Синтез, строение и фугицидные свойства гиперразветвленных полиэфирополи(N-фенилтиокарбаматов)

УДК 541.64

Г. А. Кутырев, А. А. Бусыгина, Э. Н. Ахмадулина, Л. Р. Рахматуллина, М. П. Кутырева, А. Р. Гатаулина

СИНТЕЗ, СТРОЕНИЕ И ФУГИЦИДНЫЕ СВОЙСТВА ГИПЕРРАЗВЕТВЛЕННЫХ

ПОЛИЭФИРОПОЛИ

Ключевые слова: синтез, гиперразветвленный полиэфир, полифенилтиокарбамат, фунгицидная активность.

Синтезированы гиперразветвленные полиэфиры второй и третьей генераций, содержащие концевые фенил-тиокарбаматные группы. Методами ИК- и ЯМР спектроскопии доказано их строение и определена степень функционализации. Получен Си(11)-комплекс гиперразветвленного полиэфирополи(Ы-фенилтиокарбамата) второй генерации. Установлена фунгицидная активность синтезированных соединений.

Keywords: synthesis, hyperbranchedpolyesters, polyphenylthiocarbamat, fungicidal activity.

Hyperbranched polyesters (2 and 3 generations), containing terminal polyphenylthiocarbamat groups, were synthesized. Structure of obtaining compounds were proved by IR and NMR spectroscopy. The complex of hyperbranched polyphenylthiocarbamat (2 generation) with ion of Cu(II) was synthesized. Fungicidal activity of compounds was observed.

Введение

Высокоразветвленные полимерные макромолекулы (дендримеры и гиперразветвленные полимеры) имеют комплекс свойств, значительно отличающихся от характеристик линейных аналогов. Высокая растворимость в органических средах, низкая вязкость, биодеградируемость, малая токсичность, выраженные комплексообразующие свойства и совместимость со многими биосубстратами обуславливают широкое использование этих соединений в таких областях как производство новых полимерных материалов, биоинженерия, медицина и фармация. Получение дендритных макромолекул сопряжено с синтетическими трудностями и высокой стоимостью продуктов. Вследствие этого актуальным является синтез новых гиперразветвленных полимеров (ГРП), имеющих в терминальных положениях целевые функциональные фрагменты, на базе промышленно доступных ГРП. Такие структуры могут обладать комплексом новых свойств и выраженной биологической активностью [1].

В последнее время наибольшее значение приобретают гиперразветвленные полиэфирополиолы (ГРПО), которые содержат в составе макромолекулы сложноэфирные фрагменты и концевые гидро-ксильные группы. Ранее были получены фенилкар-баматные производные ГРПО серии Вокогп Н [2]. Гиперразветвленные полиэфирополитиокарбаматы в литературе не описаны, однако они представляют особый интерес благодаря наличию тиоамидной группы и могут быть использованы в качестве эффективных комплексонов и биологически активных соединений. В настоящей работе осуществлен синтез неизвестных ранее фенилтиокарбаматных производных гиперразветвленных полиэфиров второй и третьей генераций, изучены их комплексообразую-щие и фунгицидные свойства.

Экспериментальная часть

Материалы и реагенты

В работе использовали гиперразветвленные по-лиэфирополиолы (ГРПО) серии Вокогп Н20 (16 гид-роксильных групп, Мг = 1750 г/моль) и Вокогп Н30

(32 гидроксильные группы, Mr = 3608 г/моль) фирмы Perstorp Speciality Chemicals AB (Швеция); фе-нилизотиоцианат (98%), триэтиламин (99.7%), 2,2-диметилолпропановую кислоту (ДМПК) (99%) фирмы Acros Organics (Бельгия); соль Cu(NO3)23H2O квалификации «ч.д.а.»; катализатор Amberlist-15 фирмы Rohm&Haas (США), а также органические растворители: 1,4-диоксан, ацетон, этиловый спирт, н-гексан, хлористый метилен квалификации «х.ч.».

Аппаратура

ИК-спектры исследуемых соединений регистрировали на фурье-спектрометре «Spectrum 400» (Perkin Elmer) c приставкой НПВО (нарушенного полного внутреннего отражения) «Алмаз KRS-5» (разрешение 1 см1, накопление 14 сканов, диапазон съемки 4000-400см-1).

