CC BY
36
УДК 544.032.2
СТРУКТУРНО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ЛАКТАТА КАЛЬЦИЯ ПРИ МЕХАНОАКТИВАЦИИ В ВИХРЕВОЙ МЕЛЬНИЦЕ
КАНУННИКОВА О.М., МИХАЙЛОВА С.С., МУХГАЛИН ВВ., АКСЕНОВА ВВ., ГИЛЬМУТДИНОВ Ф.З., ЛАДЬЯНОВ В.И.
Физико-технический институт УрО РАН, 426000, г. Ижевск, ул. Кирова, 132
АННОТАЦИЯ. Исследовано структурно-химическое состояние лактата кальция после механоактивации в вихревой мельнице. Проанализированы структурно-чувствительные свойства водных растворов механоактивированного лактата кальция.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: лактат кальция, ИК-спектроскопия, РФА, РФЭС, водные растворы. ВВЕДЕНИЕ
Лактат кальция, также как и другие кальциевые соли карбоновых кислот, относится к препаратам первого поколения, в составе которых отсутствуют другие микроэлементы и витамины [1]. Достоинством этих препаратов является изученность воздействия на организм и низкая стоимость, которая делает их доступными для широких слоев населения. Их недостатком является низкая эффективность. Последние несколько десятилетий для повышения эффективности лекарственных препаратов используются методы механоактивации [2]. Целью данной работы являлось исследование структурно-химических превращений лактата кальция, происходящих при механоактивации в вихревой мельнице.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Объектом исследования являлся пентагидрат лактата кальция, используемый при лечении заболеваний, связанных с дефицитом кальция. Механоактивация лактата кальция проводилась в вихревой мельнице ВМЭ-150 (1 и 2 цикла).
Структурное и химическое состояние лактата кальция до и после механообработки исследовалось методами рентгеновской дифракции, РФЭС и ИК-спектроскопии.
Анализировались физико-химические свойства: истинная плотность и растворимость порошков лактата кальция, рН и показатель преломления водных растворов, температурная зависимость плотности и капиллярной вязкости водных растворов. Химическое и структурное состояние водных растворов исследовалось методом ИК-спектроскопии.
Истинную плотность порошков определяли пикнометрическим методом (пикнометр объемом 5 см3). Плотность водных растворов определяли пикнометром Оствальда (объем 0,9 см3).
ИК-спектры порошков и их водных растворов были получены на ИК Фурье спектрометре ФСМ 1202 (ООО «Мониторинг»). Исследуемые порошки запрессовывались в таблетки с KBr. РФА анализ порошков проводился на дифрактометре Bruker D8 Advance с использованием CuKa - излучения. В качестве детектора был использован твердотельный Si(Li) спектрометр Sol-XE (Bruker).
РФЭ спектры возбуждались Mg K^-излучением на электронном спектрометре ЭС-2401. Зарядку учитывали путем отнесения линии от углеводородов к энергии связи 285,0 эВ.
Определение рН проводилось на рН-метре МУЛЬТИТЕСТ ИПЛ-301 со стеклянным электродом ЭСЛ-43-07 в качестве индикаторного. Электродом сравнения служил хлорсеребряный электрод. Показатели преломления измеряли на рефрактометре ИРФ-454 Б2М. Измерения проводились в проходящем свете (X = 584 нм) при температуре 25 °С. Вязкость водных растворов была измерена с помощью капиллярного вискозиметра ВПЖ-2 (диаметр капилляра 0,37 мм).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 1 представлены рентгеновские дифрактограммы исходного и механоактивированного лактата кальция. В дифрактограммах, кроме линий от лактата кальция присутствует линии от карбоната кальция. Для синтеза лактата кальция используется реакция нейтрализации молочной кислоты карбонатом кальция:
СНзСН(ОН)СООН + СаСОз ^ [СНзСН(ОН)СООЬСа + СО2Т + Н2О. (1)
В качестве примесей в лекарственном препарате обычно присутствуют молочная кислота и карбонат кальция. По нашим оценкам количество карбоната кальция составляет 3,25 вес.%. Разделить линии от молочной кислоты и лактат-анионов в дифрактограммах невозможно.
В результате 1 цикла механоактивации наблюдается слабое уширение рентгеновских линий и снижение их интенсивности, связанное с уменьшением размера зерна и ростом уровня микронапряжений. Кристаллическая структура лактата кальция при этом сохраняется. После двух циклов механоактивации происходит изменение кристаллической структуры (об этом свидетельствует появление дополнительных рефлексов) и начинаются процессы аморфизации. Аморфизация лактата кальция происходит также в результате нагрева исходного образца до температуры 115 °С (рис. 2).
