автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.01, диссертация на тему:Процессы получения цитратов висмута (III) осаждением из растворов и по реакции твердое - раствор

На правах рукописи

НАЙДЕНКО ЕКАТЕРИНА СЕРГЕЕВНА

ПРОЦЕССЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЦИТРАТОВ ВИСМУТА (III) ОСАЖДЕНИЕМ ИЗ РАСТВОРОВ И ПО РЕАКЦИИ ТВЕРДОЕ - РАСТВОР

05.17.01 - технология неорганических веществ

2 4 и(Т 2013

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Е1Р7. 1)10 * г

Новосибирск - 2013

005535502

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институт химии твердого тела и механохимии Сибирского отделения Российской академии наук

Научный руководитель: доктор химических наук, профессор

Юхин Юрий Михайлович

Официальные оппоненты:

Ступко Татьяна Владиславовна - доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Красноярский государственный аграрный университет», заведующая кафедрой химии

Флейтлих Исаак Юрьевич - кандидат химических наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии и химической технологии СО РАН, ведущий научный сотрудник

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии ДВО РАН, г. Владивосток

Защита состоится «19» ноября 2013 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 003.041.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институт химии и химической технологии СО РАН по адресу: 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50, стр. 24, конференц-зал ИХХТ СО РАН; (факс: 8(391)249-41-08, e-mail: dissovet@icct.ru)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института химии и химической технологии СО РАН.

Автореферат разослан « ^»¿йб£х/^2013 i

Ученый секретарь

диссертационного совета сП Павленко Нина Ивановна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Соединения висмута обладают многофункциональными свойствами, что определяет их широкое применение, в том числе в производстве фармацевтических препаратов.

Замещение импортных лекарственных средств препаратами отечественного производства является одним из основных приоритетов государственной политики РФ по развитию национальной фармацевтической промышленности. Особую актуальность приобретает создание отечественного противоязвенного лекарственного препарата на основе висмута трикалия дицитрата, который в соответствии с Распоряжением Правительства РФ от 30 декабря 2009г № 2135-р включен в Перечень жизненно необходимых и важнейших лекарственных средств.

В современной практике соединения висмута получают осаждением из азотнокислых растворов при добавлении щелочных реагентов, карбоновых кислот или их солей, реже используют гетерогенные химические реакции обмена с участием твердых основного нитрата или карбоната висмута и соответствующих органических соединений. В большинстве случаев известные способы сложны, многостадийны, не позволяют получать соединения требуемой чистоты, вследствие соосаждения совместно с висмутом основных примесных металлов, и сопровождаются выделением токсичных оксидов азота, загрязняющих окружающую среду. Кроме того, литературные сведения о составах продуктов осаждения и степени их чистоты недостаточны и противоречивы. Требования, которые предъявляются к соединениям, используемым в медицине: высокая чистота и терапевтическая активность. Таким образом, разработка технологий для получения соединений висмута высокой чистоты является актуальной задачей.

Эти обстоятельства обусловили актуальность настоящей работы, выполненной в соответствии с планами НИР ИХТТМ СО РАН по теме V.37 «Современные проблемы химии материалов, включая наноматериалы», программой Президиума РАН «Фундаментальные науки - медицине», а также Интеграционным проектом СО РАН И-57 «Нанобезопасность: эффекты наночастиц на различных уровнях. Биологическая организация от молекул до организма».

Цель работы состояла в исследовании и разработке способов получения цитрата висмута (III) высокой чистоты с использованием процессов осаждения из растворов минеральных кислот и по реакции взаимодействия в системе твердое - раствор, а также в разработке способа получения лекарственной субстанции висмут-калий-аммоний цитрата.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: • исследование процессов осаждения цитратов висмута (III) из хлорно-, азотно- и солянокислых растворов при добавлении к ним растворов лимонной кислоты или цитрата натрия и определение составов полученных соединений;

• разработка способа получения цитрата висмута (III) повышенной чистоты осаяодением из азотнокислых растворов производства соединений висмута;

• исследование условий взаимодействия твердого тригидрата нитрата оксогидроксовисмута (III) с растворами лимонной кислоты и разработка способа синтеза цитрата висмута в системе твердое - раствор для получения высокочистого продукта;

• исследование условий взаимодействия цитрата висмута (III) с растворами гидроксидов калия и аммония для получения калий-аммоний-висмутового цитрата — лекарственной субстанции для приготовления противоязвенных препаратов.

Научная новизна работы. Установлены составы цитратов висмута - продуктов осаждения из растворов минеральных кислот, и осуществлен их контролируемый синтез. Реализованы реакции взаимодействия твердого высокочистого тригидрата нитрата оксогидроксовисмута [В1605(0Н)з](М0з)5-ЗН20 (ОГНВ) с растворами лимонной кислоты с целью получения высокочистого цитрата висмута, установлены оптимальные условия проведения процесса. Установлены составы калий-аммоний-висмутовых цитратов -продуктов взаимодействия цитрата висмута с растворами гидроксидов калия и аммония. Определены условия получения соединений висмута составов BiC6H507, Bi0C6H70rH20, Bi6(0H)6(C6H507)4-6H20, KBiC6H40rH20, (NH4)BiC6H407-2H20 и (NH4)4[Bi(Cit)(HCit)(H20)2](H20).

Практическая значимость работы. На основании исследований процесса осаждения висмута (III) цитрата из нитратных растворов разработан «Способ получения висмута цитрата», защищенный патентом РФ № 2416571, кл. С Ol G 29/00, который прошел опытно-промышленную проверку на ЗАО «Завод редких металлов» (г. Новосибирск) и рекомендован к внедрению в производство. Получено положительное решение ФГУ ФИПС от 7.06.2013г по заявке на изобретение «Способ получения висмут калий цитрата» (Заявка № 2012105954/2 (009117), приоритет от 17.02.2012 г). Подана заявка в ФГУ ФИПС № 2013130784 на «Способ получения висмут-калий-аммоний цитрата» с приоритетом от 18.07.2013г.

На защиту выносятся:

• результаты исследований процессов осаждения цитратов висмута (III) из растворов минеральных кислот, данные по составу полученных соединений и условия получения среднего цитрата, моногидрата оксоцитрата и гексагидрата гидроксоцитрата висмута (III) осаждением из азотно- и хлорнокислых растворов;

• результаты исследований взаимодействия твердого тригидрата нитрата оксогидроксовисмута (III) с растворами лимонной кислоты, а также с ее трехзамещенной натриевой солью, данные по составу полученных соединений;

• результаты исследований взаимодействия цитрата висмута (III) с водными растворами гидроксидов калия и аммония, данные по составу полученных соединений и условия их получения;

• способы получения среднего цитрата висмута (III) высокой чистоты, цитрата висмута-калия и висмут-калий-аммоний цитрата.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на VIII Всероссийской научно-практической конференции студентов и аспирантов «Химия и химическая технология в XXI веке» (Томск, 2007), Международной конференции по химической технологии (Москва, 2007), Научно-практической конференции с международным участием «Нанотехнологии и наноматериалы для биологии и медицины» (Новосибирск,

2007), Международной конференции по химии и химической технологии (Ереван, 2007), IX Всероссийской научно-практической конференции студентов и аспирантов «Химия и химическая технология в XXI веке» (Томск, 2008), The Third International Forum on Strategie Technologies (Novosibirsk - Tomsk, 2008), VI Международной конференции по высоким технологиям и фундаментальным исследованиям (Санкт-Петербург, 2008), Региональном молодежном научно-техническом форуме «СибХИТ-2008» (Новосибирск,

2008), Седьмой Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург,

2009), X Юбилейной Всероссийской научно-практической конференции студентов и аспирантов «Химия и химическая технология в XXI веке» (Томск, 2009), Региональном молодежном научно-техническом форуме «СибХИТ-2009» (Новосибирск, 2009), Научно-практической конференции «Инновации РАН-2009» (Томск, 2009), Девятой Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2010), VII Международной конференции студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (Томск, 2010), 2nd Annual Russian-Korean Conference «Current Issues of Natural Products Chemistry and Biotechnology», (Novosibirsk, 2010), Одиннадцатой Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2011), The scientific conference «Current topics in organic chemistry» (Novosibirsk, 2011), VIII Международной конференции «Спектроскопия координационных соединений» (Туапсе, 2011), 4-ой Международной конференции РХО им. Д.И. Менделеева «Химическая технология и биотехнология новых материалов и продуктов» (Москва, 2012).

