מסיסות כרומטוגרפיה Solubility and Chromatographic Separation of 5‑Fluorouracil under Subcritical Water Conditions

מסיסות והפרדה כרומטוגרפית של 5-פלואורואורציל תחת תנאי מים תת-קריטיים

תקציר

התרופה 5-פלואורואורציל משמשת לטיפול במספר סוגי סרטן, כולל סרטן המעי הגס, הושט, הקיבה, הלבלב, השד וצוואר הרחם. במחקר זה, המסיסות של 5-פלואורואורציל במים תת-קריטיים נקבעה בטמפרטורות הנעות מ- 298 עד 473 קלווין תחת לחץ תמידי של 5.1 MPa. התוצאות שלנו מראות כי המסיסות של 5-פלואורואורציל גוברת בלמעלה מפי 12 כאשר מעלים את הטמפרטורה מ- 298 ל- 473 K. פותח מודל קירוב חדש החוזה את המסיסות של 5-פלואורואורציל במים תת-קריטיים. ערכי המסיסות החזויים שלנו הם דומים לערכי הניסוי. משוואת אפלבלט המשופרת גם היא מציגה התאמה מוצלחת עם ערכי הניסוי. מכיוון שמחקר המסיסות שלנו מראה כי 5-פלואורואורציל הוא בעל מסיסות משביעת רצון במים תת-קריטיים, ההפרדה של 5-פלואורואורציל נערכה תוך שימוש בכרומטוגרפיית מים תת-קריטיים (SBWC) עם פאזה ניידת במים בלבד. הושגה הפרדה כרומטוגרפית מוצלחת של 5-פלואורואורציל בטמפרטורות של 348 עד 473 K.

מבוא

מים תת-קריטיים הם מים הנשמרים מתחת לטמפרטורה הקריטית של 374 oC. אחד היתרונות של מים תת-קריטיים הוא הטבע הנון-טוקסי שלהם, ולמעשה, ניתן להשיגם ולהפטר מהם בקלות רבה. מים תת-קריטיים משמשים כנוזל הפרדה ירוק למיצוי וכרומטוגרפיה. מים אינם רק המסיס הירוק ביותר, אלא גם הקל ביותר לכוונון, עם סוגים שונים של אינטראקציות בין-מולקולאריות המשנים את חשיבותם היחסית כאשר הטמפרטורה עולה מהנקודה המשולשת לנקודה הקריטית. בשנים האחרונות, מים תת-קריטיים שימשו בתור הפאזה הניידת של הפרדות כרומטוגרפיות עבור מולקולות תרופה, מוצרים קוסמטיים, ותרכובות אורגניות רבות אחרות.

נתונים לגבי מסיסות אורגנית במים תת-קריטיים הם חשובים לפיתוח מיצוי מים תת-קריטיים ושיטות כרומטוגרפיה שונות. למרות שהמסיסות של תרכובות אורגניות רבות במים ידועה לנו, נערכו מחקרים מעטים בלבד שבדקו מסיסות אורגנית במים תת-קריטיים בטמפרטורות גבוהות. לפיכך, השגת נתונים בסיסיים כמו המסיסות של אנליטיים במים בטמפרטורות גבוהות היא חיונית לקידום הטכנולוגיה הירוקה של כרומטוגרפיית מים תת-קריטיים (SBWC).

5-פלאורואורציל הינה תרופה אנלוגית לפירימידין, המשמשת באופן נרחב במלחמה נגד סוגי סרטן שונים, כמו סרטן המעי הגס, פי הטבעת, הקיבה, השד, קרצינומת תאי קשקש של הראש והצוואר, סרטן שלפוחית השתן, סרטן הכבד, וסוגים אחרים. 5-פלואורואורציל זוהתה לאחרונה במדורי מים שונים, ובמיוחד בשפכים של בתי חולים וערים, בריכוזים הנעים מ- ng/L עד ל- μg/L. ניתן להגביר את המסיסות של 5-פלואוראורציל בדרכים שונות, כמו שינוי המבנה הגבישי של התרופה, הוספת סורפקטנטים והוספת ציקלודקסטרין. מספר חוקרים ערכו מחקרים ניסויים וקורלציות תיאורטיות לגבי המסיסות והכרומטוגרפיה של מולקולות תרופה מסוימות במים תת-קריטיים. עם זאת, המסיסות והכרומטוגרפיה של 5-פלאורואורציל במים תת-קריטיים טרם נחקרו.

