Экстракция новокаина из водных сред алифатическими спиртами с применением высаливателей

В медицинской практике новокаин находит широкое применение для инфильтрационной и спинномозговой анестезии. Однако повышенное содержание препарата в организме человека вызывает негативные реакции, вплоть до летального исхода. Токсические эффекты новокаина возникают на фоне увеличенных концентраций в крови при дозах, превышающих рекомендуемые, случайном попадании в сосудистое русло, быстром введении препарата, назначении для пациентов с медленным типом метаболизма. Применение анестетика в ветеринарии может сопровождаться ухудшением качества сельхозпродукции вследствие попадания в молоко и мясо [1].

Задача данного исследования состоит в выборе рациональных условий проведения экстракции новокаина из водных сред, а также в разработке экстракционных систем для практически полного извлечения новокаина из анализируемых объектов.

Изучение условий экстракции токсических веществ органическими растворителями имеет значение для разработки в дальнейшем наиболее эффективных методов изолирования этих веществ из биологических объектов.

Ранее установленные коэффициенты распределения новокаина ( D ), полученные при 25 ⁰С и рН = 7 – 8 для исходных концентраций 10^-2-10^-6 моль/дм³, имеют низкие значения: 13,5 и 11,8 в системах с бутиловым и октиловым спиртами [2]. В этих условиях степень © Коренман Я.И., Чибисова Т.В., 2012

извлечения новокаина ( R , %) из водного раствора не превышает 57,4 и 54,1 %, что явно недостаточно для практического решения актуальных медико-аналитических задач.

Необходимое условие экстракции из водных сред растворителями, частично или полностью смешивающимися с водой, – введение высаливателя в водный раствор до экстракции. Соли повышают количественные характеристики экстракции – коэффициенты распределения и степ ень извлечения, а также способствуют образованию самостоятельной органической фазы при применении гидрофильных растворителей [3].

При экстракции спиртами, частично или полностью растворимыми в воде, применение электролитов способствует вытеснению извлекаемого вещества из водной фазы в слой органического растворителя вследствие понижения его растворимости в воде, то есть разрушается сольватная оболочка молекул, что и приводит к образованию двухфазной системы. При экстракции гидрофобными спиртами процесс высаливания происходит вследствие обмена молекул воды из ближайшего окружения экстрагируемого соединения на молекулы растворителя. Это понижает гидратацию компонента и повышает коэффициенты распределения.

Кроме того, высаливатель вызывает изменение диэлектрической проницаемости среды и ионной силы раствора, что также способствует переходу распределяемого вещества из водной фазы в органическую.

Эффективность действия высаливателя во многом определяется природой электролита и свойствами распределяемого вещества [4].

Готовили водно-солевой раствор новокаина с концентрацией 0,35 мг/см3. Навеску препарата фармакопейной чистоты (35 мг) помещали в мерную колбу вместимостью 100 см3, растворяли в небольшом объеме воды и доводили до метки практически насыщенным раствором высаливателя. Аммонийным буферным раствором регулировали рН среды. В качестве высаливателей применяли сульфаты и хлориды калия, натрия и аммония. Сульфат аммония и хлорид натрия нашли широкое применение в химико-токсикологическом анализе. В частности, хлорид натрия используется для разрушения эмульсий, образующихся при экстракции, сульфат аммония – при очистке вытяжек из биологического материала от белков [5]. В качестве экстрагентов нами применены алифатические спирты нормального строения (пропиловый С3, бутиловый С4, пентиловый С5, гексиловый С6, гептиловый С7, октиловый С8, нониловый С9), а также изоспирты (изопропиловый i – С3, изобутиловый i – С4, трет. бутиловый т – С4, изопентиловый i – С5). Все реагенты квалификации х. ч. К водно-солевому раствору новокаина добавляли спирт, экстрагировали на вибросмесителе при температуре 20 ± 1 0С (термостат лабораторный TW-2 Elmi). После расслаивания фаз из- меряли оптическую плотность равновесного водно-солевого раствора на УФ-спектрофотометре SHIMADZU UV MINI-1240 (кварцевая кювета, l = 1 см, λmax = 291 нм).

