Тема 9 – Применение ионитов для извлечения алкалоидов (2 часа)

Цель: формировать новые представления по применению ионитов в экстракционных методах извлечения алкалоидов

Задачи обучения:

- разобрать информационный блок по применению амфотерных ионообменных смол (полиамфолиты);

- развить коммуникативные навыки по презентации темы «Особенности строения сетчатых полимеров»;

- ознакомится с типовой схемой получения алкалоидов с помощью ионитов;

- развивать операциональные навыки по типовой схеме получения алкалоидов с помощью ионитов;

- получить практические навыки по получению неорганических сорбентов.

План проведения занятия:

1. Амфотерные ионообменные смолы.

2. Сетчатые полимеры, особенности строения.

3. Типовая схема получения алкалоидов с помощью ионитов.

Формы проведения занятия: разбор занятия проводится методом «Теоретического опроса». При неправильном ответе, правильный ответ разъясняет преподаватель. «Теоретический опрос» проводится с целью выявления основных знаний по данному предмету.

Особое внимание обращается на типовую схему получения алкалоидов ионитов.

Литература:

1 Государственная фармакопея Республики Казахстан. 1 том. – Алматы: изд-й дом «Жибек жолы», 2008 - 592 с.

2 Майофис Л.С. Химия и технология химико-фармацевтических препаратов. 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Медицина, 1964. – 625 с.

3 Альбицкая В.Г., Гинзбург О.Ф., Коляскина З.Н., Купин Б.С., Павлова Л.А., Разумова Н.А., Ралль К.Б., Серкова В.И., Стадничук М.Д. Лабораторные работы по органической химии. Под ред. О.Ф. Гинзбурга, А.А. Петрова. М.: Высш. шк., 1967. – 295 с.

4 А.Е. Агрономов, Ю.С. Шабаров Лабораторные работы в органическом практикуме. М.: Изд. Московского университета., 1971. – 230 с.

5 Бошкаева А.К. Методы определения никотина в табаке и табачных изделиях. – Алматы, 2008. – 56 с.

Контроль (вопросы):

1. Опишите основной способ получения амфотерных ионообменных смол.

2. Как получают сетчатые полимеры?

3. Объясните состав катионитов и анионитов?

4. На чем основана типовая схема получения ионитов?

Методы контроля:

Оцениваются:

- умение формулировать правильные вопросы и ответить правильно на них (25 б);

- анализ теоретического материала по контроль (вопросам) (25 б);

- умение мотивировать применение ионообменных смол (25 б);

- умение конкретизировать примерами (25 б).

ПРИЛОЖЕНИЕ

Задание 1 – Разобрать определение «Амфотерные ионообменные смолы». Отработать методику получения неорганических ионитов (алюминатной окиси алюминия) и провести ее получение (лабораторная работа № 1).

Амфотерные ионообменные смолы - Полиамфолиты  - (биполярные ионообменные смолы), сетчатые полимеры, способные к обмену как анионов, так и катионов при контакте с растворами электролитов. Сетчатые полимеры, это трехмерные, или сшитые, полимеры, полимеры с поперечными связями, вулканизационная сетка, полимерная сетка, полимеры со сложной топологической структурой, образующие единую пространственную сетку. Обычно молекулярная масса (более 109 г/моль) сетчатых полимеров соизмерима с размерами системы, т.е. весь объем полимера представляет собой одну молекулу. Сетчатые полимеры содержат узлы сшивки (узлы ветвления) - химические, физические и топологические. В большинстве сетчатых полимеров узлы образованы химическими связями, как, например, в термореактивных полимерах (феноло-, амино-, мочевино-формальдегидные и эпоксидные смолы, полиуретаны и др.), вулканизатах на основе натуральных и синтетических каучуков, сшитом полистироле. Сетчатые полимеры, содержащие узлы сшивки химической природы, обычно нерастворимы ни в каких растворителях,  хотя могут набухать в последних и неплавки. Если же растворение протекает, то оно обычно сопровождается химической деструкцией полимера. По этим же причинам сетчатые полимеры не могут переходить без деструкции в вязкотекучее состояние. Физические узлы образованы за счет электростатичных, вандерваальсовых или водородных связей. Примерами сетчатых  полимеров с такими узлами могут служить желатин, крахмал, многие линейные или разветвленные полимеры, содержащие полярные группы. Вследствие низкой прочности узлов сшивки эти полимеры могут переходить в вязкотекучее состояние и быть частично или полностью растворимыми. Топологические узлы сшивки образованы механическими переплетением макромолекул и представляют собой циклы, продетые один сквозь другой, как звенья цепи. Такие узлы связывают между собой сетки разной химической  природы. Важным классом сетчатых полимеров являются так называемые взаимопроникающие полимерные сетки, получаемые путем одновременного или последовательного формирования в системе сеток разного типа по различным химическим механизмам. Особенностью такого рода сетчатых полимеров является наличие сложной фазовой структуры, возникающей в результате невозможности полного фазового разделения компонентов системы. Физические свойства взаимопроникающих сеток зависят от химической  природы компонентов, их соотношения, способа получения и степени сшивания (доли сшитых звеньев, приходящихся на одну макромолекулу). Показатели различных физических свойств не подчиняются правилу аддитивности. Известны взаимопроникающие сетки, одним из компонентов которых является полиуретан, другим - полиэфир, полиакрилат, полиуретанакрилат, сополимер стирола с дивинилбензолом или бутадиен-стирольный каучук, а также сетки на основе трехмерного полиуретана и линейных полиакрилатов и др. Топологическую структуру сетчатых полимеров характеризуют концентрацией узлов сшивки и иногда молекулярно-массовым распределением цепей между узлами. Связь между концентрациями цепей (пс) и узлов (vc) определяется соотношением: vc = = nсf/2, где f-функциональность узла. Под функциональностью узла понимают число реализованных ветвлений, т. е. прореагировавших функц. групп. В зависимости от концентрации узлов сетчатые полимеры условно делят на редкосшитые (вулканизаты) и густосшитые (или частосшитые). В последних vc > > 10-3 моль·см-3.

