Результат интеллектуальной деятельности: БОРОРГАНИЧЕСКИЕ ПРОИЗВОДНЫЕ МОНОЭТАНОЛАМИНА, ОБЛАДАЮЩИЕ АНТИМИКРОБНОЙ АКТИВНОСТЬЮ

Изобретение относится к области дезинфекции, в частности дезинфицирующим средствам, а именно к борорганическим производным моноэтаноламина, проявляющим антимикробную активность, и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства - в быту, в медицинских учреждениях, сельском хозяйстве, для обеззараживания помещений, различных конструкций, приборов, посевного материала и т.д. Изобретение также относится к области органической химии, а именно к борорганическим производным моноэтаноламина и способу их получения.

Антисептические и дезинфицирующие средства продолжают широко использоваться в различных медицинских и профессиональных условиях, в определенных косметических средствах, а также в быту. Состав современных препаратов включают в себя альдегиды (глутаральдегид и формальдегид), гуанидины (хлоргексидин и полигексаметиленгуанидин), цетримид, триклозан, этиленоксид и гипохлорит натрия, этанол, изопропанол и др. (Dirk W. Lachenmeier, Chapter 22 - Antiseptic drugs and disinfectants, Sidhartha D. Ray, Side Effects of Drugs Annual, - 2019 - V. 41. P. 251-256. doi.org/10.1016/bs.seda.2019.07.005.). Распространенными антисептиками являются четвертичные аммонивые соединения (бензалконияхлорид (ВАС), цетилтриметиламмониябромид (СТМВ), цетилпиридинхлорид (Cetrim, СРС), хлоридбензетония (БЗТ), мирамистин), триамины (додецилдипропилентриамин). С конца XIX века известны обнаруженные французским химиком Жаном Батистом Дюма антисептические свойства борной кислоты, которая до сих пор применяется для лечения грибковых инфекций и входит в состав противовирусных средств, несмотря на достаточно низкую эффективность - борная кислота, согласно М.Д. Машковскому, оказывает антимикробное действие в минимальной концентрации 2% - и высокую токсичность. При остром отравлении людей она поражает мозг, слизистые оболочки и кожу, а при хроническом - кроветворные и половые клетки. Токсикологи показали, что микроэлемент бор относится к группе так называемых общеклеточных ядов, только высокая стабильность борной кислоты в организме человека делает ее относительно безвредной. Но небольшое количество борной кислоты все же расщепляется. Особенно опасна борная кислота для развивающихся эмбрионов и детей (см., например, В. Прозоровский - «Когда взрослые лекарства опасны для детей» - Наука и жизнь - 1983 - №5; В. Прозоровский - «Коварная борная кислота» - Наука и жизнь - 2003 -№11).

Таким образом, поиск новых экономически рентабельных, легко получаемых из доступных исходных соединений средств, обладающих антимикробными свойствами и проявляющих при этом низкую токсичность, является актуальной задачей.

Сведения о наличии антисептических свойств борорганических производных моноэтаноламина не выявлены авторами из предшествующего уровня техники.

Описаны различные способы получения борорганических производных этаноламина.

Так, в (RU 2355820 С1, 20.05.2009; RU 2355820 С1, 20.05.2009; RU 2370512 С1, 20.10.2009; RU 2370513 С1, 20.10.2009), где предложены ингибитор коррозии металлов и солеотложений, охлаждающая жидкость, антифриз, жидкость для выработки кож, в состав которых входит борэтаноламин (БЭА), для его получения используют реакцию конденсации этаноламинов (моно-, ди- или триэтаноламина) с борной кислотой в мольном соотношении 2:1 с азеотропной отгонкой воды при 160-180°С до прекращения выделения воды. После охлаждения до 70-80°С в полученный продукт добавляют воду для растворения продукта. Бораты этаноламинов представляют собой прозрачные светло-желтые растворы с рН 10-11 и аминным числом 185-195 мг HCl/г. Недостатком является использование высоких температур, что приводит к значительным экономическим потерям, а также необходимость сначала избавляться от воды, а затем ее добавлять в продукт реакции.

В (CN 102558208 А, 11.07.2012) описан способ получения борорганического производного этаноламина при смешении моноэтаноламина с кристаллами борной кислоты с добавлением смеси концентрированных серной и азотной кислот при температуре, достигающей 50-100°С в течение 24-48 часов с дальнейшим многоступенчатым фильтрованием и отстаиванием. Недостатком способа является длительный период проведения синтеза, присутствие большого количества примесей в конечном продукте и многоступенчатое выделение целевого продукта.

