СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ СОЛИ МЕТАКРИЛОИЛГУАНИДИНА, ПОЛИМЕРА И СОПОЛИМЕРА СОЛИ МЕТАКРИЛОИЛГУАНИДИНА И ПОЛУЧЕННЫЕ ПОЛИМЕР И СОПОЛИМЕР
METHODS OF PRODUCING METHACRYLOYLGUANIDINE SALT, POLYMER AND COPOLYMER OF METHACRYLOYLGUANIDINE SALT AND PRODUCED POLYMER AND COPOLYMER

Изобретение относится к химии гуанидинсодержащих низкомолекулярных (мономеров) и высокомолекулярных (полимеров и сополимеров) соединений, конкретно к усовершенствованному способу синтеза производных гуанидина и (со) полимеров из них. Полученные мономеры и (со) полимеры в силу особенностей строения гуанидиновой группы и ее комплексообразующих свойств могут послужить основой различных форм новых бактерицидных препаратов (полимерные растворы, порошки, полимер-полимерные нанокомпозиции, строительные материалы, включая лакокрасочные и др.), в том числе пролонгированного действия для профилактики распространения резистентных бактерий в местах массового скопления людей в помещениях и общественном транспорте, применяться для создания катализаторов для переработки продуктов важнейших процессов нефтехимии, а также как носители лекарственных форм и др.
Известны:
способ получения соли метакрилоилгуанидина, а именно метакрилоилгуанидин гидрохлорида (МГГХ), реакцией с соляной кислотой метакрилоилгуанидина, выделенного из раствора после взаимодействия гуанидина с метилметакрилатом в ацетоне или диоксане, где гуанидин получен растворением при повышенной температуре в метаноле предварительно полученного метилата натрия и реакцией метилата натрия с гуанидингидрохлоридом;
способ получения полимера этой соли радикальной полимеризацией в воде;
способ получения сополимера этой соли с диаллилдиметиламмоний хлоридом радикальной полимеризацией в воде с сомономером;
полученные этими способами полимер и сополимер
[см., А.А. Жанситов, А.И. Мартыненко, Н.И. Попова, Н.А. Сивов // Синтез новых мономеров метакрилоилгуанидина и его гидрохлорида и их способность к радикальной (со)полимеризации Известия ВУЗов. Химия и химическая технология. 2012. Т. 55. №9. с. 46-52]. Данные способы, полимер и сополимер по назначению и совокупности существенных признаков могут быть приняты в качестве наиболее близкого аналога (прототипа) изобретения. Прототип обладает рядом существенных недостатков: синтез соли метакрилоилгуанидина, и, соответственно, полимера и сополимера этой соли является длительным (продолжительность отдельных стадий составляет более суток), в синтезе используют токсичные и пожароопасные компоненты (метанол, щелочной металл натрий).
Целью изобретения является улучшение условий труда и упрощение технологии процесса, а также расширение ассортимента целевых продуктов и получение (со)полимеров с бактерицидными свойствами.
Поставленная цель достигается тем, что в способе получения соли метакрилоилгуанидина, включающем получение метакрилоилгуанидина реакцией гуанидина и метилметакрилата в органическом растворителе и реакцию метакрилоилгуанидина с кислотой, в качестве органического растворителя используют ацетонитрил, а в качестве кислоты - уксусную или трифторуксусную, или метакриловую кислоту.
Гуанидин получают растворением соли гуанидина (гуанидингидрохлорид или дигуанидинкарбонат, предпочтительно используют дигуанидинкарбонат) в этанольном или водном растворе гидроксида натрия при комнатной температуре. В результате проведения реакции по предлагаемым схемам гуанидин получают с количественным выходом. При этом исключается использование как метанола, так и натрия. Далее полученный гуанидин реагирует с метилметакрилатом в органическом растворителе (ацетон, диоксан, ацетонитрил) с получением раствора метакрилоилгуанидина Выход метакрилоилгуанидина (МГУ) составляет 50-65% в расчете на гуанидин. МГУ могут как выделять из раствора, так и не выделять из него. Выходы солей в расчете на МГУ достигают 95% и более. Получают мономерные соли соответствующего строения: метакрилоилгуанидин трифторацетат (МГТФА), метакрилоилгуанидин ацетат (МГАц), метакрилоилгуанидин метакрилат (МГМА), как приведено на схеме:
Поставленная цель также достигается тем, что в способе получения полимера соли метакрилоилгуанидина, включающем радикальную полимеризацию соли метакрилоилгуанидина в растворителе под действием инициаторов радикальной полимеризации и выделение полученного полимера, в качестве соли метакрилоилгуанидина используют соль, полученную заявленным способом, а полимеризацию проводят при 30-80°С.