Коэффициенты распределения и степень извлечения новокаина вычисляли по извест- ным уравнениям [4]:

D = ^, ñ _â

R =

D

D + f

• 100

где с 0 и с в – концентрации новокаина в равновесных органической и водной фазах, мг/см³ ; f – соотношение равновесных объемов водной и органической фаз ( V ʙ / V o ).

При разработке рациональных условий проведения экстракции новокаина из водных сред учитывали влияние рН среды, продолжительность контакта фаз, а также соотношение органической и водно-солевой фаз. Осуществляли выбор наиболее эффективного экстрагента, высаливателя и его концентрации.

Установлено, что наибольшие коэффициенты распределения новокаина достигаются в слабощелочной среде (рН = 7,5 – 8,5) (рис. 1).

D

Рис.1. Зависимость коэффициентов распределения новокаина от рН среды при экстракции спиртами: 1 – пропиловый; 2 – бутиловый; 3 – изобутиловый; 4 - трет. бутиловый; 5 - октиловый

При значениях рН = 7,5 – 8,5 наиболее быстро протекает гидролиз новокаина с образованием n -aминобензойной кислоты и диэтиламиноэтанола, причем продукты гидролиза образуются в количествах, эквивалентных содержанию исходного соединения. Известно также, что при рН = 8,37 подавляется возможное влияние протонирования аминогруппы, то есть извлекается только нейтральная форма слабого электролита [6]. При создании более щелочной среды происходит помутнение водно-солевого раствора новокаина, что делает невозможным проведение экстракции.

Динамика изменения коэффициентов распределения новокаина при варьировании рН среды и экстракции алифатическими спиртами носит идентичный характер. Кривые симбатны по отношению друг к другу.

Установлено, что необходимое время контакта фаз при экстракции новокаина составляет 5 мин, в течение которого устанавливается межфазное равновесие. Для расслаивания системы достаточно 1 – 2 мин.

Установлено оптимальное соотношение объемов органической и водно-солевой фаз (1:5). При бόльшем содержании органической фазы эффективность экстракции выше, однако при этом необходимо значительное содержание дорогостоящего экстрагента, а также при равном, либо превышающем количестве органической фазы по отношению к водно-солевой не происходит концентрирования новокаина в экстракте. При уменьшении объема органиче- ской фазы степень извлечения новокаина закономерно снижается.

Эффективность распределения вещества в системе органический растворитель - насыщенный водно-солевой раствор определяется способностью экстрагента образовывать устойчивые комплексы за счет межмолекулярных водородных связей [8]. В качестве примера приводим возможную схему образования комплекса новокаина с пропиловым спиртом (рис. 2).

Рис. 2. Схема образования комплекса новокаина с пропиловым спиртом

Функциональные группы молекулы новокаина обеспечивают конформационную устойчивость и гибкость структуры. Взаимодействие новокаина с пропиловым спиртом осуществляется за счет образования межмолекулярных водородных связей через «мостик» воды между ОН-группой спирта и СОО-группой новокаина.

Применяемые нами соли характеризуются различной растворимостью в воде - 11,1; 19,2; 34,0; 35,8 и 75,4 г/100 см3 при 20 0С для сульфата калия, сульфата натрия, хлорида калия, хлорида натрия и сульфата аммония [7]. Чем более растворим высаливатель в воде, тем сильнее проявляется конкурирующее влияние образующихся ионов соли по отношению к ионам, которые окружают новокаин. Это вызывает снижение гидратации распределяемого соединения и уменьшение его растворимости в воде, что приводит к усилению высаливающего эффекта.

Повышение концентрации высаливателя в водном растворе сопровождается закономерным увеличением коэффициентов распределения и степени извлечения новокаина. Это связано с уменьшением растворимости экстрагируемого соединения в воде, тогда как его растворимость в алифатических спиртах практически не изменяется.

Установлено, что количественные характеристики экстракции новокаина при при менении насыщенного раствора сульфата аммония (38 мас. %) максимальны.

Для количественной оценки высаливающего действия солей применяли уравнение И.М. Сеченова:

Lg (D/Р)=K•C, где D - коэффициент распределения новокаина между экстрагентом и водно-солевым раствором; Р - константа распределения новокаина между тем же экстрагентом и водой; К -константа высаливания; С - концентрация соли, мас. %.

