Классификация

Для исследования, контроля качества и применения органических ЛС боль­шое значение имеет их рациональная классификация.

При фармакологической или нозологической классификации ЛС (см.

В настоящее время в основу классификации органических ЛС в фармацев­тической химии положена их принадлежность к тому или иному химическому классу. С учетом строения углеродного скелета ЛВ делят на три класса:

ациклические соединения, молекулы которых состоят из открытой, прямой или разветвленной цепи атомов углерода;

карбоциклические соединения, в молекуле которых находится одно или не­сколько замкнутых колец (циклов) атомов углерода;

гетероциклические соединения, в молекуле которых кольцо содержит не только атомы углерода, но и атомы других элементов (например, 8,14, О).

Каждый из этих классов включает соединения с теми или иными функцио­нальными группами, а значит, и общими химическими свойствами.

Класс ациклических соединений объединяет: углеводороды (предельные и не­предельные); галогенпроизводные углеводородов; спирты; альдегиды и кето- ны; карбоновые кислоты и их производные; эфиры, простые и сложные и др.

Карбоциклические соединения включают две основные группы: 1) циклоалка- ны; 2) ароматические соединения (арены).

Каждая из этих групп имеет подгруппы. Например, ароматические соеди­нения включают подгруппы фенолов, кислот и их эфиров, аминопроизводных и т.д.

Гетероциклические соединения представлены разнообразными группами ЛС. Например, ЛС фурана, имидазола, пиридина, пурина, индола, изоаллоксази- на и др.

Как и всякая другая, рассматриваемая классификация несовершенна. На­пример, ЛС с антигистаминным действием дифенилгидрамин (димедрол)

в курсе фармацевтической химии может быть отнесено к группе ЛС — про­стых эфиров.

Принадлежность ЛВ к тому или иному химическому классу обусловливает их различную фармакологическую активность.

Как отмечалось ранее (см. разд. I), отдельные структурные (функциональ­ные) группы, входящие в молекулу ЛВ, определяют его физико-химические характеристики (см. рис. 2.2). Подобно неорганическим ЛВ вещества органи­ческой природы проявляют активность в зависимости:

от растворимости, определяемой кислотно-основными свойствами в поляр­ных и неполярных растворителях;

окислительно-восстановительного потенциала, позволяющего оценить реак­ционную способность (устойчивость) молекулы лекарственного вещества с окис­лителями и восстановителями в отдельных камерах биологических систем.

Кислотно-основные свойства могут быть оценены по значениям константы кислотной (основной) ионизации (закон действующих масс) и степенью гид­рофильное™ или липофильности (константа распределения Нернста). Напри­мер, известно, что бензол (рКа = 37,0) практически нерастворим в воде, но растворим в липидах. При введении в молекулу бензола карбоксильной груп­пы растворимость образующейся бензойной кислоты (рКа = 4,7) в воде значи­тельно возрастает. И как следствие, увеличивается способность участвовать в химических превращениях в полярных средах организма.

Окислительно-восстановительные свойства оцениваются по значению стан­дартного окислительно-восстановительного потенциала Е° (или связанной с ним энергией Гиббса Д 0°). Соответствие этих характеристик аналогичным фак­торам жидких биосред может быть охарактеризовано на основании «Е— рН»

(или «АО—рН») диаграмм крови, лимфы, цитоплазмы и других биосистем, что уже обсуждалось при изучении ЛВ неорганической природы. Если области устойчивости (существования) ЛВ и биологической среды совпадают (Е, рН), то можно предполагать проявление биологической (терапевтической) актив­ности вещества.

Следующий этап оценки биологической активности заключается в рас­смотрении пространственного соответствия при лиганд-рецепторном (Ь—К) взаимодействии: Ь + К —► Ь-К, где лиганд Ь — молекула ЛВ, рецептор К — активный центр биомолекулы в организме, с которым взаимодействует молеку­ла ЛВ.

Примеры, представленные ниже, демонстрируют, как структура молекулы органического вещества влияет на его биологическую активность. Так, нена­сыщенные соединения обычно значительно активнее насыщенных. Это отно­сится в одинаковой мере к ациклическим и циклическим соединениям. На­пример, снотворные свойства трихлорэтилена более выражены, чем у 1,1,2- трихлорэтана:

1,1,2-Трихлорэтан

Терапевтическое действие ЛС может изменяться с введением заместителей.

