Oldószerek eltávolítása: elméleti áttekintés

Átírás

1 Oldószerek eltávolítása: bepárlás, liofilizálás, oldószercsere Jelzett vegyületek elválasztás-technikája Elıadó: Dr. Jószai István Debreceni Egyetem Orvos- és Egészségtudományi Centrum Nukleáris Medicina Intézet Az elıadás vázlata Oldószerek eltávolítása: elméleti áttekintés Oldószer eltávolítás jelzett vegyületek elıállítása során Alkalmazott technikák, berendezések 2

2 Oldószer eltávolítására szolgáló eljárások Általános értelemben nem teszünk különbséget a víz és más oldószerek között, de a víz kiemelkedı fontosságú, mert a legáltalánosabban használt, jó oldószer, ami nem toxikus, a környezetet nem veszélyezteti, és a többihez képest magas a fagyáspontja. A kis forráspontú oldószert eltávolíthatjuk atmoszférikus nyomáson, a nagyobb forráspontúakat atmoszférikus vagy csökkentett nyomáson (azaz vákuumban). Csökkentett nyomás alkalmazása esetén a minta kisebb hıterhelést kap, és a desztilláció sebessége is s sokkal nagyobb. Dr. Lázár István: Elválasztástechnika, Debreceni Egyetem, Bepárlás Dr. Simándi Béla: Bepárlás, BME. 4

3 Fontosabb alkalmazások Dr. Simándi Béla: Bepárlás, BME. 5 Bepárlás mővelete Dr. Simándi Béla: Bepárlás, BME. 6

4 Szakaszos bepárló Dr. Simándi Béla: Bepárlás, BME. 7 Szakaszos bepárlás hátrányai Dr. Simándi Béla: Bepárlás, BME. 8

5 Koncentrálás, töményítés, részleges bepárlás Az oldószer egy részének eltávolítása azzal a céllal, hogy a visszamaradó oldatban az oldott anyagok koncentrációja megnövekedjen. Módszerei, eszközei: töményítés szobahımérsékleten vagy magas hımérsékleten pl. kristályosító tálban, csészében, medencében töményítés atmoszférikus vagy csökkentett nyomáson történı hagyományos desztillációval töményítés atmoszférikus vagy csökkentett nyomáson rotációs bepárlóban Dr. Lázár István: Elválasztástechnika, Debreceni Egyetem, Desztilláció Dr. Felföldi Károly: Szerves kémiai laboratóriumi alapgyakorlatok 10

6 Rotációs bepárló 11 Hidrosztatikus forrpontemelkedés légköri nyomáson és vákuum Dr. Simándi Béla: Bepárlás, BME. 12

7 Centrifugális bepárló Csövekben lévı (általában biológiai) minták csökkentett nyomáson történı bepárlására fejlesztették ki a centrifugális bepárlót, amely a forgó mintára ható nagy centripetális erıvel megakadályozza a minta fröcskölı forrását, és így a szők nyakú centrifugacsövekben, kémcsövekben, illetve a 96-lyukas lemezekben nagy bepárlási sebességet tesz lehetıvé. Dr. Lázár István: Elválasztástechnika, Debreceni Egyetem, Bepárlás gázárammal Legegyszerőbb bepárlás az, amikor egy a Pasteur-pipettán keresztül sőrített levegıt, nitrogén vagy argont fúvatunk egy mintásüvegben vagy kémcsıben lévı oldat fölé mindaddig, amíg az a kívánt térfogatra bepárlódik. Kifagyasztásos koncentrálás Olyan esetekben, amikor az oldott anyag koncentrációja nem mutat nagy változást a hımérséklettel (ilyen pl. a NaCl oldat, tengervíz), lehetıség van az oldószer (víz) egy részének kifagyasztására. A kifagyott oldószer szőréssel eltávolítható. Töményebb oldatok esetében nem használható, mert az oldott anyag kezd el kikristályosodni. Ezzel a módszerrel például tengervízbıl tiszta vizet (jeget) lehet kifagyasztani. Dr. Lázár István: Elválasztástechnika, Debreceni Egyetem,

