Выпускная квалификационная работа
Получение рентгеноконтрастного средства йогексола
Введение
Синтез рентгеноконтрастных средств в настоящее время интенсивно развивается. Йогексол (N, N’ – бис (2,3 – дигидроксипропил) – 5 – N – (2,3 – дигидроксипропил) ацетамид – 2,4,6 – трийодизофталамид) является одним из наиболее перспективных неионных рентгеноконтрастных средств. Основными достоинствами данного препарата являются высокая стабильность и низкая осмолярность, что делает его существенно более эффективным средством по сравнению с ионными препаратами. Несмотря на обилие существующих методов получения данного реагента, одной из наиболее актуальных задач является разработка новых и совершенствование существующих стадий полного синтеза йогексола с целью упрощения экспериментальной составляющей и повышения выхода как промежуточных продуктов синтеза, так и целевого вещества.
Целью представленной работы было осуществление полного синтеза йогексола, исходя из доступных реактивов.
1. Литературный обзор
1.1 Использование рентгеноконтрастных средств
В России первым РКС для внутрисосудистого введения стал монойодсодержащий препарат метиодал (серкозин, 1935), который, несмотря на заметную токсичность, позволил отечественным рентгенологам приобрести собственный опыт проведения ангиографии и урографии. Затем был создан двуйодсодержащий препарат диодон (кардиотраст, 1953) с меньшей токсичностью и более высокой диагностической эффективностью, сравнимой с уроселектаном В.
Параллельно с развитием ангиоурографических средств начался поиск контрастных препаратов для контрастирования желчевыделительной системы. Используя открытый в 1909 г. Феномен избирательного выделения с желчью фенолтетрахлорфталеина, Дорн и Дедрих разработали в 1940 г. препарат билиселектан – йодалфиновую кислоту для приема внутрь. Поиск более совершенных препаратов привел к созданию его аналогов, среди которых наиболее популярными стали йоподат (билоптин) и йопаноевая кислота (холевид).
В 50-е гг. в области контрастной ангиоурографии началась эра трийодбензоатов. В 1950 г. Уоллингфорд и соавт. получили первое трийодсодержащее соединение – ацетризоат. В 1954 г. Ланджекер и Ларсен одновременно синтезировали производное ацетризоата – натрия амидотризоат – действующее вещество препарата урографин. В это же время были найдены наиболее хорошо переносимые катионные компоненты (смесь натрия и меглюмина), которые вошли в состав урографина.
В начале 70-х гг. прошлого столетия началась эпоха неионных РКС. Первым шагом стал метризамид (амипак), разработанный по замыслу шведского радиолога Альмена (1971) и не нашедший широкого применения в связи с нестабильностью. Дальнейшие исследования в области неионных РКС привели к созданию в 1982 г. стабильного и достаточно хорошо переносимого препарата йогексола (омнипак). После этого потребовалось всего 3 года, и закономерным продолжением и развитием всех достоинств неионных РКС стал препарат йопромид (ультравист), отличающийся улучшенными физико-химическими свойствами по сравнению с йогексолом (более низкие осмотичность и вязкость при одновременном повышении максимальной концентрации йода с 350 до 370 мг/мл). В 80-е и более интенсивно в 90-е гг. в мире стали появляться другие мономерные неионные РКС: йопамирон (йопамиро), йоверсол (оптирей), йобитридол (ксенетикс), йоксилан (оксилан), йомепрол (иомерон) и димерный ионный низкоосмолярный препарат йоксагловой кислоты (гексабрикс).
В 1993 г. получено разрешение на клиническое использование димерного неионного изоосмолярного препарата йотролан (изовист) для визуализации сосудов и мочевых путей, а затем миелографии и бронхографии. Несколько позднее разработан другой неионный димер йодиксанол (визипак). Неионные димеры позволяют достичь осмолярности идентичной осмолярности крови, но имеют более высокую вязкость, что приводит к развитию отсроченных побочных реакций [1].
Анализ физико-химических свойств димерных и мономерных РКС, а также литературные данные показывают, что практически невозможно создать рентгеноконтрастный препарат на основе трийодированного ароматического кольца, который бы в совокупности имел какие-либо выраженные преимущества по сравнению с существующими мономерными неионными РКС. Поэтому наиболее широко в клинике используются именно неионные мономерные РКС.
Развитие методов лучевой диагностики потребовало создания принципиально новых контрастно-диагностических средств – магнитно-резонансных (МРКС) и ультразвуковых (УЗКС) контрастных препаратов [2].
1.2 Классификация рентгеноконтрастных средств
рентгеноконтрастный потенциометрический титрование йогексола
Для диагностики различных заболеваний внутренних органов используют рентгеновские лучи, г-излучение, феномен магнитного резонанса, ультразвук и лазерное излучение. По характеру получаемой с их помощью информации современные диагностические средства можно разделить на препараты для функциональной диагностики и препараты, позволяющие получать изображение (контрастировать) отдельных органов или патологических очагов [1].
В 1967 г. П.В. Сергеев предложил классификацию РКС, в которой предусмотрено выделение двух групп препаратов: пропускающих рентгеновские лучи (рентгенонегативные) и задерживающих их (рентгенопозитивные). К первой группе были отнесены двуокись углерода, азот, кислород и другие газы. Ко второй группе – вещества, как содержащие, так и не содержащие йод. Ряд препаратов, представленных в этой классификации, имеют исторический интерес (например, торотраст, сергозин, кардиотраст). В последние десятилетия в качестве РКС используют новые препараты (например, йопромид).