Значительное влияние на физиологическую активность ЛВ оказывает вве­дение в его молекулу атомов галогенов. Например, метан не проявляет нар­котического действия. Напротив, хлорпроизводные: метилхлорид СН3С1, хло­роформ СНС13, этилхлорид СН3СН2С1 обладают наркотическими свойства­ми. Хлораль обладает более сильным гипнотическим действием, чем уксусный альдегид:

Хлораль

Введение в молекулу углеводорода гидроксильной группы также приводит усилению биологической активности ЛВ.

С увеличением числа гидроксильных групп наркотическое действие алифа­тических спиртов снижается.

Введение гидроксильной группы в бензольное кольцо приводит к появле­нию антисептических свойств, которые, например, у двухатомного фенола ре­зорцина проявляются значительно больше, чем у одноатомного фенола.

Антисептическое действие фенолов усиливается введением в ядро атомов брома. Так, у трибромфенола эти свойства более выражены, чем у фенола или резорцина:

Введенная в молекулу ароматического соединения карбоксильная группа —СООН, снижает токсичность за счет увеличения его гидрофильности. На­пример, натриевая соль салициловой кислоты менее токсична, чем фенол:

Функциональные группы, содержащие азот, усиливают действие веществ на различные отделы нервной системы. Присутствие в молекуле аминогруппы резко повышает токсичность ЛВ. Вторичные амины, как правило, более ак- тавны, чем третачные, но менее активны, чем первичные.

Сложные эфиры азотной кислоты, например нитроглицерин, подвергаются превращениям, в результате которых образуется N0, оксид азота(П), который оказывает сосудорасширяющее действие.

Значительно меньше изучен вопрос о направленное™ и силе действия при комбинации двух и более заместителей в одной молекуле органического со­единения. На примере ряда гетероциклических соединений установлено, что фармакологический эффект зависит от ориентации различных заместителей.

Большое значение имеет изучение связи между фармакологической актив­ностью и изомерией молекул органических соединений. Например, двухатом­ные фенолы отличаются по своей токсичности.

Биологическое действие зависит также от цис-транс-изомерии и трео-эритро- изомерии. Нередко наблюдаются одновременное влияние различных тапов изо­мерии на фармакологический эффект. Так, антибиотик левомицетин

представляет собой /)-(-)-т/>ео-1-я-нитрофенил-2-дихлорацетил-аминопропан- диол-1,3. Его эритро-формы являются токсичными веществами, а Ь-(+)-трео- изомер (правовращающий антипод левомицетина) — физиологически неакти­вен (см. гл. 1, 3, разд. II).

Природа органических соединений обусловливает особенности их анализа.

Прокаливание. ЛВ органической природы при прокаливании обычно пла­вятся, обугливаются, сгорают без остатка. ЛВ неорганической природы, на­против, не горят, не обугливаются, хотя при прокаливании можно наблюдать некоторые изменения: кристаллические вещества плавятся; расплав может кипеть, выделяя пары воды (кристаллогидраты и некоторые гигроскопичные вещества). Неорганическое вещество может при нагревании менять окраску. Например, 2п0 и ВКЖОз желтеют при прокаливании. Напротив, оксиды ще­лочно-земельных металлов и их сульфаты окраску не изменяют.

Лекарственные вещества смешанной природы, например, соли органиче­ских кислот и щелочных или щелочно-земельных металлов (натрия бензоат, кальция глюконат, аскорбат железа) обугливаются и их органическая часть сгорает.

Определение рН водного раствора. Большинство ЛВ органической приро­ды — неэлектролиты, которые мало растворимы в воде. Исключение составля­ют соли органических кислот и оснований (например, кальция глюконат, на­трия бензоат, натрия салицилат, соли различных азотсодержащих соединений), растворы которых в воде имеют то или иное значение рН.

Определение природы функциональных групп. Большинство ЛВ являются полифункциональными соединениями (реакции на различные функциональ­ные группы приведены в ГФ XI в разделе «Общие реакции на подлинность»).

Например, в молекуле прокаина (новокаина) одновременно присутствуют аминогруппы, сложноэфирная группа, ароматическое кольцо.

Определение природы гетероатома. Многие органические соединения со­держат гетероатомы — серу, азот, фосфор или галогены. При анализе эти эле­менты переводят в ионную форму и затем устанавливают природу гетероатома. В зависимости от строения ЛВ прочность связи углерода с галогеном или дру­гим гетероатомом различна. Так при нагревании в присутствии концентриро­ванной серной кислоты разрыв связи облегчается в ряду «С—Р, С—С1, С— Вг, С—I» в связи с уменьшением ее прочности.