Личный вклад автора. Вся экспериментальная часть работы выполнена лично автором. Эксперименты планировались и их результаты обсуждались совместно с руководителем и соавторами публикаций.

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 3 статьях, 21 тезисе докладов, 1 патенте.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка цитируемой литературы, приложения. Материал работы изложен на 119 страницах, включает 6 таблиц, 40 рисунков, список литературы из 173 наименований, 1 страницу приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается обоснование актуальности диссертационной работы, мотивируется выбор объектов исследования, формулируются основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен обзор литературы по свойствам и применению солей висмута с анионами карбоновых кислот, используемых в медицине. Приведены данные о физико-химических свойствах лимонной кислоты и ее солей. Проведен анализ литературных данных об известных методах получения и применении соединений висмута с лимонной кислотой.

Анализ литературных данных показывает, что процесс получения солей висмута связан с гидролитической переработкой кислых висмутсодержащих растворов, поскольку в водных растворах ионы Bi3+ обладают большой склонностью к гидролизу. Имеющиеся в литературе сведения о составах соединений висмута с цитрат-ионами носят противоречивый характер. Кроме того, известные способы получения цитратов висмута не позволяют получать соединения высокой чистоты.

В заключительной части главы на основании анализа литературных данных определена цель исследования и намечены основные этапы выполнения работы.

Во второй главе приведены характеристики используемых реагентов, описаны условия гидролитического осаждения висмута из растворов минеральных кислот, а также взаимодействия твердого тригидрата нитрата оксогидроксовисмута (III) с растворами лимонной кислоты.

Для идентификации продуктов реакций и выявления фазовых и структурных превращений применяли комплекс физико-химических методов исследований. Рентгенофазовый анализ (РФА) исходных образцов и продуктов реакций проводили на дифрактометре ДРОН-3 и порошковом дифрактометре Bruker с использованием СиКа-излучения. Кривые дифференциально-термического анализа (ДТА) и изменения массы (ТГ) исследуемых образцов снимали на дериватографе фирмы MOM (Венгрия) на воздухе при скорости нагрева 5-10 град/мин. Содержание воды в образцах определяли с помощью прибора синхронного термического анализа STA 449F1 Jupiter (NETZSCH, Германия) в токе гелия. Состав газообразных продуктов термолиза анализировался с помощью квадрупольного масс-спектрометра QMS403C (Aedos, Германия), сопряженного с прибором. Инфракрасные (ИК) спектры поглощения регистрировали на ИК-Фурье спектрофотометре IFS-66 (Bruker AG) в области частот 400-4000 см'1. KP-спектры снимали на FT-Raman спектрометре фирмы «Bruker» марки RFS 100/S с

Nd:YAG лазером (максимальная мощность 5W, длина волны лазера 1.064 мкм). Электронно-микроскопические снимки получали с использованием растрового микроскопа JSMT-20 с разрешающей способностью 200 А и сканирующего электронного микроскопа Hitachi ТМ 1000. Измерение величины рН растворов осуществляли на рН-метре ОР-264/1 (Венгрия) с помощью стеклянного или обновляемого твердого электрода. Для измерения удельной поверхности образцов использовали хроматографический метод, разработанный и усовершенствованный в лаборатории адсорбции Института катализа СО РАН. Концентрацию свободных кислот в висмутсодержащих растворах определяли методом кислотно-основного титрования после предварительного маскирования висмута комплексоном III. Химический анализ синтезируемых соединений и продуктов их превращений проводили с использованием атомно-адсорбционного, фотоколориметрического, титриметрического и других методов.

В третьей главе представлены результаты исследований процессов осаждения цитратов висмута (III) из растворов минеральных кислот и по реакции твердый тригидрат нитрата оксогидроксовисмута (Ш) - раствор лимонной кислоты, определены условия и составы получаемых соединений.

Согласно литературным данным висмут в растворах хлорной и азотной кислот с рН < 1.6 при концентрации висмута в растворе 0.1 моль/л и выше находится в виде гексаядерных комплексов состава Bi604(0H)46+. Проведенные исследования по осаждению цитрата висмута из висмутсодержащих хлорнокислых растворов свидетельствуют (рис. 1), что в отсутствии цитрат-ионов из хлорнокислых растворов висмут не осаждается, а при добавлении к ним растворов лимонной кислоты при температурах процесса 23 и 60 °С и молярном отношении цитрат-ионов к висмуту (п) в диапазоне 0.28-0.7 висмут осаждается в виде рентгеноаморфного цитрата состава Bi6(0H)6(C6IIs07)4-6H20 (I) (рис. 2, дифрактограмма 1). Степень осаждения висмута при п = 0.7 составляет ~96 %. Осадки содержат, %: висмута — 55.70 (вычислено 56.47), цитрат-ионов - 33.57 (вычислено 34.07), углерода - 12.41 (вычислено 12.98), водорода - 1.70 (вычислено 1.73), молярное отношение цитрат-ионов к висмуту в осадке равно 0.67±0.01.

При увеличении концентрации цитрат-ионов в системе степень осаждения висмута возрастает и в области значений п от 1.0 до 2.3 она составляет 99.8-99.9 %. При температуре процесса (23±2) СС висмут осаждается в виде соединения состава ВЮСбН707-Н20 (II), имеющего дифракционные максимумы со значениями d/n 10.26, 5.63, 4.64, 3.92, 3.37, 2.11 А (рис. 2, дифрактограмма 2). Содержание в осадке, %: висмута - 48.38 (вычислено 48.14), цитрат-ионов - 43.82 (вычислено 44.03), углерода - 16.70 (вычислено 16.60), водорода - 1.88 (вычислено 2.09), молярное отношение цитрат-ионов к висмуту в осадке равно 0.98±0.03. В случае проведения процесса при температуре 60 °С в исследованной области п 1.0-2.3 висмут осаждается в виде среднего цитрата висмута состава BiC6H507 (III), имеющего дифракционные максимумы со значениями d/n 9.12, 4.59, 4.04, 3.08, 2.10 А (рис. 2, дифрактограмма 5). Содержание в осадке, %: висмута-

Рис. 1. Зависимость степени осаждения (R) висмута от молярного отношения цитрат-ионов к висмуту (л) в растворах: 1, 2-НСЮ4 (H3Cit); 3, 5-HN03 (Na3Cit); 4 - HN03 (H3Cit); 6 - HCl (Na3Cit) Температура, °C: 23 (2, 5) и 60 (/, 3, 4, 6)

51.62 (вычислено 52.50), цитрат-ионов - 46.24 (вычислено 47.50), углерода - 17.88 (вычислено 18.10), водорода - 1.20 (вычислено 1.27), молярное отношение цитрат-ионов к висмуту в осадке равно 0.99±0.02.

По данным рентгенофазового анализа висмут осаждается из азотнокислых растворов в отсутствии цитрат-ионов в виде основных нитратов составов [Bi604(0H)4](N03)6-4H20 (23 °С) и Bi604(0H)4](N03)6H20 (60 °С). При молярном отношении цитрат-ионов к висмуту, меньшем или равном 0.7, и температурах 23 и 60 °С висмут осаждается в виде соединения I. При температуре процесса 23 °С при п равном 1.0-2.5 осадок представляет собой моногидрат оксоцитрата висмута (II), а при температуре 60 °С - цитрат висмута (III). Установлено, что степень осаждения висмута с ростом температуры возрастает (рис. 1, кривые 3 и 5). Последнее обусловлено тем, что комплексообразование висмута с нитрат-ионами протекает в основном по экзотермическим реакциям. Вследствие этого с ростом температуры уменьшается комплексообразование висмута с нитрат-ионами и, соответственно, повышается его извлечение в осадок в виде цитрата. При использовании вместо лимонной кислоты цитрата натрия (рис. 1, кривые 3 и 4) степень осаждения висмута повышается, что обусловлено снижением концентрации ионов водорода в растворе. Следует отметить, что в случае использования цитрата натрия при п > 1.1 цитрат висмута начинает

Рис. 2. Дифрактограммы образцов цитратов висмута: /-BiC6H507;

2-ВЮСбН707Н20;

3-Bi6(0H)6(C6H507)-6H20

осаждаться как при комнатной, так и при повышенной температуре, в виде натриевой соли.