За всю историю развития РКС в качестве контрастных атомов были изучены многие химические элементы, в частности висмут, барий, тантал, стронций, йод, бром, фтор и др. Из них наиболее оптимальными оказались соединения йода и бария. Начиная с 50-х гг. органические йодсодержащие РКС все шире используют для ангио-, уро-, холецисто-, лимфографии и других разновидностей этих контрастных рентгенодиагностических методов.
После появления в 50-х гг. прошлого века трийодированных производных бензойной кислоты эти органические соединения стали основой многих РКС, которые доминируют в лучевой диагностике. В ближайшем будущем маловероятно появление конкурирующих веществ по следующим причинам:
1. йод – единственный химический элемент, обладающий важными для контрастно-диагностического средства свойствами (он хорошо поглощает рентгеновские лучи, прочно связывается с ароматическими структурами, образует стабильные соединения, практически не метаболизирующиеся в живых организмах и не вызывающие значительных токсических реакций при введении в диагностических дозах);
2. в ароматических структурах на основе трийодбензоата содержание йода достигает 84%, что обеспечивает высокую контрастность диагностических средств;
3. положения 1′, 3′, 5′ бензольного кольца доступны для химической модификации, позволяя создавать диагностические средства с оптимальными биологическими свойствами, хорошей переносимостью и органотропностью.
По химическому строению все органические йодсодержащие РКС можно разделить на циклические и алифатические.
К циклическим йодсодержащим РКС относятся одно-, двух- и трийодзамещенные препараты. Из однойодзамещенных веществ применяют только этиловый эфир 10 – (п-йод-фенил) – ундекановой кислоты (отечественный препарат этиотраст, зарубежный – миодил) для миелографии и лимфографии.
Двузамещенные циклические РКС, за исключением пропилйодона, уже изъяты из фармакопейного реестра многих стран, в том числе и из Государственной фармакопеи РФ [2].
Наиболее распространены трийодзамещенные ароматические РКС, химическую структуру которых в общем виде можно представить следующим образом. Йод, поглощая рентгеновские лучи, определяет контрастные свойства препаратов. Вся остальная часть молекулы выполняет функцию носителя йода, определяя стабильность, токсичность, растворимость и органоспецифичность РКС. Высокая стабильность РКС как при хранении, так и после введения их в организм обеспечивается присоединением атомов йода к ароматическим ядрам, водорастворимость – гидрофильными полярными группировками. К гидрофильным группам, способным активно взаимодействовать с водой, можно отнести полярные структуры (частично заряженные) – амидные, кислотные, гидроксильные и др. Увеличение числа атомов йода в одной молекуле РКС позволяет снизить осмолярность соединения, но увеличивает его вязкость и способность вызывать отсроченные побочные реакции.
В качестве заместителей в положениях 1′, 2′ и 3′ трийодзамещенного бензольного кольца (R1, R2 и R3) используют различные химические структуры (рис. 1):
– R1 – у ионных РКС чаще всего углеводородная цепочка с кислотной группой или просто кислотная группа, у неионных вместо кислотной группы обычно какой-либо сахар или углеводородная цепочка с гидроксильными группами;
– R2, R3 – органические радикалы, придающие веществу большую или меньшую растворимость в воде.
Наличие или отсутствие радикалов в 5′ положении (R3) определяет органотропность РКС: замена атома водорода на органический радикал превращает холецистохолангиографическое РКС в ангиоурографическое.
Таким образом, современные органические йодсодержащие РКС – ионные (соли натрия и меглюмина) или неионные (растворимость которых обеспечивается включенными в структуру гидроксильными группами) вещества, синтезированные на основе трийодзамещенной бензойной кислоты. Все они достаточно гомологичные с точки зрения химии соединения, различия между которыми заключаются в разной химической структуре (в частности, в разном соотношении гидрофильных и гидрофобных групп) боковых цепей в первом, третьем и пятом положениях трийодзамещенной бензойной кислоты [1].
Значительного повышения безопасности РКС удалось добиться в результате создания неионных препаратов.
Обширные клинические испытания, проведенные в разных странах, неопровержимо доказали превосходство неионных контрастных средств перед ионными по переносимости, что выражается, прежде всего, в уменьшении болевых ощущений у пациентов. Для неионных контрастных препаратов характерна низкая осмолярность (отсутствие нагрузки ионами), позволяющая уменьшить выраженность болевых ощущений при их введении и минимизировать повреждения эндотелия сосудов [2].
Хорошая растворимость РКС необходима для достижения его высокой концентрации во внеклеточной жидкости при урографии, ангиографии и введении в полости тела. Растворимость ионных и неионных РКС в воде достигается различными способами.
– Ионные РКС в воде распадаются на электрически заряженные частицы – ионы. Распад молекулы на ионы происходит благодаря тому, что ее положительные и отрицательные полюса притягиваются отрицательным и положительным полюсами молекул воды [1,2].
Diatrizoato de sodio
Diatrizoato de meglumina
Ioxitalamato de meglumina
– Неионные РКС растворяются в воде благодаря полярным радикалам, которые несут частичный электрический заряд.
