ВЛИЯНИЕ МЕХАНОАКТИВАЦИИ И ИНТЕНСИВНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ НА СТРУКТУРУ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПИРАЦЕТАМА Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

CHEMICAL SCIENCES

Канунникова О.М.,

Физико-технический институт УрО РАН, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, отдел структурно-фазовых превращений

Аксенова В.В.,

Физико-технический институт УрО РАН, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник, отдел структурно-фазовых превращений

Мухгалин В.В.,

Физико-технический институт УрО РАН, младший научный сотрудник,

отдел структурно-фазовых превращений

Печина Е.А.,

Физико-технический институт, кандидат технических наук, научный сотрудник, отдел структурно-фазовых превращений

Васильев Ю.Г.,

Ижевская государственная сельскохозяйственная академия, доктор медицинских наук, профессор,

кафедра физиологии и зоогигиены Ладьянов В.И.

Физико-технический институт УрО РАН, доктор физико-математических наук, заведующий отделом структурно-фазовых превращений

ВЛИЯНИЕ МЕХАНОАКТИВАЦИИ И ИНТЕНСИВНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ НА СТРУКТУРУ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПИРАЦЕТАМА

EFFECT OF MECHANOACTIVATION AND SEVERE PLASTIC DEFORMATION ON THE STRUCTURE AND PHYSICAL-CHEMICAL PROPERTIES OF PIRACETAM

Kanunnikova O.M., Physical-technical Institute, Ural branch of RAS, doctor of physical-mathematical sciences, leading researcher, department of structural phase transformations

Aksyonova V.V., Physical-technical Institute, Ural branch of RAS, candidate ofphysical-mathematical sciences, researcher, department of structural phase transformations

Muhgalin V.V., Physical-technical Institute, Ural branch of RAS, researcher, department of structural phase transformations

Pechina E.A., Physical-technical Institute, Ural branch of RAS, candidate of technical sciences, Vasilyev Yu. G., Izhevsk state agriculture academy, doctor of medical sciences, professor, cathedra of physiology and zoohygiene

Ladyanov V.V., Physical-technical Institute, Ural branch of RAS, doctor of physical-mathematical sciences, head of department of structural phase transformations

АННОТАЦИЯ

Кристаллические модификации I и II пирацетама получены кристаллизацией из водных растворов с рН <7.1 и >7.1, соответственно. Механоактивация модификации I в шаровой планетарной мельнице приводит к полиморфному превращению в модификацию II. При этом формируется внутримолекулярная водородная связь. Различия структурного состояния пирацетама приводят к различному характеру их гидролиза и различию структурно-чувствительных свойств растворов разных структурных модификаций. Установлено различное влияние кристаллических модификаций I, II и II с внутримолекулярной водородной связью пирацетама на осмотическую резистентность эритроцитов человека и сохранность структур мозга крыс после транзиторной билатеральной окклюзии общих сонных артерий.

ABSTRACT

Crystallization from aqueous solutions with a pH <7.1 and >7.1 was used to obtain piracetam crystal forms I and II. Ball milling of the modification I in a ball planetary mill leads to polymorphic transformation to the modification II. Thus forms an intramolecular hydrogen bond. Structural state differences of piracetam lead to different nature of their hydrolysis and difference in the structural-sensitive properties of solutions of different structural modifications. The different effect of crystal modifications I, II and II intramolecular hydrogen bond of piracetam on the osmotic resistance of human erythrocytes and preservation of the structures of the rat brain after transient bilateral occlusion of common carotid arteries were established.

Ключевые слова: пирацетам, структура, кристаллические модификации, внутримолекулярная водородная связь, полисахариды, гидролиз, вязкость, плотность, водные растворы, биологические свойства.

Keywords: piracetam, structure, crystal forms, intramolecular hydrogen bond, polysaсcharides, hydrolysis, viscosity, density, water solutions, biological properties.