Спектры ЯМР 1H регистрировали на многофункциональном спектрометре с фурье-преобразованием «Avance 400» (Bruker) с рабочей частотой 400 МГц в растворе CDCl3 при использовании сигнала остаточных протонов дейтерированного растворителя в качестве внутреннего эталона.

Методы синтеза

Синтез гиперразветвленных полиэфирополи(Ы-фенилтиокарбаматов) второй (3) и третьей (4) генераций

Навески 2 г ГРПО Boltorn Н20 (1) (1.143 ммоль) и Н30 (2) (0.554 ммоль) выдерживали при 140°С в течение 40 мин. для обезвоживания и разрушения самоассоциатов. После охлаждения до 50°С соединения (1, 2) при перемешивании растворили в 10 мл диоксана, добавили 0.92 г и 0.89 г триэтиламина (мольные соотношения ГРПО Boltorn Н20 и Н30 к триэтиламину равны 1:8 и 1:16). Навески 1.23 г и 1.20 г фенилизотиоцианата растворили в 3 мл диок-сана (мольные соотношения ГРПО Н20 и Н30 к фенилизотиоцианату равны 1:8 и 1:16). Полученные растворы фенилизотиоцианата прикапывали при 25°С к растворам соединений (1, 2). Реакцию вели при перемешивании на магнитной мешалке и температуре 80°С в течение 10 ч. Продукты реакции

высакивали н-гексаном, растворитель удалили в вакууме. В остатке получили темно-коричневые смолы - соединения (3, 4). Выход составил 96% и 85%, соответственно.

Соединение (3) ВШО^С^^СН^/ОЩи. ИК-спектр, см"1: 3323 v(N-H, ОНсвяз); 3061 v(C-Hph); 2957-2855 vas,s(CH3, СН2); 1729 v(C=O); 1595, 1497, 1445 5ф(С=Срь); 1536 (5n-н + Vc-n (амид II)); 1314 v(Cph-N); 1291, 1082 ^ (амид III)); 1253 v(C=S); 1220, 1118 vэф(C-O); 1045 v(C-O-C), 5(ОН); 757, 693 5oop(C=Cph). Спектр ЯМР 1Н (CDaз), 5, м.д.: 1.15-1.29 м (CH3-); 3.35-3.93 м (-СН2-О-, -СН2-ОС(S)-); 3.97-4.37 м (-СН2-0С(0)-);

7.13-7.51 м (СбН5-); 8.51 уш.с (-NH-). Соединение (4) ВНЗООС^НСН^^ОЩ^ ИК-спектр, см"1: 3427-3305 v(N-H, ОНсвяз); 3061 v(C-Hph); 2957-2853 vas,s(CH3, CH2); 1730 v(C=O); 1595, 1497, 1445 5^^); 1537 (5n-н + Vc-n (амид II)); 1316 v(Cph-N); 1290, 1081 ^ (амид III)); 1254 v(C=S); 1222, 1118 vэф(C-O); 1045 v(C-O-C), 5(ОН); 760, 694 5oop(C=Cph). Спектр ЯМР 1Н (CDa3), 5, м.д.: 1.17-1.30 м (Ш3-); 3.44-3.78 м (-СН2-О-, -СН2-ОС(S)-); 4.12-4.37 м (-СН2-0С(0)-);

7.14-7.55 м (СбН5-); 8.14 уш.с (-Ж-).

Синтез металлополимерного комплекса гипер-разветвленного полиэфирополи

Навеску 0.8 г (0.283 ммоль) соединения (3) при перемешивании растворили в 8 мл ацетона. Навеску 0.34 г соли ^(N0^-3^0 растворили в 2 мл ацетона (мольное соотношение соединения (3) к соли ^(N0^-3^0 равно 1:5). Полученный раствор соли ^(N0^-3^0 прилили к раствору соединения (3). Реакцию вели при перемешивании на магнитной мешалке и температуре 25°С в течение 5 ч., а затем при температуре 45°С в течение 2 ч. Реакционную смесь отфильтровали, растворитель удалили в вакууме. В остатке получили темно-зеленую смолу -соединение (5).