Йогексол
Йоверсол
Йобитридол
Йопамидол
1.3 Существующие способы синтеза рентгеноконтрастного средства йогексола
Существуют две основных синтетических последовательности синтеза йогексола. Первая основана на патенте США 1983 года [3], вторая разработана позже [4]. Другие многочисленные методики, так или иначе повторяют схему двух выше упомянутых способов и отличаются от них деталями проведения отдельных стадий.
Первой стадией патентной методики [3] является этерификация 5-аминобензол – 1,3 – дикарбоновой кислоты с использованием буанола-1 и пара-толуолсульфокислоты при температуре до 97оС. Для нейтрализации полученной реакционной смеси используют гидроксид натрия. В результате получают ди-н-бутиловый эфир 5-аминобензол – 1,3 – дикарбоновой кислоты.
Вторая стадия амидирование полученного ди-н-бутилового эфира 5-аминобензол – 1,3 – дикарбоновой кислоты в присутствии 1-амино – 2,3 – дигидроксипропана и метанола, который добавляют после охлаждения смеси.
На третьей стадии происходит йодирование хлористоводородной соли 5-амино-N, N’ – бис (2,3 – дигидроксипропил) изофталамида добавлением в четыре приема хлористого йода. Реакцию прекращают добавлением метабисульфита натрия, подщелачиванием до рН равным 3-5 и добавлением дитионита натрия.
Для синтеза 5-ацетамидо – 2,4,6 – трийодо-N, N’ – бис (2,3 – дигидроксипропил) изофталамида на четвертой стадии, 5-амино – 2,4,6 – трийодо-N, N’ – бис (2,3 – дигидроксипропил) изофталамид суспендируют в смеси уксусного ангидрида и концентрированной серной кислоты, с добавлением к полученному остатку смеси метанола и деионизованной воды. Полученный раствор нейтрализуется соляной кислотой.
Пятой стадией является получение целевого продукта Йогексола для этого 5-ацетамидо – 2,4,6 – трийодо-N, N’ – бис (2,3 – дигидроксипропил) изофталамид растворяют в пропиленгликоле с добавлением метилата натрия. В полученный охлажденный раствор добавляется 1-хлор – 2,3 – дигидроксипропан.
Во втором способе [4] первой стадией является йодирование ароматического кольца, с использованием в качестве йодирующего агента свежеприготовленного раствора КICl2, который добавляют к суспензии 5-аминоизофталевой кислоты. В результате синтеза в качестве основного продукта получают 5-амино – 2,4,6 – трийодбензол – 1,3 – дикарбоновую кислоту.
Вторая стадия основана на получении дихлорангидрида с помощью хлорирующего агента тионилхлорида и добавлением тетраметилмочевины в качестве катализатора. Используют толуол для удаления остатков тионилхлорида из осадка, при этом осадок растворяют в водно-ацетоновой смеси [5].
Третья стадия амидирования протекает с добавлением к раствору дихлорангидрида 5-амино – 2,4,6 – трийодоизофталевой кислоты безводного ДМА и 1-амино – 2,3 – пропандиола. При этом происходит образование 5-амино – 2,4,6 – трийодо-N, N’ – бис (2,3 – дигидроксипропил) изофталамида.
Синтез 5-ацетамидо – 2,4,6 – трийодо-N, N’ – бис (2,3 – дигидроксипропил) изофталамида и получение целевого продукта осуществляется по тем же механизмам, что описаны в четвертой и пятой стадиях первой методики синтеза.
1.4 Основные реакции, используемые в синтезе рентгеноконтрастных средств
Способы введения йода в ароматическую систему
1. Реакция йодирования аренов (метод Тронова – Новикова [6]) возможна в присутствии таких окислителей, как H2O2, HNO3, ICl, HIO3. Окислители превращают йод в катион I+, который и является действующим электрофильным реагентом:
I2 + HNO3 + H2SO4 2I+ + HSO – 4 + NO+2;
C6H6 + I+ C6H6-I + H+ + I-C6H6-I.
В отсутствии активирующих заместителей непосредственное введение йода можно осуществить, используя азотную кислоту или серный ангидрид для окисления HI до I2 и, таким образом, для смещения равновесия. Для получения йодбензола смесь 1,5 моля йода и избытка бензола (455 мл) обрабатывают при 50оС 6,15 молей азотной кислоты в течение 2 часов. Затем смесь нагревают при слабом кипении с обратным холодильником в течение 15 минут. Масло отделяют и перегоняют с водяным паром над NaOH; желтые нитросоединения удаляют обработкой разбавленной соляной кислоты и железными опилками при перемешивании. Йодбензол перегоняют с водяным паром, сушат и перегоняют повторно [7].
2. Более чистый йодбензол образуется с выходом 74% – 76% по реакции Зандмейера. Рекомендуют перемешивать при 70оС смесь 0,079 моль йода, 10 г. концентрированной серной кислоты и 100 г. бензола и обрабатывать ее 122 мл 1,5 М раствором надуксусной кислоты в течение 1,5 часов. Последнюю получают перемешиванием 40 г. 30% перекиси водорода и 1 г. концентрированной серной кислоты на бане при 30оС и добавлением к этой смеси по каплям в течение 3,5 часов 150 г. уксусного ангидрида. После окончания реакции, когда коричневый раствор становится почти бесцветным, смесь разбавляют водой, отделяют органический слой, промывают его, высушивают и перегоняют [8].