Сетчатые полимеры получают полимеризацией или поликонденсацией полифункциональных мономеров или олигомеров, а также сшиванием сформированных полимерных цепей, т. е. образованием поперечных связей между линейными и разветвленными макромолекулами. Сшивание осуществляется по реакционноспособным группам полимера или (и) под действием химических веществ - сшивающих агентов, а также ионизирующих излучений. В процессе образования сетчатых полимеров реакционная система меняет свои свойства: растут ее вязкость, температура стеклования, модуль упругости. При некоторой критической глубине превращения, наз. точкой гелеобразования, система становится нерастворимой, приобретает равновесную упругость. Начиная с этого момента в системе появляется, а затем резко нарастает доля нерастворимого полимера (гель-фракция) и падает доля растворимой части полимера (золь-фракции). Как правило, точка гелеобразования при полимеризации соответствует глубине превращения нескольких процентов и доли процента; при поликонденсации эта величина составляет десятки процентов. Точка гелеобразования м.б. рассчитана по известным характеристикам исходной системы (среднемассовая функциональность реагентов, их относит. кол-ва и молекулярно-массовое распределение). Получаемые соотношения обычно не вполне точно описывают экспериментальные результаты, т.к. при их выводе не учитывается в достаточной степени реакция циклизации - образование узлов между цепями, уже связанными в единую систему. Такая реакция приводит к неэффективному использованию функциональных групп реагентов. Пока не найдено теоретических подходов (кроме прямого моделирования с помощью ЭВМ), позволяющих учитывать данный эффект. Еще менее точным является теоретическое описание выхода золь-фракции как фракции глубины реакции. Существ. влияние на значение точки гелеобразования оказывают те условия проведения реакции, которые определяют степень циклизации, гл. обр. разбавление системы активным или неактивным растворителем. В условиях получения сетчатых полимеров путем полимеризации роль разбавителя системы играет собств. мономер. Дополнительное осложнение (которое пока никак не учитывают при расчете точки гелеобразования) - возможность фазового разделения в ходе формирования сетчатых полимеров. Немаловажную роль играет также наполнение системы компонентами (сажа, армирующие волокна, пигменты и т.п.), которые могут влиять на состав реакционной смеси вследствие химического взаимодействия с реагентами системы или избирательной сорбции. Свойства сетчатых полимеров зависят не только от химической природы полимерного звена, но и от топологической структуры сетки, в частности от концентрации и функциональности узлов. Наиб. ярко топологическая структура проявляется в высокоэластическом состоянии (в котором, в частности, находятся и эксплуатируются изделия на основе резин). Однако при этом не учитывают цепи, не реагирующие на приложенное напряжение и характеризующиеся наличием структурных дефектов (типа петель и др. неэффективных циклов, концов цепей и т. п.). Кроме того, дополнительный вклад в упругость сетки вносят топологические узлы, что особенно важно для редкосшитых сетчатых полимеров. Цепи, которые вносят вклад в равновесные упругие свойства сетчатых полимеров, называют эластически активными. Густосшитые полимеры обычно находятся в стеклообразном состоянии, т.к. увеличение концентрации узлов сетки приводит к повышению времени отклика полимера на любое возмущающее воздействие, т. е. к замедлению процессов релаксации в сетчатых полимерах. Существует большое число корреляционных уравнений, связывающих температуру стеклования (Тс) с концентрацией узлов сетки. Наиболее простой зависимостью является линейная зависимость: Тс = Tc0 + Кпс, где Тс - температура стеклования несшитого полимера, К - константа, зависящая от природы и функциональности узла сетчатого полимера. Динамические свойства сетчатых полимеров сильно зависят от концентрации узлов. Так, время спин-решеточной релаксации t2 при высоких температурах оказывается тем ниже, чем выше nс, что отражает степень анизотропии движения цепей сетки. При температурах ниже Тс динамические свойства сетчатых полимеров (в частности, динамический модуль упругости) практически не зависят от их топологической структуры. По морфологической структуре редкосшитые сетчатые полимеры мало чем отличаются от линейных полимеров. Они образуют глобулы, сферолиты, кристаллиты, фибриллы и др. структуры, характерные для линейных полимеров. Однако по мере увеличения концентрации узлов сетки все труднее образуются хорошо упакованные морфологические структуры с высокой степенью упорядоченности межузловых цепей, так что степень кристалличности и температура плавления падают. Для густо-сшитых полимеров основным структурным элементом является глобула. Уникальная способность сетчатых полимеров обратимо деформироваться в высокоэластическом состоянии или набухать до очень больших (сотни и даже тысячи процентов) деформаций позволила на их основе создать разнообразные РТИ, шины, гидрогели, сорбенты и мембраны с регулируемым размером пор. Сетчатые полимеры широко применяют для создания лаков, клеев, герметиков, покрытий, пластмасс, связующих в композиционных материалах и т.