Пирацетам (2-оксо-1-пирролидинацетамид) -один из основных представителей группы ноотроп-ных препаратов, которые широко применяются в клинической практике для лечения неврологических, психиатрических и других заболеваний. Недостатком препарата является нестабильность действия, зависящая от фирмы-производителя [1]. Возможной причиной этого является различное количественное соотношения структурных модификаций пирацетама, которые имеют разные биологические свойства и терапевтическую эффективность. В кристаллической структуре пирацетама при комнатной температуре существует три модификаций (I, II, III), две из них (I, Ш) имеют моноклинную решетку, а модификация II - триклинную [2-6]. В составе лекарственных препаратов пирацетам находится в модификациях II и III. Эти модификации получают кристаллизацией из органических растворов при разных давлениях и температурах. Модификация I формируется при высоких температурах и при хранении при комнатной температуре переходит в модификацию II через несколько часов [4].

Изменение структуры, как молекулярной, так и кристаллической, молекулярных кристаллов без изменения их состава приобретает в последнее время особую актуальность в фармацевтике, так как позволяет повысить биодоступность и терапевтическую активность лекарственных веществ [7]. Для получения полиморфов одного и того же лекарственного вещества обычно заменяют растворители или вводят различные вспомогательные вещества на стадии кристаллизации. Другой путь, предложенный в 70-е годы прошлого столетия -использование различных видов деформационных воздействий (прессование, механоактивация). За несколько десятилетий перспективность использования деформационных воздействий для изменения структуры продемонстрирована для большого числа лекарственных препаратов разных фармакологических групп [7].

В связи с этим в данной работе были поставлены следующие цели: 1) выяснение возможности получения разных форм пирацетама из водных растворов; 2) исследование влияния механоактивации на структурное состояние и физико-химические свойства пирацетама; 3) исследование влияния вспомогательных веществ (полисахаридов) на структурные превращения пирацетама при деформационных воздействиях.

Объектами исследования являлись пирацетам марки «хч», смеси пирацетама с полисахаридами (10 вес.% и 25 вес.%) и водные растворы пираце-тама. Добавлением водного раствора уксусной кислоты рН раствора понижали до 3.10, а добавлением водного раствора аммиака рН - повышали до 10.96. Кристаллизация пирацетама из растворов проводилась при температуре 115° ±0.1°С. Порошки пирацетама подвергались трем видам деформационного воздействия: гидростатическое давление, интенсивная пластическая деформация кручением, меха-ноактивация. Механоактивация проводилась в шаровой планетарной мельнице АГО-2С (600 об/мин)

в среде аргона в течение 30 мин. Энергонапряженность мельницы составляла 2 кДж/г. Деформация кручением (до 8 оборотов) проводилась под давлением 1.5 - 3.0 ГПа при скорости вращения подвижной наковальни 1 об/мин с непрерывной регистрацией момента кручения.

Рентгенофазовый анализ (РФА) порошков проведен на дифрактометре Bruker D8 Advance (Германия) с использованием CuKa излучения. Обработка дифракционных данных и уточнение структуры методом Ритвельда проведены с использованием TOPAS 4.2 в варианте WPPF (whole-powder pattern fitting). Инструментальный вклад в профиль дифракционных линий учитывали с использованием эталона MgO [8]. ИК- спектры получены на ИК Фурье спектрометре ФСМ 1202 (Россия).

Истинную плотность полученных порошков определялась пикнометрическим методом. В качестве вспомогательной жидкости использовали н-гептан. Определение рН водных растворов проводилось на рН-метре МУЛЬТИТЕСТ ИПЛ-301 (Россия). Ошибка определения составляла ±0.01. Капиллярная вязкость водных растворов измерялась с помощью вискозиметра ВПЖ-2 с диаметром капилляра 0.37 мм. Ошибка измерения составляла ±1%. Плотность растворов определяли с помощью пикнометра Оствальда объемом 0.9436 мл. Ошибка измерения составляла ±0.3%.

Экспериментальная химическая часть. Анализ кристаллографических параметров порошков пирацетама показал, что порошок пирацетама, полученный кристаллизацией из раствора с рН 5.7, представляет собой кристаллическую модификацию I (моноклинная решетка, пространственная группа P21/n), кристаллографические параметры которой хорошо согласуются с параметрами, приведенными в [2, 3]. Повышение рН раствора до 7.1 - 10.96 при кристаллизации приводит к образованию пирацетама модификации II (триклинная решетка, пространственная группа, P-1).