В (CN 102532602 A, 04.07.2012) раскрывается способ получения боратного эфира при смешении борной кислоты, моноэтаноламина и толуола в соотношении 1:2:1.2, и азеотропной отгонкой воды при температуре 110-120°С в течение 4-7 часов с последующим добавлением N-гидроксиметилакриламида и ингибитора полимеризации и проведением реакции при температуре 50-70°С и степени вакуумирования менее 0,1 Мпа. Недостатком способа является использование растворителя, и высокая температура проведения синтеза.

Авторами (Получение этиламин(N→В)-тригидроксибората / И.В. Котенева, И.А. Котлярова, В.И. Сидоров, Е.М. Мясоедов - Вестник МГСУ. - 2011 - №4. С. 156-162) изучен состав и строение продукта реакции, образующегося в системе борная кислота - моноэтаноламин - вода при эквимольном соотношении борной кислоты и моноэтаноламина.

Из (US 2014342172 A1, 20.11.2014), где заявлена композиция для консервации древесины, включающая боратные эфиры и пентахлорфенол в масле, известен способ получения боратных эфиров, включая борэтаноламин, взаимодействием С1-С6 моноалканоламина, в том числе моноэтаноламина, борной кислоты и воды в соотношении мас. % 2-43:20-80:2-27 соответственно. Борную кислоту добавляют порционно к смеси С1-С6 моноалканоламина и воды при перемешивании и охлаждении реакционной смеси вследствие экзотермичности реакции, поддерживая температуру 60-66°С. После завершения добавления борной кислоты реакционную смесь выдерживали при нагревании 60-66°С до полного растворения борной кислоты.

Изобретение, описанное в (US 4332609 A, 01.06.1982), относится к способу удобрения растений полиборатами, включающими продукт реакции соединения борной кислоты и алканоламина (предпочтительным является моноэтаноламин) или алифатического полиамина. Борорганические производные этаноламина согласно указанному источнику получают добавлением борной кислоты к подогретому водному раствору моноэтаноламина в предпочтительном молярном отношении от 1:1 до 6:1, более предпочтительное молярное соотношение составляет от примерно 2,5:1 до примерно 3,5:1.

Способы получения борорганических производных этаноламина, описанные в последних трех источниках, являются близкими аналогами способа получения борорганических производных моноэтаноламина по изобретению. Недостатком указанных способов и использование воды в качестве растворителя, что приводит к образованию моноэтаноламинтригидроксиборана, т.е. солей борной кислоты и моноэтаноламина, а не боратных эфиров.

Таким образом, задачей настоящего изобретения является поиск новых экономически рентабельных средств, обладающих антимикробными свойствами, проявляющих при этом низкую токсичность, и расширяющих арсенал известных биоцидов, а также новый способ их получения с высоким выходом целевых продуктов, свободный от недостатков аналогов.

Техническим результатом изобретения являются антимикробная активность заявляемых средств при одновременном проявлении низкой токсичности и расширение ассортимента действующих веществ дезинфицирующих агентов. Технический результат также состоит в особых режимах получения заявляемых биоцидных средств, отсутствии растворителя во время их синтеза, что приводит к полной конверсии моноэтаноламина, отсутствию необходимости выделения и очистки целевых продуктов, их высокому выходу и снижению расходов.

Поставленная задача решается, и технический результат достигается борорганическими производными моноэтаноламина, обладающими антимикробными свойствами, получаемыми взаимодействием моноэтаноламина с борной кислотой при мольном соотношении 1:1-2 при температуре 80-110°С.

Способ осуществляют следующим образом: моноэтаноламин предпочтительно, но необязательно нагревают до температуры 45-50°С, затем добавляют, преимущественно порционно, борную кислоту в мольном соотношении 1:1-2 соответственно и интенсивно перемешивают при температуре 80-110°С до окончания реакции, которое контролируют по количеству выделившейся в процессе реакции воды - в течение примерно 0,5-3 часов. Целевой продукт представляет собой прозрачные бесцветные или со слегка желтоватым оттенком слабовязкие или вязкие (динамическая вязкость продуктов БЭА: 9,8 - 70 Н*сек/м²) жидкости без особого запаха, рН=6,4-10,1 (10%-ный водный раствор).

Характеристики полученных по описанному способу заявляемых средств приведены в таблице 1 и в соответствующих примерах, иллюстрирующих изобретение.