Из растворов хлороводородной кислоты при использовании трехзамещенного цитрата натрия при п от 0.3 до 1.2 висмут осаждается в виде оксохлорида состава ВЮС1, что подтверждается данными РФ А. При увеличении п выше 2.3 образуется натриевая соль цитрата висмута.

Об особенностях строения цитратов висмута судили на основании анализа спектров поглощения ИК и КР. Отнесение характеристических полос в спектрах проводили путем сравнения со спектрами лимонной кислоты и цитратов других металлов. В спектрах цитратов висмута наблюдается появление полос асимметричных га5(СОО") валентных колебаний карбоксилатных группировок при 1592 и 1516 см-1 (ИК) (III), 1579 и 1516 см"' (КР) (III); 1675, 1642 и 1533 см"1 (ИК) (II), 1680, 1638 и 1532 см"1 (КР) (II); 1558 см"1 (ИК) (I) и 1559 см"1 (КР) (I) и симметричных у5(СОО") колебаний карбоксилатных группировок при 1424 см"1 (ИК, КР) (II, III), 1391 см"1 (ИК) (I) и 1402 см"' (КР) (I), а также исчезновение полос валентных колебаний карбонильной группы \'(С=0) при 1739 см"1 (ИК, КР), имеющихся в спектрах исходной лимонной кислоты, что соответствует превращению карбоксильных групп в анионную форму. Разница между симметричными и асимметричными валентными колебаниями Д(\'аз—у3)СОО" в спектрах соединений I и III не превышает 170 см"1, что указывает на преимущественно бидентатную координацию цитратного аниона, тогда как в спектре соединения II ее максимальное значение достигает 250 см'1, что свидетельствует о том, что некоторые карбоксильные группы лимонной кислоты свободны или координированы к висмуту по монодентатному типу. В спектре соединения III валентные колебания у(0н) свободной гидроксильной группы лимонной кислоты проявляются в виде узкой сильной полосы при 3452 см"1 в ИК-спектре и очень слабой (3455 см"1) в КР-спектре. Колебаний, которые можно отнести к колебаниям молекул воды, не наблюдается. В цитратах I и II в области ниже 3500 см"1 присутствуют широкие полосы поглощения, которые экранируют \'(ОН) (свободной гидроксильной группы) и относятся к валентным колебаниям молекул связанной воды. Кроме того, наличие широкого поглощения в области 2700-2200 см"1 в ИК-спектре соединения II обусловлено, по всей видимости, наличием межмолекулярных водородных связей.

Электронно-микроскопические исследования свидетельствуют, что средний цитрат висмута представляет собой агрегаты размером до 10 мкм, состоящие из мелких кристаллов размером порядка 0.1 мкм. Образцы моногидрата оксоцитрата висмута представляют собой удлиненные призматические кристаллы длиной до 15 мкм, а в поперечном сечении от 0.5 до 3 мкм. Гексагидрат гидроксоцитрата висмута представляет собой агрегаты размером до 5 мкм, состоящие из мелких аморфных частиц размером от 0.1 до 0.5 мкм и отдельных частиц данного размера.

Данные ДТА и термогравиметрического (ТГ, ДТГ) анализа свидетельствуют о том, что средний цитрат висмута BiC6H507 устойчив до 200 °С, после чего начинается разложение цитрат-иона (экзотермические эффекты при 330 и 400 °С, сопровождающиеся потерей массы) с последующим образованием оксида висмута. Эндотермические эффекты при 730 и 820 °С соответствуют полиморфному превращению моноклинной а-модификации Bi203 в кубическую гранецентрированную высокотемпературную модификацию S-Bi203, которая устойчива до температуры плавления оксида 824 °С (эндоэффект в области 810-850 °С). Рассчитанные значения потери массы (41.47 %), связанные с разложением BiC6H507 до Bi203, согласуются с найденными значениями 41.2 %. Процесс разложения соединения II начинается с удаления одной молекулы воды (эндоэффекты при 125 и 180 °С, потеря массы - 4.2 %). С повышением температуры имеет место удаление второй молекулы воды (эндоэффект при 225 °С), с образованием цитрата висмута состава BiC6H507 (соединение III), о чем свидетельствуют рентгенографические данные. Экзоэффекты при 300 и 375 °С соответствуют разрушению цитрат-иона с образованием оксида висмута. Рассчитанные значения потери массы составляют 46.33 %, найденные - 45.9 %. Удаление молекул воды из соединения I происходит в одну стадию при температуре 125 °С и сопровождается потерей массы, равной 4.4 %, что соответствует шести молекулам воды. Рассчитанные потери массы для данного соединения составляют 37.03 %, найденные - 36.5 %. Нагревание образцов во всех трех случаях завершается образованием оксида висмута, что позволяет обосновать возможность получения Bi203 термическим разложением его цитратов.

С целью получения цитрата висмута повышенной чистоты для медицины и микробиологии, а также увеличения степени извлечения лимонной кислоты в конечный продукт нами предложен способ получения цитрата висмута (III) осаждением его из нитратных растворов при недостатке лимонной кислоты (п равном 0.90-0.99). Для сравнения чистоты получаемого продукта в таблице 1 приведены результаты гидролитической переработки технического оксида висмута различными способами с получением цитрата.

Таблица 1

Гидролитическая переработка технического оксида висмута (/) с получением цитрата {2-4) осаждением из висмутсодержащих нитратных растворов при п = 1.1 (2) и 0.98 (3), а также в результате взаимодействия по реакции ОГНВ - раствор лимонной кислоты (4)

Состав образца Содержание примесей, %

РЬ Си Ag Fe Zn Cd

(Л 1.35 5.2- 10'J 0.14 6.3-10"' 5.8-10"4 8.6-10"4

(2) 8.0-10"3 1.0-10Ч 3.0-10"4 6.0-10"4 1.0-10"4 1.2-10"4

(3) 6.0- 10J 1.2-10"5 1.0-10"4 1.0- Ю-4 3.6-10"5 5.2-Ю-5

(4) 5.0-Ю"5 2.0-10"6 2.0-10 1.0-10"4 3.0-10"5 5.0100

В разработанном способе лимонная кислота извлекается в продукт не менее чем на 99 %, а висмут может быть полностью осажден (не менее 99.9 %) из маточного раствора при нейтрализации раствора до pH 3 карбонатом аммония и направлен в голову процесса на стадию получения раствора азотнокислого висмута.

Наиболее перспективным для получения цитрата висмута высокой чистоты является синтез по реакции твердое - раствор, где в качестве исходного твердого компонента используется высокочистый тригидрат нитрата оксогидроксовисмута (III) (ОГНВ), при осаждении которого из азотнокислых растворов достигается более высокая, по сравнению с традиционной технологией, степень очистки висмута от сопутствующих металлов (табл. 1).

Проведенные исследования по получению цитрата висмута (III) с использованием реакции твердый ОГНВ — раствор лимонной кислоты свидетельствуют (рис. 3), что без дополнительного введения азотной кислоты в систему процесс обмена идет медленно и даже при повышении температуры процесса до 70 °С выход цитрата висмута через 4 ч после начала реакции не превышает 50 %. При добавлении различных количеств кислоты в систему при комнатной температуре процесс обмена быстрее всего происходит при равновесном значении pH 0.5-0.6, что соответствует добавлению 0.5 молей азотной кислоты. Цитрат висмута состава BiC6H507 образуется через 1 ч после начала реакции. Повышение температуры процесса в этих условиях приводит к резкому увеличению скорости обмена и при 70 °С цитрат висмута

образуется уже через 15 мин. Остаточное содержание висмута (III) в растворе составляет ~5 г/л. Данные РФА, ИК, ДТА и химического анализа позволяют

проследить постепенный переход исходного ОГНВ в цитрат висмута.