8 Teljes (szárazra) bepárlás Klasszikus eljárás a kristályosító tálban történı beszárítás. Az oldószer teljes eltávolítása egy oldatból, általában csökkentett nyomáson. Eszköze a laboratóriumban a leggyakrabban a rotációs filmbepárló (rotadeszt, rotavapor, röviden: rota). Két esetben szoktuk a teljes bepárlást használni. Az elsı, amikor a visszamaradó (száraz)anyagtartalmat határozzuk meg, a második eset, amikor a szintéziselegyek feldolgozása során gyorsan teljes oldószercserét akarunk végrehajtani. Ez utóbbi eljárás során az oldószercsere gyakran együtt jár szelektív kicsapással is. Dr. Lázár István: Elválasztástechnika, Debreceni Egyetem, Porlasztva szárítás (evaporative drying) A minta (gyakran forró és tömény) oldatát nagy nyomással egy forró levegővel ( C) vagy inert gázárammal átfúvatott, nagy kiterjedésű térbe porlasztják be. A porlasztáskor keletkező kis cseppek felülete nagyon nagy, így azok hamar beszáradnak. A kapott gömbszerű, gyakran belül üreges szemcséket ciklonokban el kell választani a nedves gázáramtól. A szárító tér nagy térfogata azért szükséges, hogy az oldószerből keletkező nagy gőzmennyiség számára elegendő hely álljon rendelkezésre. Porlasztva szárítást szükség esetén csökkentett nyomású körülmények között is el lehet végezni. Dr. Lázár István: Elválasztástechnika, Debreceni Egyetem,

9 Porlasztva szárítás (evaporative drying) Dr. Lázár István: Elválasztástechnika, Debreceni Egyetem, Fagyasztva szárítás (liofilizálás, freeze-drying) Majdnem kizárólagosan csak vizes oldatokhoz használt eljárás. Hımérsékletre különösen érzékeny mintákból távolítjuk el a vizet vákuum-szublimáció segítségével. A víz megfagyasztása után a mintát az egész eljárás során fagyott állapotban kell tartani, majd óra alatt nagy vákuum segítségével el kell szublimáltatni a jeget. Lassú, de nagyon kíméletes eljárás. Gyógyszerkészítmények, elıállítására széles körben használják. A mintákat kis mintásüvegben lehet a tálcás változatba behelyezni, míg a rádugós csaptelepes változatban az általában nagyobb térfogatú mintát lombikban fagyasztjuk meg. Dr. Lázár István: Elválasztástechnika, Debreceni Egyetem,

10 Liofilizáló Bepárlás a 18 F[FDG] szintézisében 20

11 18 F elıállítás 18 F Production in Cyclotron Célanyag: ( 18 O)H 2 O 18 O víz mennyiség: ~1.5 ml/target Besugárzási idı: 2 óra Ciklotron energia: 16.5 MeV Elıállított 18 F aktivitás: ~6500 mci EOB Magreakció: 18 O (p, n) 18 F F[FDG] szintézis két lépésben 22

12 Bepárlás szerepe a nukleofil 18 F -ion elıállításában Vizes oldatban a fluorid-ion nagyon gyenge nukleofil tulajdonsággal rendelkezik. Ennek növelése céljából aprotikus oldószereket használnak a víz a lehetı legnagyobb mértékő kizárásával, illetve fázis transzfer katalizátort alkalmaznak a fluorid oldhatósága növelése céljából. 23 Pharmaceutical Radiochemistry (I): Fluorine-18 Radiochemistry: Theory and practice, Scintomics,

13 18 F -ion szárítása üvegedényben Pharmaceutical Radiochemistry (I): Fluorine-18 Radiochemistry: Theory and practice, Scintomics, F-18 SZÁRÍTÁS Pharmaceutical Radiochemistry (I): Fluorine-18 Radiochemistry: Theory and practice, Scintomics,