Соединение (5) ВШО^С^НСН^^ОЩиС^П). ИК-спектр, см"1: 3340 v(N-H, ОНсвяз); 3061 v(C-Hph); 2948-2885 vаs,s(CH3, Ш2); 1727 v(C=0); 1598, 1470 8^=0*); 1543 (5^ + Vc-n (амид II)); 1286 Ч^ь-М), ^ (амид III)); 1223 v(C=S), vэф(C-0); 1122 vэф(C-0); 1037, 1009 v(C-0-C), 5(ОН); 757, 694 ^р(С Cph).

Синтез фенилтиокарбаматного производного этилового эфира ДМПК

Синтез этилового эфира ДМПК осуществляли по описанной ранее методике [3]. В двухгорлой круг-лодонной колбе, снабженной обратным холодильником и термометром, растворили навеску 22.47 г (0.168 моль) ДМПК в 170 мл этилового спирта (мольное соотношение ДМПК к этиловому спирту равно 1:17.4). При перемешивании добавили навеску 6.9 г катализатора АтЬег^-15. Реакцию вели при перемешивании на магнитной мешалке и температуре 78.4°С в течение 30 ч. Реакционную смесь отфильтровали, большую часть растворителя удалили в вакууме. Затем в реакционную смесь при перемешивании добавили 150 мл хлористого метилена.

Осадок серо-коричневого цвета, выпавший при реакции, отфильтровали. Полученный фильтрат высушили над MgSO4, растворитель удалили в вакууме. В остатке получили прозрачную жидкость - соединение (6). Выход составил 86%. Со еди нение (6) CH3C(CH2OH)2C(O)OCH2CH3. ИК-спектр, см"1: 3419 у(ОНсвяз); 2978-2883 v(CH3, СН2); 1710 v(C=O); 1465 5Ж(СН3), 5S(CH2); 1372 5S(CH3); 1222 v^(C-O); 1031 v(C-O-C), 5(OH). Навеску 0.80 г (4.938 ммоль) соединения (6) растворили в 3 мл диоксана, добавили 1 г триэтиламина (мольное соотношение соединения (6) к триэтила-мину равно 1:2). Навеску 1.33 г фенилизотиоцианата растворили в 3 мл диоксана (мольное соотношение соединения (6) к фенилизотиоцианату равно 1:2). Полученный раствор фенилизотиоцианата прикапывали при 25°С к раствору соединения (6). Реакцию вели при перемешивании на магнитной мешалке и температуре 80°С в течение 12 ч. Продукт реакции высаживали н-гексаном, растворитель удалили в вакууме. В остатке получили темно-коричневую смолу - соединение (7). Выход составил 87%. Соединение (7) CH3C(CH2OC(S)NHC6H5)L5 (CH2OH)0.5C(O)OCH2CH3. ИК-спектр, см"1: 3274, 3131 v(N-H, ОНсвяз); 3059, 3037 v(C-Hph); 2977-2888 vas,s(CH3, CH2); 1717 v(C=O); 1596, 1496, 1444 Sip(C=Cph); 1528 (5n-h + Vc-n (амид II)); 1378 5S(CH3); 1314 v(Cph-N); 1293, 1082 (vc-n (амид III)); 1216 v(C=S); 1172, 1133 V^(C-O); 1041, 1027 v(C-O-C), 5(ОН); 750, 690 5oop(C=Cph). Спектр ЯМР 1Н (CDCl3), 5, м.д.: 1.05-1.30 м (CH3-); 3.69-4.675 м (-СН2-ОС(О)-, -CH2-OC(S)-, -СН2-ОН); 6.94-7.58 м (СбН5-); 9.07 уш. с (-NH-).