2С6Н6 + I2 + СН3СО3Н > 2С6Н6I + СН3СО2Н + Н2О
3. Анилин йодируют, добавляя йод к перемешиваемой смеси амина и водного бикарбоната натрия при 12-15оС. Реакция заканчивают за 30 минут, после чего продукт собирают и кристаллизуют [7].
С6Н5-NН2 + I2 + NаНСО3 + Н2О > NН2-С6Н4-I
Способы получения хлорангидридов
1. Применение трихлорида фосфора [7]. Смешивают в круглодонной колбе 1 моль карбоновой кислоты с 0,4 молями трихлорида фосфора (в расчете на каждую карбоксильную группу), несколько раз встряхивают и оставляют на ночь, защитив от влаги воздуха. Можно вместо этого нагревать 3 часа на водяной бане при 50оС с обратным холодильником. Затем жидкость декантируют с осевшей на дно фосфористой кислоты и фракционируют. Если температура ацилхлорида ниже 150оС (в вакууме или при нормальном давлении), то его можно отогнать, не отделяя от фосфористой кислоты.
2. Применение тионилхлорида [8]. Кипятят 1 моль карбоновой кислоты и 1,5 моль тионилхлорида (на каждую карбоксильную группу) с обратным холодильником, закрытым хлоркальциевой трубкой, до прекращения выделения газа. Затем избыток тионилхлорида отгоняют на водяной бане; его можно применять для последующих синтезов. Образовавшийся ацилхлорид перегоняют (в необходимых случаях в вакууме). Если полученный ацилхлорид хотят использовать для дальнейших превращений без очистки, то остатки тионилхлорида удаляют нагреванием смеси на водяной бане в вакууме водоструйного насоса.
Восстановление нитрогруппы в ароматических соединениях
1. Восстановление хлоридом олова (II) [6]. Хлорид олова (II) небольшими порциями прибавляют к раствору или суспензии нитросоединения в концентрированной соляной кислоте, взятой в небольшом избытке. Смесь перемешивают при температуре 20-22оС до полного растворения осадка. После 12 часовой выдержки при комнатной температуре выпавший осадок отфильтровывают, промывают концентрированной соляной кислотой. Продукт перекристаллизовывают из концентрированной соляной кислоты и сушат в вакуум-эксикаторе над серной кислотой и щёлочью.
2. Восстановление дитионитом натрия [8]. Реакцию проводят в водном щелочном растворе:
3. Восстановление сульфатом железа (II) [8]. Раствор FeSO47H2O в воде нагревают до 80-85 оС и добавляют раствор ароматического нитросоединения в небольшом объеме водного аммиака. Затем вносят концентрированный объем раствора аммиака, после чего отфильтровывают. Подкисляют фильтрат уксусной кислотой до кислой реакции, после чего отфильтровывают выпавший и всушивают на воздухе.
4. Восстановление железом в соляной кислоте [7]. Восстановление ароматических нитросоединений до соответствующих аминов железом в присутствии соляной кислоты является одним из распространенных методов. К раствору нитросоединения в концентрированной соляной кислоте, взятой в небольшом избытке, прибавляют порциями стружки железа.
2. Экспериментальная часть
2.1 Используемые реактивы
1. Изофталевая кислота (C6H4(COOH)2). Тпл=3480С; М=166,14г/моль. Бесцветные кристаллы. Плохо растворяется в холодной воде, холодной уксусной кислоте. Хорошо растворяется в водных растворах щелочей.
2. Азотная кислота (HNO3). Тпл=-41,590С; Ткип=82,60С; М=63,012г/моль. Бесцветная или желтоватая едкая жидкость, дымящаяся на воздухе.
3. Серная кислота (H2SO4). Тпл=-10,380С; Ткип=279,60С; М=98,082г/моль. Прозрачная, желтоватая, маслянистая жидкость с резким запахом. На воздухе медленно испаряется.
4. Соляная кислота (HCl). Тпл=-114,220С; Ткип=-850С; М=36,46г/моль. Бесцветная, «дымящая» на воздухе, едкая жидкость.
5. Гидроксид натрия (NaOH). Тпл=3230С; Ткип=14030С; М=39,997г/моль. Белое твердое вещество. Притягивает влагу из воздуха и расплывается на воздухе.
6. Дихлорид олова (SnCl2). Тпл=2470С; Ткип=6700С; М=189,6г/моль. Белый порошок, плавится и кипит без разложения.
7. Йодид калия (KI). Тпл=6860С; Ткип=13300С; М=166г/моль. Бесцветная кристаллическая соль. На свету или при нагревании на воздухе желтеет.
8. Йодат Калия (KIO3). Тпл=5600С; М=214г/моль. Белый кристаллический порошок, растворимый в воде.
9. Хлорид калия (KCl). Тпл=7760С; Ткип=14070С; М=74,55г/моль. Белое кристаллическое вещество без запаха.
10. Аллиламин (С3H5NH2). CH2=CH – CH2 – NH2. Тпл=-880С; Ткип=55-580С; М=57,10г/моль. Бесцветная жидкость с резким запахом.
11. Бисульфит натрия (NaHSO3). Тпл= 1500С; М=104,06 г./моль. Бесцветное кристаллическое вещество с сероватым оттенком. Хорошо растворим в воде.
12. Тионил хлористый (SOCl2). Тпл=104,50С; Ткип=75,60С; М=118,97г/моль. Бесцветная дымящаяся на воздухе жидкость, токсичен.