Электронно-микроскопические снимки свидетельствуют, что исходный ОГНВ представляет собой удлиненные

плоскопризматические кристаллы с размерами

5,6

Рис. 3. Зависимость отношения концентраций цитрат-ионов к висмуту(Ш) п (моль/моль) в осадке от времени т (мин). Температура (°С): 23 (/, 5, 4), 50 (5), 70 (2, 6). Концентрация азотной кислоты (М): 0 (Л 2), 0.25 (3), 0.5 (4, 5, 6)

в базисной плоскости 10-30 мкм и толщиной порядка 1-3 мкм. В случае его обработки раствором лимонной кислоты при температурах 23 и 70 °С образуется цитрат висмута, представляющий собой сростки пластинчатых кристаллов размером 10-20 мкм. Пластинчатые кристаллы цитрата висмута, полученного при температуре 23 °С, имеют размер порядка 0.5 мкм и толщину 0.1 мкм, а при температуре 70 °С - 1 и 0.2 мкм соответственно.

В четвертой главе изложены результаты исследований взаимодействия цитрата висмута состава В1С6Н507 (навеска 10 г) с водными растворами гидроксидов калия и аммония (объем раствора - 100 мл).

Проведенные исследования при температурах (23±2) и (70±1) °С свидетельствуют (рис. 4), что с ростом концентрации гидроксида калия зависимость Св, - СКон проходит через максимум. Концентрация висмута в растворе достигает значения 61.0 г/л при концентрации КОН 0.6 моль/л. Дальнейшее увеличение концентрации гидроксида калия в растворе приводит к резкому снижению содержания ионов висмута в растворе. Согласно данным рентгенофазового анализа, с увеличением концентрации гидроксида калия и, соответственно, с ростом концентрации ионов висмута в растворе интенсивности дифракционных максимумов со значениями сЧп 9.27, 5.62, и 4.05 А, характерными для соединения В1С6Н507, снижаются. Их положение практически не изменяется, а на дифрактограммах при СКон > 0.1 моль/л и Т = (23+2) °С появляется дополнительный максимум цитрата висмута-калия со значением с1/п 8.50 А, интенсивность которого с с ростом концентрации раст-

в1>

г/л 60-

-■- 1 —а—2

вора гидроксида калия увеличивается. При Скон = 0.1-0.25 моль/л на дифрактограммах продуктов реакций присутствуют интенсивности, соответствующие смеси цитрата висмута и цитрата висмута-калия. При увеличении концентрации раствора гидроксида калия более 0.25 моль/л продукт содержит (в %): К — 7.37, В1 - 41.99, СЛ3" (цитрат-ионы) - 35.0, Н20 - 4.0. Молярное отношение

50-

40-

30-

20-

10-

0-К-0,0

■

0,5

1,0

2,0

кон'

Рис. 4. Зависимость концентрации висмута в растворе от исходной концентрации гидроксида калия. Температура (°С): 1 - 23, 2 - 70

цитрат-ионы : висмут : калий : вода в продукте равно 1:1:1:1, что соответствует составу КЕНСбНЦС^-НгО. Увеличение концентрации раствора гидроксида калия > 0.7 моль/л приводит к снижению содержания висмута в растворе и аморфизации образовавшегося продукта. При этом молярное отношение цитрат-ионов к висмуту в продукте реакции снижается и при концентрации раствора гидроксида калия, равной 0.75 моль/л при температуре процесса 70 °С, составляет 0.5. При дальнейшем увеличении концентрации КОН > 1 .Омоль/л имеет место образование оксида висмута (III). Повышение температуры до 70 °С способствует тому, что образование оксида висмута наблюдается при более низких значениях концентраций гидроксида калия (> 1.0 моль/л).

Проведенные исследования свидетельствуют, что в ИК-спектре цитрата висмута-калия (см. рис. 5, кривая 1) по сравнению со спектром лимонной кислоты (рис. 5, кривая 3) исчезают характеристические полосы карбонильного поглощения (1745, 1708 и 1429 см"'), и вместо них появляются полосы валентных асимметричных и симметричных колебаний групп С00"(1607 и 1439, 1379 см"1), что свидетельствует о депротонировании карбоксильных групп лимонной кислоты. Разница между значениями волновых чисел симметричных (1439, 1379 см"1) и асимметричных (1607 см"1) валентных колебаний A(Vas—vs)COO~ достигает -225 см4, что, вероятно, обусловлено тем, что карбоксилатные группы цитратного остатка координированы к висмуту преимущественно по монодентатному типу. В области 3500-3200 см"1 обнаруживается широкая полоса поглощения с несколькими максимумами, которую можно отнести к валентным колебаниям О-Н-групп молекул воды. Широкий диапазон перекрывания полос в этой области свидетельствует об образовании большого количества водородных связей различного типа. Отсутствие интенсивной узкой полосы поглощения в области 3450 см"1 (v(OH)CBo6 ), наблюдаемой в ИК-спектре цитрата висмута (см. рис. 5, кривая 2), позволяет сделать предположение об участии свободной гидроксильной группы цитратного остатка в координации с висмутом, тогда как в цитрате висмута связь с висмутом осуществляется через атомы карбоксильных групп, а

гидроксильная группа цитратного остатка не депротонируется.

3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

и, см1

Рис.5. ИК-спектры KBiC6H407H20 (i), BiC6H507 (2), С6Н807Н20 (.3)

im, % Из данных термического

. nfl 340

iuuh— —-i.;...................i....................анализа следует, что характер

кривой ТГ цитрата висмута-калия (рис. 6) может быть обусловлен удалением одной молекулы воды (эндотермический эффект при 135 °С) с последующим разрушением соединения с двумя экзоэффектами на кривой ДТА при 278 и 288 °С, связанными, по данным масс-спектрометрии, с выделением воды и С02 в результате разложения цитрат-ионов. Выделение кристаллизационной воды из полученных образцов происходит в широком диапазоне температур (50-180 °С). Разрушение цитрат-ионов в окислительной атмосфере начинается примерно с 220 °С. Потеря массы на первой стадии разложения, связанной с удалением воды (эндоэффект при 135 °С) составляет 4.6 %, что соответствует исходному составу KBiC6H407-1.15Н20. Превышение содержания воды в соединении в данном случае более 1.0 (одной молекуле Н20 в формуле соединения соответствует 4.0 % по массе) обусловлено, на наш взгляд, наличием адсорбционной воды.

Показано, что цитрат висмута-калия состава КВ1СбН407-Н20 может быть получен в результате взаимодействия цитрата висмута с водными растворами гидроксида калия.

Так, при обработке 100 г (0.251 моль) цитрата висмута 90 мл раствора гидроксида калия с концентрацией 2.8 моль/л при перемешивании в течение 30 мин и температуре процесса 23 °С с последующей сушкой полученного пастообразного продукта при (70±10) °С образуется KBiC^C^RjO. В данном случае молярное отношение висмут : калий, а также весовое отношение раствор гидроксида калия : цитрат висмута в системе равны 1.0. Степень извлечения висмута в продукт составляет не менее 99.9 %.