Природу гетероатома выясняют с помощью следующих качественных реакций:

хлоропроизводные органические соединения дают положительную пробу Белыптейна: вещество на медной проволоке помещают в пламя горелки, пла­мя окрашивается в зеленый цвет;

при нагревании некоторые органические соединения йода, например йодо­форм, выделяют фиолетовые пары йода;

при нагревании спиртового раствора некоторых соединений йода с раство­ром нитрата серебра Аё>Юз образуется желтый осадок серебра йодида:

25 *С С Н ОН

СШ3 + ЗА§Ж>з + 2Н20------ ’ 2 5 » ЗАё^ + ЗНМ03 + НСООН

галогенопроизводные углеводородов (например, хлороформ, левомицетин) нагревают со щелочью и после гидролиза определяют галогенид-ион в водном растворе. Для переведения ковалентно связанного галогена в ионную форму используют различные методы минерализации:

окислительные методы: сжигание в колбе с кислородом; «сухая» минерали­зация в щелочном окислительном расплаве — смеси натрия карбоната и калия нитрата; «влажная» минерализация в концентрированных серной и азотной кислотах (или других кислотах-окислителях), в растворах пероксида водорода и калия перманганата. Более эффективна минерализация при нагревании в тефлоновых реакторах, помещенных в автоклавы или печь СВЧ;

восстановительные методы: перевод в ионную форму под действием цинка в кислой или щелочной среде (восстановитель — выделяющийся атомарный водород).

Определение относительной молекулярной массы. Для установления истин­ной брутто-формулы исследуемого вещества необходимо определить относи­тельную молекулярную массу. В зависимости от свойств вещества для ее уста­новления используют такие физические методы, как эбулиоскопический, криос- копический, изотермической дистилляции, газометрический.

Определение физико-химических характеристик. Для предварительного за­ключения о природе ЛВ проводят определение температуры плавления. Для ха­рактеристики чистоты жидких веществ служат температура плавления, кипе­ния, плотность и показатель преломления. Для идентификации масел и жиров характерны такие химические характеристики, как кислотное число, число омы­ления, йодное число.

Общие испытания ЛВ с помощью реакций образования красителей. Для ис­пытаний подлинности ЛС в зависимости от природы функциональных групп в молекулах ЛВ используют общие реакции. Например, возможно проведение анализа ЛВ органической природы с помощью реакций образования краси­телей.

Для того чтобы соединение было окрашенным, энергия возбуждения его молекулы ДЕ = Е' - Е° (где Е° и Е' — энергия молекулы соответственно в основном и возбужденном состояниях) должна находиться в пределах 158 — 300 кДж/моль. Для соединений с сопряженными двойными связями, у кото­рых л-электроны делокализованы, энергия возбуждения соответствует погло­щению в видимой части спектра.

Цвет образующегося продукта обусловлен присутствием в его молекуле хро­мофорной системы — достаточно развитой открытой или замкнутой системы сопряженных кратных связей и электронодонорных и (или) электроноакцеп­торных заместителей. В соответствии с типом хромофора (группы, ответствен­ной за создание сопряженной системы) все используемые в химико-фармацев­тическом анализе красители можно классифицировать следующим образом: арилметановые или ауриновые красители — производные диарил- и триарил- метанов:

азометиновые красители (содержат одну или несколько азометиновых групп = С=>1—, входящих в систему сопряженных двойных связей);

индофеноловые красители — группа хинониминовых красителей — 4'-гидро- ксипроизводных 1Ч-фенилхинонимина:

Образование красителей может рассматриваться как один из возможных способов определения структуры ЛВ. Так, для идентификации ароматических аминов и фенолов используется реакция образования азокрасителя по реак­ции азосочетания с солями диазония.

Соли арилдиазония могут быть получены при взаимодействии первичных аминов с азотистой кислотой (реакция диазотирования):

Почти все соли диазония бесцветны или окрашены в светло-желтый цвет.

Ароматические амины, содержащие электроноакцепторные заместители (за­местители второго рода —N02, —503Н, —СНО, —СООН), особенно в орто- или иоро-положении, диазотируются легче, чем незамещенные, и дают более прочные соли диазония. Таким образом, прочность соли диазония увеличива­ется с ростом электроноакцепторных свойств ароматического ядра и ослабле­нием прочности связи между азотом и водородом в аминогруппе. Этому спо­собствует также понижение температуры. Напротив, в случае электронодонор- ных заместителей (заместителей первого рода) или алифатического радикала прочность диазосоединения снижается.

Реакцию азосочетания с фенолами обычно проводят в карбонатно-щелоч- ных (рН 9—10), а с аминами — в слабокислых или нейтральных растворах:

где К = N02, 503Н, СНО, СООН и др; К, = N1^, ОН.