2 еСиКа
Рис. 1. Рентгеновские дифрактограммы исходного (а) и механоактивированного лактата кальция (б - 1 цикл механоактивации, в - 2 цикла механоактивации)
20СиКа
Рис. 2. Рентгеновская дифрактограмма лактата кальция после нагрева до 115 °С
ИК-спектр исходного образца лактата кальция представлен на рис. 3. После 1 цикла механообработки лактата кальция на разностных ИК-спектрах (рис. 4) наблюдается уменьшение интенсивности в области 3000 - 3500 см-1, что является следствием дегидратации исходного кристаллогидрата лактата кальция. Известно [3], что лактат кальция существует в нескольких гидратированных формах - моногидрат, тригидрат, пентагидрат. Дегидратация пентагидрата начинается при температуре 55 °С, идет быстро и сопровождается потерей кристалличности. Повышение плотности механоактивированного порошка (табл. 1) объясняется дегидратацией лактата кальция.
Рис. 3. ИК-спектр исходного образца лактата кальция
0 1000 2000 3000 4000 5000
Рис. 4. Разностный ИК-спектр, полученный вычитанием спектра образца лактата кальция после 1 цикла механоактивации из спектра исходного образца
Таблица 1
Физико-химические свойства лактата кальция до и после механоактивации
Образец Свойства
истинная плотность, г/см3 растворимость, г/100 г Н2О рН водного раствора
Исходный 1,5044 8,36 5,00
1 цикл МА 1,5276 8,40 5,26
2 цикла МА 1,5600 8,40 5,53
Уменьшение интенсивности пиков лактат-аниона (в области 1740, 1200 и 1140 см-1) свидетельствует о разложении лактата кальция по карбонильному типу, для которого требуется температура порядка 200 °С. Представить данный процесс можно следующей условной схемой:
[СНзСН(ОН)СОО]2Са ^ СаСОз + СО2Т + Н2О. (2)
В области пиков 2000 - 2400 см 1, соответствующих СО2, адсорбированному на поверхности частиц порошка, интенсивность возрастает.
РФЭС спектры представлены на рис. 5. Наиболее интенсивная линия (285,0 эВ) относится к связям С-Н от концевых групп СН3 - лактат-аниона и от углерода адсорбированного слоя углеводородов. Составляющие с энергиями связи 286,2 и 287,4 эВ в С^-спектре исходного образца относятся к атомам углерода, связанных с гидроксильными группами в молекулах лактата кальция разной изомерии. После первого цикла механоактивации изменяется соотношение интенсивностей пиков 286,2 и 287,4 эВ, что может говорить об изменении соотношения количества изомеров. После двух циклов механоактивации лактат кальция присутствует в одном структурном (изомерном) состоянии. Высокоэнергетичный пик с Есв = 289,0 эВ относится к атомам углерода в составе карбоксильной группы лактат-аниона и карбонат-аниона.
На рис. 6 представлен разностный ИК-спектр, полученный вычитанием ИК-спектра порошка после 2 циклов механоактивации из ИК-спектра исходного порошка. В результате дегидратации кристаллогидрата лактата кальция уменьшается интенсивность в области 3000 - 3500 см-1. В области 1500 и 2500 см-1 растет интенсивность спектра, что говорит об образовании СаСО3 в результате деструкции лактата кальция. Деструкция лактата кальция возможна при температуре порядка 200 °С, т.е. для 2-х циклов механоактивации характерны процессы, идущие при этой температуре.
0,04 I- ■. ■ (СО3)2-; V (С-О)
0,03 -0,02 -0,01 -0,00 --0,01 --0,02 --0,03 -
-0.04 - волновое число, см1
_._I_._I_._I_._I_._I_
О 1000 2000 3000 4000 5000
Рис. 6. Разностный ИК-спектр, полученный вычитанием спектра лактата кальция после 2-х циклов механоактивации из спектра исходного образца
С1в
280 285 290
Энергия связи, эВ
Рис. 5. С1э-спектры лактата на разных стадиях механоактивации
Несмотря на то, что в ходе механоактивации происходят химические взаимодействия и деструкция основного компонента смеси - лактата кальция, плотность, динамическая вязкость и показатель преломления водных растворов механоактивированных порошков лекарственного препарата незначительно отличаются от плотности и динамической вязкости растворов исходного порошка. Причина этого эффекта, по-видимому, в том, что в описанных выше химических реакциях участвует незначительная доля компонентов порошков [4].
