Изучение особенностей процесса синтеза гидрохлорида полигексаметиленгуанидина

Б. П. Струнин, П. А. Гуревич, В. Г. Ковалев, Ю. Е. Сапожников,

В. Н. Калашник, И. Б. Струнина, Т. Б. Пахомова, В. А. Изергин,

А. В. Прохлицкий

ИЗУЧЕНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ПРОЦЕССА СИНТЕЗА ГИДРОХЛОРИДА ПОЛИГЕКСАМЕТИЛЕНГУАНИДИНА

Ключевые слова: полигексаметиленгуанидин, препарат “Роксацин ”, биоцидные свойства.

Описано влияние температуры и времени реакции на степень поликонденсации гидрохлорида полигексаметиленгуанидина. Степень поликонденсации определена методом ЯМР на ядрах 1H.

Keywords: polyhexametheleneguanidine, the preparation "Roxacin" biocidal properties.

Influence of temperature and time of reaction for degree of polycondensation of a hydrochloride polyhexametheleneguanidine is described. Polycondensation degree is defined by a nuclear magnetic resonance method on kernels 1H.

Производные полигексаметиленгуанидина (ПГМГ) проявляют высокую биоцидную активность в отношении патогенной аэробной и анаэробной микрофлоры.

При поиске высокоэффективных химических средств для профилактики в отношении грамотрицательных и грамположительных бактерий особое внимание уделяется общетоксическому действию препаратов.

При воздействии на организм теплокровных животных препарата «Роксацин», созданного на основе ПГМГ, показатели функционального состояния печени и почек достоверно не отличаются от контрольных величин [1]. В рабочих концентрациях «Роксацин» не оказывает отрицательного влияния на гематологические показатели белых мышей, их двигательную активность и не обладает аллергенным действием при многократном контакте с кожей кроликов [2].

Поэтому данный препарат с успехом может применяться для обработки объектов ветсаннадзора с целью их дезинфекции. На антимикробные свойства ПГМГ большое внимание оказывает степень его поликонденсации.

В таб. 1 представлены результаты минимальной подавляющей концентрации ПГМГ в зависимости от степени его поликонденации.

Таблица 1 - Влияние степени поликонденсации ПГМГ на его активность в отношении некоторых штаммов микроорганизмов

Степень поликонденсации Минимальная подавляющая концентрация препарата, мкг/мл

Ps. aerugenosa E. coli A-20 Salmonella dublin St. aureus

1 250 250 31,25 62,5

7 125 62,5 31,25 125

10 62,5 62,6 62,5 1,9

15 250 250 15,6 15,6

20 62,5 125 15,6 15,6

Для организации промышленного производства ПГМГ и биоцидных препаратов на его основе необходимо изучить влияние технологических параметров на характер протекания процесса. Изученный нами ранее [3] метод получения ПГМГ оказался достаточно сложным для реализации его крупнотоннажного производства.

Помимо возможного образования побочных продуктов, процесс следует проводить в две стадии. Сложность технологии заключается в том, что вначале следует измельчать в специальной дробилке дициандиамид (ДЦДА) и хлористый аммоний [4]. Затем смесь сплавляют в реакторе при температуре 2000С.

Полученный расплав по обогреваемой линии передают во второй реактор, куда постепенно вводится расплав гексаметилендиамина. После этого реакционную массу нагревают до 170-2000С.

Первая стадия - взаимодействие дициандиамида и аммония хлористого с образованием гидрохлорида гуанидина:

N Н N Н  Н С1

II ,» 11

Н ^ — С — N Н — CN + 2 N Н 4С1 -----1--------»- 2 Н^Ч — С — N Н 2

На второй стадии проводят его конденсацию с гексаметилендиамином:

N Н  Н СI

Н2М —(СН2)6—NH2 + Н2М—С—NH2 -----------

Н2м

(СН2)6-

NH  НС1 1 NIH-C-NH -

Н + N Н

Дальнейшее нагревание способствует удлинению цепи:

3

Н2м

н—

(сн2)6-

NH НС1 -HN-C-NH-(CH^6-

NH  НС1 п NH-C-NH -

Н

х

МН2 + у N^3

Количество выделившегося аммиака позволяет определить длину цепи полимерного ПГМГ.

