Способ получения сетчатого полимерного сорбента для селективного выделения антибиотика эритромицина
Владельцы патента RU 2478103:
Учреждение Российской академии наук Институт высокомолекулярных соединений РАН (RU)
Настоящее изобретение относится к способу получения сетчатого гидрофильного полимерного сорбента для селективной сорбции эритромицина из культуральной среды, включающий радикальную сополимеризацию неионогенного мономера, мономера-шаблона и сшивающего агента в присутствии редокс-системы (персульфат аммония - аскорбиновая кислота - 1 мас.% к весу мономеров), отличающийся тем, что в качестве неионогенного мономера используют 2-гидроксиэтилметакрилат, в качестве мономера-шаблона - метакрилат эритромицина, а в качестве сшивающего агента - диметакрилат этиленгликоля, и сополимеризацию проводят при комнатной температуре в инертной атмосфере в 50% водном изопропаноле при концентрации сомономеров в растворе 20 мас.%, содержании сшивающего агента 25 мол.% и соотношении неионогенный мономер:мономер-шаблон 72-3:60-15 мол.%. Технический результат - получение сорбента, обладающего высокой сорбционной емкостью по эритромицину. 1 табл., 5 прим.
Изобретение относится к химии высокомолекулярных соединений, а конкретно к получению сетчатых полимеров, обладающих высокой селективностью сорбции к целевым молекулам-мишеням биологически активных веществ (БАВ).
Эритромицин относится к классу антибиотиков-макролидов широкого спектра действия. Эритромицин активен в отношении грамположительных и некоторых видов грамотрицательных микроорганизмов, спирохет и простейших.
Токсичность эритромицина невелика, поэтому препарат нашел широкое клиническое применение при лечении кокковых инфекций. Лучшие результаты были показаны при лечении инфекций, вызванных стрептококками, стафилококками и гонококками. Этот антибиотик включен в перечень «Жизненно необходимых и важнейших лекарственных средств РФ».
Существующая на сегодняшний день промышленная схема выделения эритромицина из культуральной жидкости предполагает экстракцию антибиотика значительными объемами органических растворителей, что приводит к пожаро- и экологической опасности такой технологии.
Известны различные сорбционные схемы выделения эритромицина с использованием различных по структуре и химической природе поликонденсационных сорбентов. Для этой цели использовались иониты КФУ и КФУХ (поликонденсационные иониты на основе формальдегида и простых эфиров фенола, содержащих карбоксильные группы), которые по отношению к антибиотикам эритромицину, неомицину, стрептомицину и др. имели высокие константы избирательности сорбции (С.Ф.Клих, Г.Э.Елькин, Г.В.Самсонов. Кинетика сорбции эритромицина ионитами. // Хим. - фарм. журн. 1976. Т.? №2. C.115-119).
Однако применение конденсационных сорбентов в настоящее время запрещено ввиду их высокой токсичности.
Известны работы по изучению сорбции эритромицина на сорбентах марки Amberlite: XAD-4 (молекулярный сорбент), XAD-16 (молекулярный сорбент), IRA-410 (анионообменник) и IR-120 (катионообменник). (M.H.L.Ribeiro, I.A.C.Ribeiro Modelling the adsorption kinetic of erythromycin onto neutral and anionic resins. // Bioprocess Biosyst Eng. 2003. Т.26. №1. Р.49-55. M.H.L.Ribeiro, I.A.C.Ribeiro Recovery of erythromycin from fermentation broth by adsorption onto neutral and ion-exchange resins. // Separation and Purification Technology. 2005 T.45. №2. Р.232-239).
Существенными и очевидными недостатками применения данных сорбентов являются незначительная сорбционная емкость, крайне низкая избирательность и невысокие кинетические характеристики по отношению к эритромицину.
Наиболее близким является способ синтеза карбоксильного катионита на основе метакриловой кислоты (МАК), диметакрилата этиленгликоля (ДМЭГ) в качестве кроссагента и вводимой в мономерную смесь специально синтезированной соли - метакрилата эритромицина (МЭ) (Писарев О.А., Ежова Н.М., Гаркушина И.С. Взаимодействие эритромицина с полимерными сорбентами, «настроенными» на молекулу антибиотика. // Ж. физ. химии. 2009. Т.83. №1. С.142-147), согласно которому радикальная сополимеризация МАК и МЭ проводилась в ампулах в токе аргона при комнатной температуре в присутствии 1% окислительно-восстановительной системы: персульфат аммония - аскорбиновая кислота в качестве инициатора и 12 мол.% ДМЭГ в качестве кросс-агента. Затем образцы заливались десятикратным избытком 1н HCl на 10-12 часов для разрушения МЭ и переведения хлорида эритромицина в раствор. Далее образцы промывались дистиллированной водой и последовательно обрабатывались десятикратным избытком 0,5н NaOH для удаления непрореагировавших мономеров, водой и 0,5н HCl, а далее отмывались водой до нейтральной реакции по метилоранжу. Для дальнейших исследований использовалась фракция с размером зерен 125-300 мкм.