300 350 Т,°С

Рис. 6. Кривые термического анализа образца цитрата висмута-калия: ТГ (/), ДТА (2). Регистрируемые массы: 18, Н20 (3); 44, С02 (4)

Рис. 7. Микрофотографии образцов исходного цитрата висмута (а) и моногидратов цитрата висмута-калия (б—г):

полученных в результате обработки цитрата висмута раствором гидроксида калия (б), кристаллизации его из висмутсодержащего раствора (в) и после прокаливания продукта (в) при 200 °С в течение 3 ч (г)

Из электронно-микроскопических снимков (рис. 7, а) следует, что исходный цитрат висмута представляет собой агрегаты размером 10-50 мкм. состоящие из мелких кристаллов размером порядка 1-3 мкм. Образцы моногидрата цитрата висмута-калия, полученные в результате обработки водным раствором гидроксида калия цитрата висмута при молярном и весовом их отношении, равном 1.0, представляют собой агрегаты размером 3-30 мкм из пластинчатых кристаллов (рис. 7, б), а удельная поверхность продукта составляет 1.42 м2/г. В случае кристаллизации из раствора с концентрацией висмута 55 г/л в результате его упаривания цитрат висмута-калия представляет собой пластинчатые кристаллы квадратной формы с размером от 5x5 до 15x15 мкм и толщиной порядка 0.1-0.2 мкм (рис. 7, в), а удельная поверхность продукта равна 0.84 м2/г. Следует отметить, что в случае удаления воды из цитрата висмута-калия прокаливанием его при 200 °С в течение 3 ч с последующим охлаждением и выдержкой на воздухе в течение 10 дней морфология продукта сохраняется (рис. 7, г). Проведенные исследования взаимодействия цитрата висмута (III) с растворами гидроксида аммония при температурах (23±2) и (50±1) °С показали (рис. 8), что с увеличением концентрации аммиака до 2.4 моль/л концентрация висмута в растворе возрастает до значений 213 и 260 г/л соответственно. При дальнейшем увеличении концентрации раствора гидроксида аммония до 3-6 моль/л происходит уменьшение концентрации ионов висмута в растворе до 100-120 г/л и последующее постепенное их возрастание до максимального значения 360 г/л соответственно при исходной концентрации раствора гидроксида аммония 14 моль/л.

Согласно данным рентгенофазового анализа на восходящем участке зависимости Св—Cnh40h до максимума имеет место образование дигидрата цитрата висмута-аммония

состава (NH4)BiC6H40r2H20. По данным химического анализа соединение содержит, %: Bi - 45.87, Cit3" - 39.16, N - 3.05, Н20 - 1.66, мольное отношение Bi3+:Cit3":N равно 1:1:1.

В ИК-спектре полученного соединения (NH4)BiC6H407-2H20 регистрируются характеристические полосы поглощения валентных vN_H (3417 см"1) и деформационных 5N_H (1534 см"1) колебаний, широкие полосы поглощения Vo-н (воды) (3198, 3077 см"1). Узкие полосы, относящиеся к валентным асимметричным vas (1611, 1567 см"1) и симметричным vs(1400 см"1) колебаниям карбоксильных групп, смещены по сравнению со спектром лимонной кислоты в более низкочастотную область, что свидетельствует об их депротонировании и связывании. В области 3600-3400 см"1 отсутствует характеристическая полоса поглощения свободной гидроксильной группы лимонной кислоты, что обусловлено ее участием в координации.

Из данных термического анализа образцов (NH4)BiC6H407-2H20 на воздухе следует, что потеря массы на первой стадии разложения (эндоэффект при 135 °С) составляет 7.5 %, что соответствует удалению двух молекул воды. Далее происходит разрушение соединения, сопровождающееся экзоэффектами на кривой ДТА (300, 335 и 350 °С), которое заканчивается образованием a-Bi2C>3. При разложении в вакууме удаление двух молекул воды происходит в одну ступень, процесс разложения в данном случае завершается образованием металлического висмута. По данным электронно-микроскопических исследований цитрат висмута-аммония состава (NH4)BiC6H407'2H20 представляет собой короткопризматические кристаллы размерами от 2x2 до 5x5 мкм и длиной 5—15 мкм.

В результате упаривания при 50 °С растворов, полученных при обработке цитрата висмута растворами гидроксвда аммония с концентрацией 9 моль/л, получено соединение, содержащее, %: Bi - 35.09, Cit3" - 40.4, N - 5.56, мольное отношение Bi3+ : Cit3" : N равно 1 : 1.28 : 2.36. Соединение с подобным составом описано в литературе, ему приписывается формула (NH4)4[Bi(Cit)(HCit)(H20)2](H20).

10 12 14

cnh<oh' моль/л

Рис. 8. Зависимость концентрации висмута в растворе от исходной концентрации гидроксида аммония Температура (°С): / - 23, 2 - 50

В результате проведенных исследований показана целесообразность получения субстанции висмут-калий-аммоний цитрата состава

[В16(ОН)6(СбН507)4]-3.6КзС6Н507-0.8(КН4)зС6Н507 для производства отечественного противоязвенного лекарственного средства. Способ включает очистку висмута от сопутствующих металлов в результате его осаждения в виде оксогидроксонитрата состава [В^С^ОН^ОЧОз^-НгО с последующим переводом его в цитрат состава В1С6Н507 по реакции взаимодействия с растворами лимонной кислоты, растворением полученного цитрата в водном растворе гидроксида калия в присутствии гидроксида аммония с последующей кристаллизацией продукта упариванием при (65±5) °С или распылительной сушкой при 230 °С. Электронные микрофотографии полученных продуктов приведены на рис. 9, технологическая схема производства висмут-калий-аммоний-цитрата - на рис. 10. Выход висмута в конечный продукт составляет 96.0 %.

10 мкм

Рис. 9. Электронно-микроскопические снимки висмут-калий-аммоний цитрата, полученного из раствора: кристаллизацией (а) и распылительной сушкой (б)

ЕЛ мет В|203(10 %), 02

Рис. 10. Технологическая схема производства висмуг-калий-аммоний-цитрата

выводы

1. Показано, что висмут осаждается из хлорно- и азотнокислых растворов при добавлении к ним растворов лимонной кислоты или цитрата натрия при температурах (23±2) и (60±1) °С и отношении цитрат-ионов к висмуту, меньших или равных 0.7, в виде рентгеноаморфного продукта состава Bi6(0H)6(C6H507)4-6H20. При температуре процесса (23±2) °С и молярном отношении цитрат-ионов к висмуту(Ш) в растворе не менее 1.0 он осаждается в виде соединения состава ВЮС6Н707-Н20, при температуре (60±1) °С осаждаемое соединение имеет состав BiC6H507.

2. Разработан способ синтеза среднего цитрата висмута (III) состава BiC6H507 повышенной чистоты, используемого в медицине и микробиологии, осаждением из висмутсодержащих нитратных растворов добавлением раствора лимонной кислоты при молярном соотношении цитрат-ионов к висмуту в растворе 0.90-0.99 и температуре процесса (60±1) °С. Степень извлечения лимонной кислоты в конечный продукт составляет не менее 99 %.

3. Установлено, что цитрат висмута высокой чистоты состава BiC6H507 целесообразно получать в результате обработки твердого тригидрата нитрата оксогидроксовисмута (III) водным раствором лимонной кислоты при молярном отношении цитрат-ионов к висмуту 1.0-1.1 в области значений pH 0.5-0.7 и температуре процесса (60±1) °С.

4. Показано, что при обработке цитрата висмута (III) состава BiC6H507 водным раствором гидроксида калия могут быть получены растворы с концентрацией висмута 61 г/л. Установлено, что моногидрат цитрата висмута-калия состава КВ1СбН407Н20 может быть получен как в результате упаривания данных висмут-калий-цитратсодержащих растворов, так и при обработке цитрата висмута (III) водным раствором гидроксида калия при молярном и весовом их отношении, равном 1.0.

5. Установлено, что в результате обработки цитрата висмута концентрированными растворами гидроксида аммония могут быть получены растворы, содержащие 360 г/л висмута. Показано, что при молярном отношении гидроксида аммония к висмуту 1.6-2.0 и температурах 23 и 50 °С образуется соединение состава (NH4)BiC6H407-2H20, а в результате упаривания при 50 °С растворов, полученных при обработке цитрата висмута растворами гидроксида аммония с концентрацией 9 моль/л, - аммоний-висмутовый цитрат состава (NH4)4[Bi(Cit)(HCit)(H20)2](H20). Степень извлечения висмута в продукт составляет при этом не менее 99.9 %.

6. Показана целесообразность получения лекарственной субстанции висмут-калий-аммоний цитрата для противоязвенного лекарственного средства типа «Де-Нол» (Нидерланды) состава [Bi6(OH)6(C6H507)4]-3.6K3C6H507 0.8(NH4)jC6[[s07 путем получения цитрата висмута высокой чистоты по реакции взаимодействия тригидрата нитрата оксогидроксовисмута с растворами лимонной кислоты, растворением

полученного цитрата в водном растворе гидроксида калия в присутствии гидроксида аммония с последующей кристаллизацией продукта упариванием или распылительной сушкой.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ ОТРАЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ:

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Афонина Л.И., Найденко Е.С., Юхин Ю.М., Данилова Л.Е. Синтез высокочистого цитрата висмута с использованием реакции твердое - раствор // Химия в интересах устойчивого развития. - 2009. - Т. 17, № 3, С. 243-249.