14 F-18 SZÁRÍTÁS Pharmaceutical Radiochemistry (I): Fluorine-18 Radiochemistry: Theory and practice, Scintomics, F -ion szárítása szintézis panelen 28

15 A szintézis panel vezérlı felülete 29 Bepárlás/oldószercsere a nukleofil 18 F jelölésben A köztitermék védıcsoportjainak savval vagy lúggal való lehasítását vizes közegben kell megvalósítani. A reakcióközegként használt acetonitriltıl elpárologtatással szabadulnak meg. A bepárlást 90ºC-on valósítják meg. 30

16 18 F[FDG] szintézis panel paramétereinek monitorozása F[FDG] szintézis panel reaktor főtésének verifikálása hőmérséklet 140,00 130,00 120,00 110,00 100,00 90,00 80,00 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0, idő 32

17 Mikrofluidikai rendszer a radiokémiában 1. Nano-, piko-liter térfogatú oldatokat használnak µm méretű csatornák üveg, fém vagy műanyag alaplapon 3. Előnyösen változnak a hő- és tömegátadási tényezők, amelyekkel csökken a reakcióidő 4. Nagyobb hozamok, produktivitás, tisztaság és szelektivitás érhető el mikro-reaktorok segítségével F szárítás elektrokémiai úton mikrofluidikai rendszeren S. Sadeghi et al. / Applied Radiation and Isotopes 75 (2013)

18 18 F elektrokémiai szárításának hatékonysága - elektródanyag S. Sadeghi et al. / Applied Radiation and Isotopes 75 (2013) F elektrokémiai szárításának hatékonysága potenciál hatása S. Sadeghi et al. / Applied Radiation and Isotopes 75 (2013)

19 18 F elektrokémiai szárításának nyomon követése audiográfiásan S. Sadeghi et al. / Applied Radiation and Isotopes 75 (2013) F elektrokémiai szárításának nyomon követése S. Sadeghi et al. / Applied Radiation and Isotopes 75 (2013)

20 Bepárlási lépés a 11 C jelzésben 1. [ 11 C]CO µmol MeLi 200 µl THF-ben 2. Desztilláció 3. [ 11 C]aceton-t 100 µl THF-ben fogták fel 0ºC-on mg carazolol 100 µl THF-ben 1,5 mg Na-cianoborohidrid + 2 µl ecetsav 50 µl MeCN/H 2 O (1:1) elegyben 10 perc 110º-on 5. OLDÓSZER ELTÁVOLÍTÁSA BEPÁRLÁSSAL + HPLC ELUENS 6. HPLC tisztítás (eluens kloroform 2V/V%-ban tartalmazza az alábbi oldatot: 2% etanol, 2% metil-amin etanolban), Alltech Econosil 10 µm, 4.6 x 250 mm), 2 ml/perc, [ 11 C]carazolol retenciós ideje 10 perc. 7. HPLC frakciszedés + OLDÓSZERELTÁVOLÍTÁS BEPÁRLÁSSAL!!! ,5 etanol + újbóli bepárlás a maradék kloroform eltávolítására 9. A maradék feloldása 5%-os EtOH saline oldatban M. S. Berridge et al. / Nucl. Med. Biol. Vol. 19, No. 5, pp , Bepárlási lépés a [ 11 C]-dimetilamin szintézisben 1. [ 11 C]CO 2 (37 GBq, 1000 mci) csapdázása -160ºC-on ºC-nál Ar nyomással átjuttatták az aktivitást a reakcióedényben, amelyben 300 ml 0,25N LiAlH4 THF oldata volt - 50ºC-on sec után az oldószert ELTÁVOLÍTOTTÁK csökkentett nyomással. 4. HI hozzáadásával 160ºC-on [ 11 C]MeI keletkezett 5. [ 11 C]MeI DESZTILLÁCIÓ NaOH kolonnán keresztül, Ar áram 15 ml/min. 6. A tisztított [ 11 C]MeI egy második reaktorban fogták fel, amely 0,4 ml, 2 M monometilamin THF oldatát tartalmazta + 50 ml DMSO perc DESZTILLÁCIÓ után 550±30 mci (n =4) aktivitást csapdáztak -15ºC-on. Ezután 45ºC-ra emelték a hőmérsékletet 5 percig tartották. 8. HPLC Bischoff Nucleosil C18 reverse-phase preparative column (7 mm, mm), 8 ml/min frakciószedés 7 percnél. 9. A [ 11 C]MeI frakciót egy külön reakcióedénybe vezetik, amelyben 0.06 mmol prkúrzor van feloldva 600 ml dimetilaminés 5 10 ml of diisopropiletilamin-ban. 10. Ezután 40ºC-ra emelték a hőmérsékletet 10 percig tartották. 11. Ezt követően ELTÁVOLÍTOTTÁK az oldószert Ar áram mellett 80ºC-on 1 perc alatt ºC-ra hűtötték az elegyet, amelyhez 0,6 ml CH 3 CN/H 2 O (1:1) elegyet adtak, amit preparatív HPLC-vel (fenti eljárás) tisztítottak. 18 és 20 percnél fogták fel a frakciókat. 13. Formulálást követően a 20% és 10-15% volt a hozam 1,7-1,9 Ci/µmol specifikus aktivitás mellett. O. Jacobson, E. Mishani / Applied Radiation and Isotopes 66 (2008)