По формуле: ф = (потн - 1)/2,5 рассчитана объемная доля молекул воды в составе гидратных оболочек (рис. 7). Видно, что с увеличением времени механоактивации доля гидратных оболочек уменьшается. При этом различие для растворов исходного лактата кальция и после 1 цикла механоактивации незначительно, а в растворе образца лактата кальция после 2 циклов механоактивации доля воды в составе гидратных оболочек заметно меньше. Это позволяет говорить о различии структурного состояния лактат-аниона до и после механоактивации.
О, 15
Рис. 7. Концентрационная зависимость объемной доли воды в составе гидратных оболочек при 26 °С:
исходный препарат (•), 1 цикл механоактивации (■), 2 цикла механоактивации (▲)
В табл. 2 приведены термические коэффициенты объемного расширения растворов в диапазонах температур 26 - 40 °С и 40 - 60 °С. Видно существенное отличие структурного состояния растворов лактата кальция после 2 циклов механоактивации от растворов исходного лактата и лактата после 1 цикла механоактивации. Связность растворов лактата кальция после 2 циклов механоактивации оказалась выше, чем связность чистой воды.
Таблица 2
Температурный коэффициент объемного расширения воды и водных растворов лактата кальция
С, вес.% 26 - 40 °С 40 - 60 °С
а(исх), 10-4 а(1), 10-4 а(2), 10-4 а(Н2О), 10-4 а(исх), 10-4 а(1), 10-4 а(2), 10-4 а(Н2О), 10-4
0,82 3,30 3,11 3,06 3,02 4,64 4,49 4,88 4,58
4,00 3,81 3,41 3,09 4,43 5,34 3,99
5,53 3,67 3,47 2,85 4,18 5,04 3,53
7,71 3,14 3,50 2,66 4,75 4,51 3,02
ВЫВОДЫ
Исследованы структурно-химические превращения лактата кальция (с примесью карбоната кальция), происходящие при механоактивации в вихревой мельнице. Установлена зависимость структурных превращений от режимов обработки.
В ходе механоактивации происходят химические процессы, идущие при температуре порядка Т < 200 °С: дегидратация и частичное разложение лактата кальция.
В результате 1-го цикла механоактивации кристаллическая структура исходного порошка не изменяется, а в ходе 2-го цикла начинается аморфизация порошка.
После 2 циклов механоактивации наблюдается изменение структурного состояния лактат-аниона, которое проявляется в виде дополнительных линий в рентгеновской дифрактограмме. Анализ РФЭС спектров свидетельствует об изменении изомерного состояния лактат-аниона в ходе механоактивации.
Работа выполнена в рамках Программы Президиума РАН 12-П-2-1065. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Машковский М.Д. Лекарственные средства. Справочник. Издание шестнадцатое. М. : Новая волна, 2010. 1216 с.
2. Ломовский О.И. Прикладная механохимия: фармацевтика и медицинская промышленность // Обработка дисперсных материалов и сред. 2001. Вып. 11. С. 81-100.
3. Sakate Y. et.al. Characterization of dehydration and hydration behavior of calcium lactate and its anhydrate // Colloids Surf. Biointerfaces. 2005. V. 46. P. 135-141.
4. Горбушина А.И., Канунникова О.М., Ладьянов В.И. Влияние механоактивации в вихревой мельнице на структурное состояние и физико-химические свойства лактата кальция // Тез. докл. XXI Росс. молод. науч. конф. 2012. С. 323-324.
STRUCTURAL AND CHEMICAL TRANSFORMATIONS OF THE MECHANOACTIVATED CALCIUM LACTATE IN VORTEX MILL
Kanunnikova O.M., Michailova S.S., Muhgalin V.V., Acsenova V.V., Gilmutdinov F.Z., Ladyanov V.I. Physical-Technical Institute, Ural Branch of Russian Academy of Science, Izhevsk, Russia
SUMMARY. The structural-chemical state of calcium lactate after mechanical activation of the vortex mill was investigated. Structure-sensitive properties of mechanoactivated calcium lactate water solutions were analyzed.
KEYWORDS: calcium lactate, IR spectroscopy, XRD, XPS, aqueous solutions.
Канунникова Ольга Михайловна, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник ФТИ УрО РАН, e-mail: [email protected]
Михайлова Софья Сергеевна, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, ФТИ УрО РАН
Мухгалин Владислав Викторович, младший научный сотрудник ФТИ УрО РАН
Аксенова Валерия Викторовна, кандидат физико-математических наук, младший научный сотрудник ФТИ УрО РАН
Гильмутдинов Фаат Залалутдинович, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, заведующий отделом ФТИ УрО РАН
Ладьянов Владимир Иванович, доктор физико-математических наук, директор ФТИ УрО РАН