В случае эквимольных количеств реагентов получают борэтаноламин. В случае избытка борной кислоты (до двукратного), образуются смеси борорганических производных моноэтаноламина -смесь борэтаноламина, его солей, бораты и полибораты.

Увеличение двукратного избытка борной кислоты приводит к образованию в процессе реакции твердого трудноперемешиваемого продукта, что создает сложность при перемешивании в процессе синтеза и требует использования более сложного оборудования, замедляет синтез и в конечном итоге ведет к увеличению расходов.

В качестве исходных реагентов использовали борную кислоту (ХЧ) производства Eti Maden Genel , моноэтаноламин (98%) производства Merk (Sigma-AldrichE9580) или ОАО Казаньоргсинтез ТУ 2423-159-00203335-2004. При использовании моноэтаноламина ТУ 2423-159-00203335-2004 цвет получаемых продуктов может варьироваться от бесцветного до светло-желтого.

рН регистрировали на рН-метре Hanna HI2210-02. Спектры ЯМР ¹¹В зарегистрированы на высокоэффективном цифровом ЯМР-спектрометре AVANCE IITM 400 МГц, стандарт - BF₃OEt₂. Элементный анализ проводили на высокотемпературном анализаторе Euro ЕА3028-НТ-ОМ Eurovector S.p.A. Масс-спектры сняты на спектрометре AmaZon X «Bruker». Содержание бора определяли на эмиссионном спектрометре с индуктивной связанной плазмой iCAP 6300, Thermo Electron, США. ИК-спектры были записаны на ИК-Фурье спектрометре Tensor 37 на пластинках KBr в виде жидкой пленки.

Отсутствие растворителя позволяет получать целевой продукт с высоким выходом без дополнительных операций выделения и очистки, что делает способ простым и более экономичным. В качестве исходных соединении для синтеза могут быть использованы промышленно доступные регенты. Отсутствие воды как растворителя способствует образованию борноэфирной связи.

Разделение получаемых вышеописанным способом соединений не требуется, поскольку как борэтаноламин, так и образующаяся смесь соединений, обладают антимикробной активностью, сведения о наличии которой ранее не описаны.

Изобретение иллюстрируется примерами получения заявляемых средств и исследованиями их антибактериальной и антигрибковой активности.

Пример 1.

В реактор, снабженный холодильником для отгона конденсата паров воды и мерным водосборным коллектором, объемом 300 л приливают 100 кг (1,63 кмоль) моноэтаноламина и нагревают до температуры 45-50°С. После достижения температуры порциями при перемешивании добавляют 102 кг (1,63 кмоль) борной кислоты. Далее температуру реакционной смеси доводят до 85°С и перемешивают при такой температуре в течение 4 часов. Получают средство 1 в виде бесцветной прозрачной слабовязкой жидкости с выходом 170 кг (98,3%). рН (10% р-ра в Н₂О) = 10,1. Масс-спектр (m/z) 102,5. ИК спектр (жидкая пленка, ν, см^-1): 3192 (ОН); 2892, 1401 (СН₂); 1582 (NH₃⁺); 1009 (СО). Спектр ЯМР ¹¹В (400 МГц, H₂O) δ=4,79. Элементный анализ, найдено (%): С 22.9; Н 8; N 13,4; В 10,3.

Пример 2.

Пример 2 осуществляют в условиях примера 1, однако в реакционную смесь добавляют 111,4 кг (1,8 кмоль) борной кислоты. Получают средство 2 в виде бесцветной прозрачной слабовязкой жидкости с выходом 179 кг (98,4%). рН (10% р-ра в H₂O) = 10. Масс-спектр (m/z) 102,5; 279,2; 329,1. ИК спектр (жидкая пленка, ν, см^-1): 3232 (ОН); 2890, 1408 (СН₂); 1588 (NH₃⁺); 1023 (СО). Спектр ЯМР ¹¹В (400 МГц, H₂O) δ=4,73. Элементный анализ, найдено (%): С 22,6; Н 7,8; N 12,6; В 10,7.

Пример 3.

Пример 3 осуществляют в условиях примера 1, однако борной кислоты в реакционную смесь добавляют 131,6 кг (2,12 кмоль). Получают средство 3 в виде бесцветной прозрачной вязкой жидкости с выходом 200 кг г (98,5%). рН (10% р-ра в H₂O) = 9,3. Масс-спектр (m/z) 102,5; 279,2; 329,1. ИК спектр (жидкая пленка, ν, см^-1): 3184 (ОН); 2896, 1411 (СН₂); 1574 (NH₃⁺); 1030 (СО). Спектр ЯМР ¹¹В (400 МГц, H₂O) δ=4,78. Элементный анализ, найдено (%): С 19,6; Н 7,4; N 11,3; В 11,4.