Структуры полимеров представлены на ниже приведенной схеме:
Еще одна поставленная цель достигается тем, что в способе получения сополимера соли метакрилоилгуанидина, включающий радикальную сополимеризацию мономера - соли метакрилоилгуанидина - с сомономером в растворителе под действием инициаторов радикальной полимеризации и выделение полученного сополимера, в качестве мономера используют соль метакрилоилгуанидина, полученную заявленным способом, в качестве сомономера - диаллилдиметиламмоний хлорид (ДАДМАХ) или метилметакрилат (ММА), или метакриловую кислоту (МАК),, или соль метакрилоилгуанидина, также полученную заявленным способом и отличную от мономера, а указанную сополимеризацию проводят при 20-60°С.
Предпочтительно в качестве растворителя используют ацетон или диметилсульфоксид.
Могут использовать и другие растворители, такие, как вода, метанол.
Применяют обычно используемые инициаторы радикальной полимеризации, например, персульфат аммония или динитрила азобисизомасляной кислоты. Полимеры (гомополимеры) получают с конверсией 47-84%, сополимеры - с конверсией 47-84%.
Поставленная цель также достигается тем, что полимер соли метакрилоилгуанидина получен заявленным способом из соли метакроилгуанидина и трифторуксусной кислоты и обладает свойством подавлять рост бактерий.
Поставленная цель также достигается тем, что сополимер соли метакрилоилгуанидина получен заявленным способом из мономера - соли метакроилгуанидина и трифторуксусной кислоты и сомономера диаллилдиметиламмоний хлорида, и обладает свойством подавлять рост бактерий.
Синтез солей из МГУ и соответствующих кислот в различных растворителях описан в примерах 1-6.
Пример 1.
В двугорлую круглодонную колбу объемом 0.5 л, снабженную мешалкой и обратным холодильником, помещают 16 г (0.4 моль) гидроксида натрия и прикапывают этиловый спирт (200 мл), и перемешивают при комнатной температуре до растворения. В полученный раствор этилата натрия при перемешивании порциями добавляют эквимольное количество (41.7 г, 0.4 моль) 92% гуанидингидрохлорида (ГГХ), перемешивают 3 часа, после чего раствор гуанидина отфильтровывают от выпавшего осадка хлорида натрия, отгоняют на роторном испарителе этанол, остаток сушат в вакуумном шкафу. Получают 23.6 г (выход количественный) твердого гуанидина.
Структура и чистота полученного вещества была подтверждена методом ЯМР спектроскопии (Фиг. 1).
К полученному гуанидину (23.6 г, 0.4 моль), находящемуся в круглодонной колбе, снабженной мешалкой и капельной воронкой, добавляют 300 мл ацетона. Затем при перемешивании капают в смесь гуанидина и растворителя в течение часа при комнатной температуре ММА (51,6 мл, 0,48 моль). В процессе взаимодействия ММА и гуанидина образуется осадок нерастворимого побочного продукта (циклический аналог МГУ). Раствор перемешивают 3 часа при комнатной температуре. По окончании реакции образовавшийся циклический побочный продукт отфильтровывают. После удаления растворителя на роторном испарителе остаток сушат в вакууме при комнатной температуре. Получают 32.5 г МГУ (выход 64%).
Структура и чистота полученного вещества была подтверждена методом ЯМР спектроскопии (Фиг. 2).
Полученный МГУ (12.7 г, 0.1 моль) помещают в плоскодонную колбу с магнитной мешалкой и растворяют в 100 мл ацетона. Раствор охлаждают смесью льда с поваренной солью до - (5-10)°С. Затем прикапывают раствор 32%-ной соляной кислоты (10 мл, 0.1 моль) в 10 мл ацетона (0.5 часа); температура в реакционной массе не превышала - (5) - 0°С. После добавления всего количества соляной кислоты раствор перемешивают еще 0.5 часа при комнатной температуре. Выпавший белый осадок метакрилоилгуанидин гидрохлорида (МГГХ) отфильтровывают на стеклянном фильтре, промывают абсолютными ацетоном и диэтиловым эфиром и сушат в вакууме при комнатной температуре. Получают 16 г МГГХ (выход 97%). Структура и чистота полученного вещества была подтверждена методом ЯМР спектроскопии (Фиг. 3).
