МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ БИМОЛЕКУЛЯРНЫХ КРИСТАЛЛОВ, ИСПАРИТЕЛЬНЫЙ И МЕТОД САМОСБОРКИ Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 662.2

Юдин Н.В. Костин НА. Федорченко С.Н.

МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ БИМОЛЕКУЛЯРНЫХ КРИСТАЛЛОВ, ИСПАРИТЕЛЬНЫЙ И МЕТОД САМОСБОРКИ

Юдин Н.В., кандидат химических наук, доцент кафедры ХТОСА Костин Н.А., инженер кафедры ХТОСА. Федорченко С.Н., аспирант.

Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, Москва, Россия, 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20

Исследованы два метода получения бимолекулярных кристаллов энергонасыщенных соединений: испарительный метод и метод самосборки. Для ряда бимолекулярных кристаллов: CL20/HMX, CL20/BTF, CL20/DNPP, CL20/БЦО, CL20/MTNP, CL20/DNDAG, NTO/HMX были применены оба метода с разными системами растворителей, для бимолекулярных кристаллов CL20/DNPP были разработаны методы количественного анализа. Ключевые слова: бимолекулярные кристаллы, сокристаллы, энергонасыщенные соединения.

SYNTHESIS OF BIMOLECULAR CRYSTALS, EVAPORATION METHOD AND RECRYSTALLIZATION METHOD.

Yudin N.V., Kostin N.A., Fedorchenko S.N.

D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia

Two methods of obtaining bimolecular crystals of energy-saturated compounds were studied, evaporation method and recrystallization method. For some bimolecular crystals: CL20/HMX, CL20/BTF, CL20/DNPP, CL20/BCO, CL20/MTNP, CL20/DNDAG, NTO/HMX both methods with different solvent systems were tested, for bimolecular crystals CL20/DNPP quantitative analysis methods have been developed. Key words: bimolecular crystals, cocrystals, explosive compounds

Сокристаллы это кристаллы, состоящие из двух или более нейтральных молекул образующих регулярную структуру и находящихся в фиксированном соотношении. Молекулы в таких кристаллах могут быть связаны через несколько типов взаимодействия: водородную связь, п - п-взаимодействия и контактные силы Ван-дер-Ваальса. Преимущественный тип взаимодействия зависит от природы соединений и определяет стабильность сокристаллов, их возможно в том случае, когда энтальпия образования сокристалла меньше, чем у чистых фаз составляющих его соединений. Такие кристаллы давно хорошо известны и выделены в отдельный класс наряду с сольватами, однако повышенный интерес к ним в области энергонасыщенных соединений возник относительно недавно.

В настоящее время сокристаллы преимущественно используются для улучшения физико-химических и биофармацевтических свойств материалов без изменение их внутренней химической структуры, что привлекает повышенный интерес, как промышленных, так и академических исследователей. Метод сокристаллизации был широко применен к фармацевтическим препаратам для улучшения показателей растворимости, скорости растворения, их стабильности и биодоступности, регулирования летучести и температуры плавления биологически активных компонентов, управления полиморфизмом.

Сокристаллизация энергонасыщенных

соединений в первую очередь представляет интерес как способ снижения чувствительности,

регулирования энергетических характеристи и увеличения стабильности компонентов. Например, чувствительность к удару по пробе Н50 для сокристаллов 2СЬ20/НМХ составляет 55см и 99 см в сокристалле СЬ20/ТКТ [1] тогда как у чистого е-СЬ20 она существенно выше 29 см.

Бимолекулярные кристаллы получают в процессе совместной кристаллизации двух веществ из растворов индивидуальных или смешанных растворителях. Используется весь набор методов применяемых и для обычной кристаллизации -испарительная кристаллизация, осудительная кристаллизация с прямым или обратным сливом, испарительная кристаллизация с отгонкой «сильного» растворителя.

