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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Wasserlöslichkeit von Verbindungen mit einem bestimmten Strukturelement. Ferner betrifft die Erfindung polymere Komplexe eines Alkalimetallsalzes von Polystyrolsulfonat mit Verbindungen, die dieses Strukturelement enthalten.
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In vielen Bereichen, darunter insbesondere auf dem Gebiet der Pharmazie, ist eine gute Wasserlöslichkeit eines Wirkstoffs im neutralen oder physiologischen pH-Bereich sehr erwünscht. Manche Arzneistoff-Entwicklung scheitert daran, dass die Zielverbindung nicht ausreichend wasserlöslich ist.
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Michael J. O'Conell et al. ”Reversible water-solubilitazion of singel-walled carbon nanutubes by polymer wrapping”, Chem. Phys. Lett. 342 (2001) 265–271, beschreiben die Solubilisierung von einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen in Wasser mit Hilfe eines linearen Polymers, insbesondere mit Polyvinylpyrrolidon und mit Polystyrolsulfonat.
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Es wurde nun überraschend gefunden, dass die Wasserlöslichkeit einer ganz anderen Klasse von Verbindungen mit einem bestimmten Strukturelement durch eine reversible Komplexierung bemerkenswert verbessert werden kann.
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Demgemäß betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Verbesserung der Wasserlöslichkeit einer in Wasser schwerlöslichen organischen aromatischen Verbindung, die das folgende Strukturelement aufweist:
worin
R' für H oder eine bis vier OH-Gruppen an einer bzw. mehreren beliebigen übrigen Positionen des Rings steht,
R
1 für H oder einen über ein C-Atom oder ein O-Atom mit der Vinylgruppe verknüpften organischen Rest steht, der Teil eines cyclischen Systems sein kann,
R
2 für H oder einen über ein C-Atom, eine O-Atom oder ein N-Atom mit der Vinylgruppe verknüpften organischen Rest, der Teil eines cyclischen Systems sein kann, oder für OH steht;
R
3 für einen über ein C-Atom mit der Vinylgruppe verknüpften organischen Rest steht,
dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung mit einem wasserlöslichen Alkalimetallsalz von Polystyrolsulfonsäure
worin M
+ für ein Alkalimetall-Ion steht und n mindestens 5 ist,
komplexiert wird.
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Ferner betrifft die Erfindung Polymerkomplexe, die Polystyrolsulfonat-Natrium (PSS-Na), worin M
+ in der Formel II für Na
+ steht,
und 5,10,15,20-Tetrakis(3-hydroxyphenyl)porphyrin (mTHPP) der Formel III,
5,10,15,20-Tetrakis(3-hydroxyphenyl)chlorin (mTHPC) der Formel IV,
3,4',5-Trihydroxy-trans-stilben (Resveratrol) der Formel V
oder 2-(3,4-Dihydroxyphenyl)-3,5,7-trihydroxychromen-4-on (Quercetin) der Formel VI
umfassen.
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Es wurden zahlreiche Versuche zur Solubilisierung einer Reihe von biologisch, insbesondere medizinisch interessanten, in Wasser schwerlöslichen Molekülen mittels Komplexierung durchgeführt, darunter Versuche mit β-Cyclodextrin und Chitosan, die viele organische Verbindungen komplexieren können, jedoch bei den untersuchten Verbindungen keinen Erfolg brachten. Überraschend wurde dann gefunden, dass einige der untersuchten Verbindungen mit Polystyrolsulfonat-Natrium, das die folgende, sich wiederholende Monomer-Struktureinheit aufweist:
komplexiert und wasserlöslich gemacht werden konnten. Anhand von Molekül-Modellen konnte gezeigt werden, dass das nachstehend gezeigte Strukturelement,
worin, R', R
1, R
2 und R
3 wie vorstehend definiert sind,
welches in der Tat allen Verbindungen gemeinsam war, die Voraussetzung für die Komplexierung schuf.
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Je häufiger dieses Strukturelement in einem Molekül vorhanden war, desto leichter wurde es komplexiert.
