CC BY
65
Фундаментальная и прикладная химия, химическая технология
УДК 543.421/.424
Профессор Я.И. Коренман, аспирант Т.В. Чибисова
(Воронеж. гос. ун-т инж. технол.) кафедра физической и аналитической химии, тел. (473) 255-07-62
Экстракция новокаина
из водных сред алифатическими спиртами
с применением высаливателей
Выбраны рациональные условия экстракции новокаина. Разработаны эффективные экстракционные системы для практически полного его извлечения из водных сред. Установлена корреляция между коэффициентами распределения (lgD) новокаина и числом С-атомов в молекуле спирта.
The choice of rational conditions for the extraction of novocaine. Development of effective extraction systems for almost its complete removal from aqueous media. Establishing correlations between coefficients distribution (lgD) novocaine and the number of C-atoms in a molecule of alcohol.
Ключевые слова: экстракция,
В медицинской практике новокаин находит широкое применение для инфильтра-ционной и спинномозговой анестезии. Однако повышенное содержание препарата в организме человека вызывает негативные реакции, вплоть до летального исхода. Токсические эффекты новокаина возникают на фоне увеличенных концентраций в крови при дозах, превышающих рекомендуемые, случайном попадании в сосудистое русло, быстром введении препарата, назначении для пациентов с медленным типом метаболизма. Применение анестетика в ветеринарии может сопровождаться ухудшением качества сельхозпродукции вследствие попадания в молоко и мясо [1].
Задача данного исследования состоит в выборе рациональных условий проведения экстракции новокаина из водных сред, а также в разработке экстракционных систем для практически полного извлечения новокаина из анализируемых объектов.
Изучение условий экстракции токсических веществ органическими растворителями имеет значение для разработки в дальнейшем наиболее эффективных методов изолирования этих веществ из биологических объектов.
Ранее установленные коэффициенты распределения новокаина (D), полученные при 25 0С и рН = 7 - 8 для исходных концентраций 10"2-10-6 моль/дм3, имеют низкие значения: 13,5 и 11,8 в системах с бутиловым и октило-вым спиртами [2]. В этих условиях степень © Коренман Я.И., Чибисова Т.В., 2012
новокаин, алифатический спирт, высаливатель.
извлечения новокаина (Я, %) из водного раствора не превышает 57,4 и 54,1 %, что явно недостаточно для практического решения актуальных медико-аналитических задач.
Необходимое условие экстракции из водных сред растворителями, частично или полностью смешивающимися с водой, - введение высаливателя в водный раствор до экстракции. Соли повышают количественные характеристики экстракции - коэффициенты распределения и степень извлечения, а также способствуют образованию самостоятельной органической фазы при применении гидрофильных растворителей [3].
При экстракции спиртами, частично или полностью растворимыми в воде, применение электролитов способствует вытеснению извлекаемого вещества из водной фазы в слой органического растворителя вследствие понижения его растворимости в воде, то есть разрушается сольватная оболочка молекул, что и приводит к образованию двухфазной системы. При экстракции гидрофобными спиртами процесс высаливания происходит вследствие обмена молекул воды из ближайшего окружения экстрагируемого соединения на молекулы растворителя. Это понижает гидратацию компонента и повышает коэффициенты распределения.
Кроме того, высаливатель вызывает изменение диэлектрической проницаемости среды и ионной силы раствора, что также способствует переходу распределяемого вещества из водной фазы в органическую.
Фестпик&ТУМШ, № 4, 2012=
Эффективность действия высаливателя во многом определяется природой электролита и свойствами распределяемого вещества [4].