При рН >10 реакция азосочетания не протекает, так как соль диазония переходит в соль диазогидрата (диазотат):

Сочетание соли диазония с фенолами или третичными аминами протекает в нора-положении к гидроксильной или аминогруппе. Если пора-положение занято, то азосочетание происходит в ор/ио-положении. Это связано с ориен­тирующим влиянием амино- и гидроксигрупп (ориентанты первого рода) в фенолах и аминах. Л В (предварительно продиазотированные), содержащие первичную аминогруппу, могут играть роль диазокомпонентов.

Рассмотрим образование азокрасителя на примере теофиллина (производ­ное пурина). После щелочного гидролиза (при нагревании в 30 % растворе гидроксида натрия), способствующего разрыву пиримидинового цикла и обра­зованию производного имидазола (теофилидина), происходит сочетание с со­лями диазония и образуется азокраситель красного цвета:

			ы=ы-
					V/

о

II

НзС-ЬШ-С

I

НзС-ЬШ N

Для отличия феназона (антипирина) от других препаратов, производных пиразола, ГФ рекомендует проводить реакцию образования азокрасителя с ис­пользованием а-нафтиламина:

N=N01"

сн.

ЧСН3

О N

С6Н5

О' N I

'СН,

С6Н5

Реакция образования азометиновых красителей протекает при взаимодей­ствии ароматического альдегида с ароматическим амином, диамином или гид­разином при нагревании в водной среде:

Азометиновые соединения, или основания Шиффа, применяют для иден­тификации альдегидов и первичных аминов. Продукты взаимодействия окра­шены в желтый или оранжевый цвет.

Образование арилметановых (ауриновых) красителей используют при иден­тификации различных ЛВ. Красители этой группы образуются при конденса­ции ароматических альдегидов или формальдегида с ароматическими аминами и фенолами:

*0 Н

2пС1;

-Н,0

(СНз)2Ыч^^ ^\.Н(СН3)2 (сн3)2ыч^. ^Ч,К(СН,)2

[О] ТнГ

'сн'

Ауриновые красители содержат вместо аминогруппы гидроксигруппы. Они образуются, например, при нагревании фенолов с хлороформом в присутствии гидроксида натрия. Фенол образует краситель желтого цвета, тимол — желто­го, изменяющей окраску на фиолетовую, и резорцин — красного. Сначала образуются гидроксиальдегиды:

СН=0 0=НС'

2-Г идроксибензаль- 4-Г идроксибензалвдегид дегид (салициловый альдегид) Далее протекает электрофильное замещение в молекуле фенола и образова­ние ауринового красителя:

2ЫаО

[О]

ТнГ

ЫаО-

Получение индофеноловых красителей лежит в основе определения фенолов и лоро-аминофенолов. Красители этого типа образуются при взаимодействии лоро-нитрозофенолов с фенолами (нитрозный способ) и при совместном окис­лении (К2Сг207, ЫаСЮ и др.) в кислой среде фенолов и иоро-аминофенолов (окислительный способ):

Общие испытания на основании кислотно-основных свойств лекарственных веществ. Кислотно-основные свойства ЛВ используют при определении их подлинности или количественном анализе в водных и неводных средах.

В качестве примера рассмотрим кислотно-основные свойства лекарствен­ных веществ групп пурина и пиразолона.

Кофеин (1,3,7-триметилксантин) — слабое основание: электронная плот­ность на атомах азота увеличена за счет электронодонорных свойств металь­ных групп:

СН3

Теобромин (3,7-диметилксантин) — амфолит: ЫН-кислота, рКа = 9,9; основ­ные свойства N9 более выражены по сравнению с теофиллином (см. ниже), что объясняется присутствием электронодонорной метальной группы у N7:

СН3

Теофимин (1,3-диметилксантин) — также проявляет амфотерные свойства: более сильная, чем теобромин, ЫН-кислота, рКа = 8,8. Основные свойства N9 меньше выражены по сравнению с теобромином, что объясняется нахождени­ем обеих электронодонорных метальных групп в пиримидиновом кольце, а следовательно, более низкой электронной плотностью на N9:

о

СН3

Аминофеназон (амидопирин) (1-фенил-2,3-диметил-4-диметиламинопиразо- лон-5) — слабое основание вследствие электронодонорных свойств метальных групп и увеличения электронной плотности на азоте:

Фенилбутазон (бутадиен) (1,2-дифенил-4-бутил-пиразолидиндион-3,5) — СН- кислота. Основные свойства атомов азота N1 и N2 ослаблены за счет сопряже­ния с С6Н5-радикалами:

СбН5

Феназон (антипирин) (1-фенил-2,3-диметал-пиразолон-5) — амфотерное со­единение: кислотные свойства проявляются за счет СН-кислотной и N-основ­ной групп:

сбн5

К фармакопейным методам количественного определения ЛС органичес­кой природы относится титрование в неводных растворителях. В водных сре­дах возможно количественное определение только тех ЛВ, рКа которых нахо­дится в области рН, характерной для водных растворов. Многие органические вещества являются чрезвычайно слабыми кислотами или основаниями, и их количественное определение титрованием в водной среде невозможно. В этом случае используют титрование в неводных средах (растворителях).

