XV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Получение ацетилсалицилата тетрафенилсурьмы как потенциального средства против лейшманиоза
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
На протяжении всей истории своего существования человечество страдало от различных заболеваний. Подходы к пониманию природы и принципам лечения различных болезней менялись от интуитивных, мистических, религиозных, к пониманию естественного происхождения заболевания и разработке научного подхода к его лечению. В настоящее время все достижения человечества, связанные с лечением заболеваний, имеют химическое, физическое или биологическое происхождение. Разработанные подходы на основе гигиены, санитарных норм снизили распространение ряда заболеваний. Открытие антибиотиков и ряда других сильнодействующих препаратов позволило снизить летальность и тяжесть течения для большого круга болезней. Но в мире всё ещё присутствуют заболевания, лечения вообще или единого принципа для лечения которых пока нет. Одним из таких заболеваний является лейшманиоз. Это заболевание распространено в бедных странах от субтропического до субэкваториального пояса Земли. Оно является паразитическим и переносится москитами. Около 90 видов москитов могут являться переносчиками заболевания. Паразиты Leishmania передаются людям инфицированными самками москитов при укусах, которые осуществляются самками при питании кровью для последующего откладывания яиц.
Лейшманиоз был известен человеку с древних времён, но даже несмотря на это, единого принципа лечения против него нет. Проблема лечения лейшманиоза связана с его проявлением в возможных различных формах, а также в разнообразных эпидемиологических признаках. Эпидемиологические характеристики лейшманиоза могут быть разными в зависимости от вида паразитов и москитов, особенностей экологии районов, где происходит передача инфекции, наличия у популяции контактов с возбудителем в данный момент или в прошлом, а также поведенческих факторов. Кроме того, заболевание лейшманиозом при наличии сопутствующих инфекций, например, ВИЧ усиливает тяжесть протекания, проявление рецидивов и приводит к высокой смертности. Белково-энергетическая недостаточность и дефицит железа, витамина А и цинка в рационе повышают риск развития клинической формы заболевания в случае инфекции. Лейшманиоз лечили препаратами, содержащими сурьму – калий сурьмяновиннокислый, металлоорганические соединения пятивалентной сурьмы. Стибоглюконат натрия и антимонат меглумина активно использовались в 30-е – 40-е годы XX века.
Другие варианты местного лечения включают тепловую терапию, которая требует специальных условий для выполнения, и криотерапию; обе могут быть болезненным и применяются только для лечения небольших поражений. В дополнение, местные препараты с паромомицином используются за пределами США в виде мази, содержащей 15% паромомицина и 12% метил бензэтония хлорида в мягком белом парафине. В настоящее время выбор лечения при лейшманиозе зависит от ряда факторов, таких как клиническая форма, наличие сопутствующих патологий, вид паразита и географический район. Лейшманиоз поддается лечению и может излечиваться полностью, однако эффективность лекарственных препаратов зависит от состояния иммунной системы пациента, и при ослабленном иммунитете не исключены рецидивы.
ПАРОМОМИЦИН
БЕНЗЕТОНИЯ ХЛОРИД
В настоящее время научные исследования по поиску эффективных препаратов для лечения разных форм лейшманиоза продолжаются. Для разработки фармацевтических препаратов ведутся поиски новых химических соединений, которые могли бы показать более высокую эффективность в воздействии на возбудителя заболевания, а также в снижении токсичности воздействия на организм больного. Некоторые методы лечения оказываются высокоэффективными только против определенных видов паразитов рода Leishmania в определенных областях мира. Продолжается разработка и поиск новых препаратов для лечения лейшманиоза.
Всё вышеизложенное позволяет сделать вывод что к настоящему времени поиск эффективных лекарственных препаратов против лейшманиоза, при этом обладающих наименее низкой токсичностью для человека, продолжается. Потенциально эффективным соединением, на основе которого могут быть созданы подобные лекарственные препараты, является ацетилсалицилат тетрафенилсурьмы(V).
Литературный обзор
Одним из видов заболеваний, которому подвержена достаточно большая часть населения планеты, является лейшманиоз (он встречается в 88 странах). Это паразитарное заболевание, которое поражает в большей части кожные покровы. Переносчиками являются москиты из рода Phlebotomus и из рода Lutzomyia. Возбудителями являются паразиты рода Leishmania, которых существует около 20 видов.
Заболевание имеет большое количество форм: от единичных кожных язв до массивного разрушения кожных и подкожных тканей в слизисто-кожной форме и с вовлечением печени и других внутренних органов – в висцеральной форме с высокой вероятностью фатального исхода, если оставить заболевание без лечения.