2. Найденко Е.С., Юхин Ю.М., Афонина Л.И. Получение цитратов висмута (III) осаждением из растворов минеральных кислот // Химия в интересах устойчивого развития. - 2012. - Т. 20, № 2, С. 227-234.

3. Найденко Е.С., Юхин Ю.М., Афонина Л.И., Герасимов К.Б. Получение цитрата висмута-калия // Химия в интересах устойчивого развития. - 2012. - Т. 20, № 5, С. 575-580.

Патент

Патент № 2416571 Российская Федерация, МПК С 01 G 29/00, С 22 В 30/06, С 22 В 3/44. Способ получения висмута цитрата /Ю.М. Юхин, Е.С. Найденко, Л.И. Афонина; заявитель и патентообладатель Ин-т химии тверд, тела и механохимии СО РАН. -№ 2010105469/02; заявл. 15.02.10; опубл. 20.04.11, Бюлл. № 11.

Тезисы докладов

1. Найденко Е.С. Синтез цитрата висмута для медицины/VIII Всероссийская научно-практическая конференция студентов и аспирантов «Химия и химическая технология в XXI веке», Томск. - 2007. - С. 62.

2. Логутенко O.A., Афонина Л.И., Новокрещенова М.Н., Найденко Е.С., Юхин Ю.М.. Синтез соединений висмута высокой чистоты с использованием реакций твёрдое -раствор/Международная конференция по химической технологии, 18-22 июня, 2007, Москва. - 2007. - С. 201-202.

3. Удалова Т.А., Логутенко O.A., Тимакова Е.В., Афонина Л.И., Найденко Е.С., Юхин Ю.М. Соединения висмута для медицины/Международная конференция по химической технологии, 18-22 июня, 2007, Москва. — 2007. - С. 251—252.

4. Найденко Е.С., Афонина Л.И., Юхин Ю.М.. Синтез цитрата висмута с высокой реакционной способностью/ Научно-практич. конференция с международным участием «Нанотехнологии и наноматериалы для биологии и медицины», 11-12 октября, 2007 г., Новосибирск. - 2007. - С. 109.

5. Даминова Т.В., Афонина Л.И., Найденко Е.С., Юхин Ю.М.. Комплексная переработка висмутсодержащего сырья/Международная конференция по химии и химической технологии, 22-25 октября, 2007, Ереван. - 2007. - С. 135-137.

6. Найденко Е.С.. Растворение цитрата висмута в щелочных реагентах/IX Всероссийская научно-практическая конференция студентов и аспирантов «Химия и химическая технология в XXI веке», Томск. - 2008. - С. 56-57.

7. Afonina L.I., Naydenko E.S., Aparnev A.I., Yukhin Yu.M. Synthesis of bismuth citrate for medicine/The Third International Forum on Strategic Technologies (Novosibirsk -Tomsk, Russia, June 23-29,2008). - Novosibirsk. - Russia. - 2008. - C. 25-26.

8. Юхин Ю.М., Даминова T.B., Бохонов Б.Б., Логугенко O.A., Тимакова Е.В., Найденко Е.С. Новые технологии висмута и его соединений для медицины/Vi Международная конференция по высоким технологиям и фундаментальным исследованиям (Санкт-Петербург, 16-18 октября 2008г) - Санкт-Петербург. - 2008. -С. 309-310.

9. Найденко Е.С. Синтез цитратов висмута и висмута-калия/Региональный молодежный научно-технический форум «СибХИТ-2008». - Новосибирск. - 2008. -С. 11-13.

10. Udalova Т.А., Logutenko O.A., Timakova E.V., Afonina L.I., Naydenko E.S., Yukhin Yu.M. Bismuth compounds in medicine/The Third International Forum on Strategie Technologies (Novosibirsk - Tomsk, Russia, June 23-29, 2008). - Novosibirsk. - Russia. -

2008.-C. 137-140.

11. Найденко E.C., Афонина JI.И., Юхин Ю.М. Получение цитратов висмута для медицины/Седьмая Международная научно-практическая конференция «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности». — Санкт-Петербург. —

2009.-С. 31-32.

12. Найденко Е.С. Синтез и термические превращения цитратов висмута/Х Юбилейная Всероссийская научно-практическая конференция студентов и аспирантов «Химия и химическая технология в XXI веке», Томск. - 2009. - С. 45^16.

13. Найденко Е.С. Получение цитратов висмута осаждением из растворов и по реакции твердое - раствор/Региональный молодежный научно-технический форум «СибХИТ-2009». - Новосибирск. - 2009. - С. 29-30.

14. Юхин Ю.М., Бохонов Б.Б., Даминова Т.В., Логутенко O.A., Тимакова Е.В., Найденко Е.С., Удалова Т.А., Афонина Л.И. Импортзаменяющие лекарственные препараты на основе наноразмерных частиц висмута и его соединений/Научно-практическая конференция «Инновации РАН-2009». - Томск. - 2009. - С. 440-444.

15. Найденко Е.С., Афонина Л.И., Юхин Ю.М. Осаждение цитратов висмута (III) из растворов минеральных кислот/Девятая Международная научно-практическая конференция «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности». - Санкт-Петербург. - 2010. - С. 333-337.

16. Найденко Е.С. Взаимодействие твердого нитрата висмута с растворами лимонной кислоты/ VII Международная конференция студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук». Томск.— 2010.-С. 344.

17. Yukhin Yu.M., Logutenko О.A., Timakova E.V., Naydenko E.S., Afonina L.I., Udalova T.A.. Bismuth compounds for medicine based on natural products. 2nd Annual Russian-Korean Conference «Current Issues of Natural Products Chemistry and Biotechnology» Novosibirsk, Russia, March 15-18,2010, p. 156.

18. Найденко E.C., Юхин Ю.М., Афонина Л.И. Взаимодействие цитрата висмута (III) с растворами гидроксида аммония/Одиннадцатая Международная научно-практическая конференция «Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности». - Санкт-Петербург. - 2011. -С. 156-157.

19. Naydenko E.S., Yukhin Yu., Logutenko О., Mishchenko К., Udalova Т., Afonina L. Bismuth compounds containings organic ligands for medicine / The scientific conference «Current topics in organic chemistry». - Novosibirsk. - 2011. — P. 72.

20. Юхин Ю.М., Логутенко O.A., Тимакова E.B., Найденко Е.С., Афонина Л.И., Мищенко К.В. Исследование состава комплексных соединений карбоксилатов висмута (III) методом ИК-спектроскопии/ VIII Международная конференция «Спектроскопия координационных соединений». - Туапсе, 19-23 сентября, 2011. -С. 35-37.

21. Найденко Е.С., Юхин Ю.М. Получение цитратов висмута осаждением из растворов и по реакциям твердое — раствор/ 4-я Международная конференция РХО им. Д.И. Менделеева «Химическая технология и биотехнология новых материалов и продуктов». - Москва. - 2012. - С. 258-259.

Подписано в печать 08.10.2013 г. Печать цифровая. Бумага офсетная. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 2 Тираж 100 экз. Заказ № 178.