במחקר זה, המסיסות של 5-פלואוראורציל נבדקה בטמפרטורות הנעות מ- 298 עד 473 K ובלחץ של MPa 5.1 על מנת לשמור על המים במצב נוזלי בכל הטמפרטורות שנבדקו. השתמשנו במערכת ביתית על מנת להשיג דגימות מים רוויות ב- 5-פלאורואורציל בטמפרטורות הבחינה. הכמות של 5-פלאורואורציל בתערובת שנאספה נותחה באמצעות HPLC על מנת לקבוע את המסיסות. פיתחנו מודל קירוב על מנת לחזות את המסיסות של 5-פלאורואורציל במים תת-קריטיים. כדי להימנע משימוש במסיסים אורגניים טוקסיים בניתוח של 5-פלאורואורציל, נחקרה בנוסף הפרדה כרומטוגרפית של 5-פלואוראורציל תוך שימוש בטמפרטורות מים גבוהות בפאזה הניידת.

חלק הניסוי

כימיקלים: ה- 5-פלואורואורציל נרכש מ- Sigma-Aldrich Chemical . חומצה אצטית ומתנול נרכשו מ- Merck Chemical. מים אולטרה-טהורים (18.2 MΩ-cm) הושגו ממערכת טיהור מים MilliPore Milli-Q-Gradient. עמודת X-Terra MS C18 נרכשה מ- Waters Corporation. עמודת Zorbax-SB C18 נרכשה מ-Agilent Technologies . תיאור הכימיקלים המשמשים במחקר זה מפורט בטבלה 1.

טבלה 1: טוהר הכימיקלים ששימשו במחקר זה.

ציוד ותהליכי המסיסות: ניסויי המסיסות נערכו תוך שימוש במערכת ביתית, כפי שמתואר באיור 1.

איור 1: מערכת ביתית למדידת מסיסות.

תהליכי המסיסות המפורטים מתוארים במחקרנו הקודם. עמודת נוזל כרומטוגרפיה ריקה (60 X 4.8 mm id) שימשה בתור תא איזון עבור ניסויי המסיסות. תא האיזון מולא ב- 0.25 g של 5-פלואורואורציל. שני פקקי התא הודקו על מנת למנוע דליפה. התא הטעון הונח בתנור של מערכת חימום עמודות מודל Teknosem. משאבת מזרק 260 D מודל ISCO שימשה ליצירת לחץ של 5.1 MPa. לחץ גבוה זה מנע רתיחת מים בכל הטמפרטורות שנבחנו. על מנת לוודא כי הטמפרטורה הרצויה בתא האיזון אכן הושגה, ספירת הזמן הסטטי התחילה שעה אחת לאחר שהתנור הגיע לטמפרטורה שנקבעה. המערכת התאזנה במשך 15 דקות לפני איסוף פאזת המים. לאחר מכן, נאספו 3 mL של תערובת המים המחוממים-5-פלואורואורציל. דגימות התערובת שנאספו עברו דילול מיידי עם תערובת מים-חומצה אצטית ( 90:10 בנפח) על מנת למנוע שיקוע ולאחר מכן נותחו על ידי כרומטוגרפיית נוזל. ניסויי המסיסות נערכו בשלשות, בשש טמפרטורות שונות הנעות מ- 298 עד K 473. אי-הוודאות של מדידת הטמפרטורות היא ±1 K ושל הלחץ היא ±1 MPa.