Пример 4.

Пример 4 осуществляют в условиях примера 1, однако борной кислоты в реакционную смесь добавляют 151,8 кг (2,45 кмоль). Получают средство 4 в виде бесцветной светло-желтой прозрачной вязкой жидкости с выходом 220 кг (98,9%). рН (10% р-ра в H₂O) = 8,9. Масс-спектр (m/z) 102,5; 279,2; 329,1. ИК спектр (жидкая пленка, ν, см^-1): 3201 (ОН); 2896, 1404 (СН₂); 1598 (NH₃⁺); 1016 (СО). Спектр ЯМР ¹¹В (400 МГц, H₂O) δ=4,78. Элементный анализ, найдено (%): С 17,7; Н 7,1; N 10,3; В 11,9.

Пример 5.

Пример 5 осуществляют в условиях примера 1, однако борной кислоты в реакционную смесь добавляют 172,1 кг (2,78 кмоль). Получают средство 5 в виде бесцветной вязкой жидкости с выходом 240 кг (99,1%). рН (10% р-ра в H₂O) = 8,9. Масс-спектр (m/z) 102,5; 279,2; 329,1. ИК спектр (жидкая пленка, ν, см^-1): 3183 (ОН); 2894, 1405 (СН₂); 1604 (NH₃⁺); 1011 (СО). Спектр ЯМР ¹¹В (400 МГц, H₂O) δ=4,76. Элементный анализ, найдено (%): С 16,2; Н 6,9; N 9,4; В 12,4.

Пример 6.

Пример 6 осуществляют в условиях примера 1, однако борной кислоты в реакционную смесь добавляют 202,5 кг (3,27 кмоль). Получают средство 6 в виде светло-желтой прозрачной густой жидкости с выходом 270 кг (98,9%). рН (10% р-ра в H₂O) = 6,4. Масс-спектр (m/z) 279,2; 329,1. ИК спектр (жидкая пленка, ν, см^-1): 3197 (ОН); 2896, 1411 (СН₂); 1615 (NH₃⁺); 1013 (СО). Спектр ЯМР ¹¹В (400 МГц, H₂O) δ=4,72. Элементный анализ, найдено (%): С 14,4; Н 6,6; N 8,4; В 12,9.

Пример 7.

Пример 7 осуществляют в условиях примера 1, однако борную кислоту в реактор вносят без предварительного подогрева моноэтаноламина. Получают средство 1 с выходом 167 кг (97,3%).

Пример 8.

Пример 8 осуществляют в условиях примера 1, однако после добавления борной кислоты борную кислоту в реактор синтез проводят при 100°С и перемешивают в течение 2 часов. Получают средство 1 с выходом 166,5 кг (97%).

Пример 9.

Пример 9 осуществляют в условиях примера 1, однако после добавления борной кислоты синтез проводят при 110°С и перемешивают в течение 1,5 часов. Получают средство 1 с выходом 168 кг (97,8%).

Приведенные примеры 1, 7-9 иллюстрируют, что внесение борной кислоты в реактор без предварительного подогрева моноэтаноламина, равно, как и уменьшение времени синтеза приводит к незначительному снижению выхода целевого продукта, который в любом случае не снижается ниже 97%, при этом увеличение температуры способствует увеличению выхода продукта даже при значительном уменьшении времени реакции.

Антимикробная активность.

Антимикробную активность борорганических производных моноэтаноламина определяли методом серийных разведений в бульоне Мюллера Хинтона для бактерий (CLSI. Methods for Dilution Antimicrobial Susceptibility Tests for Bacteria That Grow Aerobically. In 11^th ed. Wayne, Pennsylvania, USA, 2018; pp. 112) и в среде Сабуро для грибов (NCCLS. Reference Method for Broth Dilution Antifungal Susceptibility Testing of Yeasts. In Approved Standard-Second Edition. Wayne, Pennsylvania, USA, 2002; pp. 31). Использованы следующие тест-культуры из Всероссийской коллекции микроорганизмов: грамположительная бактерия Staphylococcus aureus АТСС 6538P FDA 209P, грамотрицательнаярия Escherichia coli ATCC 25922, и грибы Aspergillus niger BKMF-1119 и Candida albicans ATCC 10231. Концентрация микроорганизмов в опытных пробирках составляла 3,0×105 КОЕ / мл. Опытные культуры бактерий инкубировали при 37°С в течение 7 суток, грибные штаммы выдерживали при 25°С в течение 14 суток. Эксперимент повторяли три раза. Результаты минимальной ингибирующей концентрации (МИК) регистрировали путем оценки роста микроорганизмов («-» - рост микроорганизмов не наблюдается, «+» наблюдается рост микроорганизмов).