Основным существенным недостатком прототипа является низкая специфичность сорбции, обусловленная наличием в матрице сорбента как молекулярных отпечатков эритромицина, так и свободных карбоксильных групп, способных к ионообменному неспецифичному взаимодействию с молекулами веществ, присутствующих в многокомпонентной культуральной среде. Кроме того, при содержании мономера-шаблона (МЭ) в полимеризационной смеси более 15 мол.% получали сорбенты с малым выходом и низкой механической прочностью.
Технической задачей и положительным результатом заявляемого изобретения является разработка способа синтеза нового сшитого полимерного сорбента на основе неионогенного мономера 2-гидрокиэтилметакрилата (ГЭМА), МЭ и ДМЭГ. Предлагаемый способ позволяет получать сорбенты с максимальной специфичностью сорбции эритромицина и не содержащих других функциональных групп.
Указанная задача и результат в изобретении достигается реализацией предлагаемого способа получения сетчатого полимерного сорбента, при котором сополимеризуют мономеры ГЭМА, МЭ и сшивающий агент ДМЭГ в 50% водном растворе изопропанола при концентрации мономеров, равной 20%. В качестве инициатора радикальной сополимеризации используют редокс-систему персульфат аммония-аскорбиновая кислота в количестве 1% к весу мономеров. Сополимеризацию осуществляли в инертной атмосфере аргона при комнатной температуре. Способ реализуют при соотношениях ГЭМА:МЭ = 72:3-60:15 мол.% при 25 мол.% ДМЭГ.
Указанные отличительные признаки предлагаемого способа являются существенными, а предлагаемый способ получения сетчатого полимерного биорецептора эритромицина имеет очевидные преимущества перед прототипом.
Анализ уровня техники не выявил технические решения, в которых была бы использована вся совокупность существенных признаков заявленного способа. Это свидетельствует о соответствии условиям патентоспособности: «новизна» и «изобретательский уровень».
Заявляемым способом можно получать сетчатые полимеры в виде сшитых полимерных частиц с выходом по сомономерам от 45 до 95%. Размер частиц задают фракционированием.
Существенность новизны признаков способа подтверждается следующим.
При использовании в качестве растворителя водного изопропанола (ИПС) менее 50% не удается ввести в мономерную смесь 25 мол.% ДМЭГ. При концентрации изопропанола более 50% компоненты полимеризационной смеси не растворяются.
При концентрации мономеров 20 мас.% достигается максимальная пористость системы при сохранении механической прочности. При количестве ДМЭГ ниже 25 мол.% наблюдается существенное снижение выхода сополимера, а увеличение до 30 мол.% приводит к образованию сополимера с низкой насыпной плотностью, непригодного к использованию в колоночном режиме.
При содержании МЭ ниже 3 мол.% наблюдается снижение специфичности сорбции антибиотика, а при содержании МЭ больше 15 мол.% - снижение механической прочности сорбента.
Полученные сополимеры не содержат определяемые известными аналитическими методами остаточные мономеры и иные низкомолекулярные примеси.
Для доказательства соответствия заявленного способа условию патентоспособности - «промышленная применимость» и для полного раскрытия сущности заявленного изобретения приводятся примеры его конкретного осуществления.
Пример 1. В стеклянный стакан емкостью 200 мл загружают 3,75 г МЭ (0,0046 моль), 14,20 г (0,1092 моль) ГЭМА и 7,51 г (0,0379 моль) ДМЭГ, что соответствует соотношению ГЭМА:МЭ = 72:3 мол.% и 25 мол.% ДМЭГ. Далее в реакционный сосуд добавляют 101,7 мл 50% водного раствора ИПС, что соответствует концентрации мономеров, равной 20%. Через капилляр в склянку подается аргон до полного растворения мономеров. После этого поочередно добавляется аскорбиновая кислота 0,2543 г, после растворения которой добавляется персульфат аммония (0,3306 г), что соответствует 1% к массе мономеров. После завершения реакции и окончанию экзотермического процесса образовавшийся блок прогревают на водяной бане (90°C) в течении 1 часа. Полученный блок полимера выгружают из сосуда, дробят и промывают от остаточных мономеров в начале пятикратным объемом 0,5н раствора едкого натра, затем водой до нейтральной реакции, после чего помещают в аппарат Сокслета для экстракции эритромицина этанолом. Полноту удаления контролируют по окрашиванию метилрота. После полного удаления эритромицина сополимер переводят в водородную форму обработкой трехкратным объемом 0,5н соляной кислоты, отмывают водой до нейтральной реакции, фракционируют. Выход конечного продукта 21,0 г или 95% по сомономерам. Полученный по заявленному способу сорбент характеризуется значительной равновесной емкостью сорбции по эритромицину (3800 мг/г).