מערכת כרומטוגרפיית מים תת-קריטיים: במחקר זה השתמשנו במערכת כרומטוגרפיה ביתית. נעזרנו במשאבת מזרק ISCO 260-D על מנת למסור את הפאזה הניידת. השתמשנו בתנור עמודות Teknosem על מנת לשלוט בטמפרטורה של עמודת ההפרדה והפאזה הניידת. גלאי UV PerkinElmer הוגדר ב- 277 nm לצורך גילוי אנליטי. רכישת הנתונים וניתוחם נערכו בעזרת מערכת נתונים PerkinElmer Chromera Chromatography. עמודת Waters X-Terra MS C18 (4.6 X 100 mm, 3.5 μm) שימשה להפרדת אנליטים תוך שימוש במים טהורים בתור הפאזה הניידת, מכיוון שהספרות מראה כי פאזה נייחת זו היא יציבה יחסית בטמפרטורות גבוהות. ניסויי כרומטוגרפיית מים תת-קריטיים על עמודה זו נערכו בטמפרטורות של 348 עד 473 K. קצב הזרימה נשאר קבוע ב- 0.6 mL/min ונפח הזריקה היה 10 μL. ריכוזי התמיסה היו 20 mg/L.

ניתוח כרומטוגפריית נוזל בלחץ גבוה

הניתוח הכימי של התערובת שנאספה במחקר המסיסות נערך תוך שימוש בכרומטוגרפיית נוזל בלחץ גבוה (HPLC). כל ניתוחי ה- HPLC נערכו בעזרת מערכת כרומטוגרפיית נוזל Agilent Infinity 1200. השתמשנו בעמודת פאזה מהופכת, Zorbax-SB C18 (150 X 4.6 mm, 5 μm). לצורך מדידות המסיסות, השתמשנו בתערובת מים-חומצה אצטית (90:10 בנפח) בתור ממס הדילול, בעיקר בגלל עלייה גדולה יותר במסיסות של דגימות ה- 5-פלואורואורציל. הדגימות עברו אלוציה על ידי תערובת של 1% חומצה אצטית במתנול: 1% חומצה אצטית במים (5:95 בנפח) בקצב זרימה של 0.5 mL/min. התמיסה התגלתה ב- 277 nm באמצעות גלאי מערך דיודות מודל 1260. הפרדת ה- HPLC והניתוח נערכו בטמפרטורת הסביבה.

תוצאות ודיון

השפעת הטמפרטורה על המסיסות של 5-פלואורואורציל

הנתונים בספרות מראים בבירור כי לטמפרטורה יש השפעה משמעותית על המסיסות האורגנית במים תת-קריטיים. מגמה זו אוששה גם במחקרנו. המסיסות של 5-פלואורואורציל במים נקבעה במחקר זה בשש טמפרטורות שונות, הנעות מ- 298 עד 473 K. טבלה 2 מציגה השוואה בין המסיסות בניסוי שלנו לבין הערכים שהושגו בשיטות אחרות בספרות.

טבלה 2: השוואת המסיסות של 5-פלואורואורציל בטמפרטורת החדר שהושגה בשיטות שונות.

 מסיסות השבר המולרי בספרות (x2) נעה מ- 1.49 X 10-3 עד 4.17 X 10-3. הממוצע הוא 2.3 X 10-3 עם סטיית תקן של 0.96 X 10-3. ניתן לראות בקלות כי המדידות שלנו הן בתוך הטעות הניסויית. מסיסות השבר המולרי של 5-פלאורואורציל בטמפרטורות שונות מוצגת בטבלה 3. יש לציין כי המסיסות של 5-פלואורואורציל עולה ביותר מפי 10 כאשר הטמפרטורה עולה מ- 298 ל- K 473, כפי שניתן לראות בטבלה 3. התלות של המסיסות בטמפרטורה מוצגת בנוסף באיור 2. קיימת קורלציה טובה בין In x2 ל- 1000/T עבור רוב המודלים, כפי שנדון בהמשך בחלק העוסק בחיזוי המסיסות. להוציא את אלו שהושגו במשוואות 2 ו- 3, מקדמי הקורלציה הם טובים יותר מ- 0.999.  

חיזוי המסיסות: מילר ועמיתיו השתמשו במודל קירוב אפס (משוואה 1) על מנת לחזות את המסיסות של פחמימנים ארומטיים רב-טבעתיים (PAHs) במים תת-קריטיים. במודל זה, מסיסות השבר המולרי בטמפרטורות גבוהות x2(T) ניתן לחיזוי בעזרת מסיסות השבר המולרי הידועה בטמפרטורת הסביבה x2(To).