13. Диметилформамид (HCON(CH3)2). Тпл=-610С; Ткип=1530С; М=73,09г/моль. Гигроскопичная жидкость, смешивается с водой и большинством органических растворителей, за исключением алифатических углеводородов.
14. Хлорангидрид уксусной кислоты (CH3COCl). Тпл=-1120С; Ткип=51,80С; М=78,5г/моль. Бесцветная жидкость с резким запахом. Смешивается с ацетоном и бензолом. Реагирует с водой и этанолом.
15. Пропанол-2 (С3H8O). Тпл=-89,50С; Ткип=82,40С; М=60,09г/моль. Бесцветная жидкость, хорошо растворимая в бензоле и ацетоне.
16. Муравьиная кислота (HCOOH). Тпл=8,40С; Ткип=100,70С; М=46,03г/моль. Бесцветная жидкость с резким запахом. Смешивается с водой, диэтиловым эфиром и этанолом.
17. Бутанол-1 (С4H9OH). Тпл=-89,50С; Ткип=1170С; М=74,12г/моль. Бесцветная легковоспламеняющаяся жидкость.
18. Борная кислота (H3BO3). Тпл=170,90С; М=61,83г/моль. Бесцветное кристаллическое вещество, малорастворимое в воде, слабая кислота.
19. Уксусная кислота (СН3СООН). Тпл=16,640С (для безводной); Ткип=117,80С; М=60,05г/моль. Бесцветная прозрачная жидкость с резким запахом.
20. 3-хлор – 1,2 – пропандиол (C3H7ClO2). Ткип=1230С; М= 110,54г/моль.
2.2 Нитрование изофталевой кислоты
В трехгорлую колбу на 250 мл и мешалкой помещали 33,2 г изофталевой кислоты. Затем при помешивании и охлаждении из капельной воронки добавляли 50 мл нитрующей смеси (смесь концентрированных азотной и серной кислот в соотношении 1:2), предварительно охлажденной до 10 оС. По окончании добавления нитрующей смеси перемешивание при комнатной температуре продолжали 2 – 3 часа.
После этого реакционную смесь выливали в 300 мл ледяной воды и перемешивали. Осадок отфильтровывали, промывали и очищали. Жидкость отделяли делительной воронкой, водный раствор извлекали один раз эфиром, объединенные органические фракции промывали водой, раствором гидрокарбоната до нейтральной реакции и еще раз водой, сушили хлоридом кальция. Выход 5-нитроизофталевой кислоты составил 33,5 г, что составляет 79,1% от теоретического.
2.3 Восстановление нитрогруппы
В трехгорлую колбу на 1000 мл, снабженную магнитным якорем, термометром и капельной воронкой, поместили раствор 120 г. дихлорида олова (SnCl2) в 300 мл концентрированной соляной кислоты и при непрерывном перемешивании и температуре не выше 22оС вносили небольшими порциями 30 г. 5-нитроизофталевой кислоты. Смесь перемешивали при температуре 20-22оС до полного растворения осадка. После 24 часовой выдержки при комнатной температуре выпавший осадок гидрохлорида 5-аминоизофталевой кислоты отфильтровывали на фильтре Шотта и промывали 50 мл концентрированной соляной кислоты. В итоге получали 24,1 г гидрохлорида 5-аминоизофталевой кислоты, что составляет 77,9% от теоретического, считая на 5-нитроизофталевую кислоту.
2.4 Йодирование ароматической системы
15 г. гидрохлорида 5-аминоизофталевой кислоты помещали в трехгорлую колбу (500 мл), растворяли в минимальном количестве воды и нейтрализовали 1 М водным раствором гидроксида натрия, добиваясь образования водной суспензии 5-аминоизофталевой кислоты (до значения рН в пределах 6-7). Затем в течение 1 часа при 50-60 оС прибавляли из капельной воронки 130 мл водного 2,1 М раствора дихлорйодида калия.
2,1 М водный раствор дихлорйодида калия (KICl2) получали по известной методике [7]: В энергично перемешиваемую смесь 71 г. KIO3, 40 г. KCl, 5 мл концентрированной HCl и 80 мл воды одновременно приливали по каплям раствор 111 г. KI в 100 мл воды и 170 мл концентрированной HCl с такой скоростью, чтобы не происходило выделения хлора. Затем доводили водой объем смеси до 500 мл.
По завершении прибавления водного 2,1 М раствора дихлорйодида калия смесь выдерживали при 50-600С в течение 12 часов и охлаждали до комнатной температуры. Выпадающий в течение 48 часов осадок отделяли на фильтре Шотта и очищали от избытка элементного йода раствором бисульфита натрия. Полученную коричневую массу растворяли в 0,7 М водном растворе гидроксида калия (150 мл) и фильтровали на воронке Бюхнера с бумажным фильтром для удаления нерастворимых примесей. Затем рН раствора доводили до 7 1 М раствором соляной кислоты, после чего прозрачный коричневый раствор обесцвечивали небольшим количеством активированного угля (0,16 г.) при 50 oC. Осажденное твердое вещество, полученное после подкисления концентрированной соляной кислотой, отфильтровывали и высушивали в вакуум-эксикаторе. Выход 5-амино – 2,4,6 – трийодоизофталевой кислоты составил 19,81 г. (51,1%).