Готовили водно-солевой раствор новокаина с концентрацией 0,35 мг/см3. Навеску препарата фармакопейной чистоты (35 мг) помещали в мерную колбу вместимостью 100 см3, растворяли в небольшом объеме воды и доводили до метки практически насыщенным раствором высаливателя. Аммонийным буферным раствором регулировали рН среды. В качестве высаливателей применяли сульфаты и хлориды калия, натрия и аммония. Сульфат аммония и хлорид натрия нашли широкое применение в химико-токсикологическом анализе. В частности, хлорид натрия используется для разрушения эмульсий, образующихся при экстракции, сульфат аммония - при очистке вытяжек из биологического материала от белков [5]. В качестве экстрагентов нами применены алифатические спирты нормального строения (пропиловый С3, бутиловый С4, пен-тиловый С5, гексиловый Сб, гептиловый С7, октиловый С8, нониловый С9), а также изо-спирты (изопропиловый i - С3, изобутиловый i - С4, трет. бутиловый т - С4, изопентиловый i - С5). Все реагенты квалификации х. ч. К водно-солевому раствору новокаина добавляли спирт, экстрагировали на вибросмесителе при температуре 20 ±1 0С (термостат лабораторный TW-2 Е1ш^. После расслаивания фаз измеряли оптическую плотность равновесного водно-солевого раствора на УФ-спектрофотометре SHIMADZU иУ МШ1-1240 (кварцевая кювета, 1=1 см, Яшах = 291 нм).
Коэффициенты распределения и степень извлечения новокаина вычисляли по известным уравнениям [4]:
D =
%
В
К--
В+/
■•100
где С0 и Св - концентрации новокаина в равновесных органической и водной фазах, мг/см3 ; / - соотношение равновесных объемов водной и органической фаз (Рв/Ро).
При разработке рациональных условий проведения экстракции новокаина из водных сред учитывали влияние рН среды, продолжительность контакта фаз, а также соотношение органической и водно-солевой фаз. Осуществляли выбор наиболее эффективного экстраген-та, высаливателя и его концентрации.
Установлено, что наибольшие коэффициенты распределения новокаина достигаются в слабощелочной среде (рН = 7,5 - 8,5) (рис. 1).
D
50 40
30 20 10
3
4
5
"рн
Рис.1. Зависимость коэффициентов распределения новокаина от рН среды при экстракции спиртами: 1 - пропиловый; 2 - бутиловый; 3 - изобутиловый; 4 - трет. бутиловый; 5 - октиловый
При значениях рН = 7,5 - 8,5 наиболее быстро протекает гидролиз новокаина с образованием и-аминобензойной кислоты и ди-этиламиноэтанола, причем продукты гидролиза образуются в количествах, эквивалентных содержанию исходного соединения. Известно также, что при рН = 8,37 подавляется возможное влияние протонирования аминогруппы, то есть извлекается только нейтральная форма слабого электролита [б]. При создании более щелочной среды происходит помутнение водно-солевого раствора новокаина, что делает невозможным проведение экстракции.
Динамика изменения коэффициентов распределения новокаина при варьировании рН среды и экстракции алифатическими спиртами носит идентичный характер. Кривые симбатны по отношению друг к другу.
Установлено, что необходимое время контакта фаз при экстракции новокаина составляет 5 мин, в течение которого устанавливается межфазное равновесие. Для расслаивания системы достаточно 1 - 2 мин.
Установлено оптимальное соотношение объемов органической и водно-солевой фаз (1:5). При большем содержании органической фазы эффективность экстракции выше, однако при этом необходимо значительное содержание дорогостоящего экстрагента, а также при равном, либо превышающем количестве органической фазы по отношению к водно-солевой не происходит концентрирования новокаина в экстракте. При уменьшении объема органиче-
2
Фестник.ФГУМт; № 4, 2012
ской фазы степень извлечения новокаина закономерно снижается.
Эффективность распределения вещества в системе органический растворитель - насыщенный водно-солевой раствор определяется способностью экстрагента образовывать устойчивые комплексы за счет межмолекулярных водородных связей [8]. В качестве примера приводим возможную схему образования комплекса новокаина с пропиловым спиртом (рис. 2).