Отпечатано в типографии «Срочная полиграфия» ИП Малыгин Алексей Михайлович 630090, Новосибирск, пр-т Академика Лаврентьева, 6/1, оф. 104 Тел. (383)217-43-46, 8-913-922-19-07

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии твердого тела и механохимии

04201364243

НАЙДЕНКО ЕКАТЕРИНА СЕРГЕЕВНА

ПРОЦЕССЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЦИТРАТОВ ВИСМУТА (III) ОСАЖДЕНИЕМ ИЗ РАСТВОРОВ И ПО РЕАКЦИИ ТВЕРДОЕ - РАСТВОР

05.17.01 - технология неорганических веществ

диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук

На правах рукописи

Научный руководитель:

доктор химических наук, профессор

Ю.М. Юхин

Красноярск -2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение,.......................................................................... ..3

Глава 1. Анализ литературных данных по синтезу, свойствам и применению в медицине некоторых соединений висмута............... 7

1.1. Соединения висмута, применяемые в медицине

1.2. Лимонная кислота и ее свойства...............................................16

1.3. Соединения висмута с лимонной кислотой и методы их получения...21

1.4. Состояние ионов висмута в водных растворах кислот, комплексообра-зование висмута в растворах......................................................32

1.5. Цели и основные задачи исследования....................................38

Глава 2. Исходные вещества и методы исследования.....................41

Глава 3. Исследование условий получения и определение составов

цитратов висмута (III).......................................................45

3.1. Осаждение цитратов висмута (III) из растворов минеральных кислот —

3.2. Получение среднего цитрата висмута повышенной чистоты осаждением из нитратных растворов..........................................................,58

3.3. Получение среднего цитрата висмута по реакции взаимодействия твердый тригидрат нитрата оксогидроксовисмута (III) - раствор лимонной кислоты....,., .................................................,..,,...,......,.....,.,.....,,.66

Глава 4. Взаимодействие среднего цитрата висмута с растворами щелочных реагентов..,........................................................76

4.1. Взаимодействие цитрата висмута с растворами гидроксида калия ,. ,—

4.2. Взаимодействие цитрата висмута с растворами гидроксида аммония 84

4.3. Получение висмут-калий-аммоний цитрата......,...,..,.,,...,,....,.... .90

Выводы........................................................................... 101

Литература....................................................................... 103

Приложение........................................................................................................................120

ВВЕДЕНИЕ

Соединения висмута обладают многофункциональными свойствами, что определяет их широкое применение в медицине, металлургии, химической, электротехнической промышленности и других областях [1,2].

Висмут - редкий металл, содержание его в земной коре составляет 2-10"5 % по массе. Ежегодное мировое потребление висмута - около 7 тыс. т., в том числе до 45 % производимого висмута расходуется на нужды фармацевтической промышленности.

Большая группа соединений висмута используется в медицине в качестве обеззараживающих и подсушивающих средств, например, основной галлат (Дерматол) и основной трибромфенолят висмута с оксидом висмута (Ксероформ). Последний входит как основной компонент в состав мази Вишневского, используемой в хирургической практике для заживления ран. Широкое применение в качестве лекарственных и антисептических средств получили и такие органические соединения висмута, как: основной салицилат (Десмол), бензоат (Бисмутил), висмута трикалия дицитрат или коллоидный висмутовый субцитрат (Де-Нол), ранитидин висмута цитрат (Пилорид), тартрат (Бисмоверол). Среди них особое место в последнее время занимают цитрат и салицилат висмута, являющиеся основными компонентами лекарственных препаратов для лечения язвенных болезней желудка и двенадцатиперстной кишки (Де-Нол, Трибимол, Десмол, Телен, Пилорид и др.). Преимуществами препаратов на основе цитрата висмута (Де-Нол, фирма «Яманучи Юроп», Нидерланды) по сравнению с отечественными препаратами, содержащими основной нитрат висмута (Викалин, Викаир), являются хорошая растворимость в воде, более высокая санирующая способность, большая однородность со слизью, а также более прочная и длительная фиксация препарата на слизистой оболочке желудка за счет «пористости» гранул Де-Нола [3].

Возрастающее значение приобретает разработка отечественного противоязвенного лекарственного препарата на основе висмута трикалия дицитрата, которое в соответствии с Распоряжением Правительства РФ от 30 декабря

2009г № 2135-р включено в Перечень жизненно необходимых и важнейших лекарственных средств.

Основной промышленный способ получения соединений висмута, как с органическими, так и с неорганическими анионами - гидролитическое осаждение [4, 5, 6]. Для исследования составов осаждаемых соединений висмута целесообразно использовать хлорнокислые растворы, в которых висмут не образует комплексов с перхлорат-ионами. При разбавлении водой таких растворов, в отличие от растворов солей висмута в других минеральных кислотах (серной, азотной, хлороводородной), не происходит образования осадков смешанных гидроксокомплексов висмута, содержащих анионы минеральных кислот. С практической точки зрения интерес представляют азотнокислые растворы (вследствие хорошей растворимости висмута в азотной кислоте), обычно используемые в промышленности при получении соединений висмута, а также солянокислые растворы, используемые в гидрометаллургии висмута [7, 8]. В связи с этим становится целесообразным исследование процессов осаждения цитратов висмута (III) из растворов минеральных кислот при добавлении к ним растворов лимонной кислоты или цитрата натрия.

Обычно осаждение висмута из растворов ведут добавлением щелочных реагентов или соответствующих растворов органических соединений при строгом соблюдении значений pH среды и температуры. При этом требуется дополнительный расход щелочного реагента для нейтрализации кислоты, выделяющейся при гидролизе висмута, и не всегда удается получить продукт высокой чистоты, поскольку происходит соосаждение с висмутом примесных металлов (Pb, Zn, Си, Ag и др.). Реже используют гетерогенные химические реакции обмена с участием твердых основного нитрата или карбоната висмута и соответствующих органических соединений [9].

Требования, которые предъявляются к соединениям, используемым в медицине, - это, в первую очередь, высокая чистота, а также высокая терапевтическая активность. Таким образом, разработка экологически безопасных техно-

логий для получения соединений висмута высокой чистоты является актуальной задачей.

Целесообразным подходом к решению этой проблемы является синтез соединений висмута высокой чистоты по реакциям твердое - раствор при использовании в качестве прекурсора тригидрата нитрата оксогидроксовисмута (III) состава [В1605(0Н)з](К0з)5-ЗН20. Предварительное осаждение данного соединения из нитратных растворов позволяет достигать высокой степени очистки висмута от сопутствующих металлов.

Поскольку в состав противоязвенных лекарственных препаратов цитрат висмута (III) входит в виде калий-аммонийной формы, представляет интерес исследование процессов взаимодействия цитрата висмута (III) с водными растворами гидроксидов калия и аммония.

На защиту выносятся:

• результаты исследований процессов осаждения цитратов висмута (III) из растворов минеральных кислот, данные по составу полученных соединений и условия получения среднего цитрата, моногидрата оксо-цитрата и гексагидрата гидроксоцитрата висмута (III) осаждением из азотно- и хлорнокислых растворов;

• результаты исследований взаимодействия твердого тригидрата нитрата оксогидроксовисмута (III) с растворами лимонной кислоты, а также с ее трехзамещенной натриевой солью, данные по составу полученных соединений;

• результаты исследований взаимодействия цитрата висмута (III) с водными растворами гидроксидов калия и аммония, данные по составу полученных соединений и условия их получения;

• способы получения среднего цитрата висмута (III) высокой чистоты, цитрата висмута-калия и висмут-калий-аммоний цитрата.

Практическая значимость работы состоит в том, что на основании исследований процесса осаждения висмута (III) цитрата из нитратных растворов разработан метод, защищенный патентом РФ № 2416571, кл. С 01 в 29/00 «Способ получения висмута цитрата», который прошел опытно-промышленную проверку на ЗАО «Завод редких металлов» (г. Новосибирск) и рекомендован к внедрению в производство (см. Приложение 1). Получено положительное решение ФГУ ФИПС от 7.06.2013г по заявке на изобретение «Способ получения висмут калий цитрата» (Заявка № 2012105954/02 (009117), приоритет от 17.02.2012 г). Подана заявка в ФГУ ФИПС № 2013130784 на «Способ получения висмут-калий-аммоний цитрата» с приоритетом от 18.07.2013г.

Работа выполнялась в соответствии с планами НИР ИХТТМ СО РАН по теме V. 37 «Современные проблемы химии материалов, включая наноматериа-лы», программы Президиума РАН «Фундаментальные науки - медицине», а также Интеграционного проекта СО РАН И-57 «Нанобезопасность: эффекты наночастиц на различных уровнях. Биологическая организация от молекул до организма».

