана нерастворим ни в воде, ни в глицерине. Методом динамического рассеяния света показано, что глицеролаты титана в воде образуют коллоидные системы, средний размер частиц в которых составляет 600– нм. Титансодержащий глицерогидрогель, полученный при рН 1,5, является гетерогенной коллоидной системой (коллоидный гель). Сетчатый каркас геля представляет собой коагуляционную структуру, укрепленную химическими связями между соседними частицами. В отличие от прозрачных кремнийсодержащих глицерогидрогелей, из глицеролатов титана образуются непрозрачные гели молочно-белого цвета. По сравнению с типичным золь-гель переходом алкоксильных прекурсоров, коллоидное гелеобразование в случае глицеролатов титана имеет некоторые специфические особенности. Коллоидные частицы глицеролатов титана образуются непосредственно при его синтезе, а не в результате гидролитической конденсации. Коллоидная дисперсия глицеролатов титана стабильна в воде при нейтральном рН, поскольку -потенциал системы имеет высокое отрицательное значение (46 мВ);
гидролитическая конденсация глицеролатов титана замедлена из-за его хелатной структуры. При рН ~1,5 двойной электрический слой на поверхности коллоидных частиц разрушается и происходит их агрегация с образованием коагуляционной сетки. Наличие непосредственного контакта между частицами приводит к их химическому связыванию по реакциям гидролиза и конденсации (аналогично схеме 21), чему способствует кислая среда. При получении титансодержащих глицерогидрогелей введение электролитов вызывает сжатие двойного электрического слоя противоионами в соответствии с правилом Шульца-Гарди, что характерно для коллоидных дисперсий.
Кислая среда гидролизуемых солей алюминия также способствует гелеобразованию в отличие от глицеролатов кремния, для которых наблюдается противоположная зависимость.
Хелатные комплексы глицеролатов титана стабильны в нейтральной среде, но в сильнокислой среде они разрушаются;
при этом в области рН 1,5 гелеобразование глицеролатов титана становится полимерным так же, как у алкоксидов титана в кислых средах.
В случае комбинированных глицеролатов кремния и титана образуется пространственная структура промежуточного типа. Гели, полученные при pH 1,5, являются коллоидными, при этом отдельные частицы глицеролатов титана встроены в набухшую макромолекулярную сетку полиглицеролатов кремния.
На рисунке 4 схематично показаны различия в механизмах структурообразования исследованных систем.
Рисунок 4 – Различные механизмы структурообразования гелей, полученных из: а – глицеролатов кремния Si(C3H7O3)4 6C3H8O3 (4), б – глицеролатов титана Ti(C3H7O3) 10C3H8O3, с – комбинированных глицеролатов кремния и титана 2Si(C3H7O3)4 Тi(C3H7O3) 22C3H8O3 (16) Несмотря на существенные различия в механизмах гелеобразования и структуре, кремний- и титансодержащие глицерогидрогели имеют много общего как в методах синтеза (золь-гель процесс), так и в свойствах.
Исследование реологических свойств проводили на примере кремний- и кремнийтитансодержащего глицерогидрогелей 10 и 20 в сравнении с тизолем.
Исследовали зависимость напряжения сдвига от скорости сдвига (реограммы течения), из полученных зависимостей определяли значения эффективной вязкости.
Установлено, что все исследуемые глицерогидрогели имеют неньютоновский тип течения, их вязкость зависит от напряжения сдвига, и реограммы течения имеют нелинейный характер, аналогично тизолю. Реологический оптимум консистенции может быть охарактеризован эффективной динамической вязкостью 45,0–80,0 Па·с в диапазоне скоростей сдвига 8,0–74,9 с–1.
Одной из важнейших характеристик мягких лекарственных форм является осмотическая активность, для оценки которой можно использовать метод диализа по отношению к проницаемости воды. Диализ проводили с использованием полупроницаемой целлофановой мембраны до установления постоянной массы исследуемых систем: кремний- и кремнийтитансодержащего глицерогидрогелей 10 и 20 в сравнении с тизолем и смесью полиэтиленгликолей (ПЭГ-400, ПЭГ-1000).