Более чем 90% случаев висцерального лейшманиоза встречаются в пяти странах: Индии, Бангладеше, Непале, Бразилии, Судане. Более 90% кожного лейшманиоза встречается в таких странах, как Афганистан, Саудовская Аравия, Алжир, Бразилия, Иран, Ирак, Сирия и Судан. Слизисто-кожная форма в основном распространена в странах Латинской Америки.
Инфекция может быть зоонотической или антропонотической (таким как сведение лесов, строительство дамб, ирригационных систем, а также урбанизацией), в зависимости от того, кто является носителем инфекции, животное или человек.
Это настолько древнее заболевание, что упоминание о нём встречались уже на глиняных табличках Ашурбанипала в VII-м веке до н.э. Существует несколько видов лейшманиоза: кожный, лейшманиоз слизистых и висцеральный. Кожный лейшманиоз - это специфическая гранулема (воспаление на кожных покровах) на коже, состоящая из клеток эпителия (соединительной ткани), плазматических клеток (которые продуцируют антитела) и лимфоцитов (клеток иммунной системы). Также возможен некроз (отмирание) тканей. Лейшманиоз слизистых возникает также при наличии первичных специфических гранулем кожи. Сначала возникают обширные язвы на теле, чаще на руках и ногах. Затем поражаются слизистые оболочки носа, щек, гортани, глотки. Там появляются некрозы (отмирает ткань) и язвы. Поражения разрушают хрящевую ткань, поэтому возможна деформация лица. При висцеральном лейшманиозепоражаются внутренние органы — увеличивается селезенка и печень. Со временем поражение печени становится критическим, вплоть до асцита (выпота в брюшной полости). Поражается костный мозг. Чаще такой форме подвержены дети. В связи с увеличением внутренних органов, характерен увеличенный живот.
Однако несмотря на такую долгую историю однозначного метода лечения лейшманиоза человечество не изобрело. По данным сайта https://www.who.int/ru/news-room/fact-sheets/detail/leishmaniasis оценочно можно определить, что ежегодно происходит от 700 000 до 1 миллиона новых случаев заболевания, это при том, что заболевание развивается лишь у небольшой доли людей, инфицированных паразитами Leishmania.
Ряд научных групп в мире, в частности в США и Бразилии, занимаются разработкой вакцины против лейшманиоза. Поскольку в настоящее время вакцины не существует, разработка эффективных лекарственных препаратов против лейшманиоза и при этом наименее токсичных для человека является актуальной задачей.
В настоящее время в системную терапию против кожного лейшманиоза входит следующий ряд препаратов: обычный амфотерицин B. дезоксихолат, липидные препараты амфотерицина B, пятивалентные соединения сурьмы (SbV) и пентамидин.
Чтобы максимизировать эффективность и минимизировать токсичность, выбор препарата, дозы и продолжительности терапии должен быть индивидуальным. На выбор препарата влияет огромный ряд факторов, связанных с индивидуальными особенностями человека. Например: возраст больного, наличие заболеваний печени, почек ЖКТ и сердечно-сосудистой системы.
Продолжается разработка и поиск новых препаратов для лечения лейшманиоза. В настоящее время активно используются препараты, содержащие пятивалентную сурьму. Значительное снижение числа инфицированных макрофагов наблюдалось в трифенильном соединении сурьмы. Это соединение показало хорошую активность в низких концентрациях против промастигот и низкую токсичность против фибробластов. Можно сделать вывод, что фенильные соединения сурьмы(v) с органическими кислотами рассматриваются, как наиболее перспективные, при поиске эффективного средства для лечения лейшманиоза.
Цель и задачи
Целью данной работы является получение ацетилсалицилата тетрафенилсурьмы как потенциального средства против лейшманиоза.
Для достижения цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Ознакомиться с болезнью. Ознакомиться с уже готовыми лекарствами и исследовать их, как они работают. На основе информации выдвинуть гипотезу о новом веществе-лекарстве. Подготовить реактивы.
2. Провести синтез ацетилсалицилата тетрафенилсурьмы. Ознакомиться с методом ЯМР и с его помощью подтвердить полученное вещество
Идея исследования
До сих пор не найдено идеальной или универсальной терапии против лейшманиоза. Некоторые методы лечения оказываются высокоэффективными только против определенных видов паразитов рода Leishmania в определенных областях мира. Продолжается разработка и поиск новых препаратов для лечения лейшманиоза.
Антимонила-натрия тартрат (или винносурьмянокалиевая соль). Соли трехвалентной сурьмы взаимодействуют с тиоловыми группами ферментных систем анаэробного цикла, угнетая жизнедеятельность паразитов. Это самый токсичный препарат из соединений сурьмы. Побочные эффекты: рвота, боли в суставах, лихорадка, аллергические реакции, коллапс.