п. Важной особенностью сетчатых полимеров является то, что при их формировании сразу получают не материал, а изделия. Один из недостатков сетчатых полимеров-трудности их вторичного использования. Кислотные и основные группы смол могут взаимодействовать между собой, образуя солевые связи. В ионном обмене участвуют группы, которые не соединены такими связями или образуют слабые солевые связи. Наибольшее распространенные амфотерные ионообменные смолы, имеющие, как правило, макропористую структуру  - амино- или иминокарбоксильные, пиридинкарбоновые, аминофосфорнокислотные. Основной способ получения амфотерных ионообменных смол - полимер аналогичные превращения, например карбоксилирование анионообменной смолы, содержащей первичные аминогруппы, Na-солью монохлоруксусной кислоты; хлорметилирование сополимера стирола с дивинилбензолом, последующая, замена С1 на остаток диметилового эфира иминодиуксусной кислоты и омыление эфирных групп. Другие  способы: сополимеризация или поликонденсация мономеров с противоположно заряженными ионогенными группами; полимеризация мономера, содержащего ионогенную группу, в трехмерной сетке сополимера, функциональная группа которого несет заряд противоположного знака напр., полимеризация акриловой кислоты на сильноосновном анионите. Амфотерные ионообменные смолы (полиамфолиты) - твердые зернистые продукты. Размер зерен, имеющих обычно сферическую форму, - от 0,2 до 2,0 мм. Общая обменная емкость смол составляет 4,0-7,1 мг-экв/г, по анионообменным группам - 1,0-1,9 мг-экв/г. С переходными металлами амфотерные ионообменные смолы образуют хелаты. Этим обусловлена их высокая избирательность по отношению к сорбируемым ионам и молекулам. Важное достоинство некоторых амфотерных ионообменных смол - возможность их регенерации при определенных условиях промывкой водой, при этом гидролизуются ионогенные группы, тогда как для регенерации анионо- и катионообменных смол необходимы растворы кислот и щелочей. Амфотерные ионообменные смолы (полиамфолиты), применяют для извлечения и разделения тяжелых, цветных и редких металлов в гидрометаллургии, для разделения смесей сильных и слабых электролитов, веществ с различными изоэлектрическими точками, рацематов. При помощи амфотерных ионообменных смол выделяют примеси неорганических видов из растворов биологических препаратов, неустойчивых в кислых и щелочных средах, и другие. Выпускают эти смолы в промышленно развитых странах небольшими партиями. Полиамфолиты в макромолекуле содержат как основные, так и кислотные группы, которые могут отличаться силой. Например, сополимер непредельных кислот и оснований: сополимер винилпиридина и акриловой кислоты. Общий заряд полиамфолита при изменениях рН раствора может измениться. Значение рН, при котором средний суммарный заряд макромолекул полиамфолита равен нулю, называется изоэлектрической точкой. При этой точке свойства полимера достаточно резко изменяется, в частности, снижается его растворимость, падает вязкость раствора. К полиамфолитам относятся важнейшие биополимеры – белки, нуклеиновые кислоты. По своим свойствам растворы полиэлектрилитов значительно отличаются как заряженные от полимеров, так и от низкомолекулярных элементов. В случае полиамфолита полимерная частица в зависимости от рН среды приобретает положительный или отрицательный заряд, который вызывает выпрямление макромолекулы и вязкости. В изоэлектрической точке, когда число положительных и отрицательных  зарядов одинаково, суммарный заряд равен нулю, вязкость раствора полиэлектролита имеет минимальное значение, его макромолекула находится в наиболее свернутом состоянии. Значение рН в изоэлектрической точке определяют методом электрофореза. Изучение свойств полиамфолитов дает возможность  глубже вникнуть в природу сложных белковых веществ. Поведение белковой молекулы управляется в основном тремя  видами сил: - электростатическое взаимодействие ионизированных карбоксильных, аминных групп, количество и знак зарядов определяются степенью их ионизации, которая зависит от рН среды; на взаимодействие также оказывает влияние окружение макроионов различными электролитами присутствующим в растворе вместе с белком; - вандарваальсовые силы сцепления между углеводородными боковыми группами, их способность взаимно «растворяться» в друг друга и сливаться в шарик, подобно тому как молекула углеводородов в водяной среде превращается в каплю с уменьшением поверхностной свободной энергии. - водородные связи между пептидными группами возникновение связи между свободными аминогруппами и карбоксильными группами (солеобразование).   Энергия взаимодействия этих видов сил имеет величину одного порядка. Под действием этих сил белковая молекула имеет более и менее выпрямленную конформацию. Поскольку величина указанных сил зависит от среды (рН присутствие различных ионов, характер растворителя), изменение окружения макромолекулы влияет на ее форму. Многие белки могут находиться в α- или β-формах. В α – форме белки имеют спиралеобразную структуру, а в β - форме цепь макромолекулы почти полностью вытянута,         возможно сосуществование обеих форм (часть свернута в спираль, часть вытянута), как у волокнообразующих фибриллярных белков. У глобулярных белков макромолекула свернута в клубок, глобулу (форма шара).  Иониты – вещества или материалы, способные к ионному обмену при контакте с растворами электролитов. Синтетические органические иониты представляют собой нерастворимые в воде и органических растворителях высокомолекулярные полиэлектролиты, которые могут обменивать подвижные ионы на другие при взаимодействии с растворами электролитов. В зависимости от вида ионогенной группы, ионообменные смолы делятся на катионообменные и анионообменные. Катионообменные смолы, полимерные катиониты содержат в макромолекулярной цепи кислотные группы:  SO₃H, -COOH, -OH, -SH, остатки фосфорной, мышьяковой,     селеновой кислот и др. При диссоциации их образуются небольшие, подвижные и способные к ионообмену катионы (чаще всего Н+) и высокомолекулярный анион. Аниониты представляют собой высокомолекулярные нерастворимыеоснования, содержащие большое количество основных групп, таких, как –NН₂, –NН₃ОН, -NНR, -NR₂, остатки фониевых и сульфониевых оснований и др., которые диссоциируются на маленькие, легко перемещающие анионы и высокомолекулярный катион.                            