טבלה 3: השפעת הטמפרטורה על מסיסות השבר המולי של 5-פלואורואורציל במים תת-קריטיים ב- 5.1 ± 0.1 MPa.

אי-הוודאות הסטנדרטית מצוינת לאחר סימן ה- ±. b- מבוסס על מדידות משולשות. c- סטיית התקן של הממוצע.

איור 2: חיזוי התלות של מסיסות ה- 5-פלואורואורציל בטמפרטורה באמצעות מודלים שונים.

 מכיוון שקירוב האפס לא הניב חיזוי מוצלח של מסיסות ה- PAHs, המחברים פיתחו את מודל הקירוב הראשון (משוואה 2) המשמש כמנבא מוצלח יותר מאשר משוואה 1.

כאשר משתמשים במשוואה 1 כדי לאמוד את המסיסות של 5-פלואורואורציל, מודל זה מניב ערכים דומים לנתונים הניסויים בטווחי טמפרטורה נמוכים יותר (עד K 373), אך הערכים החזויים סטו מערכי הניסוי שהושגו בטמפרטורות הגבוהות. סטייה זו הופכת גרועה יותר כאשר בוחנים את משוואה 2, כפי שניתן לראות בטבלה 3.

במהלך השנים, פותחו מודלי קירוב נוספים (משוואות 3-7) על מנת לחזות את המסיסות של אלקילבנזנים (משוואה 3), חומצות בנזואיות וסליציליות (משוואה 4), חומצה גאלית, קטצין, וחומצה פרוטוקטצ’ואית (משוואה 5), פרבנים (משוואה 6), ופרצטמול (משוואה 7) במים תת-קריטיים. ה- C במשוואה 6 הוא המספר של אטומי פחמן במולקולת התמיסה. למרבה הצער, אף אחד מהמודלים הללו אינו מסוגל לחזות באופן סביר את המסיסות של 5-פלואורואורציל, כפי שניתן לראות בטבלה 3.

על מנת לחזות את המסיסות של 5-פלואורואורציל באופן מוצלח יותר, הצגנו את הקבוע הדיאלקטרי של מים למודל הקירוב, כפי שניתן לראות במשוואה 8. ידוע לכל כי הקבוע הדיאלקטרי של מים פוחת ככל שהטמפרטורה עולה. ערכי הקבוע הדיאלקטרי השונים בטמפרטורות שונות מוצגים בטבלה 4.

טבלה 4: השפעת הטמפרטורה על הקבוע הדיאלקטרי (εr) של מים ב- 5.1 MPa.

 יש לציין כי מודל משופר זה, משוואה 8, אכן מניב ערכים מחושבים הדומים למדי לאלו שהושגו באופן ניסויי כפי שמראה טבלה 3. לפיכך, משוואה 8 מהווה מנבא סביר למסיסות של 5-פלואורואורציל במים בטמפרטורות גבוהות.

ניסינו בנוסף להשתמש במשוואת אפלבלט (משוואה 9) על מנת לנבא את המסיסות של 5-פלואורואורציל במים תת-קריטיים. ערכנו רגרסיה מולטי-ליניארית על מנת לקבוע את הערכים של A, B, ו- C במשוואה 9. הערכים הם A = -5.411, B = -1729.28, C = 0.8447. סטיית שורש ממוצע הריבועים (RMSD) היא 0.0000443. המסיסות המחושבת באמצעות משוואת אפלבלט המשופרת היא בעלת התאמה טובה עם ערכי הניסוי, כפי שמראה טבלה 3.

הפרדה כרומטוגרפית של מים תת-קריטיים: במחקר זה בדקנו את השימוש בשיטת הכרומטוגרפיה הירוקה לצורך ההפרדה של 5-פלואורואורציל. ההפרדה נערכה בתחילה בטמפרטורה של 348 K תוך שימוש במים טהורים בתור אלואנט. כפי שניתן לראות באיור 3, ההפרדה של 5-פלואורואורציל בוצעה בהצלחה באמצעות כרומטוגרפיית מים תת-קריטיים בכל הטמפרטורות.