Дабы предотвратить большинство побочных эффектов и обезопасить организм человека от токсинов, вместо соединений трехвалентной сурьмы
(SbX3) целесообразно взять соединения пятивалентной сурьмы, а именно ацетилсалицилаты тетрафенилсурьмы (Ph4SbX), так как они содержат в молекуле малополярные фенильные группы и должны менее активно гидролизоваться в организме человека.
Известны пять вариантов синтеза карбоксилатов тетрафенилсурьмы Ph4SbX с использованием ацетилсалициловой кислоты
(HX = o-HOC6H4COOH)
1) Ph5Sb + HX→ Ph4SbX +C6H6
2) Ph5Sb + Ph3SbX2→ 2 Ph5SbX
3) Ph5SbOH + HX→ Ph4SbX + H2O
К сожалению выше перечисленные соединения достаточно трудно получить. В вариантах 1 и 2 для получения Ph4SbX, используется Ph5Sb, который неустойчив на воздухе. В 3 варинте используется Ph5SbOH, который в свою очередь получается с помощью Ph5Sb
Ph5Sb + H2O → Ph5SbOH
Известно, что Ph4SbBr легко получается по реакции трифенилсурьмы с бромбензолом в присутствии катализатора AlCl3 при 200 С:
4)Ph3Sb + PhBr→ Ph4SbBr
5) Ph4SbBr + AgX→ Ph4SbX + AgBr↓
6) Ph4SbBr + HX + RONa→ Ph4SbX + NaBr + ROH
В данной работе выбран способ получения ацетилсалицилата ТФС из Ph4SbBr, ацетилсалициловой кислоты и диэтиламина в качестве основания для связывания выделевшегося HBr.
Ph4SbBr + (C2H5)2NH + HX→ (C2H5)2NH2Br + Ph4SbO2CC6H4OH-o
Экспериментальная часть
Очистка растворителей и реактивов
Растворители:
Толуол (т. кип. = 110,6 ºС) - использовали очищенный перегонкой над Na и хранящийся над Na;
ТГФ (т. кип. = 66 ºС) - использовали свежеперегнанный над натрием с бензофеноном;
ИПС (т. кип. 82,4 ºС) – использовали без дополнительной очистка;
Хлороформ (т. кип. = 61,2 ºС) – использовали без дополнительной очистки
Петролейный эфир (т.кип. 40-70ºС) – использовали без дополнительной очистки.
Реактивы:
HO2C-C6H4-OАс-o (т. пл. = 136°С) - использовали без дополнительной очистки;
Et2NH (ρ=0,707 г/мл) - использовали без дополнительной очистки;
Ph4SbBr (т. пл. = 200 ºС) – очистка перекристаллизацией в ИПС.
1) Ph4SbBr, полученный ранее в лаборатории взаимодействием трифенилсурьмы с бромбензолом в присутствии хлорида алюминия, очищали перекристаллизацией из кипящего изопропилового спирта (ИПС) (45 мл на 7,7 г Ph4SbBr).
2) Определение растворимости ацетилсалициловой кислоты необходимо было исследовать для выбора растворителя для синтеза ацетилсалицилата тетрафенилсурьмы. По литературным данным для подобных реакций использован толуол. Для оценки растворимости 0.1 г ацетилсалициловой кислоты заливали 3 мл толуола, выдерживали в течение одного часа при комнатной температуре, после чего получившийся насыщенный раствор отделяли фильтрованием и фильтрат испаряли при комнатной температуре на часовом стекле до постоянного веса твердого остатка. Растворимость кислоты в толуоле составила S (толуол) = 0,5 мг/мл. Это недостаточно для гомогенного проведения реакции.
В связи с этим было решено добавить к толуолу ТГФ, в котором по литературным данным растворимость ацетилсалициловой кислоты на порядок выше.
Синтез ацетилсалицилата тетрафенилсурьмы:
Синтез Ph4SbO2C-C6H4-OAc-o проводили по реакции:
Ph4SbBr + HO2C-C6H4-O(O)C-CH3-o + Et2NH → Ph4Sb-O2C-C6H4-OAc-o + Et2NH2Br
m(Ph4SbBr) = 0.51 г (1 ммоль), m(HO2C-C6H4-OАс-o) = 0.18 г (1 ммоль), V(Et2NH) = 0,1 мл (0,707 г/мл; 1 ммоль).
По причине плохой растворимости ацетилсалициловой кислоты в толуоле в качестве растворителя использовали смесь 9 мл толуола и 0,9 мл ТГФ. Синтез проводили при комнатной температуре 163 ч, в том числе 42 ч при перемешивании магнитной мешалкой. Полученный продукт отфильтровали и отогнали остатки растворителя при пониженном давлении.