Практически ионообмен проводят путем пропускания раствора электролита через колонну, заполненную набухшими гранулами ионита. Ионообмен можно рассматривать как гетерогенные химические реакции. Так, с группами – COOH. Аниониты, имеющие остатки ароматических аминов, представляют собой слабые основания по сравнению с полиэлектролитами, у которых аминогруппы связаны с алифатическими группировками. Ионообменные смолы могут иметь амфотерный характер, содержать одновременно кислотные и основные группы (амфолиты). Известны специфические комплексообразующие ионообменные      смолы     (комплекситы),   окислительно-восстановительные иониты (редокс-полимеры, редокситы), обладающие ярко выраженными селективными свойствами. По структурному признаку иониты подразделяются на два вида: гелевидные и макропористые. Структура гелевидных смол представляют собой трехмерную макромолекулярную сетку. Макропористые иониты – полимеры, в которых твердая фаза пронизана порами, достигающих не   сколько десятков мм в поперечнике. Они напоминают по своей структуре пенопласты или активированные угли. Важнейшей физико-химической характеристикой ионообменных смол являются обменная емкость. Ионообменная емкость – число миллиграмм-эквивалентов, поглощенных или вытесненных определенной навеской полимера и выражается в мг-экв/г или мг-экв/см3. Различают несколько видов обменной емкости: полную емкость, которая определяется числом ионогенных групп в ионите и являются постоянной величиной, и рабочую (полезную), которая зависит от количества доступных для обмена мест, степени ионизации, природы и концентрации иона, характера ионита и др. Основные требования, предъявляемые к ионообменным смо­лам, следующие: высокая механическая прочность; химическая  устойчивость; минимальная растворимость и небольшая набухаемость при контакте с раствором; высокая обменная способ­ность (смола должна  содержать достаточное количество про­странственно доступных ионообменных групп); достаточная ско­рость обмена; желательная избирательность поглощения опре­деленного типа ионов. Катиониты могут содержать в своем составе различные кис­лотные группы: сульфогруппу,  фосфорнокислые, карбоксиль­ные, фенольные, мышьяковокислые и селеновокислые и др. В состав анионитов в качестве функциональных групп мо­гут входить   первичные, вторичные и третичные аминогруппы, четвертичные аммониевые и пиридиновые основания. В зависимости от величины константы диссоциации катионитов в Н+ - форме и анионитов в ОН- форме  все смолы делятся на сильно- и слабокис- лотные катиониты и соответствен­но сильно и слабоосновные аннониты. При выборе сорбентов в первую очередь нужно учесть, с чем удобнее работать – с катионитом или анионитом. Многие задачи могут быть успешно решены и на том, и на другом типе сорбентов. Например, для разделения ионов металлов можно с успехом применить катиониты. Однако  применение для  этой же цели анионитов, основанное  на разделении   анионных  ком­плексов  этих  металлов,   часто  бывает  проще  и быстрее. Необходимо учитывать также избирательность поглощения сорбентами  тех или иных ионов, которая обусловлена хими­ческой природой сорбента и определяется относительной проч­ностью связей обменивающихся ионов в  фазе смолы. При этом энергия связи сорбируемого иона  зависит   не   только  от прочности связи этого иона с активной труппой сорбента, но и от прочности  его связей с любыми другими, так называемыми неактивными, структурными группами ионита. Сильные катиониты и аниониты, например, сульфокатиониты и аниониты типа четвертичных аммониевых оснований, не проявляют большой избирательности в отношении большин­ства ионов. Большая емкость смол такого типа, а также их способность функционировать в широком интервале рН могут быть использованы для концентрирования сильно разбавлен­ных растворов, для обессоливания и в других случаях, когда необходимо полное извлечение всех катионов или анионов из раствора. Для выделения какого-либо одного элемента из сме­си элементов бывает удобно подобрать такой сорбент, который избирательно поглощал бы ионы интересующего элемента. В настоящее время известно большое количество селективных сорбентов. Синтез таких сорбентов сводится к задаче получения смолы с такой структурой, которая подобна структуре веществ, образующих прочные комплексы или нерастворимые соединения с данным ионом. Так была синтезирована смола (селективно сортирующая никель) путем введения в структуру смолы глиоксимовых группировок. После выбора соответствующего сорбента необходимо опре­делить область кислотности, в которой  работает выбранный ионообменник, и его химическую устойчивость по отношению к тем рабочим средам и температурам, при которых должна проводиться очистка. Практически ионообмен проводят путем пропускания (фильтрования) раствора электролита через колонну, заполненную набухшими гранулами ионита. Ионообмен можно рассматривать как гетерогенные химические реакции. Другой важной характеристикой ионита является скорость ионного обмена. Обычно ионные реакции в растворе происходят практически мгновенно, а процессы ионообмена  с ионитами, протекающие в гетерогенной среде, обладает вполне измеримой скоростью. Скорость в основном определяется скоростью диффузии, которая является медленной стадией ионообмена. Исследование кинетики показали, что общая скорость ионообмена в колоннах падает с увеличением размеров зерна ионита, а время полуобмена пропорционально его радиусу. Скорость ионообмена находится в зависимости и от других факторов, таких как природа и концентрация ионов в растворе, температура и скорость течения раствора.             Для биохимических методов исследования широко применяются целлюлозиониты, имеющие низкую степень замещения (на 4-8 остатков глюкозы вводят одну ионогенную группу) и чаще используются в виде ткани или бумаги. Иониты применяются в виде мембран, волокон, тканей, стержней, трубок и т.д., а также в жидком состоянии. Ионитовые мембраны являются своеобразными избирательными проводниками электрического тока. Они представляют большой интерес для создания химических источников электрического тока. На основе их изготовляют ионоселективные электроды специфического действия. Метод ионитовых мембран эффективно используется для разделения ионов с различной подвижностью, для разделения органических кислот, концентрирования и удаления различных примесей, в том числе радиоактивных, из сточных вод, очистки, обессоливания воды (особенно морской, океанской), для аналитических целей и т.д.