Пример 2.
Метакрилоилгуанидин трифторацетат (МГТФА) получают как в примере 1. Отличие состоит в том, что в качестве кислоты используют трифторуксусную кислоту (11.4 г, 0.1 моль в 10 мл ацетона). Получают 18.3 г соли (выход 76%). Структура и чистота полученного вещества была подтверждена методом ЯМР спектроскопии (Фиг. 4)
Пример 3.
МГТФА получают как в примере 2. Отличие состоит в том, что в качестве растворителя используют ацетонитрил (100 мл). В этом случае соль не выпадает, раствор упаривается до 20 мл, а затем выпавшую соль фильтруют и перекристаллизовывают из ацетонитрила. Получают 17.1 г соли (выход 71%).
Пример 4.
Метакрилоилгуанидин ацетат (МГАц) получают как в примере 1. Отличие состоит в том, что в качестве кислоты используют уксусную кислоту (6.0 г, 0.1 моль в 10 мл ацетона). Получают 18.5 г соли (выход 99%).
Пример 5.
МГАц получают как в примере 4. Отличие состоит в том, что в качестве растворителя используют ацетонитрил (100 мл). Получают 17.6 г соли (выход 94%). Структура и чистота полученного вещества была подтверждена методом ЯМР спектроскопии (Фиг. 5).
Пример 6.
Метакрилоилгуанидин метакрилат (МГМА) получают как в примере 1. Отличие состоит в том, что МГУ берут вдвое меньше и в качестве кислоты используют метакриловую кислоту (4.3 г, 0.05 моль в 10 мл ацетона). Получают 8.7 г соли (выход 82%). Структура и чистота полученного вещества была подтверждена методом ЯМР спектроскопии (Фиг. 6).
Синтез полимеров из синтезированных солей описан в примерах (П) 7-23.
-3
Полимеры синтезируют методом радикальной полимеризации мономеров (М) в различных растворителях (Р, ДМСО - диметилсульфоксид) при 30-80°С под действием инициаторов (И) персульфата аммония (ПСА) и динитрила азобисизомасляной кислоты (ДАК) при концентрации мономеров 0.4 моль/л и концентрации инициатора (2.5-10)×10 моль/л и за определенное время (t). Раствор мономера и инициатора помещают в ампулу, трижды дегазируют, отпаивают и помещают в термостат. По окончании процесса полимер выделяют (В) высаживанием в ацетон (А), диализом (Д), фильтрованием (Ф). Экспериментальные данные по примерам 22-35 приведены в таблице 1 (К - конверсия, [η] - характеристическая вязкость, определяют при 30°С в 0.5 н водном растворе хлорида натрия в вискозиметре Убеллоде). Спектры ЯМР гомополимеров представлены на Фиг. 7-9.
Пример 21
Поли-МГГХ получают как в примере 10. Отличие состоит в том, что раствор МГГХ (13 г) и ПСА (0.29 г) в 200 мл дистиллированной воды помещают не в ампулу, а в колбу и продувают инертным газом аргоном. Колбу, снабженную обратным холодильником, помещают в термостат на 16 часов. Получают 11.6 г полимера (конверсия 89%), [η]=0.32 дл/г.
Пример 22
Поли-МГГХ получают как в примере 21. Отличие состоит в том, что раствор МГГХ и ПСА в дистиллированной воде в колбе не продувают инертным газом аргоном. Получают 8.7 г полимера (конверсия 67%), [η]=0.11 дл/г.
Пример 23
Поли-МГМА получают как в примере 21. Отличие в том, что раствор объемом 25 мл готовят из 2.13 г МГМА и 0.029 г ПСА и дистиллированной воды (остальное). Полимер образуется в виде осадка, который отфильтровывают и промывают на фильтре водой. Получают 1.55 г полимера (конверсия 73%).
Синтез сополимеров из синтезированных солей описан в примерах 24-29; их синтезируют методом радикальной сополимеризации сомономеров в различных растворителях под действием инициаторов ПСА и ДАК. Раствор сомономеров и инициатора помещают в ампулу, трижды дегазируют, отпаивают либо помещают в колбу, снабженную обратным холодильником, и продувают инертным газом аргоном. Раствор в ампуле или в колбе термостатируют. По окончании процесса сополимер выделяют высаживанием в ацетон, диализом или фильтрованием.