Наиболее простым и часто используемым является «испарительный» способ получения сокристаллов, при лабораторном использовании он позволяет получать кристаллы пригодные для рентгеноструктурного анализа. Его сущность заключается в медленной кристаллизации из пересыщенного раствора. В большинстве случаев пресыщение достигается путём медленного испарения растворителя до тех пор, пока не будет достигнут предел растворимости. Данный способ требует подбора «сильного» растворителя хорошо растворяющего оба компонента.

В случае, если оба компонента малорастворимы, возможно использование метода «самосборки» бимолекулярных кристаллов в среде растворителя. В этом случае используется «слабый» растворитель и процесс проходит в суспензии исходных компонентов, при термодинамической

выгодности процесса происходит растворение исходных фаз и образование нового бимолекулярного кристалла.

В нашей работе изучена возможность образования бимолекулярных кристаллических

структур: 2СЬ20/НМХ, СЬ20/БТР, 2-СЬ20/0КРР, 2-СЬ20/БЦ0, СЬ20/МТ№, СЬ20/0КБЛ0, ЖО/НМХ*

Таблица 1 Сводная таблица результатов сокристаллизации энергоемких соединений

Методы сокристаллизации

№пары Компоненты Испарительный Рекристаллизация

Ацетон ЭА АН ТГФ ан-н2о ИПС Р1 Р2 Р3 ЭА

1 2-СЬ20/НМХ ✓ - - - - ✓ ✓ Х Х -

2 СЬ20/БТР ✓ ✓ - - - X - Х - -

3 2-СЬ20/0КРР X - - - - ✓ - - - -

4 2- СЬ20/БЦ0 ✓ X X X - X - - - -

5 СЬ20/МОТР ✓ - - - - ✓ - - - -

6 СЬ20/0]\ГОА0 ✓ X - - - X - - Х -

7 НМХМТО X X X ✓ ✓ X X X - X

Р1-гексан/хлороформ; Р2-четыреххлористый углерод; РЗ-декан/этилацетат.

*

СЬ-20 - гексанитрогексаазаизовюрцитан; БТ¥ - бензотрифуроксан, БЫРР - Ы^-динитропиперазин, БЦО - бициклооктоген, МТЫР - Nметилтринитропиразол, ОЯБАО - динитродиазогексан, НМХ- октоген.

Получение сокристаллов испарительным методом проводили с навесками веществ массой 70100 мг в 1-2 мл растворителя при комнатной температуре, скорость испарения регулировали устанавливая на горловину реакционного сосуда диафрагму из алюминиевой фольги. В качестве растворителей использовались легколетучие органические растворители: ацетон, этилацетат (ЭА), ацетонитрил (АН), тетрагидрофуран (ТГФ). Для наработки больших количеств сокристаллов эксперимент проводили в колбе объемом 250 мл с отгонкой растворителя на ротационном испарителе. Навески веществ составляли 1 -1,5 г, объем растворителя до 100 мл. Отгонку проводили при температуре 30 - 40 °С, скорость испарения контролировали нагревом и регулировкой остаточного давления.

Получение сокристаллов методом самосборки проводили также с навеской вещества 70-100 мг в растворителе объемом 2-3 мл. Флаконы с суспензией выдерживали на шейкере при температуре 60-70°С до завершения процесса. Для наработки сокристаллов эксперимент проводился в колбе 250 мл с навеской вещества 1-5 г и объемом растворителя 100-150 мл при перемешивании и температуре 60-70 °.

Процесс сокристаллизации контролировали визуально с помощью оптической микроскопии, по изменению спектров комбинационного рассеивания и инфракрасных спектров и методом дифференциальной сканирующей колориметрии по изменению температур фазовых переходов и термического разложения.

Размеры сокристаллов можно варьировать в зависимости от условий их получения, сокристаллы СЬ20/0КРР хорошей формы с размером около 80-90 мкм были получены методом самосборки в среде

изопропанола при температуре 70-80° при встряхивании в течение 5 дней.