2.5 Получение дихлорангидрида
В трехгорлую колбу (250 мл), снабженную магнитным якорем, термометром, капельной воронкой и хлоркальциевой трубкой помещали 15 г. 5-амино – 2,4,6 – трийодоизофталевой кислоты и по каплям добавляли 22 мл свежеперегнанного тионилхлорида (SOCl2). После добавления небольшого количества ДМФА, служащего катализатором, суспензию перемешивали при 50-60 oC в течение 5 часов (наблюдалось выделение пузырьков газа). Затем реакционную смесь нагревали 30 минут при 75 oC, избыток тионилхлорида отгоняли при пониженном давлении (использовался водоструйный насос). К полученной массе по каплям добавляли дистиллированную воду (50 мл), после чего полученный осадок отфильтровывали на фильтре Шотта и дважды промывали 25 мл дистиллированной воды. Высушивание осадка производили в вакуум-эксикаторе, получая 10,08 г. целевого продукта (выход 63%).
2.6 Амидирование дихлорангидрида
К раствору 20 г. дихлорангидрида 5-амино – 2,4,6 – трийодоизофталевой кислоты в 100 мл безводного ДМФА добавляли 10 мл аллиламина в 50 мл ДМФА в течение 30 минут, затем перемешивали раствор в течение 12 часов при комнатной температуре. Полученную смесь концентрировали под вакуумом с целью удаления растворителя, и без дальнейшей очистки использовали в следующей стадии.
2.7 Ацетилирование аминогруппы
Полученное на предыдущей стадии вещество без выделения растворяли в смеси 100 мл хлорангидрида уксусной кислоты и 1 мл концентрированной серной кислоты. Реакционную смесь нагревали при 60 оС 90 минут и концентрировали под вакуумом, к полученному остатку приливали смесь 50 мл пропанола-2 и 20 мл дистиллированной воды и нагревали до 50 оС, одновременно доводя значение рН до 10,5 небольшими добавками гидроксида натрия. После окончания реакции гидролиза, раствор охлаждали до комнатной температуры и нейтрализовали соляной кислотой. Полученный раствор перемешивали при комнатной температуре 18 часов, после чего выпавший осадок отфильтровывали, промывали водой и высушивали, получая 12,6 г 5-ацетамидо – 2,4,6 – трийодо-N, N’ – бис(аллил) изофталамида (суммарный выход по стадиям 2.6 и 2.7 составил 51,3%).
2.8 Дигидроксилирование двойных связей в аллильных фрагментах
В трехгорлую колбу на 250 мл, снабженную магнитной мешалкой помещали смесь 50 мл 98%-ной муравьиной кислоты и 10 мл 30%-ного пероксида водорода, после чего порционно прибавляли 20 г. 5-ацетамидо – 2,4,6 – трийодо-N, N’ – бис(аллил) изофталамида. Смесь нагревали до 60 оС и перемешивали при этой температуре 3 часа. Большую часть воды и муравьиной кислоты отгоняли под вакуумом, после чего полученный продукт перекристаллизовывали из бутанола-1. Выход составил 52%.
2.9 Получение и очистка целевого продукта
10 г. 5-ацетамидо – 2,4,6 – трийодо-N, N’ – бис (2,3 – дигидроксипропил) изофталамида, полученного на предыдущей стадии, растворяли в водном растворе КОН (3,4 г на 10 мл). Затем добавляли 2,1 г борной кислоты и перемешивали раствор в течение 48 часов при 10оС. Затем к перемешиваемому раствору добавили 1,63 г. 3-хлорпропандиола – 1,2. После добавления реакционную смесь перемешивали еще 48 часов при 10оС. Полученную смесь разбавляли водой (25 мл), затем последовательно пропускали через две колонки с ионообменными смолами (1 – с катионитом КУ-2, 2 – с анионитом АВ-17). Воду из полученного фильтрата отгоняли под вакуумом, полученный остаток высушивали в сушильном шкафу при 70оС и затем дважды перекристаллизовывали из бутанола-1, после чего высушивали под вакуумом. Получали 7,92 г. 5 – (N – 2,3 – дигидросипропилацетамидо) – 2,4,5 – трийодо-N, N’ – бис (2,3 – дигидроксипропил) изофталамида (йогексола) (выход по данной стадии составлял 72,1%).
2.10 Определение чистоты полученного продукта методом потенциометрического титрования
0,500 г. полученного продукта помещали в круглодонную колбу на 150 мл, добавляли 25 мл гидроксида натрия концентрацией 50 г./л, 0,500 г. цинковой пыли и несколько стеклянных шариков, после чего полученный раствор кипятили 30 минут с обратным холодильником. После кипячения холодильник промывали 20 мл дистиллированной воды и промывные воды помещали в колбу. Полученный раствор отфильтровывали на фильтре Шотта, добавляя еще 20 мл воды для промывания. К собранному фильтрату приливали 5 мл ледяной уксусной кислоты и сразу же титровали 0,1 М раствором нитрата серебра. Конечную точку титрования определяли потенциометрическим способом. На титрование исследуемого образца было затрачено 17,7 мл титранта, что соответствует 484,4 мг вещества, т.о. содержание целевого вещества в полученном продукте (по йоду) составляет 97%.