Пример 2. В склянку емкостью 200 мл загружают 7,54 г МЭ (0,0092 моль), 13,75 г (0,1058 моль) ГЭМА и 7,59 г (0,0383 моль) ДМЭГ, что соответствует соотношению ГЭМА:МЭ = 69:6 мол.% и 25 мол.% ДМЭГ. Далее в реакционный сосуд добавляют 115,7 мл 50% водного раствора ИПС, что соответствует концентрации мономеров, равной 20%. Через капилляр в склянку подается аргон до полного растворения мономеров. После этого поочередно добавляется аскорбиновая кислота 0,2889 г, после растворения которой добавляется персульфат аммония (0,3755 г), что соответствует 1% к массе мономеров. Далее как в примере 1. Выход конечного продукта 16,5 г (70%). Полученный по заявленному способу сорбент характеризуется значительной равновесной емкостью сорбции по эритромицину (3500 мг/г).
Пример 3. В склянку емкостью 200 мл загружают 11,48 г МЭ (0,0140 моль), 13,34 г (0,1027 моль) ГЭМА и 7,70 г (0,0389 моль) ДМЭГ, что соответствует соотношению ГЭМА:МЭ = 66:9 мол.% и 25 мол.% ДМЭГ. Далее в реакционный сосуд добавляют 130,1 мл 50% водного раствора ИПС, что соответствует концентрации мономеров, равной 20%. Через капилляр в склянку подается аргон до полного растворения мономеров. После этого поочередно добавляется аскорбиновая кислота 0,3253 г, после растворения которой добавляется персульфат аммония (04228 г), что соответствует 1% к массе мономеров. Далее как в примере 1. Выход конечного продукта 11,9 (53%). Полученный по заявленному способу сорбент характеризуется значительной равновесной емкостью сорбции по эритромицину (3700 мг/г).
Пример 4. В склянку емкостью 200 мл загружают 15,32 г МЭ (0,0187 моль), 12,76 г (0,0982 моль) ГЭМА и 7,71 г (0,0390 моль) ДМЭГ, что соответствует соотношению ГЭМА:МЭ = 63:12 мол.% и 25 мол.% ДМЭГ. Далее в реакционный сосуд добавляют 143,2 мл 50% водного раствора ИПС, что соответствует концентрации мономеров, равной 20%. Через капилляр в склянку подается аргон до полного растворения мономеров. После этого поочередно добавляется аскорбиновая кислота 0,3581 г, после растворения которой добавляется персульфат аммония (0,4655 г), что соответствует 1% к массе мономеров. Далее как в примере 1. Выход конечного продукта 11,7 г (53%). Полученный по заявленному способу сорбент характеризуется значительной равновесной емкостью сорбции по эритромицину (3500 мг/г).
Пример 5. В склянку емкостью 200 мл загружают 19,43 г МЭ (0,0237 моль), 12,32 г (0,0948 моль) ГЭМА и 7,82 г (0,0395 моль) ДМЭГ, что соответствует соотношению ГЭМА:МЭ = 60:15 мол.% и 25 мол.% ДМЭГ. Далее в реакционный сосуд добавляют 158,3 мл 50% водного раствора ИПС, что соответствует концентрации мономеров, равной 20%. Через капилляр в склянку подается аргон до полного растворения мономеров. После этого поочередно добавляется аскорбиновая кислота 0,3958 г, после растворения которой добавляется персульфат аммония (0,5145 г), что соответствует 1% к массе мономеров. Далее как в примере 1. Выход конечного продукта 9,9 г (45%). Полученный по заявленному способу сорбент характеризуется значительной равновесной емкостью сорбции по эритромицину (3800 мг/г).
Данные конкретных примеров синтеза и сорбционных свойств сополимеров приведены в таблице:
Таблица
| № | M1/M2 | ПОЕ | Q | Kн | ρ | q |
| 1 | 72/3 | 0,28 | 95 | 6,2 | 0,75 | 3800 |
| 2 | 69/6 | 0,50 | 75 | 3,0 | 0,77 | 3500 |
| 3 | 66/9 | 0,62 | 53 | 3,0 | 0,75 | 3700 |
| 4 | 63/12 | 0,78 | 53 | 2,5 | 0,76 | 3500 |
| 5 | 60/15 | 0,87 | 45 | 2,5 | 0,76 | 3800 |
где: M1 - ГЭМА, мол.%; M2 - МЭ, мол.%; ПОЕ - полная обменная емкость по карбоксильным группам, мг-экв/г; Q - экспериментальный выход по мономерам, мас.%; Kн - коэффициент набухания в воде; ρ - насыпная плотность сорбента, г/см3; q - равновесная сорбционная емкость сорбента по эритромицину, мг/г.
Способ получения сетчатого гидрофильного полимерного сорбента для селективной сорбции эритромицина из культуральной среды, включающий радикальную сополимеризацию неионогенного мономера, мономера-шаблона и сшивающего агента в присутствии редокс-системы (персульфат аммония - аскорбиновая кислота - 1 мас.% к весу мономеров), отличающийся тем, что в качестве неионогенного мономера используют 2-гидроксиэтилметакрилат, в качестве мономера-шаблона - метакрилат эритромицина, а в качестве сшивающего агента диметакрилат этиленгликоля и сополимеризацию проводят при комнатной температуре в инертной атмосфере в 50% водном изопропаноле при концентрации сомономеров в растворе 20 мас.%, содержании сшивающего агента 25 мол.% и соотношении неионогенный мономер:мономер-шаблон 72-3:60-15 мол.%.