Введение ацетамида натрия (0.63 вес.%) в водные уксуснокислый и аммиачный растворы пираце-тама не изменила структуры пирацетама, полученного кристаллизацией из этих растворов. Однако в отличие от модификации I чистого пирацетама, модификация I, полученная из уксуснокислого раствора с примесью ацетамида натрия, остается стабильной достаточно долго: повторный РФА анализ этого же образца, проведенный через 6 месяцев, показал, что структура модификации I не изменилась.

Влияние деформационных воздействий на пирацетам. РФА данные показывают, что уже после 10 мин. механоактивации модификация I превращается в модификацию II. Увеличение времени меха-ноактивации до 30 мин. не приводит к другим полиморфным превращениям.

В ИК спектре пирацетама модификации II, полученной механоактивацией, по сравнению с пира-цетамом модификации I наблюдаются незначительные изменения в области деформационных С-N колебаний гетероцикла (1050-1100 см-1) и уширение (на 30%) полос поглощения в области спектра 1600-

1800 см-1, соответствующей валентным колебаниям фектов может быть формирование в механоактиви-С=О гетероцикла и С=О амида. Причиной этих эф- рованной модификации II различных надмолекулярных структур (рис. 1).

1050 1060 1070 1080 1140 1160 1180 1200

—I-1-1-1-1-//>-1-1-1-1-1-1-1

1600 1700 1800 2850 2900 2950 3000 V, см"1

Рис. 1. ИК-спектры модификации I и механоактивированной модификации II

Растворимость обеих модификаций пираце-тама в дистиллированной воде (рН=6.7) составляет 72.5 г/100г. Анализ ИК-спектров свидетельствует, что водные растворы пирацетама стабильны не менее 36 ч, затем происходит гидролиз.

На рис 2-1а и 2-2а приведены концентрационные зависимости динамической вязкости и температурного коэффициента объемного расширения водных растворов модификации I и механоактивированной модификации II пирацетама при различных температурах. Динамическая вязкость водных растворов пирацетама модификации II несколько ниже, чем модификации I (рис. 2-1б). Для растворов модификации I и II (7.4 мол. %) избыточная плотность (при 25°С) составляет 0.0871 и 0.0789 г/см3, соответственно. Все эти различия свидетельствует о повышении гидрофобности молекулы пи-рацетама механоактивированной модификации II. Уменьшение доли связанных молекул воды под-

тверждается повышением температурного коэффициента объемного расширения: 4.5-10-4 и 5.1-10-4 для растворов пирацетама модификации I и механоактивированной модификации II, соответственно.

Величина рН растворов пирацетама модификации I и II (0.98 мол. %), полученных кристаллизацией из растворов с различными рН, практически одинакова: 5.90 и 5.98 соответственно. Водный раствор (0.39 мол. %) пирацетама модификации II, полученной механоактивацией, имеет величину рН нейтральной среды (6.66), которая повышается с ростом концентрации пирацетама до 7.59 для раствора 0.98 мол. %. Различное поведение значений рН свидетельствует об изменении механизма гидролиза, т.е. об изменении характера взаимодействия гидрофильных групп молекулы пирацетама, участвующих в гидролизе, который определяется зарядовым состоянием этих групп.

H 2,5

( )

0 2,0

n

k 1,5

ЬС

a: 1,0

0,5

0,0

ßx10

2 4 6

Концентрация, мол.%

2

0 2 4 6

Концентрация, мол.%

о

0246 Концентрация, мол.%

1

0246 Концентрация, мол.%

2

Рис.2. Концентрационная зависимость динамической вязкости растворов: (а) - пирацетам модификации II от температуры: ◄-20°C, т*г-30°С, А-40°С, 4- 50°С; (б) модификаций I (я) и II (•) при

20°С; 2- концентрационная зависимость температурного коэффициента объемного расширения растворов: (в) - пирацетама модификации II от температуры: о-20-30°С, □ - 20-50°С; (г) модификаций

I (я) и II (•) при 20°С.