Рис. 2. Схема образования комплекса новокаина с пропиловым спиртом
Функциональные группы молекулы новокаина обеспечивают конформационную устойчивость и гибкость структуры. Взаимодействие новокаина с пропиловым спиртом осуществляется за счет образования межмолекулярных водородных связей через «мостик» воды между ОН-группой спирта и СОО-группой новокаина.
Применяемые нами соли характеризуются различной растворимостью в воде - 11,1; 19,2; 34,0; 35,8 и 75,4 г/100 см3 при 20 0С для сульфата калия, сульфата натрия, хлорида калия, хлорида натрия и сульфата аммония [7]. Чем более растворим высаливатель в воде, тем сильнее проявляется конкурирующее влияние образующихся ионов соли по отношению к ионам, которые окружают новокаин. Это вызывает снижение гидратации распределяемого соединения и уменьшение его растворимости в воде, что приводит к усилению высаливающего эффекта.
Повышение концентрации высаливателя в водном растворе сопровождается закономерным увеличением коэффициентов распределения и степени извлечения новокаина. Это связано с уменьшением растворимости экстрагируемого соединения в воде, тогда как его растворимость в алифатических спиртах практически не изменяется.
Установлено, что количественные характеристики экстракции новокаина при при-
менении насыщенного раствора сульфата аммония (38 мас. %) максимальны.
Для количественной оценки высаливающего действия солей применяли уравнение И.М. Сеченова:
где D - коэффициент распределения новокаина между экстрагентом и водно-солевым раствором; Р - константа распределения новокаина между тем же экстрагентом и водой; К -константа высаливания; С - концентрация соли, мас. %.
Т а б л и ц а 1
Константы высаливания новокаина при экстракции спиртами нормального и изомерного строения и применении различных высаливателей ^ = 20 ± 10С)_
Спирты Константы высаливания, К-10"3
Сульфат аммония Хлорид натрия Хлорид калия Сульфат натрия Сульфат калия
С3 14,6 12,9 12,6 10,7 6,6
С4 11,8 11,5 11,3 10,5 5,7
С5 10,6 10,5 9,4 8,9 4,9
Сб 7,1 5,8 5,6 5,0 3,8
С7 4,6 3,7 3,4 3,2 1,7
С8 3,5 2,2 1,8 1,5 1,1
С9 2,8 1,3 1,2 1,1 1,0
i - С3 6,9 6,8 6,6 6,3 4,8
i - С4 6,7 6,3 6,2 6,0 4,7
т - С4 6,5 5,7 5,5 5,4 4,4
i - С5 4,9 4,6 4,5 4,4 4,2
Из табл. 1. следует, что максимальное высаливающее действие по отношению к новокаину проявляет сульфат аммония. Наиболее перспективно применение в качестве экстра-гентов гидрофильных спиртов.
Изучено влияние изомерии спиртов на экстракцию новокаина (табл. 2).
Т а б л и ц а 2
Коэффициенты распределения ф) новокаина при экстракции изомерными спиртами и применении различных высаливателей; п = 4, Р = 0,95 ^ = 20 ± 10С).
Высаливатели Спирты
i - С3 i - С4 т - С4 i - С5
Сульфат аммония 25,0 ± 1,2 24,0 ± 1,1 23,4 ± 1,0 19,8 ± 0,8
Хлорид натрия 20,8 ± 1,0 19,5 ± 0,9 18,7 ± 0,9 17,1 ± 0,8
Хлорид калия 20,2 ± 0,9 19,1 ± 0,8 18,2 ± 0,7 16,8 ± 0,7
Сульфат натрия 17,3 ± 0,7 16,6 ± 0,8 16,1 ± 0,7 15,2 ± 0,6
Сульфат калия 15,3 ± 0,5 14,8 ± 0,5 14,6 ± 0,4 14,2 ± 0,4
Фестнщ.ФГУМЩ № 4, 2012
Спирты-изомеры характеризуются меньшей экстрагирующей способностью по сравнению со спиртами нормального строения. Это объясняется способностью спиртов самоассоциироваться: спирты нормального строения ассоциируются в меньшей степени, чем изомерного.