Таким образом, ионообменные смолы могут иметь самое широкое применение в различных областях науки и техники. Они используются в ионообменной хроматографии, в аналитической химии для выделения драгоценных металлов, в качестве катализаторов, для извлечения алкалоидов из природных соединений, разделения рацематов, выделения и очистки витаминов и антибиотиков и т.д. Весьма интенсивно применяют иониты в медицине, например, для удаления из крови ионов кальция, способствующих ее свертыванию, для лечения язвы желудка, определения рН желудочного сока, для удаления токсичных веществ, а также в аппарате типа «искусственная  почка» (электродиализ). Большое практическое значение полиамфолиты приобретают в пищевой промышленности. Использование прогрессивных физико-химических методов обработки сырья дает возможность получения продуктов питания самого высокого качества, большой биологической ценности и широкого ассортимента. Ионнообменные и сорбционные процессы,осуществляемые на ионитах, широко применяются в производстве сахара. Иониты используют для уменьшения жесткости сахаросодержащих растворов, осветления и глубокой очистки сока, увеличения выхода и повышения качества сахара, получения глютаминовой кислоты из отходов сахарного производства и т.п.                                    С помощью ионитов осуществляют очистку растворов, получаемых при гидролизе древесины и различных сельскохозяйственных отходов. Катиониты и аниониты позволяют удалять из сахарных растворов органические кислоты. Из сельскохозяйственных отходов можно получить и очистить заменители сахара – ксилит и сорбит, которые служат лечебным средством для больных диабетом. При обработке коровьего молока катионообменными смолами улучшаются его питательные свойства. По своей усвояемости детским организмом ионитное молоко не уступает материнскому молоку. Такое молоко характеризуется уменьшенным содержанием кальция и более равномерным распределением частиц казеина. Понижение в молоке  содержания кальциевых солей связано замещением с помощью ионного обмена солями натрия. Анионообменные смолы применяют в производстве сгущенного и сухого молока, при повышении и понижении кислотности молока. Амфотерные ионообменные смолы применяют для извлечения и разделения тяжелых, цветных и редких металлов в гидрометаллургии, для разделения смесей сильных и слабых электролитов, веществ с различными изоэлектрическими точками, рацематов. При помощи амфотерных ионообменных смол выделяют примеси неорганических видов  из растворов биологических препаратов, неустойчивых в кислых и щелочных средах, и др.

