Четвертичные аммониевые соединения на основе смоляных кислот и канифоли, обладающие фунгицидными, бактерицидными и поверхностно-активными свойствами

Изобретение относится к соединениям общей формулы

где R - этил или бензил, Х-Cl или Br. Технический результат - четвертичные аммониевые соединения, обладающие фунгицидной, бактерицидной и поверхностной активностью. 2 табл.

 

Предлагаемое изобретение относится к новым биологическим и поверхностно-активным химическим соединениям общей формулы

где R - этил или бензил, Х-Сl или Вr.

Указанные новые соединения обладают фунгицидной, бактерицидной и поверхностной активностью и могут быть использованы в различных отраслях промышленности, сельского хозяйства и медицине.

Известны соединения, близкие по строению,

где R - радикал карбоновых кислот [А.А.Абрамзон, Л.П.Зайченко, С.И.Файнгольд. Поверхностно-активные вещества. Л.: Химия, 1988. С.51]. Однако для этих соединений отсутствуют данные об их биологической активности.

Целью предлагаемого изобретения является создание на основе экологически чистого природного практически неисчерпаемого растительного сырья - дитерпеновых (смоляных) кислот и канифоли - новых соединений, обладающих фунгицидной, бактерицидной и поверхностной активностью, что позволит расширить арсенал экологически чистых соединений с указанными свойствами.

Способ получения соединений формулы (1) основан на известных реакциях, и его осуществляют по схеме: получение хлорангидридов органических кислот путем взаимодействия органической кислоты с галоидами [Бюгер К., Мирсон Д. Органические синтезы, ч. II. М.: Мир, 1973. С.348-351]; получение аминоэфиров кислот путем взаимодействия хлорангидридов кислот с низкомолекулярными аминоспиртами и последующая кватернизация аминоэфиров [А.А.Абрамзон, Л.П.Зайченко, С.И.Файнгольд. Поверхностно-активные вещества. Л.: Химия, 1988. С.51-52].

Для получения предлагаемых четвертичных аммониевых соединений на основе канифоли и смоляных (дитерпеновых) кислот поступают следующим образом.

На первой стадии получают хлорангидрид дегидроабиетиновой кислоты [Кушнир С.Р., Борисова Н.Б., Радбиль А.Б. и др. Синтез хлорангидрида дегидроабиетиновой кислоты. ЖПХ. 2003. Т.76. №11. С.1845-1847], или аналогичным образом хлорангидриды канифоли или кристаллической смеси смоляных кислот, выделенных из канифоли. Далее путем взаимодействия соответствующего хлорангидрида с диметилэтаноламином получают аминоэфир дегидроабиетиновой кислоты, канифоли или кристаллической смеси смоляных кислот (в зависимости от взятого исходного сырья), который затем кватернизуют известным способом избытком бромистого этила или хлористым бензилом в растворителе (ацетонитрил).

Четвертичные аммониевые соединения на основе смоляных кислот или канифоли представляют собой слабоокрашенную смолообразную массу или светлый порошок в зависимости от исходного сырья. Они растворимы в воде, этаноле, толуоле, диоксане, ацетоне, ацетонитриле, четыреххлористом углероде. Стабильны на воздухе при температуре окружающей среды.

Пример 1. Получение четвертичного аммониевого соединения на основе дегидроабиетиновой кислоты (дегидроабиетил-4-карбонилэтоксидиметилэтиламмоний бромид).

В трехгорловую колбу, снабженную перемешивающим устройством, рубашкой для обогрева и обратным холодильником, загружают 85 г диметилэтаноламина по ТУ 6-02-1086-91 и 85 г толуола по ГОСТ 9980-76 с изменениями 1-5. Смесь тщательно перемешивают и медленно порциями во избежание перегревов добавляют к ней 200 г 50%-ного раствора хлорангидрида дегидроабиетиновой кислоты в толуоле. После этого температуру реакционной смеси повышают до 97°С и выдерживают реакционную массу при этой температуре и постоянном перемешивании в течение 4 ч. Полученную реакционную массу отфильтровывают, фильтрат отмывают водой до нейтральной реакции водной вытяжки, сушат и отгоняют из него растворитель при пониженном давлении. Получают аминоэфир дегидроабиетиновой кислоты с выходом 86-87% от теоретического. В ИК-спектре продукта присутствует характерная полоса поглощения в области 1720 см^-1

Для получения заявленного соединения формулы (1) в аппарат, снабженный перемешивающим устройством, обратным холодильником и рубашкой для обогрева, загружают 100 г диметилэтаноламинового эфира дегидроабиетиновой кислоты. Туда же при постоянном перемешивании добавляют порциями 450 г бромистого этила. Смесь тщательно перемешивают в течение 5 ч при температуре 30°С. По окончании реакции избыток бромистого этила отгоняют при пониженном давлении. Получено 128.8 г продукта (выход практически количественный) с т.пл. 175-178°С.