2.11 Исследование спектральных характеристик полученных веществ
ИК-спектры полученных продуктов записывали на приборе ИнфраЛЮМ ФТ-02, в виде таблеток с бромидом калия. Спектры ЯМР на ядрах 1Н и 13С записывали на ЯМР-спектрометре высокого разрешения JEOL ECS-400 (частота 400 МГц) в растворе D2O. Стандартом служил ТМС.
3. Результаты и обсуждение
Синтез йогексола, описанный в патенте [3] в настоящее время является классическим и чаще всего применяется для синтеза данного препарата. Наряду с очевидными преимуществами данный метод имеет и некоторые недостатки, основным из которых является осуществление стадии йодирования ароматического кольца на достаточно позднем этапе. Так как эта реакция протекает с не слишком высоким выходом, ее проведение на поздних стадиях уменьшает итоговый выход целевого продукта.
Другой способ синтеза йогексола был предложен в работе [4]. Данный метод отличается тем, что стадия йодирования осуществляет в нем на более раннем этапе. Другим существенным отличием является проведение стадии амидирования карбоксильных групп с использованием дихлорангидрида исходной кислоты, что является более оптимальным вариантом, по сравнению с использованием сложных эфиров в вышеупомянутой патентной методике [3].
В ряде статей и патентов [5, 9-18] приводится описание различных способов проведения отдельных стадий общего синтеза, разработанных с целью повышения выхода и упрощения экспериментальной схемы синтеза. Так предложен вариант осуществления последней стадии с промежуточным образованием эфиров борной кислоты, отличающийся большим выходом и простотой осуществления по сравнению с исходным методом [9]. В то же время первоначальная методика осуществления данной стадии также была усовершенствована [17]. С целью улучшения чистоты получаемого продукта и уменьшения потерь в процессе его выделения разработаны различные способы его очистки [11,13-15].
В качестве базовой нами была выбрана схема, приведенная в работе [4]. Однако ряд стадий осуществлялся по методикам, приведенным в других работах [5,9], а использование аллиламина в качестве амидирующего агента вместо аминопропандиола являлось оригинальной методикой. Причиной выбора аллиламина являлся тот факт, что при использовании аминопропандиола наряду с основным продуктом N-ацилирования также образуется некоторое количество продуктов O-ацилирования по кислородным атомам аминопропандиола [19].
Общая выбранная последовательность трансформаций может быть представлена следующим образом:
Для нитрования изофталевой кислоты применялась классическая методика [7] с использованием нитрующей смеси концентрированных азотной и серной кислот. Полученная 5-нитроизофталевая кислота использовалась для дальнейшего синтеза.
В целом, на сегодняшний день существует множество различных методик восстановления ароматических нитросоединений [6-8]. Наиболее широко применяемыми являются методики с применением растворяющихся металлов. Однако использование классического метода восстановления железом в соляной кислоте не привело к желаемому результату, так как полученный продукт восстановления было сложно выделить из реакционной массы (по всей видимости, из-за образования солей кислоты с катионами железа (III)). Поэтому в качестве основной нами была выбрана методика с использованием дихлорида олова в качестве восстановителя [6].
Поскольку при использовании дихлорида олова в качестве восстановителя конечным продуктом является гидрохлорид 5-аминоизофталевой кислоты, перед реакцией йодирования было необходимо перевести соль в форму исходной кислоты. Это осуществлялось добавлением в раствор гидрохлорида 5-аминоизофталевой кислоты гидроксида натрия до полного выделения кислоты. Методика йодирования была взята из базовой работы [4]. Реагент для йодирования (KICl2) готовили по известному способу [7].
В качестве базовой методики получения дихлорангидрида нами была выбрана методика хлорирования 5-амино – 2,4,6 – трийодоизофталевой кислоты хлористым тионилом, описанная в работе [5]. Однако, тетраметилмочевина, применяемая в качестве катализатора в исходной методике, была заменена более доступным диметилформамидом (ДМФА), который, как известно, так же может выступать в роли катализатора взаимодействия кислот с тионилхлоридом [20].
Отличительной особенностью проводимого синтеза являлось использование аллиламина в качестве амидирующего агента с последующим окислением двойных связей. В целом, используемая методика была аналогична литературной [4], в которой использовался аминопропандиол. В качестве растворителя был выбран обезвоженный ДМФА. Для дигидроксилирования введенных аллильных фрагментов применялась классическая методика окисления с использованием смеси пергидроля (30%) и концентрированной муравьиной кислоты [7]. Данная реакция идет с не слишком высоким выходом, однако в последующем ее можно заменить более эффективным процессом, например, дигидроксилированием по Вудворду [8].
Последующие стадии введения заместителей в анилиновый атом азота являлись классическими, однако на стадии ацетилирования вместо уксусного ангидрида использовался хлорангидрид уксусной кислоты.
Очистка полученного препарата проводилась также по известной методике [3], включающей обессоливание при помощи ионообменных смол и двукратную перекристаллизацию из бутанола-1.
Полученный целевой продукт представляет собой белый гигроскопичный порошок. ИК-, ЯМР 1H- и ЯМР 13C – спектры полученного продукта представлены в приложении. Как можно заметить, в спектре ЯМР 1H йогексола присутствует синглет в области 1,8 м.д., соответствующий протонам метильной группы в ацетильном фрагменте, а также широкий ряд мультиплетов в области 3,2-3,9 м.д., обусловленный поглощением остальных протонов, находящихся в структуре йогексола. Помимо данных сигналов, в спектре присутствуют слабо выраженные триплет (0,75 м.д.) и два мультиплета (1,2 и 1,4 м.д. соответственно), наличие которых, по всей видимости, обусловлено присутствием остаточных количеств растворителя, из которого осуществлялась кристаллизация целевого продукта. Эти сигналы соответствуют протонам в структуре бутанола-1.