Установлено, что наибольшую осмотическую активность проявляет смесь полиэтиленгликолей (~200% поглощенной воды в условиях эксперимента), которую обычно используют в мазях при лечении I фазы раневого процесса. Кремний-, кремнийтитан- и титансодержащие глицерогидрогели значительно менее активны – поглощают в среднем 50–75% воды и могут быть использованы во II фазе раневого процесса.
Исследования электрокинетических характеристик растворов глицеролатов кремния и титана и механизма структурообразования в гидрогелях были проведены совместно с проф., д.физ.-мат.н. Сафроновым А.П. и проф., д.х.н. Суворовой А.И. (кафедра высокомолекулярных соединений УрФУ). Данные по исследованию механизма гелеобразования для титансодержащих гидрогелей были получены совместно с аспирантом ИОС УрО РАН Иваненко М.В.
6. Тетра-, три- и дифункциональные полиолаты кремния в избытке полиола и гидрогели на их основе Мы предположили, что введение метильных групп в структуру глицеролатов кремния с образованием связи Si–C повысит их фармакологическую активность. Такая модификация должна приводить к увеличению количественного содержания кремния в биологически активной форме, замедлить процессы связывания кремния в неактивную дисперсную фазу при гелеобразовании, кроме того, повысить липофильность молекул, что должно способствовать трансмембранному переносу кремния через липидный бислой клеточных мембран. С другой стороны, представляло интерес использование в синтезе других полиолов, разрешенных к применению в медицине.
Нами впервые синтезированы полиолаты кремния различной функциональности и гидрогели на их основе в качестве фармакологически активных веществ (пат. РФ №№ 2382046, 2010;
2415144, 2011).
6.1. Синтез полиолатов кремния различной функциональности Синтез полиолатов кремния проводили реакцией алкоголиза тетраэтоксисилана Si(OEt)4, метилтриэтоксисилана MeSi(OEt)3 и диметилдиэтоксисилана Me2Si(OEt) полиолами;
при этом использовали полиолы, разрешенные к применению в медицине: 1,2 пропандиол, глицерин, ПЭГ-400 и ПЭГ-600 (схема 22, табл. 4).
Полиолаты кремния в избытке полиола были получены с количественными выходами;
они представляют собой прозрачные бесцветные жидкости различной вязкости, хорошо растворимые в воде.
Полиолаты кремния охарактеризованы данными элементного анализа, рефрактометрии, ИК спектроскопии, ряд соединений – спектроскопией ЯМР Н, 29Si и масс-спектрометрией с электрораспылительной ионизацией.
Cхема Si(OROH)4 хHOROH + 4EtOH Si(OEt)4 + (x + 4)HOROH 23, MeSi(OROH)3 xHOROH + 3EtOH MeSi(OEt)3 + (x + 3)HOROH 25– Me2Si(OROH)2 xHOROH + 2EtOH Me2Si(OEt)2 + (x + 2)HOROH 28– Методом ЯМР 1Н, Si установлено, что продукт взаимодействия диметилдиэтоксисилана с глицерином 29 (в мольном соотношении 1:2) не является индивидуальным соединением;
предложен состав продукта, включающий наряду с диметилдиглицероксисиланом Me2Si(C3H7O3)2 низкомолекулярные продукты конденсации линейного и циклического строения (схема 23).
Таблица 4 Состав полиолатов кремния в избытке полиола № Общая формула x R CH2CH(Me) 2, Si(OROH)4 xHOROH [CH2CH2O]12CH2CH 0, CH2CH(Me) 0, CH2CH(OH)CH2 MeSi(OROH)3 xHOROH 0, [CH2CH2O]7,7CH2CH 0, CH2CH(Me) 1, CH2CH(OH)CH CH2CH(OH)CH 0, Me2Si(OROH)2 xHOROH CH2CH(OH)CH 0, CH2CH(OH)CH 1, [CH2CH2O]7,7CH2CH 0, Схема Me Me + R Si R Si R HO O O O O OH n O R OH Me Me Me Si O R O Me Me O R OH Me + HOROH + Si Si O R O Me Me R = CH2CH(OH)CH2, CH2CH(CH2OH), n = 1, 6.2. Синтез гидрогелей на основе полиолатов кремния Синтез гидрогелей 34–38 на основе полиолатов кремния (схема 24) проводили по стандартной методике (см. раздел.3.3).