По данным элементного состава, УФ-, ИК-, ПМР- и масс-спектров это вещество представляет собой четвертичное аммониевое соединение формулы (1) на основе дегидроабиетиновой кислоты, где R - этил, Х - бром.

Найдено, %: С 65.05; Н 8.68; N 3.40; Вr 15.60.

[C₂₆H₄₂O₂N]⁺Br^-

Вычислено, %: С 64.99; Н 8.81; N 3.49; Вr 16.63.

Качественная реакция на четвертичное аммониевое соединение - положительная.

Аммонийный азот, %: найдено 2.73; вычислено 2.91.

В УФ-спектре проявляются три полосы поглощения 259, 267 и 276 нм, характерные для фрагментов дегидроабиетиновой кислоты.

В ИК-спектре выявлены три характеристические полосы поглощения: в области 3400 см^-1 (-N-C связь), триплет в области 3000-2800 см^-1 (-С-Н связь) и в области 1727 см^-1 (С=0 связь фрагмента ). Полосы 1460 и 1380 см^-1 относятся к колебаниям СН₂ и СН₃ этильной группы.

В ПМР-спектре четко видны характерные сигналы: 6.7-7.3 м.д. (протоны ароматического ядра); 1.14 м.д., 1.17 и 1.22 м.д. (протоны изопропильной и 2СН₃ групп); уширенный сигнал 4.5 м.д. (протоны CH₂ в эфирной связи С-О-СН₂-); 3.7 м.д. (протоны 2СН₂, связанные с азотом); 3.4 м.д. (протоны 2СН₃, связанные с азотом, интенсивностью 6Н); 2.7 м.д. (мультиплеты, интенсивностью по 2СН₂ каждый).

Брутго-формула подтверждена масс-спектрометрически по осколочному иону m/z 385.299.

Пример 2. Получение дегидроабиетил-4карбонилэтоксидиметилбензиламмоний хлорида.

В аппарат, снабженный перемешивающим устройством, обратным холодильником и рубашкой для обогрева, загружают 10.3 г диметилэтаноламинового эфира дегидроабиетиновой кислоты, полученного по примеру 1, 50 мл ацетонитрила и смесь перемешивают при температуре 45°С до получения прозрачного однородного раствора. Полученный раствор охлаждают до температуры окружающей среды и к нему при постоянном перемешивании порциями добавляют раствор 3.85 г бензилхлорида в 10 мл ацетонитрила. Полученную реакционную массу выдерживают при температуре окружающей среды в течение 1 ч, затем нагревают до температуры 80°С и выдерживают при этой температуре и постоянном перемешивании в течение 5 ч. По окончании процесса из реакционной массы отгоняют растворитель при температуре 50°С и пониженном давлении.

Получено 13.5 г продукта (выход - практически количественный) в виде светлого порошка с т.пл. 51.5-52.5°С. Растворим в воде, толуоле, ацетоне, ацетонитриле, спирте.

По данным элементного состава, УФ-, ИК-, ПМР- и масс-спектров продукт представляет собой четвертичное аммониевое соединение формулы (1) на основе дегидроабиетиновой кислоты, где R - бензил, Х - хлор.

Найдено, %: С 74.93; Н 8.67; N 2.98; Cl 7.88.

[C₃₁H₄₄O₂N]⁺Cl^-

Вычислено, %: С 74.74; Н 8.90; N 2.81; Cl 7.12.

Качественная реакция на четвертичное аммониевое соединение - положительная.

Аммонийный азот, %: найдено 2.89; вычислено 3.02.

В УФ-спектре выявлено некоторое расширение по примеру 1 полосы поглощения в области 250-285 нм, вызванное поглощением бензильного радикала.

ИК-спектр практически идентичен соединению по примеру 1 и имеет те же характеристические полосы поглощения в области 3400 см^-1, 3000-2800 см^-1 и 1730 см^-1. Проявляется полоса в области, характерной для связи С-Н бензильного радикала.

ПМР-спектр практически идентичен соединению по примеру 1.

Пример 3. Получение смеси абието-8,11,13-триен-4-карбонилэтоксидиметилэтиламмоний бромидов.

Все как в примере 1, но в качестве исходного сырья берут смесь смоляных кислот с т.пл. 169°С и кислотным числом 184 мг КОН на 1 г продукта, выделенных из канифоли общепринятым методом (очищенная канифоль), следующего состава (мас. % по ГЖХ): дегидроабиетиновая кислота - 70.5, дигидроабиетиновая кислота - 18.1, сумма кислот пимарового ряда - 10.3, сумма кислот с сопряженными двойными связями (абиетиновые кислоты) - 0.8.

Выход продукта - практически количественный.

По данным элементного состава, УФ-, ИК-, ПМР- и масс-спектров продукт представляет собой четвертичное аммониевое соединение общей формулы (1) на основе смеси смоляных (дитерпеновых) кислот, где R - этил, Х - бром.