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Wie durch UV/Vis-Spektroskopie und Elementaranalyse bestimmt, erforderten mTHPP und m-THPC, die vier solche Struktureinheiten enthalten, 8–15 bzw. 10–15 Monomereinheiten des Polystyrolsulfonat-Natrium zur Komplexierung, Resveratol, das eine derartige Struktureinheit enthält, erforderte 36 Monomereinheiten des Polystyrolsulfonat-Natrium und Quercetin, das ebenfalls eine derartige Struktureinheit enthält, 194 Monomereinheiten des Polystyrolsulfonat-Natrium. Eine noch detaillierte Analyse scheint nahe zu legen, dass eine weitere C-C-Doppelbindung in Konjugation mit der vinylischen Doppelbindung die Komplexierung zusätzlich erleichtert. Möglicherweise trifft dies in geringerem Maße auch für eine C-O-Doppelbindung zu.
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Das Alkalimetall-Ion in dem Alkalimetallsalz von Polystyrolsulfonsäure (Akalipolystyrolsulfonat), das zur Komplexierung verwendet wird, kann aus Li, Na, K und Cs ausgewählt sein. Aus Gründen der leichten Verfügbarkeit und des Preises ist es bevorzugt Natrium.
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Das Molekulargewicht des verwendeten Alkalipolystyrolsulfonats entspricht mindestens 5, z. B. 10 oder 15 wiederholten Monomereinheiten. Insbesondere wird Polystyrolsulfonat-Natrium mit einem Gewichtsmittel des Molekulargewichts (Mw) von etwa 4.200–150.000 g/mol, besonders bevorzugt von etwa 4.300 g/mol eingesetzt.
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Für die Herstellung der Komplexe gibt es mehrere Möglichkeiten. Die in Wasser schwerlösliche organische aromatische Verbindung kann in Wasser suspendiert und mit Polystyrolsulfonat über mehrere Wochen gerührt, dann abfiltriert werden und zur Reinigung wieder in Wasser gelöst, und zentrifugiert und/oder filtriert werden, wonach der Überstand oder das Filtrat, der bzw. das den gelösten Komplex enthält, bis zur Trockne eingeengt oder gefriergetrocknet wird. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die organische Verbindung und Polystyrolsulfonat in eine Ethanol-Wasser-Lösungsmittelmischung in einem solchen Erhältnis, dass beide Komponenten, Polymer und organische Verbindung, in der Mischung löslich sind, z. B. 3:1, (Vol./Vol.) einzurühren und diese bis zur Trockne einzuengen und wie oben zu reinigen. Die effizienteste Methode besteht darin, das Polystyrolsulfonat in Wasser gegebenenfalls unter Ultraschallbehandlung zu lösen, die organische Verbindung getrennt in Ethanol oder einem anderen, mit Wasser mischbaren Lösungsmittel, in dem sich die Verbindung löst, z. B. Acetonitril, Formaldehyd, Aceton, Methanol, Isopropanol oder einer Mischung davon, gegebenenfalls unter Ultraschallbehandlung zu lösen, die beiden Lösungen zu vereinigen und das Gemisch gefrierzutrocknen (zu lyophilisieren). Zur Reinigung wird das Lyophilisat dann in Wasser aufgenommen und zentrifugiert und/oder filtriert, und der Überstand oder das Filtrat, der bzw. das den gelösten Komplex enthält, wird bis zur Trockne eingeengt oder erneut lyophylisiert, um das Lösungsmittel zu entfernen.
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Die Analyse des Komplexes geschieht mittels UV/Vis-Spektroskopie in wässriger Lösung und/oder mittels CHNS-Elementaranalyse.
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Beispiele
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Beispiel 1 – Herstellung von mTHPP-PSS-Na-Komplex
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81,00 mg (18,84 μmol) Polystyrolsulfonat-Natrium (PSS-Na; 4300 g/mol; Monomer: 206,2 g/mol, d. h. 392,8 μmol) wurden in ein 50 ml-Becherglas eingewogen.