Схема Si(OROH)4 xHOROH + yH2O гидрогель 23, 24 34, MeSi(OROH)3 xHOROH + yH2O гидрогель 25–27 36– R = –CH2CH(Me)–, –CH2CH(OH)CH2–, –[CH2CH2O]nCH2CH2– ;
n = 7,7;
Показано, что дифункциональные полиолаты кремния 28–33 гидрогелей не образуют. Гидрогели, представленные в таблице 5, обладают оптимальным составом по содержанию в них полиола и воды.
Гидрогели 34–38, полученные в отсутствие тетрабутоксититана, представляют собой прозрачные монолитные системы, которые при диспергировании переходят в мазеподобное состояние. Избыток полиола в их составе препятствует синерезису и играет роль пластификатора, придавая гелям необходимую смазывающую способность.
Таблица 5 Гидрогели оптимального состава, полученные на основе полиолатов кремния № Гидрогель x y R CH2CHMe 2,9 Si(OROH)4 xHOROH уH2O [CH2CH2O]12CH2CH 0,5 CH2CHMe 0,5 CH2CH(OH)CH2 MeSi(OROH)3 xHOROH уH2O 0,5 [CH2CH2O]7,7CH2CH 0,5 При получении гидрогелей из различных полиолатов кремния – производных 1,2 пропандиола, глицерина и ПЭГ – были подтверждены установленные нами закономерности гелеобразования;
также было установлено, что природа полиолата оказывает существенное влияние на его способность к гелеобразованию (табл. 6).
Таблица 6 Условия получения гидрогелей на основе полиолатов кремния* Гидрогель 34 35 36 37 Электролит NaCl NaF NaCl NaCl NaF Время гелеобразования, ч 1,0 0,5 12,0 1,0 12, *0,15М раствор соли-электролита, 80°С.
Наличие одной метильной группы у атома кремния во всех случаях приводит к значительному возрастанию времени гелеобразования. Наибольшую активность при гелеобразовании проявляют производные глицерина, наименьшую – производные ПЭГ, производные 1,2-пропандиола занимают промежуточное положение.
Таким образом, синтезирован ряд новых гидрогелей на основе три- и тетрафункциональных полиолатов кремния (производных 1,2-пропандиола, глицерина, ПЭГ). Установлено влияние метильных групп и природы полиола на время гелеобразования, определены условия получения гидрогелей, оптимизирован их состав.
Данные по исследованию строения диметилглицеролатов кремния получены совместно с аспирантом ИОС УрО РАН Ларченко Е.Ю.
7. Фармакологические исследования 7.1. Острая и хроническая токсичность Установлено, что при внутрибрюшинном введении (мыши) тетра- и трифункциональные полиолаты кремния (LD50 12500 мг/кг) менее токсичны, чем диметилполиолаты кремния (LD50 60008000 мг/кг). При изучении острой токсичности глицерогидрогелей летальных исходов отмечено не было. При исследовании хронической токсичности синтезированных веществ отрицательного влияния на экспериментальных животных также выявлено не было.
При изучении местнораздражающего и аллергизирующего действия полиолатов и гидрогелей на кожу и слизистые оболочки животных не было отмечено каких-либо видимых изменений в области воздействия;
также отсутствовали изменения склеры, конъюнктивы, слезного протока при проведении разрешающей пробы.
Таким образом, все синтезированные вещества по степени выраженности раздражающего действия на кожу и слизистые оболочки можно отнести к IV классу опасности (малотоксичные вещества).
