Способ получения биоцидного полигуанидина и биоцидный полигуанидин

Способ получения биоцидного полигуанидина и биоцидный полигуанидин

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области химической технологии, а именно к способу получения антисептического средства - полигуанидина, который может быть использован в качестве дезинфекционного средства широкого спектра действия в медицине, ветеринарии, сельском хозяйстве.

Известен способ получения полигексаметиленгуанидин гидрохлорида, включающий поликонденсацию гексаметилендиамина с гуанидингидрохлоридом при температуре 150-160°С в течение 10-15 час (Химическая промышленность, 1984 г., №2, с.82). Получают растворимый в воде биоцидный полимер полигексаметиленгуанидин (ПГМГ) со следующей структурной формулой повторяющегося звена:

Известен способ получения поли-4,9-диоксадодекангуанидина поликонденсацией 4,9-диоксадодекан-1,12-диамина с гуанидин-гидрохлоридом (Пат. РФ №2137785, кл. С08G 73/00). Образуется растворимый в воде биоцидный полимер полидиоксадодекан гуанидингидрохлорид (ПДОДДГ) со структурной формулой повторяющегося звена:

Биоцидные свойства ПГМГ и ПДОДДГ и их растворимость в воде обусловлены наличием в повторяющихся звеньях их макромолекул гидрофильной физиологически активной гуанидиновой группировки. Наличие в макромолекуле гидрофобной углеводородной цепочки облегчает проникновение антисептика внутрь микробной клетки.

ПГМГ и ПДОДДГ используют в качестве дезинфицирующих средств, так как их разбавленные растворы быстро и эффективно подавляет широкий спектр грамотрицательных и грамположительных бактерий, грибов и плесеней.

Недостатком полигуанидинов является недостаточная активность для противотуберкулезной дезобработки: биоцидный эффект в отношении микобактерий туберкулеза (МБТ) достигается только после 5 часового воздействия 4% раствора препарата, что не приемлемо в дезинфекционной практике. Низкая активность известных полигуанидинов в отношении туберкулезной инфекции объясняется неоптимальной величиной гидрофильно-гидрофобного баланса молекулы полимера. Дело в том, что МБТ (и другие микобактерий - возбудители проказы, азотфиксирующие бактерии) имеют гидрофобную липидно-восковую оболочку (кислоты с С₃₀-радикалом), через которую сильно затруднен проникновение внутрь клетки гидрофильных антисептиков, в том числе полигуанидинов.

Для повышения эффективности полигуанидинов в отношении МБТ необходимо усиливать их гидрофобные свойства, вводя в молекулу углеводородные заместители. Однако при этом существует вероятность понижения их активности в отношении других микроорганизмов, имеющих менее гидрофобную клеточную оболочку; в предельном случае полимер может потерять растворимость в воде.

Наиболее близким к предлагаемому способу является дезинфицирующее средство при туберкулезе, представляющее собой водный раствор полигуанидина, который получают поликонденсацией гексаметилендиамина или 4,9-диоксидодекан-1,12-диамина с гуанидингидрохлоридом в присутствии высших моноаминов (октадециламина, бензиламина) /Пат. РФ №2176523, кл. A61L 2/16, 2000 г./. В случае бензиламина реакция поликонденсации протекает по схеме:

Модифицированные высшими моноаминами полигуанидины подавляют МБТ в течение 10-15 мин при концентрации раствора 1%; в отношении прочих микроорганизмов их активность близка к ПГМГ.

Недостатком такого способа регулирования гидрофильно-гидрофобного баланса полиалкиленгуанидинов является тот факт, что в процессе поликонденсации высшие моноамины обрывают полимерные цепи, что приводит к резкому снижению молекулярной массы полимера. Так, введение 10 мол.% высшего моноамина в полимеризационную смесь снижает степень полимеризации полиалкиленгуанидина с n=30-50 до n≤10, а введение 90 мол.% высшего моноамина снижает степень полимеризации до n≤5.