21 Elpárologtatáson alapuló 68 Ge/ 68 Ga generátor 1. Hőlámpa segítségével elpárologtatják a koncentrált (6M) HCl oldatot, amely tartalmazza a 68 Ge és 68 Ga ionokat. 2. A párolgást nitrogén árammal fokozzák. 3. A 68 Ga visszamarad, míg a 68 Ge illékony kloro-vegyületek formájában elpárolog. és 68 Ge szennyezés nem éri el az 5x10-5 %-ot. 4. A visszamaradt és 68 Ga-ot 0,1M HCl oldattal oldják fel. 5. A 68 Ge -40ºC-on kvantitatívan csapdázható. 68 Ge/ 68 Ga + HCl Mirzadeh et al., US Patent, Evaporation-based GE/ 68 Ga separation, 4,248, Ga-DOTA DOTA-TOC TOC előállítása Ga 0,1M HCl oldattal eluálják a generátorról + 5 ml 30% HCl oldt a végső 4M HCl koncentráció eléréséért. 2. A 68 Ga oldatot SPE oszlopon vezetik át (SPE cartridge Chromafix 30-PS-HCO3, Machanery-Nagel, Germany) 4ml/min áramlással szobahőmérsékleten. 3. A feleslegben lévő HCl 0,5 ml 5M NaCl oldattal távolítják el (OLDÓSZERCSERE?! ) 4. Az oszlopról a 68 Ga µll ioncserélt vízzel mossák le µl acetát-puffer, végső ph4,6. A kapott elegyhez (0,5 20 nmol DOTA-TOC került. 5. A reakcióelegyet 90 C 95 C-on inkubálták 5 10 percig. 6. C18 tisztítás (SPE) + 1 ml H 2 O. 7. Elúció: 0,5 ml 80%-os etanol 8. *Az etanolt 90 C-on nitrogén áramban elpárologtatják. (BEPÁRLÁS) 9. A visszamaradt anyagot saline oldatban oldották fel (formulálás). I. Velikyan et al. / Nuclear Medicine and Biology 39 (2012) * Pharmaceutical Radiochemistry (I): Fluorine-18 Radiochemistry: Theory and practice, Scintomics,