Таблица 1 Константы высаливания новокаина при экстракции спиртами нормального и изомерного строения и применении различных высаливателей ( t = 20 ± 1⁰С) ___________________________________________

Спирты	Константы высаливания, К •Ю-3
	Сульфат аммония	Хлорид натрия	Хлорид калия	Сульфат натрия	Сульфат калия
С 3	14,б	12,9	12,б	10,7	б,б
С 4	11,8	11,5	11,3	10,5	5,7
С 5	10,б	10,5	9,4	8,9	4,9
С б	7,1	5,8	5,б	5,0	3,8
С 7	4,б	3,7	3,4	3,2	1,7
С	3,5	2,2	1,8	1,5	1,1
С 9	2,8	1,3	1,2	1,1	1,0
i - С 3	б,9	б,8	б,б	б,3	4,8
i - С 4	б,7	б,3	б,2	б,0	4,7
т - С4	б,5	5,7	5,5	5,4	4,4
i - С 5	4,9	4,б	4,5	4,4	4,2

Из табл. 1. следует, что максимальное высаливающее действие по отношению к новокаину проявляет сульфат аммония. Наиболее перспективно применение в качестве экстрагентов гидрофильных спиртов.

Изучено влияние изомерии спиртов на экстракцию новокаина (табл. 2).

Таблица2 Коэффициенты распределения ( D ) новокаина при экстракции изомерными спиртами и применении различных высаливателей; n = 4, Р = 0,95 ( t = 20 ± 1⁰С).

Высаливатели	Спирты
	i - С 3	i - С 4	т - С4	i - С 5
Сульфат аммония	25,0 ± 1,2	24,0 ± 1,1	23,4 ± 1,0	19,8 ± 0,8
Хлорид натрия	20,8 ± 1,0	19,5 ± 0,9	18,7 ± 0,9	17,1 ± 0,8
Хлорид калия	20,2 ± 0,9	19,1 ± 0,8	18,2 ± 0,7	1б,8 ± 0,7
Сульфат натрия	17,3 ± 0,7	1б,б ± 0,8	1б,1 ± 0,7	15,2 ± 0,б
Сульфат калия	15,3 ± 0,5	14,8 ± 0,5	14,б ± 0,4	14,2 ± 0,4

Спирты-изомеры характеризуются меньшей экстрагирующей способностью по сравнению со спиртами нормального строения. Это объясняется способностью спиртов самоассо-циироваться: спирты нормального строения ассоциируются в меньшей степени, чем изомерного.

Установлена прямая зависимость коэффициентов распределения новокаина (lg D ) от числа С-атомов в углеводородном радикале нормального спирта при применении различных высаливателей (рис. 3).

lgD

3      4      5      6      7      8      9

Число С - атомов в молекуле спирта

Рис. 3. Зависимость логарифмов коэффициентов распределения новокаина от числа С-атомов в молекуле спиртов при применении в качестве высаливателей: 1 - сульфата аммония; 2 - хлорида натрия; 3 - хлорида калия; 4 - сульфата натрия; 5 - сульфата калия

Установлено, что с увеличением числа С-атомов в молекуле спиртов-гомологов их экстрагирующая способность по отношению к новокаину закономерно снижается, что наблюдается при применении всех изученных нами высаливателей. Это объясняется ослаблением водородной связи между спиртом и распределяемым веществом, а также снижением гидрофильности спиртов. Максимальный коэффициент распределения новокаина достигается при экстракции наиболее гидрофильным пропиловым спиртом при применении практически насыщенного раствора сульфата аммония в качестве высаливателя ( D = 50,4), при этом R = 91 %.

Получены корреляционные уравнения, которые описывают зависимость lgD от числа С-атомов в углеводородном радикале нормального спирта при применении в качестве высаливателя сульфата аммония, хлорида натрия, хлорида калия, сульфата натрия и сульфата калия:

у =-0,0969 x + 1,9803; у =-0,0767 x + 1,7373; у =-0,0661 x + 1,6455; у =-0,0539 x + 1,5305; у =-0,0231 x + 1,2692.

Приведенные уравнения позволяют прогнозировать коэффициенты распределения новокаина. Hапример, в системах с дециловым спиртом D = 10,40 и 9,34 при применении сульфата аммония и хлорида натрия в качестве высаливателей.

Разработанные условия экстракции рекомендуются для извлечения новокаина из биологических жидкостей (моча, кровь).