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Das PSS-Na wurde in 15 ml Wasser gelöst und dabei für 2 min in ein Ultraschallbad gestellt.
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26,88 mg (39,60 μmol) 5,10,15,20-Tetrakis(3-hydroxyphenyl)porphyrin (mTHPP; (678,75 g/mol) wurden in ein 50 ml-Becherglas eingewogen. Das mTHPP wurde in 15 ml Ethanol gelöst und dabei für 2 min in ein Ultraschallbad gestellt.
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Beide Lösungen wurden in eine flache Petrischale gegossen und durchmischt. Die Petrischale wurde mit einem Rundfilter überklebt, sodass beim Anlegen von Vakuum kein Pulvermaterial aus der Petrischale entweichen konnte. Das Gemisch wurde für 96 h gefriergetrocknet. Danach wurde die getrocknete Probe (die bei Bedarf im Kühlschrank gelagert wurde) mit etwa 25 ml Wasser aufgenommen und für 30 min bei etwa 5000 g und 20°C zentrifugiert (Ziel der Zentrifugation ist die Sedimentation der nicht gelösten oder nicht komplexierten organische Verbindung). Anschließend wurde die wässrige Lösung mit einem Polyestermembranfilter mit einer Porengröße von 0,2 μm filtriert, um weitere nicht komplexierte organische Verbindung abzutrennen. Das Filtrat enthält den gereinigten Komplex in Wasser und kann zur Gewinnung des Komplexes in Pulverform gefriergetrocknet oder bis zur Trockne eingeengt werden.
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Für die Analyse wurde das Filtrat in einen 50 ml-Messkolben gegeben, der bis zur Eichmarke mit Wasser aufgefüllt wurde. Danach wurden die Filter und Spritzen sowie das Falkonröhrchen, die beim Zentrifugieren bzw. Filtrieren des mit Wasser versetzten Lyophilisats verwendet wurden, mit Ethanol gespült, ebenfalls in einem 50 ml-Messkolben gesammelt und bis zur Eichmarke mit Ethanol aufgefüllt. Beide Lösungen wurden für photometrische Messungen mit dem jeweiligen Lösungsmittel 1:100 verdünnt.
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Durch Vergleich der UV/Vis-Spektren der Ethanol-Lösung, die reines m-THPP enthielt, und der wässrigen Lösung, die den Komplex enthielt, wurde ermittelt, dass ungefähr 12,5 Monomereinheiten des PSS-Na zur Komplexierung eines Moleküls m-THPP benötigt wurden. Dieses Ergebnis wurde mit CHNS-Elementaranalyse bestätigt.
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Beispiel 2 – Herstellung von mTHPC-PSS-Na-Komplex
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50,00 mg (11,63 μmol) PSS-Na (4300 g/mol; Monomer: 206,2 g/mol, d. h. 242,7 μmol) wurden in ein 50 ml-Becherglas eingewogen. Das PSS-Na wurde in 15 ml Wasser gelöst und dabei für 2 min in ein Ultraschallbad gestellt.
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19,97 mg (29,33 μmol) 5,10,15,20-Tetrakis(3-hydroxyphenyl)chlorin (mTHPC; 680,77 g/mol) wurden in ein 50 ml-Becherglas eingewogen. Das mTHPC wurde in 15 ml Ethanol gelöst und dabei für 2 min in ein Ultraschallbad gestellt.
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Beide Lösungen wurden in eine flache Petrischale überführt und durchmischt. Die Petrischale wurde mit einem Rundfilter überklebt, sodass beim Anlegen von Vakuum kein Pulvermaterial aus der Petrischale entweichen konnte. Das Gemisch wurde mit flüssigem Stickstoff eingefroren und anschließend für 68 h gefriergetrocknet. Danach wurde die getrocknete Probe (die bei Bedarf im Kühlschrank gelagert werden kann) mit etwa 25 ml Wasser aufgenommen und für 60 min bei etwa 5000 g und 20°C zentrifugiert (Ziel der Zentrifugation ist die Sedimentation der nicht gelösten oder nicht komplexierten organische Verbindung). Anschließend wurde die wässrige Lösung mit einem Polyestermembranfilter mit einer Porengröße von 0,2 μm filtriert, um weitere nicht komplexierte organische Verbindung abzutrennen. Das Filtrat enthält den gereinigten Komplex in Wasser und kann zur Gewinnung des Komplexes in Pulverform gefriergetrocknet oder bis zur Trockne eingeengt werden.