В основе процессов, связанных с количественным определением ЛВ путем неводного титрования, лежит протолитическая теория Бренстеда—Лоури. Со­гласно этой теории, кислоты в зависимости от свойств компонента, участвую­щего в кислотно-основном взаимодействии, ведут себя как доноры или акцеп­торы протона. Например, при взаимодействии безводной уксусной кислоты с безводной азотной карбоновая кислота СН3СООН действует как основание, а азотная кислота НМ03 — как кислота:

6 Глущенко

СНзСООН + НИОз СН3СООН2 + N03

В свою очередь, даже такая сильная кислота, как азотная, по отношению к еще более сильной хлорной кислоте ведет себя как основание:

НЖ)3 + НСЮ4 Н2Ж)з + СЮ;

Наглядным примером зависимости свойства вещества от природы партнера является поведение аминокислот, которые в щелочной среде ведут себя как кислоты, в кислой среде — как основания, а при рН = р1 (р1 — изоэлекгриче- ская точка) — нейтральны и проявляют свойства амфолитов.

Растворители делят на два класса: амфипротонные (самоионизирующиеся) и апротонные (не способные к самоионизации) (табл. 8.1).

Вещества, способные легко присоединять протоны, называют протофиль- ными, они являются основаниями. Если такие вещества служат растворителя­ми, то их называют протофильными растворителями (жидкий аммиак, амины, пиридин). Чем сильнее выражена протофильность растворителя, тем большее число веществ, растворенных в нем, ведут себя как кислоты, тем отчетливее проявляется различие в их силе.

Соединения, способные отдавать протоны, называются протогенными и являются кислотами (серная, азотная, уксусная кислоты). Если они являются растворителями, то их называют протогенными растворителями. Чем легче мо­лекулы растворителя отдают протоны, тем большее число веществ в этом рас­творителе проявляет основные свойства.

Апротонные растворители — вещества, не проявляющие кислотных и ос­новных свойств либо проявляющие их очень слабо. Они не способны отдавать или принимать протоны. К таким растворителям относится бензол и боль­шинство углеводородов.

Хотя деление растворителей на протолитические и апротонные общепри­нято, известные в настоящее время экспериментальные данные, полученные в частности при исследовании ЛВ, свидетельствуют о том, что понятие апротон- ность весьма условно. Например, многие углеводороды, считающиеся инерт­ными апротонными растворителями, являются не только донорами протонов

(—СН-кислотами), но и Н-акцепторами (бензол в ряде случаев выступает как основание).

Рассмотрим примеры определения ЛВ в неводных растворителях. Как уже отмечалось выше, аминофеназон (амидопирин) — очень слабое основание, поэтому количественное определение его в водном растворе невозможно. Его основные свойства значительно возрастают в ледяной уксусной кислоте. В ка­честве титрующего агента используют хлорную кислоту. Механизм превраще­ний может быть представлен следующим образом:

1) молекула аминофеназона (амидопирина) протонируется с образованием ацетат-иона:

Н3С^ + /И Н3С I

+ СН3СОО

О N СН3

I

С6н5

		+ (СН3)2>ГСОН

При добавлении титранта регенерируется растворитель:

+

(СИзЬИНСОН + ОН" (СН3)2ННСОН + н2о и образуется соль:

					О				О
		N
											с2н5 С2н5
	N

н

Физико-химические методы. Для исследования, анализа, скрининга ЛВ орга­нической природы все чаще применяются следующие методы:

ИК-спектрометрия, которая позволяет идентифицировать ЛВ по характе­ристическим частотам;

спектрофотометрия для прозрачных бесцветных растворов в ультрафиоле­товой части спектра (200 — 400 нм), для окрашенных растворов — в видимой части спектра;

высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ) и другие виды хроматографии;

масс-спектрометрия в сочетании с хроматографией (хроматомасс-спектро- метрия);

спектроскопия ядерно-магнитного резонанса, электронного парамагнитно­го резонанса;

рамановская спектроскопия;

электрохимические методы (вольтамперометрия, амперометрия, кулономет- рия).