Техническая задача данного изобретения заключается в получении растворимых в воде полиалкилен- и полиоксиалкиленгуанидинов с оптимальным гидрофильно-гидрофобным балансом макромолекулы, эффективно подавляющих как микобактерии с гидрофобной липидно-восковой оболочкой, так и другие болезнетворные бактерии.

Техническая задача решается тем, что в способе получения биоцидного полигуанидина, включающем поликонденсацию α,ω-диамина с солью гуанидина, используют гидрофобный α,ω-диамин в смеси с гексаметилендиамином или в смеси с 4,9-диоксадодекадиамином Н₂N-(СН₂)₃-O-(СН₂)₄-O-(СН₂)₃-NH₂ при следующих соотношениях, мас.%:

гидрофобный α,ω- диамин	16-60
гексаметиледиамин или
4,9-диоксадодекандиамин	84-40,

причем в качестве гидрофобного α,ω-диамина используют 1,10-декаметилендиамин H₂N-(CH₂)₁₀-NH₂ или 1,12-додекаметилендиамин (H₂N-(CH₂)₁₂-NH₂ или N,N-бис-(3-аминопропил) додециламин

В качестве гидрофобных заместителей в гуанидингидрохлориде используют диметил-, диэтил-, дибутил-, октил- и бензил-радикалы.

Биоцидный полигуанидин, полученный вышеуказанным способом, обладает гидрофильно-гидрофобными свойствами со следующей формулой:

где n=30-50;

R₁ и R₂=Н, СН₃, С₂Н₅, С₄Н₉, C₈H₁₇, СН₂С₆Н₅.

При таком подходе гидрофобный α,ω-диамин встраивается в полимерную цепь полиалкиленгуанидина или полиоксиалкиленгуанидина, усиливая гидрофобные свойства полимера, но, в отличие от прототипа, не снижает степень его полимеризации.

Реакция протекает по схеме:

где n=30-50;

R₁ и R₂=H, СН₃, С₂Н₅, С₄Н₉, C₈H₁₇, СН₂С₆Н₅

В качестве гидрофильных α,ω-диамина и α,ω-диаминоэфира используют гексаметилендиамин (ГМДА) H₂N-(CH₂)₆-NH₂ и 4,9-диоксадодекандиамин (ДОДДА) H₂N-(CH₂)₃-O-(CH₂)₄-O-(CH₂)₃-NH₂.

В качестве гидрофобных α,ω-диаминов используют 1,10-декаметилендиамин (ДМДА) H₂N-(CH₂)₁₀-NH₂, 1,12-додекаметилендиамин (ДДМДА) H₂N-(CH₂)₁₂-NH₂ и N,N-бис-(3-аминопропил)додециламин (БАЛДДА)

БАПДДА известен в качестве антисептического препарата, в том числе средства для борьбы с туберкулезной инфекцией. В молекуле БАПДДА, помимо шести СН₂-групп в основной цепи (как в ГМДА), имеется гидрофильная третично-аминная группировка и при ней в боковой цепи гидрофобный додецильный заместитель, который является специфическим антимикробным заместителем и при введении в различные химические соединения (в том числе анионообменные смолы) придает им антимикробные свойства.

В качестве соли гуанидина используют гуанидингидрохлорид (ГГХ) или замещенный ГГХ, содержащий следующие заместители: диметил-, диэтил-, бутил-, октил- и бензил- гуанидингидрохлорид.

В качестве критерия для оценки биоцидных свойств полигуанидинов используют их минимальную подавляющую концентрацию (МПК) относительно (P.aerug.) (бактерия с гидрофильной оболочкой) и их активность в отношении МБТ (микобактерия с гидрофобной оболочкой).

Синтез модифицированных полигуанидинов осуществляют по общей методике термической поликонденсации соли гуанидина с α,ω-диамином или α,ω-диаминоэфиром с некоторыми вариациями температуры и продолжительности процесса, которые связаны с более высокой реакционной способностью аминоэфиров и полиаминов по сравнению с алкиламинами.