Установлена прямая зависимость коэффициентов распределения новокаина (^В) от числа С-атомов в углеводородном радикале нормального спирта при применении различных высаливателей (рис. 3).
lgD
Число С - атомов в молекуле спирта
Рис. 3. Зависимость логарифмов коэффициентов распределения новокаина от числа С-атомов в молекуле спиртов при применении в качестве высаливателей: 1 - сульфата аммония; 2 - хлорида натрия; 3 - хлорида калия; 4 - сульфата натрия; 5 - сульфата калия
Установлено, что с увеличением числа С-атомов в молекуле спиртов-гомологов их экстрагирующая способность по отношению к новокаину закономерно снижается, что наблюдается при применении всех изученных нами высаливателей. Это объясняется ослаблением водородной связи между спиртом и распределяемым веществом, а также снижением гидрофильности спиртов. Максимальный коэффициент распределения новокаина достигается при экстракции наиболее гидрофильным пропиловым спиртом при применении практически насыщенного раствора сульфата аммония в качестве высаливателя (D = 50,4), при этом R = 91 %.
Получены корреляционные уравнения, которые описывают зависимость lgD от числа С-атомов в углеводородном радикале нормального спирта при применении в качестве высаливателя сульфата аммония, хлорида
натрия, хлорида калия, сульфата натрия и сульфата калия:
y =-0,0969x + 1,9803; y=-0,0767x + 1,7373; y =-0,0661x + 1,6455; y =-0,0539x + 1,5305; y =-0,0231x + 1,2692.
Приведенные уравнения позволяют прогнозировать коэффициенты распределения новокаина. Например, в системах с дециловым спиртом D = 10,40 и 9,34 при применении сульфата аммония и хлорида натрия в качестве высаливателей.
Разработанные условия экстракции рекомендуются для извлечения новокаина из биологических жидкостей (моча, кровь).
ЛИТЕРАТУРА
1. Беликов, В.Г. Фармацевтическая химия [Текст] / В.Г. Беликов. - Пятигорск: Пятигорская гос. фарм. акад., 2003. - 713 с.
2. Коренман, Я.И. Коэффициенты распределения органических соединений [Текст]: справочник / Я.И. Коренман. - Воронеж, 1992. - 336 с.
3. Другов, Ю.С. Пробоподготовка в экологическом анализе [Текст] / Ю.С. Другов, А.А. Родин. - СПб.: Анатолия, 2002. -775 с.
4. Мокшина, Н.Я. Моделирование процесса экстракции ароматических аминокислот в анализе фармацевтических препаратов [Текст] / Н.Я. Мокшина, С.И. Нифталиев, О.А. Пахомова // Фундаментальные исследования, 2007. -№ 2. - С. 21 - 24.
5. Столяров, Е.Е. Определение ряда местных анестетиков в биологических жидкостях при химико-токсикологических исследованиях [Текст] / Е.Е. Столяров, Ю.И. Карпенко, Т.П. Малкова // Судебно-медицинская экспертиза, 2009. -№ 3. -С. 24 - 27.
6. Макитра, Р.Г. Особенности экстракции новокаина из водной фазы [Текст] / Р.Г. Макитра, В.И. Роговик, Н.В. Роговик, О.Я. Пальчикова // Журнал общей химии, 2007. Т. 77, -№ 8. -С. 1247 - 1250.
7. Стась, Н.Ф. Химия растворов [Текст] / Н.Ф. Стась, Л.Д. Свинцова. - Томск: Изд-во ТПУ, 2006. -155 с.
8. Крысанова, Т.А. Особенности гидратации твердых образцов гидрохлорида новокаина [Текст] / Т.А. Крысанова, Д.Л. Котова // Сорбционные и хроматографические процессы, 2008. Т. 8. - № 1. - С. 129 - 133.