Причиной изменения механизма гидролиза может быть образование внутримолекулярных водородных связей между NH^-группой амида и С=О группой амина в молекуле модификации II вследствие благоприятных стерических условий, возникающих при механоактивации. В результате изменяется эффективный заряд на NH^-группе и кислотные свойства пирацетама подавляются.

Еще одной возможной причиной подавления гидролиза может быть таутомерное превращение -переход атома водорода от NH2 группы к ближайшей С=О группе, в результате чего понижается гид-рофильность обеих групп. Если предположить, что одна гидроксильная группа появляется в результате взаимодействия с водой одной молекулы пираце-тама, то в растворе 0.98 мол. % в таком взаимодей-

ствии участвует порядка 10-7 молекул, т.е. количество таутомеров или молекул пирацетама модификации II с внутримолекулярной связью, сформированной при механоактивации, чрезвычайно мало.

Влияние полисахаридов на структурные превращения пирацетама. Объектами исследования являлись смеси «пирацетам + 10 вес.% полисахаридов» и «пирацетам + 25 вес.% полисахаридов. Рент-геноструктурный анализ исследуемых образцов представлен в табл. 1. По сравнению с чистым пира-цетамом и пирацетамом, полученным из раствора с примесью ацетата натрия, величины a, b, c увеличиваются. Это различие увеличивается с увеличением содержания полисахаридов. Устойчивость модификации I в присутствии 25 вес.% полисахаридов увеличилась (до 8 месяцев) по сравнению с чистым пи-рацетамом и пирацетамом, полученным из раствора с примесью ацетата натрия.

Таблица 1.

Кристаллографические параметры смесей пирацетама с полисахаридами

Кристаллографические параметры

Пирацетам +

10 вес.% полисахаридов

P21/n (модификация

III)

Пирацетам + 25 вес.% полисахаридов

P-1

(модификация

II)

P21/n (модификация

III)

Пирацетам +

25 вес.% полисахаридов после нагрева 1150С

P21/n (модификация

I)

a (Â) b (Â) c (Â) a (0) ß (0) Y (0) Vol (Â)

6.4998 6.4168 16.400

90 92.10

90 683.58

6.3957 6.6213 8.5784 79.76 102.67 91.36 348.75

6.5256 6.4426 16.4636

90 92.09

90 601.7

6.7595 13.4346 8.1130

90 99.047

90 727.59

в

4

0

Vol.fr (%) 100 23 77 100

На рис. 3 представлена зависимость момента кручения (М), полученная при ИПДК, пирацетама с разным содержанием вспомогательных веществ от величины относительной сдвиговой деформации при давлении 3 ГПа. Видно, что характер структурно -фазовых превращений образцов на всем протяжении эксперимента одинаков, изменяется лишь интенсивность превращений. На кривых M(еc) 1 и 2 для пирацетама (рис.3) можно выделить два участка. Первый - в области сдвиговых деформаций ес<90, где наблюдается резкое увеличение величины момента кручения с увеличением сдвиговой деформации. Затем происходит монотонный рост величины момента кручения до ес=2500: для смеси пирацетам + 10 вес.% полисахаридов 35 Н-м и для смеси пирацетам + 25 вес.% полисахаридов 59 Н-м.

При ИПДК пирацетама, полученного из уксуснокислого раствора с примесью ацетата натрия при давлении 3 ГПа (рис.3, кривая 3), резкий рост значений момента кручения наблюдается в области величин сдвиговой деформации ес<160, а затем имеет место монотонное увеличение значений момента кручения вплоть до величин сдвиговой деформации ес=940. Дальнейшее увеличение сдвиговой де-

формации до величины ес=2500 не изменяет величину момента кручения и составляет 33 Н-м. Наблюдаемая зависимость свидетельствует о том, что сразу после начала сдвиговой деформации начинаются интенсивные процессы изменения структурного состояния пирацетама. В области значений ес= 940-2500 величина момента кручения практически не изменяется (М~const), что свидетельствует о том, что структурно- фазовый состав образца не претерпевает существенных изменений, а отсутствие явно выраженных пиков на кривых говорит о том, что характер структурных превращений одинаков, имеет место лишь изменение доли нового структурного состояния. Сравнение с результатами РФА анализа показывает, что резкий рост значений крутящего момента соответствует скачкообразному превращению модификации II в модификацию III (табл.2).