22 [ 123 I]IBZM szintézis IBZM prekurzor [ 123 I]IBZM 1. 5 ml űrtartalmú üvegedényben 50 µg BZM + 50 µl etanol ph2 pufferrel keverték össze (Kbiftalát/szulfámsav) + Na[ 123 I]I + 50 µl 3.2%-os perecetsav. Az elegyet 65 C on tartották 14 percig. 2. Az illékony aktivitást [ 123 I]I-vegyületeket nitrogén árammal űzték (2-3 perc) ki a reakciótérből aktív szán oszlopon fogták meg ezeket a radiokémiai szennyezőket. 3. C-18 Light SepPak SPE tisztítás + 10 ml víz. Elúció 20 ml EtOH. 4. BEPÁRLÁS csökkentett nyomáson és nitrogén áramban. A maradékot 300µL EtOH és HPLC eluensben oldják + HPLC tisztítás. 5. A HPLC frakcióhoz 300µg aszkorbinsavat adnak, majd az elegyet bepárolják. 6. A maradékhoz µl EtOH kerül és saline (formulálás) Y. Zea-Ponce and M. Laruelle, Nuclear Medicine & Biology, Vol. 26, pp , m Tc kinyerés oldószer extrakció révén 1. Kromatográfiás- és oldószer-extrakciós elválasztás használatos a 99m Tc kinyeréséhez 2. MoO 3 kerül besugárzásra, a keletkezett [ 99 Mo]Na 2 MoO 4 5N NaOH-os oldat formájában van jelen (150mg Mo/ml: 1,11 2,22 GBq/ml) 3. [ 99 Mo]Na 2 MoO 4 Na[ 99m Tc]TcO m Tc extrakciója vizes lúgos oldatból MEK fázisba (metil-etil-keton) 5. A MEK fázis manuális elválasztása a vizes fázistól 6. Alumina kollona segítségével megtisztíják a 99m Tc-ot a maradék 99 Mo-tól 7. ELPÁROLOGTATJÁK a metil-etil-keton-t 8. A maradékot salin-nal oldják 9. A Na[ 99m Tc]TcO 4 oldat sterilizálása 10. MEK tartalom 0,1%! 11. Hátrány: bepárlási szakasz, elválasztási folyamatok hosszadalmasak. S. Chattopadhyay et al. / Applied Radiation and Isotopes 68 (2010)

23 Liofilizálás a radiogyógyszer-kit gyártásban 1. A hosszú lejárati idejű radiogyógyszer-kit előállítás egyik legáltalánosabb módja a liofilizálás. (Tc-99m, In-113m, I-123). 2. Liofilizálás segítségével védjük meg a jelzett vegyületet a víztől. Sterilitás szempontjából is előnyös kiszerelési forma. Sok radiogyógyszer-kit liofilizált formában kerül kereskedelmi forgalomba. 3. Legnagyobb hátrány: kis vízmennyiség tönkreteheti a kitet. Ilse Zolle: Technetium-99m Pharmaceuticals, Preparation and Quality control in Nuclear Medicine Springer Liofilizálás a radiogyógyszer-kit gyártásban Ilse Zolle: Technetium-99m Pharmaceuticals, Preparation and Quality control in Nuclear Medicine Springer

24 Liofilizálás a radiogyógyszer-kit gyártásban Ilse Zolle: Technetium-99m Pharmaceuticals, Preparation and Quality control in Nuclear Medicine Springer Ilse Zolle: Technetium-99m Pharmaceuticals, Preparation and Quality control in Nuclear Medicine Springer

25 Liofilizálás jelzési folyamatok J. Flagothier et al. / Applied Radiation and Isotopes 70 (2012) Liofilizálás jelzési folyamatok J. Flagothier et al. / Applied Radiation and Isotopes 70 (2012)

26 Liofilizálás jelzési folyamatok S. Richter et al. / Nuclear Medicine and Biology 39 (2012) Liofilizálás jelzési folyamatok S. Richter et al. / Nuclear Medicine and Biology 39 (2012)

27 Liofilizálás jelzési folyamatok S. Richter et al. / Nuclear Medicine and Biology 39 (2012) Liofilizálás jelzési folyamatok S. Richter et al. / Nuclear Medicine and Biology 39 (2012)

28 Liofilizálás jelzési folyamatok S. Richter et al. / Nuclear Medicine and Biology 39 (2012)