איור 3: כרומטוגרמות מים תת-קריטיים של 5-פלאורואורציל בטמפרטורות שונות.

זמן השהיה של 5-פלואורואורציל פוחת ככל שהטמפרטורה עולה בשל הירידה בקוטביות המים, והקוטביות הפחותה מחזקת את כוח האלוציה של המים. השיא של 5-פלואורואורציל הוא חד וסימטרי בכל הטמפרטורות. יש לציין כי האיכות של הפרדת ה- 5-פלואורואורציל בטמפרטורה של 348 K היא טובה בדיוק כמו בכל שאר הטמפרטורות הגבוהות. פירוש הדבר הוא כי ניתן להשיג הפרדה וניתוח איכותיים של 5-פלואורואורציל אפילו בטמפרטורה נמוכה כמו 348 K (75 oC). עם זאת, איכות ההפרדה עולה ככל שהטמפרטורות גבוהות יותר, כפי שניתן לראות בטבלה 5.

טבלה 5: השפעת הטמפרטורה על הפרדה כרומטוגרפית של מים תת-קריטיים.

ההפרדה והניתוח של 5-פלואורואורציל נערכים בדרך כלל תוך שימוש במערכות כרומטוגרפיית נוזל שונות כמו HPLC ו- LC-MS/MS בתנאי סביבה. מרטינס ועמיתיו יישמו אלוציית גרדיאנט תוך שימוש ב- 0.1% חומצה פורמית ואצטוניטריל. ביומר ועמיתיו השתמשו ב- 0.1% חומצה אצטית באצטוניטריל – 0.1% חומצה אצטית במים בתור הפאזה הניידת והשיגו הפרדה ב- 5.5 דקות; עם זאת, מחקרים אלו השתמשו בממסי פאזה ניידת אורגניים, ויש להפטר מהפסולת באופן הראוי. מצד שני, התוצאות שלנו מדגימות כי מים טהורים ב- 348 K יכולים לשמש בתור פאזה ניידת ומסוגלים להשיג הפרדה מוצלחת של 5-פלואורואורציל בתוך 4 דקות; לפיכך, שיטת כרומטוגרפיית המים התת-קריטיים שלנו הינה יעילה וידידותית לסביבה.

מסקנות

המסיסות של תרופת הסרטן 5-פלואורואורציל במים בטמפרטורות גבוהות נקבעה בהצלחה באופן ניסויי בטמפרטורות של 298 עד K 473 תחת לחץ קבוע של 5.1 MPa. לטמפרטורה יש השפעה משמעותית על המסיסות של 5-פלואורואורציל והיא גוברת בלמעלה מ- 1200% על ידי הגדלת טמפרטורת המים מ- 298 ל- 473 K. בעוד שמודלי הקירוב הקיימים לא הצליחו לנבא את המסיסות של 5-פלואורואורציל במים תת-קריטיים, המודל החדש שפיתחנו הניב ערכי מסיסות הדומים לערכי הניסוי. משוואת אפלבלט המשופרת מניבה גם היא התאמה טובה עם ערכי המסיסות של הניסוי. המסיסות משביעת הרצון של 5-פלואורואורציל במים תת-קריטיים מאפשרת פיתוח של שיטת כרומטוגרפיית מים תת-קריטיים ירוקה לצורך הפרדה של 5-פלואורואורציל. לפיכך, שיטת כרומטוגרפיית המים התת-קריטיים החדשה עשויה להחליף את כרומטוגרפיית הנוזל בלחץ גבוה המסורתית, הדורשת מסיסים אורגניים מסוכנים עבור הפאזה הניידת. הפרדה כרומטוגרפית מוצלחת של 5-פלואורואורציל הושגה באמצעות שימוש בכרומטוגרפיית מים תת-קריטיים בטמפרטורות של 348 עד 473 K. מכיוון שהשתמשנו רק במים בפאזה הניידת של כרומטוגרפיית המים התת-קריטיים, השיטה שלנו הינה ידידותית לסביבה וזולה יותר.