о

Таблица 2 - Расчётное количество выделившегося аммиака, степень поликонденсации ПГМГ и стехиометрический коэффициент процесса поликонденсации

Степень поликон- денсации (X) Стехиометрический коэффициент (у) N43, %мас. Степень поликон- денсации (X) Стехиометрический коэффициент (у) N43, %мас.

1 1 8,00 11 21 15,34

2 3 12,06 12 23 15,41

3 5 13,35 13 25 15,46

4 7 17,04 14 27 15,50

5 9 14,40 15 29 15,54

6 11 14,74 16 31 15,57

7 13 14,93 17 33 15,60

8 15 15,05 18 35 15,62

9 17 15,18 19 37 15,65

10 19 15,25 20 39 15,67

Оптимальными потребительскими свойствами отличается ПГМГ (высокая биоцид-ность, простота приготовления рабочих растворов вследствие хорошей растворимости в воде) со средней степенью поликонденсации х =10.

Химизм разработанного нами [5] одностадийного способа получения ПГМГ с требуемой степенью поликонденсации представлен в следующем виде:

NH

10 Н2М — (СН^6—NH2 + 10 NH4CI + 5Н2М—С—N14—CN -------------------

Н

ЫН  НСІ

НЫ -С-ЫН —

(СН^-

10

ЫН2 + 19 ЫН3

Ввиду возможного образования в процессе производства ПГМГ побочных продуктов, термогравиметрически исследованы эффекты взаимодействия реагирующих веществ.

Термохимические превращения компонентов реакции изучали с помощью дерива-тографа производства Венгрии системы Б.РаиІік, I. Раиіік, I. Бгёеу в динамических условиях при скорости нагрева 2,5 0/ мин.

На рис.1 представлены дериватограммы исходных сырьевых компонентов: хлористого аммония, гексаметилендиамина и дициандиамида при скорости нагрева 2,50/мин.

Рис. 1 - Термическое поведение сырьевых компонентов, используемых в производстве ПГМГ: а - термограмма образца дициандиамида при скорости нагрева 2,50/мин.; б - термограмма образца гексаметилендиамина при скорости нагрева 2,50/мин.; в - термограмма образца хлористого аммония при скорости нагрева 2,50/мин. Масса навески = 200 мг

Термогравиметрические поведение дициандиамида на кривой ДТА сопровождается двумя точками перегиба (рис.1а). Первая соответствует плавлению ДЦДА с температурой начала процесса 200 0С и максимальной скоростью процесса 213 0С. Согласно литературным данным [7] дициандиамид имеет температуру плавления 209 0С. При дальнейшем повышении температуры до 230 0С в реакционной зоне наблюдается положительный тепловой эффект. При этом образуется меламин [8]:

NH

H2N-C-NH-CN

H2N-C-NH-CN

NH

t0

H2N

r 2

-6

N

+

NH

H2N -CN

2

Цианамид взаимодействует с исходным ДЦДА с образованием ещё одной молекулы меламина [9]:

NH

H2N—C-NH—CN + H2N-CN

CH2

H^H^C-NH,

Нагревание образовавшегося в этом процессе меламина до температуры 325 С сопровождается появлением продуктов конденсации - мелона [10]:

о

t

H2N-C

N

N

NH

CT

I

NH

=о \ л / —о Z /

N NV

2 1 NH

C —NH2

с 2

2

H2N — ^^^^=^N^^NH2

или

N^C/N C

NH2

с с

>с'

Nh

N^/N

2

и при 45G С мелема [11]: NH

I

2

H2N—^"^C—NH —C*" ^C-NH2

N

N

или

N

C

N

,^С\

N N

А / С^

N N N Н2Ч-^ /С_МН9

Для организации промышленного производства ПГМГ необходимо иметь сведения о протекающих взаимодействиях между реагентами. Это вызывает необходимость изуче-

ния, как попарного взаимодействия компонентов, так и процессов, протекающих при одновременном нагревании смеси всех трёх реагентов.

При нагревании ДЦДА в присутствии ГМДА возможно их взаимодействие с получением конденсированных продуктов:

Г Г г

Н^МСН^з-МН-С-МИ-СЫ и сы-ми-о-ми—(СН20—ын-с—сы

На рис.2 изображена термограмма реакции эквимолярных количеств гексаметилен-диамина и дициандиамида.

Рис. 2 - Термогравиметрические кривые взаимодействия ДЦДА и ГМДА при скорости нагрева 2,5 °/мин.