Лабораторная работа № 1.

ПОЛУЧЕНИЕ НЕОРГАНИЧЕСКИХ СОРБЕНТОВ

И БУМАГИ ДЛЯ ХРОМАТОГРАФИИ

Приготовление алюминатной окиси алюминия. Раствор алюмината

натрия готовят растворением металлического алюминия,

взятого в виде стружки или порошка, в30%-ном растворе NaOH.

(Приготовление алюмината натрия из AlCl3 или какой-либо другой

соли алюминия нецелесообразно из-за трудности последующего

отмывания аниона.) Объем раствора NaOH берут в некотором

избытке, таким образом, чтобы весь растворяемый алюминий

был переведен в алюминат и не оставалось осадка окиси алюминия.

На 1 л 30%-ного раствора NaOH берут 101 г металлического

алюминия. Алюминий растворяют в стакане емкостью 2—3 л.

Реакция протекает очень бурно, поэтому алюминий добавляют небольшими

порциями при непрерывном перемешивании. Вначале

реакционную смесь охлаждают льдом, а затем, когда большая

часть алюминия прореагирует, целесообразно для окончательного

растворения остатков его слегка подогреть смесь на водяной

бане.

Полученный раствор алюмината натрия фильтруют через стеклянный

фильтр № 3 и разбавляют водой примерно до 2%-ной

концентрации в пересчете на Al2O3. В этот раствор, подогретый

до 70—80 0C, пропускают двуокись углерода до полного осаждения

гидроокиси алюминия. Осадок гидроокиси алюминия отфильтровывают

на воронке Бюхнера и промывают горячей водой до тех

пор, пока рН промывных вод не будет равен 8 (почти до исчезновения

красного окрашивания с фенолфталеином).

Отмытую от избытка щелочи гидроокись алюминия высушивают

при 100—130 0C, измельчают в фарфоровой ступке и прокаливают

10 мин в печи при 800 0C. Суспензия алюминатной окиси

алюминия (1 г окиси алюминия на 6 мл воды) должна иметь рН

9,4—9,6.

Приготовление пермутита. Пермутит-натрий получают в виде

геля при сливании растворов алюмината натрия и силиката

натрия29'84'35.

Раствор алюмината натрия (полученный по методике, описанной

выше) разбавляют водой примерно до 2%-ной концентрации

(в пересчете на Al2O,,).

Два объема полученного раствора алюмината натрия и три

объема 2%-ного раствора силиката натрия (в пересчете на SiO2)

при комнатной температуре быстро сливают при очень энергичном

перемешивании. Образовавшийся гель через 12—15 ч освобождают

от избытка жидкости фильтрованием на воронке Бюхнера,

при этом отсасывают возможно большее количество жидкости.

Затем гель наносят на стекло слоем 0,5—1 см и высушивают при

комнатной температуре. Сухой гель слегка измельчают и отмывают

от избытка щелочи сначала холодной, затем горячей дистиллированной

водой. Последние порции промывной воды должны

иметь рН 9,5—9,8.

Обычно промывание ведут до появления видимой опалесцен-

ции промывных вод, что указывает на начало разложения перму-

т ита.

После промывания пермутит снова высушивают до воздушно-

сухого состояния и истирают в ступке до требуемой величины

зерна. Желательно отсеять мелкую фракцию с диаметром частиц

меньше 0,2 мм.