Некоторые из полученных полигуанидинхлоридов переводят в форму полиоснования, а затем фосфата. Для этого их последовательно обрабатывают спиртовым раствором NaOH и концентрированной фосфорной кислотой.

Полученные соединения испытывают по общей методике (Методы испытания дезинфекционных средств для оценки их безопасности и эффективности. Москва, 1998 г.) на стандартном штамме синегнойной палочки (P.aerug.) и на антитуберкулезную активность in vitro на сапрофитном штамме МБТ Micobacterium M-5 и Micobacterium terrae. Для проверки эффективности обеззараживания препаратом по истечении определенного времени делают контрольные смывы с поверхности. Для культивирования МБТ используют картофельно-глицериновый агар и среду Петраньяни. Для исключения статического действия в опытах используют нейтрализаторы: твин 80, сапонин, цистеин и гистидин. Критерием полного 99,9-100% обеззараживания поверхностей служат посевы с объектов, обработанных водопроводной водой.

В табл.1 приведена антимикробная активность в отношении P.aerug. гомо- и сополимеров, полученных при поликонденсации смеси гидрофильных ГМДА или ДОДДА с гидрофобными ДМДА, ДДМДА и БАПДДА (в качестве гуанидинового мономера использован незамещенный ГТХ). В этом случае регулирование гидрофильно-гидрофобного баланса макромолекулы полигуанидина осуществляют изменением длины или строения углеводородного радикала в α,ω-диамине.

При содержании в поликонденсирующейся смеси 16-60 мас.% ДМДА или ДДМДА и 84-40 мас.% ГМДА (примеры 1-7, 10) получают хорошо растворимые в воде сополимеры, обладающие широким спектром антимикробной активности: для подавления МБТ в течение 10-20 минут требуется 0,5% раствор сополимера. В отношении P.aerug. активность заявленных сополимеров выше, чем у прототипа (МПК в 2-15 раз меньше). Наибольшую антибактериальную активность в отношении P.aerug. проявляют сополимеры, содержащие 22-30% ДДМДА (примеры 4-6). В повторяющихся звеньях таких сополимеров на одну гидрофильную гуанидиновую группировку приходится ˜7 гидрофобных -СН₂-групп, что обеспечивает оптимальный гидрофильно-гидрофобный баланс макромолекулы.

В отличие от этого гомополимеры ДМДА и ДДМДА, содержащие в повторяющемся звене соответственно 10 и 12 групп -СН₂-, не растворяются в воде, поэтому не могут служить в качестве дезинфекционных средств (запредельные примеры 9* и 11*); это же относится и к сополимеру, содержащему более 60% ДДМДА (запредельный пример 8*).

В табл.1 (примеры 12-18) показано, что низкими значениями МПК в отношении P.aerug. обладают сополимеры, полученные поликонденсацией смеси гидрофильных α,ω-диамина или α,ω-диаминоэфира с гидрофобным БАПДДА (примеры 12-18). Гомополимер БАПДДА, а также его сополимеры с ГМДА и ДОДДА, содержащие 13-72 мас.% БАПДДА, хорошо растворимы в воде и биоцидны: 0,25% раствор БАПДДА в течение 10 минут подавляет МБТ; для подавления P.aerug. достаточна концентрация 0,012-0,003%, что в 10-30 раз меньше по сравнению с прототипом и в 2-8 раз меньше по сравнению с аналогом. Получение сополимеров на основе БАПДДА и α,ω-диамина или диаминоэфира позволяет экономить дорогой и опасный в обращении БАПДДА.

Следует отметить, что БАПДДА («лонзабак») используется за рубежом в качестве антисептического препарата, в том числе и против туберкулезной инфекции. Однако этот препарат имеет высокую стоимость, и, самое главное, весьма опасен в обращении, высоко токсичен для гидробионтов, неустойчив при хранении. Большинство отрицательных свойств препарата обусловлено присутствием в его молекуле трех не протонированных аминогруппировок, придающих сильно щелочную реакцию и, как следствие, едкость, поражение кожи, глаз, слизистых оболочек, а также карбонизация при контакте с воздухом с образованием твердой белой соли.