Пример 24
Помещают в колбу 32.8 г МГГХ и 70 мл концентрированного раствора ДАДМАХ (содержание мономера 32.4 г) в колбу, снабженную обратным холодильником, прибавляют дистиллированную воду до общего объема реакционной смеси 200 мл. После чего продувают аргоном, добавляют 0.228 г ПСА и помещают в термостат, нагретый до 60°С. Реакционную массу выдерживают при этой температуре 13 часов, после чего для выделения сополимера МГГХ и ДАДМАХ высаживают реакционный раствор в 1200 мл ацетона. Выпавший сополимер отфильтровывают и промывают ацетоном и эфиром. После чего сушат в вакуумном шкафу при температуре 50-55°С. Получают 49.7 г сополимера (конверсия 76%). [η]=0.95 дл/г. Содержание МГГХ в сополимере по данным ЯМР 69 мол. % (Фиг. 10).
Структурная формула
Пример 25
Сополимер МГТФА и ДАДМАХ получают как в примере 24. Отличие состоит в том, что раствор готовят объемом 50 мл из МГТФА (6.0 г), ДАДМАХ (4.0 г) и ПСА (0.114 г) в дистиллированной воде; колбу, помещают в термостат на 19 часов; по окончании процесса реакционный раствор диализуют относительно воды; содержимое диализного мешка упаривают и сушат в вакуумном шкафу при температуре 50-55°С. Получают 6.0 г сополимера (конверсия 60%). [η]=0.21 дл/г. Содержание МГТФА в сополимере по данным ЯМР 90 мол. % (Фиг. 11).
Структурная формула:
Пример 26
Сополимер МГТФА и ММА получают как в примере 24. Отличие состоит в том, что сополимеризацию проводят в ампуле, в качестве растворителя используют ацетон; МГТФА берут 4.8 г, в качестве второго сомономера используют ММА (2.0 г), в качестве инициатора используют ДАК (0.041 г) и время сополимеризации составляет 9 часов. Получают 4.0 г сополимера (конверсия 59%). [η]=0.14 дл/г. Содержание МГТФА в сополимере по данным ЯМР 60 мол. % (Фиг. 12).
Структурная формула:
Пример 27
Сополимер МГАц и ММА получают как в примере 26. Отличие состоит в том, что в качестве растворителя используют ДМСО; МГАц берут 3.7 г, время сополимеризации составляет 6 часов и сополимер выделяют высаживанием в ацетон. Получают 2.7 г сополимера (конверсия 47%). Содержание МГАц в сополимере по данным элементного анализа и ЯМР составляет 37 мол. % (Фиг. 13).
Структурная формула:
Пример 28
Сополимер МГАц и МАК получают как в примере 27. Отличие состоит в том, что в качестве второго сомономера используют МАК (1.72 г), время сополимеризации составляет 4 часов, сополимер в процессе сополимеризации выпадал в осадок и его отфильтровывают и промывают растворителем. Получают 4.5 г сополимера (конверсия 84%). Содержание МГАц в сополимере по данным элементного анализа составляет 40 мол. %. найдено: % N, 13.17, вычислено: % N, МГАц 22.45, МАК 0.00.
Пример 29
Сополимер МГГХ и МГТФА получают как в примере 24. Отличие состоит в том, что раствор готовят объемом 50 мл из МГГХ (1.64 г), МГТФА (2.41 г) и ПСА (0.057 г) в дистиллированной воде и реакционную массу в колбе перемешивают на магнитной мешалке 8 суток при комнатной температуре (20-25°С). Получают 2.76 г сополимера (конверсия 68%). [η]=1.27 дл/г. Содержание МГГХ в сополимере по данным элементного анализа 67 мол. %. Найдено, (N/C) сополимера = 0.618; вычислено: МГГХ - % N 25.68, % С 36.71; МГТФА - % N 17.42, % С 34.86.
Испытание биоцидных (бактерицидных) свойств
2
Минимальную подавляющую концентрацию (МПК) определяют по эффективности обеззараживания тест-поверхности (стекло), контаминированной тест-микроорганизмом (S. aureus штамм 906), способом протирания (норма расхода 100 мл/м) при концентрации раствора 5% и ниже (снижение концентрации проводят последовательным двойным разбавлением) и времени выдержки 60 мин. Концентрацию, при которой не наблюдается роста бактерий или он минимален (менее 0.01%), можно считать минимальной подавляющей концентрацией (МПК).
Испытания подтверждают способность заявленных полимеров и сополимеров эффективно подавлять рост бактерий.