Аналогичным способом приготавливают пермутит-калий, только

в этом случае гель получают при сливании алюмината калия и

силиката калия.

Роль ионитов для извлечения алкалоидов из растительного сырья.

Из растений семейств лилейных, пасленовых, самшитовых получены алкалоиды, имеющие в своей структуре стероидный скелет.

Некоторые стероидные алкалоиды содержатся в растениях в виде гликозидов.

Методы очистки и выделения стероидных алкалоидов, в основном, те же, что и для "обычных" алкалоидов, включающих перевод их в основания, растворимые в органических растворителях, и в соли с растворением в воде.

Стероидные алкалоиды, как и следовало ожидать, — биологически активные соединения.

В XX веке, особенно с середины 30-х годов, в медицине широкое применение получают индивидуальные лекарственные вещества, выделяемые из растений (алкалоиды, сердечные гликозиды, флавоноиды), из животного сырья (аминокислоты) или получаемые микробиологическим путем (антибиотики, аминокислоты).

Подразделяются на стерины, витамины Д, желчные кислоты, желчные спирты, кардиотонические стероиды, сапонины, стероидные алкалоиды, половые гормоны, гормоны коры надпочечников, прегнановые соединения, экдизоны, витанолиды, брассиностероиды.

К^ иона алкалоида скополамина при сорбции из растворов равной концентрации на катионите КУ-1 равна 369, а на катионите МСФ—82,4, хотя оба катионита относятся к классу поликонденсационных, но первый является продуктом конденсации формалина с п-фенолсульфокислотой, а второй — с п-хлорбензолсульфокислотой.

Такие алкалоиды, как алкалоиды барвинка, неустойчивы в щелочной водной и спирто-водной средах и поэтому эффективный во многих случаях элюент-раствор аммиака в этаноле — в этом случае заменен раствором натрия хлорида.

Лекарственные вещества, относящиеся к классу алкалоидов, были первыми веществами, выделенными из растительного сырья с помощью ионообменных материалов.

На основе обобщения опыта по выделению алкалоидов в ГНЦЛС была создана функционирующая в настоящее время в промышленности схема получения алкалоидов с помощью катионитов.

Эта схема состоит из следующих основных стадий: водной экстракции алкалоидов из растительного сырья, сорбции суммы алкалоидов на катионите, десорбции алкалоидов в виде очищенной суммы из катионита раствором аммиака в водно-спиртовых смесях (смеси этилового, метилового, изопропилового спиртов, содержащих 10—20 % воды), выделения алкалоидов из спиртово-аммиачного элюата с применением обычных химических методов и, наконец, регенерации катионита.

Разработанная в ГНЦЛС типовая схема оправдала себя при получении других алкалоидов из растительного сырья — лобелина, гиосциамина, пилокарпина, алкалоидов спорыньи и рауволъфии.

Она используется также рядом исследователей для выделения новых физиологически активных алкалоидов из растений и для улучшения технологии существующих производств алкалоидов.

Типовая схема получения алкалоидов с помощью ионитов.

Исследования, проводимые с целью расширения сырьевой базы производства природных алкалоидов гиосциамина и скополамина, позволили авторам сделать выводы о целесообразности использования упомянутой типовой схемы при выделении этих алкалоидов из надземной части Скополии тангутской.

На основании исследований сорбции ликорина из растения Ungernia Severtzovi на различных катионитах: КУ-1, КУ-2, СДВ-ЗТ, СБС-3, КФУ, а также определения констант обмена на этих катионитах разработан ионообменный способ выделения алкалоида ликорина.

Из отходов производства ликорина выделены также алкалоиды галантамин и панкратин.

По ней были выделены: протопин из дымянки аптечной и из растения Fumaria Vail-lantii, новый алкалоид линделофин из растения Lindelofia anahusoides, а также алкалоиды империалин, петилин, петилинин и глюкоалкалоид эдпетилин из растения Petilium Raddleanum.

Из отходов производства алкалоидов из коробочек мака после выделения морфина ионообменным способом был получен наркотолин.

Типовая схема выделения алкалоидов применима и для ионообменной сорбции гликоалкалоидов из паслена дольчатого.

Это объясняется неустойчивостью некоторых алкалоидов в щелочной среде.

Исследования по сорбции и десорбции алкалоидов сальсолина и сальсолидина на других катионитах показали, что десорбция этих алкалоидов из катионитов КУ-1 и КУ-2 растворами аммиака в спиртово-водных смесях и смесях органических растворителей проходит не полностью, и получаемые вещества содержат много продуктов разложения.

В качестве сорбента был использован полимеризационный гелевый катионит КУ-2-8, так как коэффициент избирательности при обмене иона сальсолина на ион водорода, определяющий прочность связи алкалоида с катионитом, был значительно меньше, чем в случае катионита КУ-1 (где наблюдается прочная связь ионов алкалоида с фенольной группой катионита).