Как следует из полученной дериватограммы, реакции возможны лишь при нагревании до температуры 120 0С с максимальной скоростью процесса при температуре 1650С. А при начальных условиях реакции данный процесс не идет:

ЫН 50» С *•

н21-(сн^6-ын2 + Н21—с-мн-см 50 Сч

0 ЫН

50 с х Н2М -(сн^6-мн-С-мн-см

- МН 50»с ч/

Н2м-(СН216 мн2 + 2 н2м-с-мн-см 50 СХ

0 МН МН

50 С X СМ-МН-С-МН-(СН26-МН-С-СМ

Рис. 3 - Дериватограмма смеси дициандиамида и хлористого аммония. Скорость нагрева 2,5 °/мин

Как видно из рис.3, взаимодействие дициандиамида и хлористого аммония начинается (после плавления бинарной смеси в интервале температур 168-179 0С) около 180 0С с максимальной скоростью развития процесса при 210 0С.

Таким образом, взаимодействие ДЦДА и аммония хлористого (ХА) при температуре 50 0С также не происходит:

МН 0 МН . НС1

II 50° С V/ II

Н2М-С-МН-СМ + 2МНС1 50 СХ 2Н2М-С-МН2

Образование гидрохлорида гуанидина наблюдается в интервале температур 180-230 0С. Дальнейший нагрев приводит к деструктивным процессам, сопровождающимся некоторой потерей массы (наибольшие потери - при температуре 280-350 0С).

В патенте [6] описано получение гуанидина гидрохлорида при 1 = 80-150 0С, однако, как следует их полученных нами данных, после процесса плавления исходной смеси ХА и ДЦДА в интервале 165-179 0С образование гидрохлорида гуанидина начинается лишь при 1 =180-182 0С. Максимальная скорость процесса соответствует температуре 210 0С.

На рис. 4 представлены результаты термогравиметрического поведения тройной смеси: ХА, ГМДА, ДЦДА. Анализ полученных результатов показывает, что взаимодействие начинается уже при 38 0С, а химическая реакция с потерей массы (аммиака) при 50 0С, что не наблюдалось ни в одном из предыдущих вариантов нагрева, как индивидуальных компонентов, так и при их попарном нагревании.

Рис. 4 - Термограмма тройной смеси (ГМДА, ДЦДА, ХА) при скорости нагрева 2,5 °/мин

Таким образом, нагрев тройной смеси сразу приводит к образованию ПГМГ:

н2м-(сн2>6-мн2

2 МН^р!

Мн

Н2М-С-МН-СМ _

МН  НС! Н-^НМ-С-МН-(СН2>6-

х

МН2 + уМН3

1

Степень поликонденсации (х) ПГМГ определяли методом ЯМР Н.

ЯМР - спектры сняты в й20 на приборе УР-80 «Бгцкег»(80 МГц).

Степень поликонденсации ПГМГ находили по соотношению интегральной интенсивности протонов, относящихся к —1СН2 — группам, связанным с гуанидиновыми фрагментами и имеющими химический сдвиг 5 = 3,3 м.д., и протонов -М-3СН2 — групп, с химическим сдвигом 5 = 2,9 м.д.,:

г-Сн2—(СН^-С^— г-бн2—(Сн24-Сн2-

п2 мн2

Н2М

где

МН  НС!

-С-МН—

МН НС! НМ-С-МН—

0

Сигнал 5 = 1,53 м.д. соответствует протонам - (2СН2)4 -метиленовых групп, не связанных с азотом.

При большем числе мономерных звеньев в ПГМГ наблюдается увеличение соотношения сигналов с химическим сдвигом 5 = 3,3/ 5 = 2,9.

На рис. 5 представлены Н - спектры ПГМГ с различной средней степенью поликонденсации ПГМГ.

1

Рис. 5 - ЯМР Н спектры ПГМГ со средней степенью поликонденсации (х): а - х=2; б -х=8

Изучение кинетических закономерностей процесса получения ПГМГ проведено на венгерском дериватографе системы Б.РацИк, 1.РаиНк, I. Бгёеу в изотермических условиях.

Результаты представлены на рис. 6 и рис.7.

Полученные данные свидетельствуют, что при нагревании (150 0С и 170 0С) смеси ГМДА, ДЦДА и ХА за 6 часов происходит выделение аммиака - 15,3 % от исходной навески. Это соответствует степени поликонденсации ПГМГ х=10. Нагревание же при 130 0С за то же время приводит к выделению 12,2 % аммиака. При этом достигается степень поликонденсации х = 2.