7.2. Ранозаживляющая и регенерирующая активность (in vivo) Изучение ранозаживляющего действия синтезированных веществ проводили на примере глицерогидрогеля комбинированного кремнийтитансодержащего 13, глицерогидрогеля 20, а также функционализированных полиолатов кремния (см. раздел 6) и гидрогелей на их основе. Исследования проводили на модели термического ожога на белых крысах популяции Wistar. Крысам наносили ожоги II–IIIа степени на предварительно выстриженную от шерсти кожу боковой области размером 2060 мм.
Смазывание ожоговой раны проводили ежедневно по 0,5 г вещества до полного заживления;
крысы контрольной группы лечения не получали.
Заживление ран (полная эпителизация с образованием рубца) в контрольной группе происходило на 2122 сутки. В случае кремнийсодержащего глицерогидрогеля 13 и комбинированного глицерогидрогеля 20 сроки ранозаживления достоверно не отличались и сокращались до 16–17 суток, как и в случае других гидрогелей.
Введение метильных групп в структуру полиолатов кремния приводило к сокращению сроков заживления до 14–15 суток, также как и при использовании других полиолов. Установлено, что наибольшей ранозаживляющей активностью обладают диметилглицеролаты кремния состава Me2Si(C3H7O3)2 · C3H8O3 (32), эффективность лечения по срокам заживления составляла ~33 %. Необходимо отметить, что во всех случаях в результате лечения отсутствовали воспаление и гнойный эксудат, наблюдалось формирование более мягкого и эластичного послеожогового рубца, а также появление густого шерстистого покрова. При морфологическом исследовании структуры кожи по сравнению с контролем в большей степени проявилось формирование перифокального лимфо-лейкоцитарного вала, а также уменьшились деструкция и некроз эпидермиса.
Таким образом, было установлено, что полиолаты кремния и гидрогели на их основе проявляют выраженное ранозаживляющее действие и оказывают существенное положительное влияние на морфофункциональное состояние кожи, при этом гели на основе полиолатов кремния обладают несколько меньшей активностью по сравнению с жидкими полиолатами, но являются более удобной формой для местного применения.
7.3. Транскутанная и трансмукозная активность (in vitro) Нами разработан ряд методик изучения транскутанной (трансмукозной) активности, суть которых заключается в измерении степени диффузии известного лекарственного вещества в присутствии исследуемого проводника через биологическую мембрану из интактной кожи (слизистой оболочки) экспериментального животного. В качестве биологической мембраны использовали кожу крысы, лягушки или слизистую оболочку мочевого пузыря (теленка). Исследования проводили в специально сконструированных диффузионных камерах, состоящих из 2-х ячеек, разделенных биологической мембраной;
в качестве камер также использовали кожные мешочки из отпрепарированных лапок лягушек. Концентрацию прошедших через кожу (слизистую) лекарственных веществ определяли методом УФ спектроскопии;
в ряде случаев использовали метод атомно абсорбционной спектрометрии (для определения Si и Ti). Степень транскутанной (трансмукозной) проницаемости лекарственного вещества оценивали в процентах к исходной массе.
В таблице 7 приведены данные по транскутанной активности кремний- и кремнийтитансодержащих гидрогелей 12 и 22 и соответствующих глицеролатов 5 и 18 на примере исследования проницаемости диклофенака натрия (1% в изотоническом растворе) в сравнении с тизолем и ДМСО.
Таблица 7 Исследование транскутанной проницаемости диклофенака натрия через кожу лягушки Степень проницаемости Исследуемые транскутанные проводники, диклофенака натрия 10% в изотоническом растворе отн. значение % 2Si(C3H7O3)4 · Ti(C3H7O3)4 · 30C3H8O3 (18) 3,31 ± 0,10 1, 2Si(C3H7O3)4 · Ti(C3H7O3)4 · 30C3H8O3 · 120H2O (22) 2,80 ± 0,08 1, Si(C3H7O3)4 · 10C3H8O3 (5) 2,73 ± 0,08 1, Si(C3H7O3)4 · 10C3H8O3 · 40H2O (12) 2,31 ± 0,07 1, Ti(C3H7O3)4 · 10C3H8O3 · 40H2O (тизоль) 1,82 ± 0,05 0, ДМСО 2,20 ± 0,07 1, Как следует из таблицы, глицеролаты кремния и титана и гидрогели на их основе являются активными транскутанными проводниками, несколько превосходящими по своей активности тизоль и ДМСО. Наибольшая транскутанная активность кремнийтитансодержащих глицеролатов 18 и гидрогеля 22, вероятно, связана с тем, что кремний, обладающий меньшей способностью к комплексообразованию по сравнению с титаном, но большей пенетрирующей активностью, увеличивает проникающую способность титана за счет образования с ним сольватокомплексов, что и приводит к повышению проницаемости диклофенака натрия через кожу.