Определение фунгицидной активности гиперраз-ветвленных полиэфирополи

Для проведения испытаний на фунгицидную и фунгистатическую активность использовали штаммы грибов, поддерживаемые в коллекции ФБУН «Казанский научно-исследовательский институт эпидемиологии и микробиологии» Роспотребнадзо-ра: Candida albicans, Candida parapsilosis, Aspergillus fumigatus и Aspergillus niger. Скрининговые исследования антимикотической активности полученных соединений проводили аппликационным диско-диффузионным методом. Исследуемые соединения растворяли в ацетоне для получения 10% раствора. Полученный раствор наносили на целлюлозные стерильные диски. Диски высушивали в стерильных условиях до полного удаления растворителя и помещали в чашки Петри, содержащие штаммы грибов. Посевы инкубировали в течение 2-4 суток при 28°С. Для контроля обрастания штаммы грибов с дисками выдерживали до 7 суток. В качестве положительных контролей использовали диски с анти-микотическим препаратом «Нистатин». Фунгицид-ная активность оценивается по площади зоны лизиса, образующейся вокруг диска, пропитанного исследуемым соединением. Фунгистатическая активность характеризуется параметром «обрастания»,

показывающим степень обрастания диска, пропитанного исследуемым соединением.

Обсуждение результатов

В качестве исходных реагентов использовали образцы ГРПО Вокогл Н20 (1) и Вокогл Н30 (2), содержащие в своем составе 16 и 32 гидроксильные группы, соответственно. Синтез ГРПО с концевыми фенилтиокарбаматными фрагментами (3, 4) осуществляли в одну стадию реакцией ГРПО (1, 2) с фе-нилизотиоцианатом (рис. 1).

ь(сн3сн2)г«

ВН К-ОН)п, + кСб^-ЫСв

01—16 (1) к — 8 о{-32 (2) ь= 16

(ВН КОС^МНСбЩщ

пц = 5 0) 16

Рис. 1 - Схема синтеза гиперразветвленных поли-эфирополи

Структуру и степень функционализации соединений (3, 4) определяли методами ИК и ЯМР :Н спектроскопии.

В ИК-спектре соединения (3) по сравнению с ИК-спектром соединения (1) наблюдается уменьшение интенсивности полосы валентных колебаний ОН-группы при 3347 см1. При этом появляются полосы валентных колебаний МН связи (3323 см-1), С=S связи (1253 см-1), С-Н связи фенильной группы (3061 см-1) и С^-М связи (1314 см--1) и полосы поглощения амид II (8М-Н + Vc-N) (1536 см-1) и

амид III ^С-М) (1291 см-1, 1082 см-1). Деформационные колебания скелета фенильной группы представлены полосами плоскостных колебаний при 1595 см-1, 1497 см-1, 1445 см-1 и внеплоскостных при 757 см-1, 693 см-1.

Аналогичная картина наблюдается в ИК-

спектре соединения (4).

В спектре ЯМР 1Н соединения (3) наблюдается увеличение интенсивности сигналов метиленовых протонов -СН2-О- фрагмента в области 3.35-3.93 м.д. за счет дополнительного вклада резонанса ме-тиленовых протонов -СН2-ОС^)- групп. Протоны С6Н5-группы проявляются в виде мультиплета в области 7.13-7.51 м.д., а сигнал протона ММ-группы -в виде уширенного синглета при 8.51 м.д. Метиле-новые протоны -СН2-ОС(О)- фрагмента и протоны СН3-группы резонируют при 3.97-4.37 м.д. и 1.151.29 м.д., соответственно.

Аналогичная картина наблюдается в спектре ЯМР 1Н соединения (4).

Степень замещения терминальных гидроксиль-ных групп на фенилтиокарбаматные фрагменты оценивали из расчета соотношения интегральных интенсивностей протонов концевых фенильных групп и протонов метильных групп сложноэфирного скелета полиэфирополиола.

По данным ЯМР 1Н спектроскопии установлено, что соединения (3) и (4) содержат 5 (степень функ-

ционализации 31,25%) и 16 (50%) фенилтиокарба-матных фрагментов, соответственно. Из полученных значений видно, что степень функционализации ГРПО возрастает при переходе от второй к третьей генерации. Подобную закономерность наблюдали ранее при тозилатмодификации ГРПО второй и третьей генераций [4].