Разная высота в абсолютных значениях кривых момента кручения для смесей пирацетама с примесями полисахаридов и пирацетама, полученного из уксуснокислого раствора с ацетатом натрия, свидетельствует о большем сопротивлении препаратов к интенсивной сдвиговой деформации. Это обусловлено повышенным содержанием добавок

м, н-м

ЙП

0 500 1000 1500 2000 2500 ес, отн. ед.

Рис.3. Зависимость момента кручения от величины относительной сдвиговой деформации для: 1-пирацетам + 25 вес.% полисахаридов; 2 - пирацетам+ 10 вес.% полисахаридов; 3 - пирацетам, кристаллизованный из уксуснокислого раствора с

0.063 вес. % при ИПДК (3 ГПа).

Таблица 2.

Кристаллографические параметры и объемная доляполиморфных

Кристаллографические параметры Пирацетам +10 вес.% полисахаридов исходный Интенсивная пластическая деформация кручением (давление, число вращений) 3GPa, п=8

P21/n (форма III) P-1 (форма II) P21/n (форма III)

a (Ä) 6.5028

b (Ä) 6.4201

c (Ä) 16.420

а О 90

ß (0) 92.10

Y (0) 90

Vol (Ä) 684.67

Vol.fr (%) 100

вспомогательных веществ (полисахаридов) в основе лекарственного препарата, вовлеченных в деформационные структурно-фазовые процессы. Кривая, полученная для чистого пирацетама, совпадает с кривой для пирацетама, полученного из уксуснокислого раствора с ацетатом натрия.

Растворимость смесей пирацетама с полисахаридами в дистиллированной воде (табл.3) заметно ниже, чем растворимость чистого реактива. Растворимость смесей в 0.1М растворе соляной кислоты, моделирующем желудочный сок, оказалась не-

При определении осмотической резистентности эритроцитов на фоне введения пирацетама, в образец крови, отобранной из вены натощак, в вакуумные пробирки с ЭДТА объемом 5 мл добавляли 0.25 мл 2% раствора пирацетама на физиологическом растворе. В качестве контроля использовали образец крови, в который добавляли эквивалентное количество физиологического раствора.

Без применения пирацетама гемолиз наблюдался при смешивании образца крови с 0.4% раствором хлорида натрия. Смешивание крови с раствором модификации I и модификации II давало тот же результат. Пирацетам модификации II с внутримолекулярной водородной связью повышал устойчивость эритроцитов к осмотическому гемолизу до 0.35% раствора хлорида натрия.

Исследования неврологического статуса проводили на белых лабораторных крысах - самцах ли-

6.3911 6.4978

6.5843 6.4229

8.5508 16.4230

79.95 90

102.58 92.08

91.06 90

345.7 684.95

47.6 52.4

сколько ниже, чем в воде и ниже, чем растворимость пирацетама с примесью ацетата натрия (71.7 г/100гн20).

Экспериментальная биологическая часть. Биологические свойства пирацетама оценивались на основании исследований осмотической резистентности эритроцитов крови человека и неврологического статуса белых лабораторных крыс. Для проведения экспериментов был взят пирацетам модификации I и модификации II с внутримолекулярной водородной связью.

Таблица 3.

Таблица 4.

нии "Wistar" в соответствии с правилами проведения работ с экспериментальными животными. Объектами исследования служили 234 крысы (возраст 6 месяцев, масса 180-200 г) постнатального онтогенеза после транзиторной билатеральной окклюзии сонных артерий. Контрольным животным, осуществлялась билатеральная окклюзия общих сонных артерий при отсутствии дополнительных лечебных манипуляций, первой опытной группе вводили раствор пирацетама кристаллической модификации I, второй группе - раствор модификации II. Оценка неврологического статуса проводилась по шкале Ворониной Т.А. [9].

Выявлено более эффективное действие пира-цетама модификации II с внутримолекулярной водородной связью по сравнению с модификацией II без внутримолекулярной водородной связи и модификации I в острый период ишемической реакции мозга преимущественно за счет протективного ответа на клеточные популяции.