Аналогичными свойствами обладают и другие использованные в работе α,ω-диамины - ГМДА, ДОДДА, ДМДА и в меньшей степени ДДМДА. Три из указанных диаминов являются кристаллическими веществами и одно (ДОДДА) - жидким. Наиболее летучий ГМДА (температура кипения - 190°С, температура плавления - 45°С) является и наиболее опасным. Жидкий ДОДДА также карбонизируется в заметной степени при контакте с воздухом. Высококипящие и сравнительно высокоплавкие ДМДА И ДДМДА наиболее стабильны и безопасны в обращении.

В табл.2 приведена антимикробная активность и растворимость в воде полиалкилен- и полиоксиалкиленгуанидинов, полученных при поликонденсации ГМДА или ДОДДА с замещенными производными ГГХ. В этом случае регулирование гидрофильно-гидрофобного баланса макромолекулы полигуанидина осуществляют варьированием гидрофобных свойств гуанидинового мономера.

Гидрофобные производные ГГХ получают, замещая в его молекуле один или два атома водорода на углеводородный радикал. Для этого хлориды диметил-, диэтил-, дибутил-, октил- и бензиламина сплавляют с дициандиамидом при 150-200°С. Реакция протекает по схеме:

Хлориды замещенных гуанидинов представляют собой твердые, не летучие, гигроскопичные соли, напоминающие по свойствам незамещенный ГГХ.

Из табл.2 видно, что наибольшей антимикробной активностью обладают полимеры на основе диметил- и диэтилгуанидина (примеры 21-23). При использовании дибутил- и октил- ГГХ получены полигуанидины с ограниченной растворимостью в воде (запредельные примеры 20* и 24*).

Полученные гомо- и сополимеры нейтральны, нелетучи и значительно менее гигроскопичны, чем соли низкомолекулярных гуанидинов. Кожная токсичность их чрезвычайно низка (IV класс опасности).

Благодаря оптимальному гидрофильно-гидрофобному балансу макромолекулы водные растворы полученных полимеров и сополимеров могут быть использованы в качестве дезинфицирующих средств для борьбы с широким спектром болезнетворных микроорганизмов, включая микобактерии туберкулеза.

Пример 1. Поликонденсация смеси ГМДА/ДДМДА состава 84:16 мас.% с ГТХ.

В стеклянном стаканчике с механической мешалкой, пропущенной через перевернутую стеклянную воронку, покрывающую верхний обрез стакана, нагревают на силиконовой бане смесь, состоящую из 2 г ДДМДА, 10,5 г ГМДА и 9,6 г ГГХ. Температуру бани поддерживают 120°С в течение 1 часа, затем 3 часа при 150°С и 1 часа при 180°С. При этом выделение аммиака заканчивается, и расплав полученного полимера выливают в фарфоровую чашку для охлаждения. Примеры 2-9. Поликонденсация смесей ГМДА /ДДМДА состава от 82:18 до 37:63 мас.% (или ДДМДА) с ГГХ.

По указанной в примере 1 методике сплавляют следующие смеси ГГХ, ГМДА и ДДМДА:

Пример №	2	3	4	5	6	7	8	9
ГГХ, г	9,6	9,6	9,6	9,6	9,6	9,6	9,6	9,6
ГМДА, г	10,3	10,15	10,0	9,6	5,8	9,3	8,7	-
ДДМДА, г	2,2	2,5	2,8	3,4	10,0	4,0	5,0	20,0

Гомополимер ДДМДА, полученный по примеру 9, нерастворим в воде, но растворим в растворе HCl с рН=3. Сополимер ГМДА с ДДМДА, полученный по примеру 8, ограниченно растворим в воде, лучше растворяется в растворе HCl с рН 5.