Из этих данных следует, что функционализации подвергаются лишь стерически наиболее доступные терминальные гидроксильные группы, причем, по-видимому, из 2 геминальных гидроксиметильных фрагментов в реакции присоединения участвует только один. Это обусловлено значительным объемом фенилтиокарбаматных групп, близкое соседство которых стерически затруднено.

Для подтверждения структуры гиперразветвлен-ных полиэфирополи (М-фенилтиокарба-матов) (3, 4) было синтезировано фенилтиокарбаматное производное этилового эфира ДМПК (7) реакцией присоединения фенилизотиоцианата к соединению (6) (рис. 2).

СН2-0Н I

сн3 - с — с(0)0снгсн5

сн2- он

2 (СЯ3СН2)3И

сн2-0~с—гчн—с6н5 сн3— с— с(0)0сн.сн3 сн2-он

Рис. 2 - Схема синтеза фенилтиокарбаматного производного этилового эфира ДМПК

В ИК-спектре соединения (7) наблюдаются полосы валентных колебаний МН и О-Н связей (3274 см-1, 3131 см-1), появляется полоса валентных колебаний С=S связи (1216 см-1), фиксируются валентные колебания С-Н связи фенильной группы (3059 см-1, 3037 см-1) и Ср11-М связи (1314 см-1) и полосы поглощения амид II (8М-Н + vC-N) (1528 см-1) и амид III ^с-м) (1293 см-1, 1082 см-1). Деформационные колебания скелета фенильной группы представлены полосами плоскостных колебаний при 1596 см-1, 1496 см-1, 1444 см-1 и внеплоскостных при 750 см-1, 690 см-1. Полосы валентных колебаний С=О и С-О связей, входящих в сложноэфирный фрагмент соединения (7), сохраняются при тех же частотах, что и в соединении (6), а именно при 1717 см-1 и 1172 см-1, 1133 см-1, соответственно. Полосы валентных колебаний С-О-С связи и деформационных колебаний ОН-группы проявляются при 1041 см-1, 1027 см-1.

В спектре ЯМР 1Н соединения (7) наблюдаются сигналы протонов -СН2-ОС(О)-, -СН2-ОС^)-, -СН2-ОН фрагментов при 3.69-4.75 м.д. Протоны СбН5-группы проявляются в виде мультиплета при 6.94-7.58 м.д., а сигнал протона МН-группы - в виде уширенного синглета при 9.07 м.д. Протоны СН3-группы резонируют при 1.05-1.30 м.д.

По данным ЯМР 1Н спектроскопии установлено, что степень функционализации соединения (7) составляет 75%. По-видимому, это связано с стериче-скими препятствиями, затрудняющими реагирование обеих геминальных гидроксильных групп с фе-нилизотиоцианатом.

Для оценки комплексообразующих свойств ги-перразветвленных полиэфирополи (N-

фенилтиокарбаматов) (3, 4) была проведена реакция соединения (3) с солью Cu(NO3)23H2O (рис. 3).

J-Ш^У

Г-Си

_ Г ^ + С„№),3Н2о -С , |

(3) (5>

Рис. 3 - Схема синтеза Си(П)-комплекса гипер-разветвленного полиэфирополи (N-фенилтио-карбамата) второй генерации

При смешивании растворов соединения (3) и соли меди происходит изменение цвета раствора с голубого на зеленый; после удаления растворителя комплексное соединение (5) было выделено в виде темно-зеленой смолы.

В ИК-спектре соединения (5) наблюдается смещение полос валентных колебаний C=S и С-N связей в область меньших частот (31 см1 и 5 см1) по сравнению с соединением (3), но при этом интенсивность сигнала валентных колебаний C=S связи уменьшается, а C-N связи увеличивается.

Сравнение ИК-спектров соединений (3) и (5) позволяет предположить, что в комплексообразовании с ионами Cu(II) участвуют атомы серы и азота тиоа-мидной группы.

Оценена фунгицидная активность соединений (3), (4) и (5) к некоторым штаммам грибов: Candida albicans, Candida parapsilosis, Aspergillus fumigatus и Aspergillus niger (табл. 1). Скрининговые исследования антимикотической активности полученных соединений (3), (4) и (5) проводили аппликационным диско-диффузионным методом. В качестве положительных контролей использовали диски с антимико-тическим препаратом «Нистатин».