Растворимость в воде (рН=6.5) (г/ 100 г Н2О) образцов пирацетама после деформационных воздействий

Образец Время механоактивации, ч

0 1 3 6

пирацетам +10 вес.% полисахаридов 59.3 62.2 66.3 68.1

пирацетам + 25 вес.% полисахаридов 49.8 52.1 58.7 60.8

Растворимость (г/ 100 г Н2О) образцов пирацетама в 0.1 М растворе HCl (рН=2) _после деформационных воздействий_

Образец Время механоактивации, ч

0 1 3 6

пирацетам+10 вес.% полисахаридов 55.3 60.2 63.4 64.5

пирацетам + 25 вес.% полисахаридов 42.8 48.7 52.4 55.6

Через 4 месяца после механоактивации пирацетама внутримолекулярная водородная связь в молекуле модификации II разрушается, и ее биологическая активность снижается.

Выводы

1. Показано, что кристаллическая модификация порошков пирацетама, получаемых кристаллизацией из водного раствора, зависит от рН раствора.

2. Модификация I в присутствии примесей ацетата натрия и полисахаридов устойчива при комнатной температуре в течение более длительного времени (не менее 6 месяцев) по сравнению с этой же модификацией чистого пирацетама.

3. Механоактивированная модификация II пирацетама имеет внутримолекулярную водородную связь. При этом изменяется зарядовое состояние NH2- группы и С=О группы амина, что в свою очередь приводит к изменению механизма гидролиза пирацетама.

4. Полученные результаты свидетельствует о большем сопротивлении смесей пирацетама с полисахаридами к интенсивной сдвиговой деформации. Это обусловлено вовлечением в деформационные структурно-фазовые вспомогательных веществ (полисахаридов).

5. Кристаллические модификации I, II и II с внутримолекулярной водородной связью по- разному влияют на осмотическую резистентность эритроцитов человека и сохранность структур мозга крыс после транзиторной билатеральной окклюзии общих сонных артерий.

Авторы выражают благодарность С.М. Иванову за проведение экспериментов по интенсивной пластической деформации и к.ф.-м.н. С.С. Михайловой за участие в обсуждении экспериментальных результатов, И. Вольхину за проведение экспериментов с лабораторными животными.

Список литературы

1. Карпухина О.В., Соловьев А.Г., Гумарга-лиева К.З., и др. Структурно-функциональная организация пирацетама в водном растворе: структурный аспект // Хим. физ., 2006, т. 25, №5, с.67-71.

2. Kazantsev A. Molecular flexibility in crystal structure prediction // Thesis for the Doctor of Philosophy degree of imperial college London, UK, 2011, 223 p.

3. Fabbiani F. P. A., Allan D. R., Parsons S., Pul-ham C. R. An exploration of the polymorphism of pi-racetam using high pressure // Cryst. Eng. Comm., 2005, v. 7, №29, p.179-186.

4. Louer D., Louer M., Dzyabchenko V.A., Agafonov V., Ceolin R. Structure of a metastable phase of piracetam from X-ray powder diffraction using the atom-atom potential method // Acta crystallogr. B, 1995, v.51, p.182-187.

5. Admiraal G., Eikelenboom J.C., Vos A. Structures of the triclinic and monoclinic modifications of (2-Oxo- 1- pyrrolidinyl) acetamide // Acta crystallogr. B, 1982, v.38, p.2600-2605.

6. Fabbiani F.P. A., Allan D.R., David W.I. F. et al. High-pressure studies of pharmaceuticals: an exploration of the behavior of piracetam // Cryst. growth desig., 2007, v.7, №.6, p.1115-1124.

7. Ломовский О.И. Прикладная механохи-мия: фармацевтика и медицинская промышленность // Обработка дисперсных материалов и сред, Межд. период. сб. научн. трудов, 2001, вып. 11, c.81-100.

8. Pratapa S., O'Connor B. Development of MgO ceramic standards for x-ray and neutron line broadening assessments // Advances in X-ray analysis, 2001, v. 45, p.41-47.

9. Воронина Т.А., Вальдман Е.А., Неробкова Л.Н. Экспериментальное изучение препаратов с противопаркинсонической активностью // Ведомости НЦ ЭГКЛС, 1999, №1.