Для превращения хлорида в фосфат порцию 10 г сополимера, полученного по примеру 6, растворяют в 50 мл спирта и добавляют раствор 2 г NaOH в 10 мл спирта, декантируют с осадка NaCl и добавляют по каплям 3,5 мл концентрированной Н₃PO₄. Осадок фосфата высушивают на воздухе.

Примеры 10-11. Поликонденсация смеси ГМДА /ДМДА состава 40:60 мас.% (или ДМДА) с ГГХ.

По методике, описанной в примере 1, конденсируют смесь 8,5 г ДМДА, 5,8 г ГМДА и 9,6 г ГГХ. Сополимер растворим в воде.

По той же методике конденсируют смесь 17 г ДМДА и 9,6 г ГГХ. Полученный гомополимер ограниченно растворим в воде, лучше - в растворе HCl с рН 5.

Пример 12. Поликонденсация БАПДДА с ГГХ.

В описанном в примере 1 приборе нагревают (100-120-140°С) смесь 6 мл 50% водного раствора БАППДА и 1 г ГГХ. Наблюдают удаление воды и аммиака. Получают твердый стеклообразный слегка окрашенный в желтый цвет, растворимый в воде полимер.

Примеры 13-18. Поликонденсация смесей БАПДДА с ГМДА и ДОДДА, содержащих 13-72 мас.% БАПДДА.

В том же приборе сплавляют смеси ГМДА, БАПДДА и ГГХ следующих составов:

Пример №	13	14	15
ГГХ, г	2,0	10,0	18,0
БАПДДА, г*)	3,0	3,0	3,0
ГМДА, г	1,16	10,5	20,0
*)В расчете на 100% препарат

Для превращения хлорида в фосфат порцию 20 г сополимера, полученного по примеру 15, растворяют в 40 мл спирта, добавляют раствор 4 г NaOH в 10 мл спирта, декантируют с осадка NaCl и добавляют 7,0 мл концентрированной Н₃PO₄. Осадок фосфата сополимера высушивают на воздухе.

По такой же методике конденсируют смеси ДОДДА, БАПДДА и ГГХ следующих составов:

Пример №	16	17	18
ГГХ, г	2	4	10
БАПДДА, г*)	3	3	3
ДОДДА, г	2	6	18
*) В расчете на 100% препарат

Для превращения хлорида в фосфат порцию 20 г сополимера, полученного по примеру 18 фосфатируют согласно предыдущей методике с использованием 2 г NaOH и 3,5 мл Н₃PO₄.

Примеры 19-25. Поликонденсация ГМДА и ДОДДА с замещенными ГГХ.

Сначала получают замещенные ГГХ. Для этого в стеклянном стаканчике, описанном в примере 1, сплавляют при 150-200°С порции по 1 молю хлоридов диметил-, диэтил-, дибутил-, октил- и бензиламина с 0,5 моля дициандиамида (ДЦДА):

Хлорид моноамина	Диметиламин 81,5 г	Диэтиламин 109,5 г	Дибутиламин 165,5 г	Бензиламин 142,5 г	Октиламин 164,5 г
ДЦДА	42 г	42 г	42 г	42 г	42 г

После охлаждения до комнатной температуры расплав гуанидиновых солей закристаллизовывается.

Затем в том же приборе конденсируют смеси, состоящие из 29 г ГМДА и 0,25 моля полученных замещенных ГГХ:

Пример №	19	20	21	22	23	24
α,ω-диамин (диаминоэфир)	ГМДА, 29 г	ГМДА, 29 г	ГМДА, 29 г	ГМДА, 29 г	ДОДД А,29 г	ГМД А, 29 г
	R1=H;46 г	R1=H;R2=C8H1751,6 г	R1=R2=CH331 г	R1=R2=СН315,5 г	R1=R2-C2H538 г	R1=R2=С4Н952 г

Полученные полимеры при охлаждении до комнатной температуры застывают в стеклообразные, слабо окрашенные смолы. Полимеры, полученные по запредельным примерам 20* и 24*, растворяются только в сильно кислой среде.