Наибольшую фунгицидную активность соединения

(3), (4) и (5) проявляют по отношению к таким штаммам грибов как Candida albicans и Aspergillus niger.

Фенилтиокарбаматное производное гиперраз-ветвленного полиэфирополиола третьей генерации

(4) по сравнению со второй генерацией (3) проявляет более высокие фунгицидные свойства ко всем штаммам грибов.

Медный комплекс (5), полученный на основе соединения (3), обладает наиболее выраженными фун-гицидными свойствами по сравнению с гипперраз-ветвленными полиэфирополи^-фенилтиокар-баматами).

Для сравнения фунгицидных свойств соединений (3) и (5) в таблице 1 представлены данные по фун-

гицидной активности гиперразветвленного поли-эфирополикарбамата второй генерации (3*) и его Си(П)-комплекса (5*). Как видно, аналогичный по-ликарбамат проявляет очень слабые, а его медный комплекс умеренные фунгицидные свойства и оба они значительно уступают фунгицидной активности соединений (3) и (5), что, вероятно, обусловлено фармакофорным действием тиоамидной группы.

Таблица 1 - Фунгицидная активность соединений (3), (4), (5) и гиперразветвленного полиэфи-рополикарбамата (3*) и его Си(П)-комплекса (5*) к некоторым штаммам грибов

Соединение Candida albicans Candida parapsilosis Aspergillus fumigatus Aspergillus niger

мм

(3) 20 9 15 9

(4) 25 12 16 11

(5) 24 22 18 10

(3*) 0 - - 0

(5*) 12 15 10 -

нистатин 5 - - -

Все полученные нами соединения обладают более высокой фунгицидной активностью по сравнению с контрольным антимикотическим препаратом «Нистатин».

Литература

1. Новые материалы: биологически активные гиперраз-ветвленные полимеры и их металлокомплексы: монография / М.П. Кутырева, С.С. Бабкина, Т.К. Атанасян и др. - М.: МПГУ, 2014. - 136 с.

2. Гатаулина А.Р. Синтез и спектральные характеристики гиперразветвленного полиэфирополи(№ фенилкарбамата) / А.Р. Гатаулина, М.П. Кутырева, Н.А. Ухалович, М.Я. Шигапов, Э.М. Хасанова, Г.А. Кутырев // Журнал органической химии. - 2015. - Т. 51, № 10. -С. 1529-1531.

3. Pat 20150157723 USA, А1. Polycarbonates bearing aromatic n-heterocycles for drug / Chan; M.W. Julian, et al.; applicant and patentee International Business Machines Corporation Universidad del Pais Vasco/Euskal Herriko Un-ibertsitatea Agency For Science, Technology and Research. - № 14/097488; filed 05.12.13; published 11.06.15, № 0174.

4. Гаязова Э.Р. Тозилатмодификация гиперразветвлен-ных полиэфирополиолов / Э.Р. Гаязова, Л.С. Давлятова, Г.А. Кутырев, Е.В. Халдеева, М.П. Кутырева, А.Р. Гатаулина, Н.А. Улахович // Вестник Казан. технол. университета. - 2014. - Т. 17, № 9. - С. 182-185.

© Г. А. Кутырев - д-р хим. наук, проф. каф. технологии переработки полимеров и композиционных материалов КНИТУ, genkutyre@mail.ru; А. А. Бусыгина - студ. КНИТУ; Э. Н. Ахмадулина - студ. КНИТУ; Л. Р. Рахматуллина - студ. КНИТУ; М. П. Кутырева - канд. хим. наук., доц. каф. неорганической химии КФУ, mkutyreva@mail.ru; А. Р. Гатаулина - канд. хим. наук, ст. преподаватель каф. неорганической химии КФУ.

© G. A. Kutyrev - Prof., KNRTU, genkutyre@mail.ru; A. A. Busygina - Stud., KNRTU; E. N. Akhmadulina - Stud., KNRTU; L. R. Rachmatiillina - Stud., KNRTU; M. P. Kutyreva - associate professor, KFU, mkutyreva@mail.ru; A. R. Gataulina - associate professor, KFU.