В таблице 8 приведены данные по исследованию транскутанной активности функционализованных полиолатов 2327 и 32 в сравнении с ДМСО.
Таблица 8 Исследование транскутанной проницаемости диклофенака натрия через кожу крысы Степень проницаемости Исследуемые транскутанные проводники, диклофенака натрия 10% в изотоническом растворе отн. значение % Si(C3H7O2)4 · 2,9C3H8O2 (23) 1,20 ± 0,05 1, МеSi(C3H7O2)3 · 0,5C3H8O2 (25) 1,04 ± 0,04 1, МеSi(C3H7O3)3 · 0,5C3H8O3 (26) 1,62 ± 0,06 2, МеSi(О[CH2CH2O]8,7H)3 · 0,5НО[CH2CH2O]8,7H (27) 0,77 ± 0,03 0, Ме2Si(C3H7O3)2 · C3H8O3 (32) 1,71 ± 0,07 2, ДМСО 0,82 ± 0,03 1, Из данных таблицы видно, что все исследованные полиолаты кремния являются активными транскутанными проводниками. Наибольшую степень транскутанной проницаемости диклофенака натрия обеспечивают диметилглицеролаты кремния 32 и метилглицеролат кремния 26;
метилполиолат 27, полученный на основе ПЭГ-400, наименее активен;
производные 1,2-пропандиола 23 и 25 – занимают промежуточное положение между производными глицерина и полиэтиленгликоля.
На примере проницаемости ципрофлоксацина через слизистую оболочку также было установлено, что диметилглицеролаты кремния 32 обладают высокой трансмукозной активностью, превышающей активность ДМСО в 2 раза.
7.4. Антиоксидантная активность (in vivo) Исследования антиоксидантной активности кремнийтитансодержащего глицерогидрогеля 2Si(C3H7O3)4 · Ti(C3H7O3)4 · 26C3H8O3 · 104Н2О (21) показали, что изучаемое вещество влияет на систему перекисного окисления липидов (ПОЛ) и антиоксидантной защиты организма экспериментальных животных на уровне печени уже после десятидневного введения. Можно полагать, что корригирующее действие на процессы ПОЛ в печени животных связано с наличием у глицерогидрогеля 21 выраженных мембраностабилизирующих свойств, а также со способностью непосредственно модулировать активность мембраносвязанных ферментов в гепатоцитах.
Проведенные исследования свидетельствуют о том, что выбранные вещества являются физиологически активными, обладают ранозаживляющей, регенерирующей, транскутанной и трансмукозной активностью и могут быть рекомендованы для дальнейшего углубленого изучения. Для доклинических исследований с целью последующей сертификации наряду с кремнийсодержащим глицерогидрогелем препаратом комбинированным кремнийтитансодержащим «Силативит», глицерогидрогелем 20, были выбраны диметилглицеролаты кремния состава Ме2Si(C3H7O3)2 · 0,4C3H8O3 (31). Отчет о доклинических исследованиях, а также вся необходимая документация на проведение клинических испытаний препарата «Силативит» в качестве средства для местного лечения воспалительных стоматологических заболеваний (пародонтита легкой и средней степени тяжести, ожогов слизистой оболочки полости рта, хронического рецидивирующего афтозного стоматита, гингивита, красного плоского лишая) переданы на экспертизу в ФГБУ НЦ ЭСМП. В настоящее время завершена I фаза клинических испытаний;
показана безопасность применения на добровольцах. Завершены доклинические исследования комбинированного кремнийтитансодержащего глицерогидрогеля 20 и водорастворимых диметилглицеролатов кремния 31, показавшие безопасность применения и эффективность действия;
подготовлены отчеты о доклинических испытаниях.