ГЛАВА 1

АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ ПО СИНТЕЗУ, СВОЙСТВАМ И ПРИМЕНЕНИЮ В МЕДИЦИНЕ НЕКОТОРЫХ СОЕДИНЕНИЙ ВИСМУТА

При исследовании процессов синтеза цитрата висмута возникает необходимость рассмотрения способов получения и свойств основного нитрата висмута и висмутовых солей с анионами карбоновых кислот, широко используемых в медицине, а также физических и химических свойств лимонной кислоты.

Основной нитрат висмута является одним из наиболее широко используемых в медицине соединений висмута. Его применяют в виде мази и присыпки (5-10 мае. %) при воспалительных заболеваниях кожи и слизистых оболочек, а также принимают внутрь в качестве вяжущего и антацидного средства при желудочно-кишечных заболеваниях. Это соединение используется при синтезе лекарственных препаратов Викалин, Викаир, Викрам, Ксероформ, Дерматол, Бисмоверол и др., а также входит в состав мазей для обработки бородавок, тропической язвы и экземы, противокурительной жевательной резинки, пасты для заполнения зубных каналов, таблеток, нейтрализующих кислоту, и т.д. [1].

Наряду с основным нитратом в качестве лекарственных висмутсодержащих препаратов и антисептических средств широко используются в медицине соединения висмута с анионами карбоновых кислот [10, 11, 12]. Наибольшее применение находят такие соли висмута, как бензоат (Бисмутил), коллоидный субцитрат висмута (Де-Нол, Трибимол), висмут-ранитидин-цитрат (Пилорид), основные галлат (Дерматол), салицилат (Бисантол), тартрат (Бисмоверол), трибромфенолят (Ксероформ) и др.

1.1. Соединения висмута, применяемые в медицине

Основной нитрат висмута - белый аморфный или мелкокристаллический порошок, практически нерастворим в воде и спирте, легко растворим в хлороводородной кислоте. Относительно состава основного нитрата висмута, приме-

няемого в медицине, в литературе приведены различные данные. В ранней литературе данному соединению приписывали состав 6Bi203-5N205-9H20 [13], 5Bi203-4N205-8H20 [14] или (Bi0)2(0H)N03 [15]. По данным фирмы Sigma (США), это соединение имеет состав 4Bi(N03)(0H)2Bi0(0H), а фирмы Merck (Германия) - Bi0N03H20. При этом отмечают, что указанная соль в зависимости от условий получения имеет переменный состав, и в ней могут присутствовать в виде примесей другие основные соли висмута. Однако следует отметить, что соединение, используемое в медицине, имеет строго определенный состав, и согласно исследованиям структур основных нитратов висмута [16, 17], оно представляет собой оксогидроксонитрат состава [Bi605(0H)3](N03)5-3H20, катион которого представляет собой две клеткоподобные группы [Bi605(0H)3]5+, симметрично связанные двумя мостиковыми атомами кислорода с анионами N03" и молекулами воды.

Синтез основного нитрата висмута осуществляют обычно из металлического висмута. Процесс синтеза включает в себя стадии получения раствора нитрата висмута путем растворения гранул металла или сливания его расплава в раствор азотной кислоты, гидролитическую очистку висмута от примесных металлов добавлением раствора щелочного реагента (аммиака, гидроксида натрия, карбонатов натрия или аммония), промывку осадка водой и его сушку при температуре не выше 40-45 °С [14]. Основными сложностями этого процесса являются стадия получения раствора нитрата висмута, связанная с выделением в газовую фазу около 50 % азотной кислоты в виде токсичных оксидов азота [14], по уравнению

BiMeT + 6HN03 = Bi(N03)3 + 3N02|+3H20, (1.1)

а также продолжительность процесса сушки продукта.

Сотрудниками лаборатории синтеза порошковых материалов Института химии твердого тела и механохимии СО РАН показано, что предварительный перевод металлического висмута в его оксид путем диспергирования металла введением в его расплав 20-30 мае. % оксида висмута при (350±50) °С и перемешивании с последующим повышением температуры процесса до (600±50) °С

позволяет устранить выделение оксидов азота на стадии получения раствора нитрата висмута и сократить в 2 раза расход кислоты [17]. Температура сушки продукта может быть повышена до 100-120 °С, поскольку необратимые изменения и нарушения состава продукта имеют место при температуре выше 120 °С [18]. Показано, что требованиям чистоты конечного продукта наиболее отвечает гидролитическое осаждение висмута из нитратных растворов при температуре > 50 °С [18, 19]. Получен высокочистый оксогидроксонитрат висмута состава [В1605(0Н)3](ТЧ0з)5'ЗН20 с содержанием примесных металлов не более 1' 10"4 мае. %. Именно данное соединение, наиболее устойчивое в широкой области рН и температур, используется в медицине для получения различных висмутсодержащих лекарственных препаратов.

Основной галлат висмута (III) широко применяется в виде лекарственного средства «Дерматол» [10, 19]. Состав данного соединения представляют в виде гидроксогаллата СбН2(ОН)зСООВ1(ОН)2 [4, 5, 20].

Дерматол представляет собой аморфный порошок лимонно-желтого цвета, без запаха и вкуса, практически нерастворим в воде, спирте, эфире и сильно разбавленных кислотах. При нагревании растворим в минеральных кислотах с разложением. Легко растворим в растворе гидроксида натрия с получением раствора, окрашенного в желтый цвет. На воздухе окраска раствора приобретает красный цвет, вследствие окисления кислородом воздуха. Дерматол содержит 52-56.5 % висмута в пересчете на оксид. Его применяют обычно наружно как вяжущее и подсушивающее средство при воспалительных заболеваниях кожи и слизистых оболочек (язвы, экземы, дерматиты) в виде присыпки, мази и свечей.

Синтез оксогаллата висмута осуществляют обычно добавлением в нагретый до 60 °С раствор галловой кислоты раствора нитрата висмута [4] или используют обратный порядок добавления реагентов [5] с последующей промывкой осадка водой при температуре 30—40 °С и его сушкой при 40-50 °С.

В работе [21] установлено, что основной галловокислый висмут (III), полученный осаждением из нитратных растворов добавлением к ним водного рас-

твора галловой кислоты или по реакции взаимодействия основного нитрата висмута с раствором галловой кислоты, представляет собой тригидрат оксогал-лата висмута (III) состава СбН2(0Н)3С00ВЮ'ЗН20. Показана целесообразность его получения из металлического висмута с предварительным окислением последнего кислородом воздуха, растворением полученного технического оксида в азотной кислоте (1:1) и осаждением оксогаллата висмута (III) добавлением раствора нитрата висмута в раствор галловой кислоты при молярном отношении галловой кислоты к висмуту, равном 1.0-1.2 и концентрации свободной азотной кислоты в растворе 0.1-0.6 моль/л.

При этом отмечено, что для получения данного соединения высокой чистоты из технических продуктов необходима предварительная очистка висмута от сопутствующих металлов осаждением из нитратных растворов в виде оксо-гидроксонитрата с последующей его обработкой раствором галловой кислоты при молярном отношении галловой кислоты к висмуту, равном 1.07 и концентрации свободной азотной кислоты 0.75 моль/л [22, 23].

Комбинированный препарат Бисмофальк, содержащий основной галлат и основной нитрат висмута, используется как противоязвенное средство с бактерицидной активностью в отношении Helicobacter Pylori - микроорганизма, который рассматривается как одна из причин возникновения и рецидивирования (повторного проявления) хронического гастрита (воспаления слизистой оболочки желудка) и язвенной болезни [24].

Тартраты висмута (III). Висмут и его соли ранее широко использовались для лечения сифилиса и фрамбезии - тропической инфекции кожи, костей и суставов, вызванной спирохетами [25, 26]. Широкое применение в качестве противосифилитических средств длительное время имели органические соединения мышьяка (новарсенол, миарсенол, осартол) и висмута (бисмутогви, бий-охинол, бисмоверол, сольбис, биодамин, битиурол, пентабисмол). В настоящее время препараты мышьяка исключены из Государственного реестра лекарственных средств, а из препаратов висмута сохранились лишь бийохинол и бисмоверол.

Соединения висмута (III) с �