Сведения об антимикробной активности борорганических производных моноэтаноламина в сравнении с препаратами контроля - борной кислотой (ХЧ производства Eti Maden Genel ), и хлоргексидином (Регистрационное удостоверение ЛС-001919 ООО «РОСБИО») представлены в таблице 2.

Эти данные показывают, что все представленные в таблице 2 средства проявляют бактериостатическую и фунгистатическую активность (останавливают рост микроорганизмов), и по активности превосходят борную кислоту, и не уступают, а в большинстве случаев превосходят хлоргексидин.

Так, МИК заявляемых средств в отношении бактерий Staphylococcus aureus и Escherichia coli составляет 0,001-0,01%, в то время как МИК борной кислоты - 0,5%, хлоргексидина - 0,01% и 0,1% соответственно.

МИК заявляемых средств в отношении грибов варьируется 0,5% (для обоих видов) для соединения, полученного по примеру 1 до 0,001% (в отношении Aspergillus niger) и 0,01% (в отношении Candida albicans) для соединения, полученного по примеру 6; МИК борной кислоты составляет 0,5%, хлоргексидина - 0,1% для каждого вида грибов.

Данные таблицы 2 свидетельствуют, что несмотря на то, что борная кислота обладает менее выраженным антимикробным действием по сравнению с предлагаемыми средствами, антимикробная активность усиливается для средств, полученных с большим избытком борной кислоты, - для средства, полученного по примеру 6, МИК в отношении всех исследованных микроорганизмов, кроме Candida albicans, составляет 0,001% (в отношении Candida albicans - 0,01%), для средства, полученного по примеру 1, МИК в отношении бактерий 0,1%, в отношении грибов -0,5%.

Полученные соединения обладают также бактерицидной и фунгицидной активностью по отношению к микроорганизмам. Бактерицидную активность соединений оценивают по МБК - минимальной бактерицидной концентрации (Barry A.L., Craig W.A., Nadler Н., et al. Methods for determining bactericidal activity of antimicrobial agents: approved guideline / Clinical and Laboratory Standards Institute - 1999. - V. 26). Для определения МБК выполняют те же операции, что и при определении МИК в жидкой среде. Аналогично оценивают минимальную фунгицидную концентрацию (МФК). Результаты продемонстрированы для средства, полученного по примеру 6. После проведения эксперимента по исследованию МИК из каждой лунки отбирали ал и квоты (10 микролитров) суспензии с культивированными микроорганизмами и растворами средства бисследуемых концентраций (0,0001-1%) и высеивали на соответствующую для бактерий и грибов питательную среду. Опытные культуры бактерий инкубировали при 37°С в течение 7 суток, грибные штаммы выдерживали при 25°С в течение 14 суток. Эксперимент повторяли три раза. Результаты минимальных бактерицидной и фунгицидной концентраций (МБК/МФК) регистрировали путем оценки роста микроорганизмов. Так для Staphylococcus aureus и Escherichia coli МБК составили 0,001% и 0,01% соответственно, для Aspergillus niger и Candida albicans МФК составили 0,01% и 0,1% соответственно.

При этом токсичность заявляемых борорганических производных моноэтаноламина очень низка, например, токсичность 50%-ного водного раствора средства, полученного по примеру 4, составляет:

средняя смертельная доза при нанесении на кожу (LD 50) - более 2100 мг/кг, крысы;

острая ингаляционная токсичность (LC 50) - 1450 мг/м³, мыши;

острая пероральная токсичность (LD 50) - более 8700 мг/кг, мыши.

Остальные средства имеют подобную токсичность.

Таким образом, предложены расширяющие арсенал известных биоцидов новые средства, которые в связи с установленной их антибактериальной и антигрибковой активностью и одновременно низкой токсичностью представляют интерес как действующее вещество нового антисептического и дезинфицирующего препарата.

Предложен простой и экономичный способ их получения с высоким выходом (97,0-99,1%) целевых продуктов.