Таблица 1.Антимикробная активность полиалкиленгуанидинов на основе гомополимеров гидрофобных α,ω-диаминов и смеси гидрофобных и гидрофильных α,ω-диаминов (α,ω-диаминоэфира) и ГГХ.
Пример №	α,ω-Диамин (диаминоэфир)	Состав смеси α,ω- ди- амино в М1:М2, мас.%	Растворимость	Минимальная подавляющая концентрация в отношении P.aerug., мг/мл
M1	М2
Прототип	Полиалкиленгуанидин на основе ГМДА и бензиламина	Р	0,090
Аналог	ГМДА	-	100	Р	0,023
1	ГМДА	ДДМДА	84:16	Р	0,049
2	ГМДА	ДДМДА	82:18	Р	0,049
3	ГМДА	ДДМДА	80:20	Р	0,049
4	ГМДА	ДДМДА	78:22	Р	0,022
5	ГМДА	ДДМДА	74:26	Р	0,011
6	ГМДА	ДДМДА	70:30	Р	0,006
7	ГМДА	ДДМДА	63:37	Р	0,049
8*	ГМДА	ДДМДА	37:63	ЧР	-
9*	-	ДДМДА	100	HP	-
10	ГМДА	ДМДА	40:60	Р	0,049
11*	-	ДМДА	100	HP	-
12	-	БАПДДА	100	Р	0,006
13	ГМДА	БАПДДА	28:72	Р	-
14	ГМДА	БАПДДА	78:22	Р	0,003
15	ГМДА	БАПДДА	87:13	Р	0,003
16	ДОДДА	БАПДДА	40:60	Р	0,006
17	ДОДДА	БАПДДА	67:23	Р	-
18	ДОДДА	БАПДДА	86:14	Р	0,012
* - Запредельные примеры: HP - полимер не растворим в воде, ЧР - полимер частично растворим в воде.

Таблица 2Антимикробная активность полигуанидинов на основе ГМДА и ДОДДА и гидрофобизованных производных ГГХ
Пример №	R3, R1, R2 в	МПК, % P.aemg.	Растворимость в воде
19	R3=(СН2)6; R1=H;	0,090	Р
20*	R3=(СН2)6;R1=H,R2=C8H17	-	ЧР
21	R3=(СН2)6;R1=R2=СН3	0,011	Р
22	R3=(СН2)3О(СН2)4O(СН2)3;R1=R2=СН3	0,022	Р
23	R3=(СН2)6;R1=R2=C2H5	0,022	Р
24*	R3=(СН2)6; R1=R2=C4H9	-	ЧР
* Запредельные примеры: HP - полимер не растворим в воде, ЧР - полимер частично растворим в воде.

1. Способ получения биоцидного полигуанидина, включающий поликонденсацию α,ω-диамина с солью гуанидина, отличающийся тем, что используют гидрофобный α,ω-диамин в смеси с гексаметилендиамином или в смеси с 4,9-диоксадодекадиамином Н₂N-(СН₂)₃-O-(СН₂)₄-O-(СН₂)₃-NH₂ при следующих соотношениях, мас.%:

гидрофобный α,ω-диамин	16-60
гексаметилендиамин или
4,9-диоксадодекандиамин	84-40,

причем в качестве гидрофобного α,ω-диамина используют 1,10-декаметилендиамин H₂N-(CH₂)₁₀-NH₂ или 1,12-додекаметилендиамин (H₂N-(CH₂)₁₂-NH₂ или N,N-бис-(3-аминопропил)додециламин

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве гидрофобных заместителей в гуанидингидрохлориде используют диметил-, диэтил-, дибутил-, октил- и бензилрадикалы.

3. Биоцидный полигуанидин, полученный способом по п.1, обладающий гидрофильно-гидрофобными свойствами со следующей формулой

где n=30-50;

R₁ и R₂ = H, CH₃, C₂H₅, C₄H₉, C₈H₁₇, CH₂C₆H₅.