Способ основан на экстракции алкалоидов из сырья водой.

При этом алкалоиды на всех стадиях получения не попадают в щелочную среду.

Десорбцию алкалоидов, неустойчивых в щелочной среде, рекомендовано проводить растворами солей в водно-спиртовых смесях.

Ранее извлечение алкалоидов из растительного сырья проводилось с помощью сильнокислотных катионитов, которые сорбировали из экстракта практически всю сумму алкалоидов, отделяя тем самым алкалоиды от неалкалоидов.

Разделение алкалоидов амфотерного характера (алкалоиды, содержащие фенольную группу) от основных достигалось путем сорбции фенольных алкалоидов сильноосновными аниони-тами.

С целью подбора оптимальных условий отделения амфолитов — фенольных алкалоидов коробочек мака — были проведены исследования по изучению.

Наряду с выделением алкалоидов из водных или подкисленных водных экстрактов растительного сырья сильнокислотными катионитами гелевой структуры, проводились также исследования по использованию более избирательных катионитов для извлечения алкалоидов из водных и органических растворителей.

Необходимость этих исследований была вызвана тем, что сильнокислотные катиониты сорбируют не только алкалоиды, но и побочные вещества из экстракта, что затрудняет дальнейшую очистку и выделение индивидуальных алкалоидов.

К более избирательным катионитам, которые хорошо сорбировали алкалоиды из водных и неводных растворов, относятся олеофильные катиониты.

Это свидетельствовало о меньшем взаимодействии алкалоидов с матрицей олеофилъного катионита по сравнению с матрицей катионита КУ-1, способного к установлению водородных связей с молекулами алкалоидов.

Были проведены исследования по поиску катионитов, обладающих хорошей сорбционной способностью по отношению к алкалоидам из водных растворов и экстрактов растительного сырья, с целью интенсифицировать производство за счет больших скоростей потока растворов или экстрактов и десорбирующих растворителей.

Проведены исследования по кинетике сорбции алкалоидов атропина и кодеина на макропористом катионите КУ-23 с содержанием дивинилбензола 10 % и порообразователя 60 % (КУ-23-10/60), а также по кинетике сорбции фенольных алкалоидов морфина, сальсолина и наркотолина на макропористых катионитах с различным содержанием дивинилбензола и порообразователя (4/60—30/100).

Исследования показали, что при сорбции указанных алкалоидов на макропористых катионитах скорость суммарного процесса определяется внешней диффузией, в отличие от катионитов гелевой структуры, где скорость сорбции определяется внутренней диффузией алкалоида в зерне ионита.

Исследованы особенности обмена органических ионов на макропористых катионитах, синтезированных в лаборатории на примере алкалоидов эфедрина, кодеина, папаверина, сальсолина и сальсолидина.

Исследования по сорбции алкалоидов макропористыми катионитами показали целесообразность их использования при выделении алкалоидов из растительного сырья.

Применение этих катионитов позволяет полностью использовать их сорбционную емкость по ионам алкалоидов, а также значительно интенсифицировать производство на стадиях сорбции и десорбции из-за большой скорости этих процессов.

Новым типом сорбентов для выделения алкалоидов из экстрактов растительного сырья могут являться, во всяком случае при небольших объемах производства, целлосорбенты (например, иммобилизованный на набухающей матрице целлюлозной природы мелкозернистый катионит КУ-2-8).

На примере сорбции ионов опийных алкалоидов во взвешенном слое катионита КУ-1 в обычных цилиндрических колоннах установлена возможность интенсификации процесса сорбции в 3—4 раза.

Имеются лишь исследования, доказавшие возможность очистки технических полупродуктов, содержащих алкалоиды гиосциамин и салъсолин, от высокомолекулярных неионизированньтх веществ методом электродиализа с гетерогенными мембранами МК-40 и гомогенными мембранами МК-100.

Ионообменные материалы в настоящее время внедрены в производство лекарственных веществ растительного происхождения: крупнотоннажное производство опийных алкалоидов (в Украине, Казахстане, Болгарии, Словакии, бывшем СФРЮ), производство цитизина и скополамина (в Казахстане, в Украине).

Освоены в опытно-промышленном масштабе методы выделения алкалоидов: лобелина, гиосциа-мина, пилокарпина, салъсолина и сальсолидина, платифиллина, алкалоидов спорыньи, раувольфии, барвинка, а также сердечных гликозидов олиторизида и эризимозида.

Закономерности сорбции морфина на анионитах и их использование в технологии производства опийных алкалоидов.

Ионообмен используют для умягчения или обессоливания воды, для извлечения и очистки лекарственных веществ (в производстве витаминов, антибиотиков, алкалоидов), для очистки отработанных растворов от химически вредных органических веществ, разделения близких по свойствам элементов.