В спектре ЯМР 13C присутствуют следующие сигналы, соответствующие углеродным атомам целевого продукта (м.д.): 22,3; 42,5; 52,3; 64,0 (два близко расположенных сигнала различной интенсивности); 70,0; 89,8; 99,4; 147,9; 150,2; 172,5; 174,9. В спектре также присутствуют сигналы при 13,3; 17,9; 33,3 и 61,8 м.д., наличие которых свидетельствует о присутствии некоторого количества бутанола-1. Таким образом, согласно данным ЯМР, в целевом продукте присутствует незначительная примесь растворителя (бутанол-1), молекулы которого, по всей видимости, связаны водородными связями с молекулами целевого продукта.
Чистота полученного продукта подтверждалась методом потенциометрического титрования (по результатам чистота полученного продукта составила 97%). Температура плавления полученного препарата определялась в диапазоне 260-263С.
Выводы
1. Осуществлен синтез неионного рентгеноконтрастного средства 5 – (N – 2,3 – дигидросипропилацетамидо) – 2,4,5 – трийодо-N, N’ – бис (2,3 – дигидроксипропил) изофталамида (йогексола);
2. Показано, что на стадии амидирования дихлорангидрида 5-амино – 2,4,6 – трийодоизофталевой кислоты вместо аминопропандиола можно использовать аллиламин с последующим дигидроксилированием аллильных фрагментов;
3. Целевой продукт охарактеризован при помощи методов ИК-, ЯМР 1Н – и ЯМР 13С – спектрометрии.
Список использованных источников
1. Шимановский Н.Л. Контрастные средства: руководство по рациональному применению. – М.: ГЭОТАР-Медиа, 2009. – 464 с.
2. Сергеев П.В. Рентгеноконтрастные средства. – М.: Медицина, 1988. – 224 с.
3. Patent USA 4250113 (Chemical Compounds / Nordal et al.).
4. Heterocyclic Nonionic X-ray Contrast Agents. 3. The Synthesis of 5 – [4 (Hydroxymethyl) – 2-oxo-3-oxazolidinyl] – 2,4,6 – triiodo 1-, 3 – benzenedicarboxamide Derivatives / Pillai K.M., Diamantidis G., Duncan L., Ranganathan R.S. // J. Org. Chem. – 1994, Vol. 59. P. 1344-1350.
5. Optimisation of the Preparation and Isolation of 5-Amino – 2,4,6 – triiodoisophthalic Acid Dichloride / Gijsen H.J., van Bakel H.C., Zwaan W., Hulshof L.A. // Organic Process Research & Development. – 1999, Vol. 3. P. 38-43.
6. Методы получения химических реактивов и препаратов, Вып. 15. – М.: ИРЕА, 1967, с. 10.
7. Вейганд-Хильгетаг. Методы эксперимента в органической химии. – М.: Химия, 1968. – 944 с.
8. Физер Л., Физер М. Реагенты для органического синтеза. Том 1. – М.: Химия, 1970. – 438 с.
9. A Selective Process for N-Alkylation in Competition with O-Alkylation: Boric Acid, Borax, and Metaborate as a Cheap and Effective Protecting Group Applicable for Industrial-Scale Synthetic Processes / Bjursvik H.-R., Priebe H., Cervenka J., Aabye A.W., Gulbrandsen T., Bryde A.C. // Organic Process Research & Development. – 2001, Vol. 5. P. 472-478.
10. Patent USA 7244864 (Process for the Preparation of N, N-substituted 5-Amino – 1,3 – benzenedicarboxamides /Anneli et al.).
11. Patent USA 6897339 (Process for the Production of High Purity Iohexol / Turchetta et al.).
12. Patent USA 6137006 (Preparation of Tri-iodo benzene compounds / Thieking et al.).
13. Patent USA 5847212 (Process for the Preparation of Iohexol / Wang et al.).
14. Patent USA 5824821 (Process for the Preparation of Iodinated Contrast Agents and Intermediates Therefor / Lane et al.).
15. Patent USA 5705692 (Process for the Preparation of Iohexol / Wang et al.).
16. Patent Application Publication USA 2011/0021814 (Method for Reducing Aminoisophtalic Acid Bisamide Related Impurities in Preparation of Non-ionic X-ray Contrast Agents / Haaland et al.).
17. Патент РФ 2173315 (Способ получения йогексола / Мальте-Серенссен и др.)
18. The synthesis and evaluation of unsymmetrical dimeric X-ray contrast agents / Wynn D.G., Humphries G., Morisson-Iveson V., Nairne J., Newington I.M., Passmore J., Wistrand L.-G. // Tetrahedron Letters. – 2011, Vol. 52. P. 3068-3071.
19. Schreyer R.C. Synthesis of 3-Amino – 1,2 – propanediol and 2,3 – Diaminopropanol / R.C. Schreyer // J. Am. Chem. Soc. – 1951, Vol. 73. P. 4404-4405.
20. Синтезы органических препаратов, сб. 1. – М.: ИЛ, 1949, с. 40.