Так, при микроскопическом исследовании в процессе сокристаллизации визуально наблюдается исчезновение отдельных кристаллов СЬ-20 и БКР и образование бимолекулярных кристаллов, фото 1. При использовании мелкодисперсных компонентов основное образование сокристаллизата происходит в течении 2 - 4х часов, при дальнейшей выдержке происходит рост кристаллов до размеров около 100 мкм. Образование сокристаллов не зависит от формы исходного СЬ-20, они могут быть получены из а, в, у и е модификаций.

Рисунок 1. Микрофотография сокристаллов 2-СЬ20/БОТР

Надежным методом определения результатов сокристаллизации являлся инфракрасная (ИК) спектрометрия и спектроскопия комбинационного рассеивания (КР). На ниже приведенных ИК спектрах (рис.2) видна разница между механическими смесями СЬ-20 различных полиморфных модификаций с NN

динитропиперазином и спектром сокристаллов. Наиболее характерные различия можно наблюдать в области C-H колебаний ~ 3000 см"1, и в области ассиметричных колебаний нитраминной группы 1600-1500 см-1, особенно характерно выделяется полоса поглощения на 1500 см-1 у сокристалла.

Для сокристаллов 2CL-20/DNP методом ИК спектроскопии было проведено исследование влияния температуры на молекулярную структуру.

Его проводили в матрице КБг при содержании вещества 2-5%. Скорость нагрева 5 - 10 С/мин. В интервале температур от 23°С до разложения существенных изменений ИК-спектра не происходит. Наблюдается плавное закономерное уширение и смещение пиков связанное с увеличением амплитуды тепловых колебаний молекулы. Что соответствует данным ДСК показывающим отсутствие фазовых переходов.

yvr"

'CL20(E]-DHPP=CMflCb

CL20fmiUMI'li..{a)fCb

SO "Cl ?0(дятгая}-ПМРР смесь

£ «: 20 -

Т"

У"

20/Дазин.

Рисунок 2. ИК-спектры смесей CL-20 с DNPP в сравнении с сокристаллами 2^CL20/DNPP. Сверху в низ: смесь s-CL-20/ DNPP; ß-CL-20/ DNPP; y-CL-20/ DNPP; сокристаллы 2CL20/DNPP

(680-840 см-1). Разница между фактическими и прогнозируемыми значениями не превышала 2,5% (определяли по независимым образцам)

При получении бимолекулярных кристаллов важное место занимают методы количественного анализа, позволяющие контролировать их фазовую чистоту. Наряду с рентген-дифракционными методами широкое распространение получили ИК и КР спектроскопия, их выгодно отличает высокая скорость проведения анализа, возможность получения карт распределения фаз в образце и доступность оборудования.

В настоящей работе, для количественного определения степени сокристаллизации CL20 и DNPP была приготовлена серия смесей e-CL20, DNPP и сокристаллов 2 CL20/DNPP содержащие от 5 до 95% последнего. Зарегистрированы их ИК спектры (в режиме нарушенного полного внутреннего отражения) и спектры КР по которым построены калибровочные зависимости. В обеих случаях лучшие результаты получены с использованием регрессии основного компонента (PCR) по трем областям: валентных колебаний связи С-Н (3000-3060 см-1), асимметричных колебаний нитрогрупп (1540-1640 см-1) и отпечатков пальцев

коэффициент корреляции 0,9997. Выводы

Отработана методика получения

бимолекулярных кристаллов испарительным методом и методом рекристаллизации, подобраны условия для выращивания крупных кристаллов. Определены изменения в ИК и КР спектрах сопровождающие сокристаллизацию, показано, что методы молекулярной спектроскопии позволяют надежно определять факт сокристаллизации и количественно измерять долю индивидуальных фаз.

Список литературы

1. Zhang C. et al. Toward low-sensitive and high-energetic cocrystal I: evaluation of the power and the safety of observed energetic cocrystals //CrystEngComm. - 2013. - Т. 15. - №. 19. - С. 4003-4014. doi:10.1039/c3ce40112j