Фармакологические исследования выполнены совместно с к.м.н. Бояковской Т.Г., к.фарм.н.
Сорокиным П.В., и к.м.н. Волковым А.А. (УГМА). Клинические испытания проведены в многопрофильной стоматологической клинике при УГМА совместно с проф., д.м.н. Ронь Г.И. и доц., к.м.н. Чернышевой Н.Д.
8. Методы контроля качества кремний- и кремнийтитансодержащих производных полиолов 8.1. Определение подлинности Для определения подлинности кремний- и кремнийтитансодержащих производных полиолов предложены метод ИК спектроскопии и качественные химические реакции на компоненты средства.
Кремний в кремний- и кремнийтитансодержащих производных полиолов открывают путем превращения кремния, содержащегося в исследуемом образце, в двуокись кремния SiO2, которую затем растворяют в плавиковой кислоте.
Титан обнаруживают качественной реакцией с перекисью водорода в присутствии Н2SО4: образуется окрашенное в оранжево-желтый цвет соединение H2[TiO(H2O2)(SO4)2] (в разбавленных растворах окраска светло-желтая).
8.2. Разработка методики определения количественного содержания нормированных компонентов Методика основана на определении кремния и титана гравиметрическим методом:
после гидролитического окисления и прокаливания кремнийтитансодержащих производных полиолов получают смесь оксидов кремния и титана, которую обрабатывают плавиковой кислотой для удаления кремния в виде летучего тетрафторида SiF4.
В прокаленный и взвешенный платиновый тигель помещают 1,0–1,5 г образца (точная навеска), осторожно нагревают до озоления и прокаливают в муфельной печи при температуре ~ 650°С в течение 1,5–2,0 часов до постоянной массы. Образовавшийся остаток охлаждают, прибавляют 3 – 4 мл плавиковой кислоты и 3 – 4 капли разбавленной серной кислоты. Содержимое тигля упаривают досуха, вторично прокаливают при 650°C в течение 1–1,5 ч, охлаждают и взвешивают.
Содержание кремния в образцах Si (масс.% ) рассчитывают по формуле:
Si = (b /а) · 0,4675 ·100 %, где а – масса образца, г;
b – разница в массах остатков после 1-го и 2-го прокаливания, г;
0,4675 – фактор пересчета с диоксида кремния на кремний.
Титан (Ti), содержащийся в исследуемых субстанциях в виде полиолатов (глицеролатов), которые можно рассматривать как родственные соединения, может быть определен по следующей формуле:
Ti = (c/а) · 0,5994 ·100 %, где а – масса образца, г;
c – масса остатка после 2-го прокаливания, г;
0,5994 – фактор пересчета c TiO2 на Ti.
Если Ti содержится в каталитических количествах в виде примеси, то определение его по указанной формуле приводит к значительной погрешности из-за малых величин массы остатка. В этом случае количественное определение проводят методом атомно эмиссионной или атомно-абсорбционной спектрометрии в соответствии с ГФ XII ч.1.
Приведенная выше методика была использована при разработке ФСП на (2,3 диоксипропил)-орто-силиката глицерогидрогель – субстанцию и препарат «Силативит».
Составлен полный пакет нормативно-технической документации и предоставлен на экспертизу в ФГБУ НЦ ЭСМП Росздрава для сертификации.
8.3. Методы контроля качества субстанции и препарата «Силативит». Валидация методики количественного определения кремния Контроль качества субстанции (2,3-диоксипропил)-орто-силиката глицерогидрогеля проводили по всем показателям, указанным в ФСП: описание (органолептически);
подлинность (ИК спектроскопия, качественные химические реакции);
показатель преломления (рефрактометрия);
рН (потенциометрия);
посторонние примеси (атомно эмиссионная или атомно-абсорбционная спектрометрия);
тяжёлые металлы (в соответствии с ГФ XII ч.1);