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Für die Analyse wurde das Filtrat in einen 50 ml-Messkolben gegeben, der bis zur Eichmarke mit Wasser aufgefüllt wurde. Danach wurden die Filter und Spritzen sowie das Falkonröhrchen, die beim Zentrifugieren bzw. Filtrieren des mit Wasser versetzten Lyophilisats verwendet wurden, mit Ethanol gespült, ebenfalls in einem 50 ml-Messkolben gesammelt und bis zur Eichmarke mit Ethanol aufgefüllt. Beide Lösungen wurden für photometrische Messungen mit dem jeweiligen Lösungsmittel 1:100 verdünnt.
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Durch Vergleich der UV/Vis-Spektren der Ethanol-Lösung, die reines mTHPC enthielt, und der wässrigen Lösung, die den Komplex enthielt, wurde ermittelt, dass ungefähr 12,5 Monomereinheiten des PSS-Na zur Komplexierung eines Moleküls mTHPC benötigt wurden. Dieses Ergebnis wurde mit der CHNS-Elementaranalyse bestätigt.
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Beispiel 3 – Herstellung von Resveratrol-PSS-Na-Komplex
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73,59 mg (17,11 μmol) PSS-Na (4300 g/mol; Monomer: 206,2 g/mol, d. h. 357,9 μmol) wurden in ein 25 ml-Becherglas eingewogen. Das PSS-Na wurde in 5 ml Wasser gelöst und dabei für 5 min in ein Ultraschallbad gestellt.
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19,37 mg (84,87 μmol) Resveratrol (228,24 g/mol) wurden in ein 50 ml-Becherglas eingewogen. Das Resveratrol wurde in 10 ml Ethanol (vergällt) gelöst und dabei für 5 min in ein Ultraschallbad gestellt.
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Beide Lösungen wurden in eine flache Petrischale überführt und gemischt. Die Petrischale wurde mit einem Rundfilter übergeklebt, sodass beim Anlegen von Vakuum kein Pulvermaterial aus der Petrischale entweichen konnte. Das Gemisch wurde zuerst bei –20°C, dann bei –80°C gelagert, schließlich mit flüssigem Stickstoff eingefroren und anschließend direkt für 14 h gefriergetrocknet. Danach wurde die getrocknete Probe (die bei Bedarf im Kühlschrank gelagert werden kann) mit 5 ml Wasser aufgenommen, für 2 min in das Ultraschallbad gestellt und für 60 min bei etwa 5000 g und 20°C zentrifugiert (Ziel der Zentrifugation ist die Sedimentation der nicht gelösten oder nicht komplexierten organischen Verbindung). Anschließend wurde die wässrige Lösung durch einen Polyestermembranfilter mit einer Porengröße von 0,2 μm filtriert, um weitere nicht komplexierte organische Verbindung abzutrennen. Das Filtrat enthält den gereinigten Komplex in Wasser und kann zur Gewinnung des Komplexes in Pulverform gefriergetrocknet oder bis zur Trockne eingeengt werden.
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Für die Analyse wurde das Filtrat in einen 25 ml-Messkolben gegeben, der bis zur Eichmarke mit Wasser aufgefüllt wurde. Danach wurden die Filter und Spritzen sowie das Falkonröhrchen, die beim Zentrifugieren bzw. Filtrieren des mit Wasser versetzten Lyophilisats verwendet wurden, mit Ethanol gespült, in einem 50 ml-Messkolben gesammelt und bis zur Eichmarke mit Ethanol aufgefüllt. Beide Lösungen wurden für photometrische Messungen mit dem jeweiligen Lösungsmittel verdünnt.