Предварительный нагрев реакционной смеси до 50 0С в течение 1 часа приводит к конверсии за 240 минут нагревания при 130 0С, 150 0С и 170 0С. Те же результаты получаются за 300 минут без предварительного нагрева. При таком ведении технологического процесса возможна экономия тепловой энергии, что благоприятно отразится на себестоимости продукции.

Время, мин.

—^“t=130 —^“t=15Q —^t=170

Рис. 6 - Влияние времени реакции при различной температуре на количество выделившегося аммиака

Время, мин.

—1=130 —1=150 —A—1=170

Рис. 7 - Влияние времени нагрева реакционной массы на количество выделившегося аммиака при начальном предварительном нагреве реакционной смеси при 500С в течение 1ч

Выводы

1. Изучен процесс образования полигексаметиленгуанидина гидрохлорида при одновременном нагревании гексаметилендиамина, хлористого аммония и дициандиамида методом дифференциального термогравиметрического анализа.

2. Показано, что степень поликонденсации гидрохлорида полигексаметиленгуани-

дина можно контролировать методом ЯМР 1 Н-спектроскопии.

Литература

1. Струнина, И.Б. Результаты изучения общетоксического действия Роксацина / И.Б. Струнина [и др.] // Ученые записки Казанской госуд. академии ветеринарной медицины им. Н.Э.Баумана. -2008. - Т.195. - С. 203-211.

2. Струнина, И.Б. Результаты изучения раздражающего и аллергического действия Роксацина / И.Б. Струнина[и др.] // Ученые записки Казанской госуд. академии ветеринарной медицины им. Н.Э.Баумана. - 2008. - Т.195. - С. 211-216.

3. Струнина, И.Б. Исследование процесса получения гидрохлорида полигексаметиленгуанидина / И.Б. Струнина [и др.] // Вестник Казанского госуд. технол. ун-та. -2009. - №3. - С. 71-76.

4. А.с. 161 6898 СССР, МПК С 07 С 279/00, А 61 Ь 2/16. Бактерицидная композиция и способ её получения / Опубл. Б И (48), 80 (1990).

5. Заявка 2008145188/15 РФ 059073. Способ получения гидрохлорида полигексаметиленгуанидина / дата подачи заявки 18.11.2008.

6. Пат. 2191606 Российская Федерация, МКП С07С/279/00. Способ получения полигексаметиленгуанидина гидрохлорида / В.М. Соловьев. - № 2001116239/14; заявл. 18.06.01, опубл. 27.10.02, Б И. № 30.

7. Краткая химическая энциклопедия / Ред. И.Л. Кнунянц.- Т. 1.-М.: Советская энциклопедия, 1964. - 813 с.

8. Юкельсон, И.И. Технология основного органического синтеза / И.И. Юкельсон.-М.: Химия, 1968. - 779 с.

9. Гуаптман, З. Органическая химия / З. Гауптман; под. ред. проф. В.М. Потапова - М.: Химия, 1979.-461 с.

10. Зотов, А.Т. Мочевина / А.Т. Зотов. - М.: Госхимиздат, 1963.- 172 с.

11. Финкельштейн, А.И. Химические свойства и молекулярное строение производных гептазина / А.И. Финкельштейн, Н.В. Спиридонова // Успехи химии. - 1964. - Т. 33.- Вып. 7. -С.900.

© Б. П. Струнин - д-р техн. наук, проф. каф. оборудования пищевых производств КГТУ; П. А. Гуревич - д-р хим. наук, проф. каф. органической химии КГТУ, petr_gurevich@mail.ru; В. Г. Ковалев - инж. ООО “Поливит” г. Уфа; Ю. Е. Сапожников - канд. физ.-мат. наук, нач. отд. ООО “Поливит” г. Уфа; В. Н. Калашник - гл. инж. ООО “Поливит” г. Уфа; И. Б. Струнина - ст. науч. сотр. ООО “Базис” г. Уфа; Т. Б. Пахомова - науч. сотр. ООО “Базис” г. Уфа; В. А. Изергин -зам. дир. ООО “Поливит” г. Уфа; А. В. Прохлицкий - зам. нач. цеха Федерального казённого предприятия “Авангард” г.Стерлитамак.