Перекристаллизация продукта
В большинстве случаев для перекристаллизации фенильных производных Sb (V) используют систему CHCl3-петролейный эфир. В данном случае смесь хлороформа (0,9 мл) и петролейного эфира (5 мл) не позволила полностью растворить продукт, поэтому в качестве растворителя использовали смесь из хлороформа (0,9 мл), петролейного эфира (2,5 мл) и ИПС (2,5 мл). В таком трёхкомпонентном растворителе продукт полностью растворился при нагревании. После чего раствор оставили в холодильнике при 4°С до полного выпадения кристаллов.
Выпавшие кристаллы декантировали и оставили просушиваться. После высыхания маточного раствора осталась вязкая прозрачная стеклообразная масса. При добавлении ИПС (3 мл) из массы начали формироваться белые кристаллы. Их тоже просушили и взвесили. Для подтверждения получения ацетилсалицилата тетрафенилсурьмы провели расшифровку полученных 1Н и 13С – ЯМР спектров для обеих фракций. Результаты приведены ниже.
Полученные результаты и их обсуждение
1) Очистка Ph4SbBr перекристаллизацией дала следующие результаты:
m(Ph4SbBr) I сорт = 3,07 г, т. пл. 200°С,
m(Ph4SbBr) 2 сорт = 0,65 г, т. пл. 193°С,
m(Ph4SbBr) 3 сорт = 2,2 г, т. пл.= 182°С.
Выход чистого продукта (I сорт) = 40%
2) Определение растворимости ацетилсалициловой кислоты в толуоле и смеси толуола и ТГФ показала, что растворимость кислоты в толуоле составила S(толуол) = 0,5 мг/мл. В смеси 9 мл толуола и 0.9 мл ТГФ растворимость получилась более высокой и составила S(толуол+ТГФ) = 0,8 мг/мл.
3) Растворимость бромида диэтиламмония в смеси толуол-ТГФ необходимо было оценить для подтверждения того, что образующийся при синтезе ацетилсалицилата тетрафенилсурьмы бромид диэтиламмония полностью выпадет в осадок и его можно будет простым фильтрованием отделить от целевого МОС продукта. Экспериментом установлено, что растворимость достаточно низка и составляет 0.01 ммоль бромида диэтиламмония в 13 мл смеси толуол-ТГФ (10:1).
4) Перекристаллизация продукта Ph4Sb-O2C-C6H4-OАc-o:
Получили продукт 1 сорта 0.3295 г. Выход 54,1%, т. пл. 136; 144; 122 °C.
Масса продукта 2 сорта, загрязненного примесями, 0.1802 г, т. пл. 65; 79°С.
Идентификация полученного соединения методом ЯМР
ЯМР-спектр H1
δ= 7,68-7,71 1-водород
δ = 7,55-7,58 4-водород
δ = 7,07-7,12 3-водород
δ = 7,25-7,32 2-водород
δ = 7,35-7,49 водороды (Ph-)
δ = 2,1-2,2 (-CH3)
ЯМР-спектр С13
δ = 78 растворитель
δ = 207 8-углерод
δ = 170 36-углерод
δ = 20 или 30 9-углерод
δ = 167 5-углерод
δ = 125 4-углерод
δ = 131 1-углерод
δ = 128-135 (Ph-)
Выводы
Были изучены действующие лекарства против лейшманиоза
Было предложено новое лекарство – ацетилсалицилат тетрафенилсурьмы
Проведен синтез ацетилсалицилата тетрафенилсурьмы
Был изучен метод ЯМР и на его основе был идентифицирован продукт
Список использованной литературы
Кочешков К.А., Сколдинов А.П., Землянский Н.Н. Методы элементоорганической химии. Сурьма, висмут. М.: Наука, 1976, 483 с.
Гущин А.В. Получение органических производных сурьмы(V), висмута(V) и применение их в органическом синтезе. Дисс. докт. хим. наук, ННГУ. Н. Новгород. 1998, 283 с.
Разуваев Г.А., Брилкина Т.Г. Перекисные металлоорганические соединения и их превращения, Успехи химии, 1976, 45, 2196-2220.
Шарутин В.В., Шарутина О.К. Пентафенилсурьма и пентафенилвисмут как фенилирующие агенты в реакциях с органическими соединениями элементов // Вестник ЮУрГУ, 2012, 24, 18-31.
Шарутин В.В., Жидков В.В., Муслин Д.В., Ляпина Н.Ш., Фукин Г.К., Захаров Л.Н., Яновский А.И., Стручков Ю.Т. Синтез, строение и термическое разложение арокситетрафенилстиборанов // Изв. АН. Сер. хим., 1995, 5, 958–962.
Соколова Н.В. Синтез органических производных сурьмы и висмута с салициловой и ацетилсалициловой кислотами, дипл. раб., ННГУ. Нижний Новгород, 2016, 121.