Найдено, %: С 65.30; Н 9.10; N 3.65; Br 15.90.

[С₂₆H₄₂O₂N]⁺Вr^-

Вычислено, %: С 65.00; Н 8.80; N 3.52; Br 16.60.

Качественная реакция на четвертичное аммониевое соединение - положительная.

Аммонийный азот, %: найдено 2.69; вычислено 2.91.

УФ-, ИК-, ПМР- и масс-спектры практически идентичны спектрам продукта по примеру 1 и подтверждают строение вещества формулы (1).

Пример 4. Получение смеси абието-8,11,13-триен-4-карбонилэтоксидиметилэтиламмоний бромидов на основе канифоли.

Все, как в примере 1, но в качестве сырья берут канифоль талловую диспропорционированную по ТУ 13-00281074-265-95 с изменениями со следующими физико-химическими показателями качества: внешний вид - стекловидная, частично закристаллизовавшаяся масса; кислотное число - 164 мг КОН/г; массовая доля кислот с сопряженными двойными связями - 0.8%.

Получают с количественным выходом смолообразный продукт светло-желтого цвета. Растворим в воде, ацетонитриле, диоксане, толуоле, спирте.

Качественная реакция на четвертичное аммониевое соединение - положительная.

Аммонийный азот, найдено %: 2.58.

Элементный состав, найдено %: С 65.20; Н 8.70; N 3.20; Br 14.80.

УФ-, ИК- и ПМР-спектры аналогичны спектрам соединения по примеру 1, и в них присутствуют характеристические полосы поглощения для вещества (1), а именно: в УФ-спектре - полосы поглощения в области 250-280 нм; в ИК-спектре - полосы поглощения в области 3400, 3000-2800 и 1740-1710 см^-1.

Оценку биоцидной активности (бактерицидной и фунгицидной) заявленных четвертичных аммониевых соединений по примерам 1-4 осуществляли общепринятым тест-культурным методом. В качестве тест-культур использовали:

бактерии: Escherichia coli; Proteus vulgaris; Staphylococus aureus; Bacillus megaterium; Pseudomonas aeruginosa; Streptococcus salivarius.

грибы: Aspergillus oryzae; Aspergillus niger; Aspergillus terreus; Chaetomium globosum; Paecilomyces variotii; Penicillium funiculosum; Penicillium chrysogenum; Penicillium cyclopium; Trichoderma viride.

В лунки в агаразированной питательной среде вносят исследуемое вещество в заданной концентрации его в воде. При этом используют водные растворы следующих концентраций (маc. %): 0.05; 0.1; 0.5; 1 (при необходимости и более). Каждая заданная концентрация испытана в трехкратной последовательности. О наличии бактерицидной и фунгицидной активности судят по размеру зоны ингибирования (R, мм) роста тест-культур, которая возникает вокруг лунок с исследуемым соединением.

Для сравнения исследована в аналогичных условиях фунгицидная и бактерицидная активность широко используемого как в Российской Федерации, так и за рубежом препарата Irgasan DP300 (производитель - Ciba Speciality Chemicals, Bazel', Switzerland) - триклозан (2,4,4’-тpиxлop-2’-гидроксидифениловый эфир).

Полученные данные приведены в таблице 1.

Поверхностно-активные свойства предлагаемых четвертичных аммониевых соединений формулы (1) определяют общепринятым классическим способом путем измерения поверхностного натяжения методом максимального давления образования пузырька и методом пластинки Вильгельми. В качестве эталонной жидкости используют бидистиллированную воду, которая при температуре 18°С имеет поверхностное натяжение 73.05 мН/м. Измерение поверхностного натяжения каждого раствора заданной концентрации проводят не менее 4 раз. Поверхностно-активные свойства предлагаемых соединений по примерам 1-4, а именно минимальное поверхностное натяжение (σ_min мН/м) и критическая концентрация мицеллообразования (ККМ, %) приведены в таблице 2.

Предлагаемые соединения обладают эффективной бактерицидной, фунгицидной и поверхностной активностью, благодаря чему могут найти применение в различных областях техники, сельском хозяйстве и медицине. Важно при этом, что их получают из доступного экологически чистого возобновляемого растительного и поэтому практически неисчерпаемого сырья.

Таблица 2
Поверхностно-активные свойства
Четвертичное аммониевое соединение	Минимальное поверхностное натяжение, σmin, мН/м	Критическая концентрация мицеллообразования, ККМ, %
Пример 1	35	0.2
Пример 2	38	0.2
Пример 3	42	0.2
Пример 4	42	0.2

Четвертичные аммониевые соединения на основе смоляных кислот и канифоли общей формулы

где R - этил или бензил, Х - Сl или Вr, обладающие бактерицидной, фунгицидной и поверхностной активностью.