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Durch Vergleich der UV/Vis-Spektren der Ethanol-Lösung, die reines Resveratrol enthielt, und der wässrigen Lösung, die den Komplex enthielt, wurde ermittelt, dass ungefähr 36 Monomereinheiten des PSS-Na zur Komplexierung eines Moleküls Resveratrol benötigt wurden.
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Beispiel 4 – Herstellung von Quercetin-PSS-Na-Komplex
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82,56 mg (19,20 μmol) PSS-Na (4300 g/mol; Monomer: 206,2 g/mol, d. h. 400,4 μmol) wurden in ein 25 ml-Becherglas eingewogen. Das PSS-Na wurde in 15 ml Wasser gelöst und dabei für 5 min in ein Ultraschallbad gestellt.
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82,58 mg (273,23 μmol) Quercetin (302,24 g/mol) wurden in ein 50 ml-Becherglas eingewogen. Das Quercetin wurde in 20 ml Ethanol (vergällt) gelöst und dabei für 5 min in ein Ultraschallbad gestellt.
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Beide Lösungen wurden in eine flache Petrischale überführt und gemischt. Die Petrischale wurde mit einem Rundfilter übergeklebt, sodass beim Anlegen von Vakuum kein Pulvermaterial aus der Petrischale entweichen konnte. Das Gemisch wurde zuerst bei –20°C, dann bei –80°C gelagert, schließlich mit flüssigem Stickstoff eingefroren und anschließend direkt für 42 h gefriergetrocknet. Danach wurde die getrocknete Probe (die bei Bedarf im Kühlschrank gelagert werden kann) mit 15 ml Wasser aufgenommen und für 15 min bei etwa 16098 g und 20°C zentrifugiert (Ziel der Zentrifugation ist die Sedimentation der nicht gelösten oder nicht komplexierten organischen Verbindung). Anschließend wurde die wässrige Lösung durch einen Polyestermembranfilter mit einer Porengröße von 0,2 μm filtriert, um weitere nicht komplexierte organische Verbindung abzutrennen. Das Filtrat enthält den gereinigten Komplex in Wasser und kann zur Gewinnung des Komplexes in Pulverform gefriergetrocknet oder eingeengt werden.
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Für die Analyse wurde das Filtrat in einen 25 ml-Messkolben gegeben, der bis zur Eichmarke mit Wasser aufgefüllt wurde. Danach wurden die Filter und Spritzen sowie das Falkonröhrchen, die beim Zentrifugieren bzw. Filtrieren des mit Wasser versetzten Lyophilisats verwendet wurden, mit Ethanol gespült, in einem 100 ml-Messkolben gesammelt und bis zur Eichmarke mit Ethanol aufgefüllt. Beide Lösungen wurden für photometrische Messungen mit dem jeweiligen Lösungsmittel verdünnt.
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Durch Vergleich der UV/Vis-Spektren der Ethanol-Lösung, die reines Quercetin enthielt, und der wässrigen Lösung, die den Komplex enthielt, wurde ermittelt, dass ungefähr 194 Monomereinheiten des PSS-Na zur Komplexierung eines Moleküls Quercetin benötigt wurden.
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Beispiel 5 – Reversibilität der Komplexbildung
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Die Reversibilität der Komplexbildung wurde an dem Komplex aus mTHPP und PSS-Na demonstriert. Der Komplex löst sich in Ethanol, Chloroform oder Toluol nicht. Durch Zugabe von Ethylacetat oder Tetrahydrofuran zu einer wässrigen Komplexlösung erfolgte nach kräftigem Schütteln der Mischung eine Trennung von mTHPP und PSS-Na. mTHPP reicherte sich vollständig in der organischen Phase an und PSS-Na verblieb in der wässrigen Phase. Die Konzentrationsbestimmung des mTHPP im organischen Lösungsmittel bestätigte die Menge an komplexiertem mTHPP, die mit UV/Vis Spektroskopie bzw. CHNS-Elementaranalyse bestimmt wurde.