Исследование процесса получения гидрохлорида полигексаметиленгуанидина Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

И. Б. Струнина, Т. Б. Пахомова, П. А. Гуревич,

Б. П. Струнин, В. Н. Калашник, В. Г. Ковалев

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ГИДРОХЛОРИДА ПОЛИГЕКСАМЕТИЛЕНГУАНИДИНА

Ключевые слова: полигексаметиленгуанидин, препарат «Роксацин». polyhexamethylene-

guanidine, the preparation «Roksatsin»

Описан процесс получения препарата «Роксацин». Process of reception of preparation

«Ro^ats^» is described

Производные полигексаметиленгуанидина (ПГМГ) в последнее десятилетие стали весьма перспективными соединениями вследствие проявления биоцидной активности и

используются при создании дезинфицирующих средств. В патентной литературе имеются лишь отрывочные сведения о режимах получения целевого продукта [1].

Полигексаметиленгуанидин относится к ограниченному кругу биоцидных препаратов, способных одновременно действовать как на аэробную, так и на анаэробную микрофлору, присутствующую среди возбудителей гнойных инфекций [2].

На основе ПГМГ нами разработан препарат “Роксацин” - перспективный дезинфектант, который в 5-7 раз активнее перекиси водорода, фенола (карболовой кислоты), хлорамина, атония.

На основе изучения антимикробной активности установлено, что в концентрации 12% «Роксацин» эффективен против гепатита А и В, ВИЧ-1, легионеллы, герпеса, энцефалита, аденовирусов, вирусов азиатского гриппа. Полное подавление микобактерий туберкулеза происходит при действии 4%-го раствора при экспозиции 300 минут. Он эффективно защищает животных от большинства патогенных микроорганизмов, вызывающих тяжелые эпидемии и падеж скота. Поэтому «Роксацин» успешно может использоваться в тех областях, где требуется эффективная антимикробная защита. «Роксацин» можно рекомендовать для дезинфекции на птицефабриках и фермах при эпидемиях колибактериоза, сальмонеллеза, стафилококкоза, бруцеллеза и других инфекциях, по устойчивости относящихся к первой группе, а также при туберкулезе. «Роксацин» апробирован как антисептик для древесины. Для полного обеззараживания от плесневых грибов, разрушающих и окрашивающих древесину, могут быть рекомендованы 1,0% растворы при экспозиции древесины 15 - 60 минут. «Роксацин» не накапливается в организме, является биоразлагаемым веществом. Препарат представляет собой 20 %-ный водный раствор гидрохлорида полигекса-метиленгуанидина. Такая препаративная форма обладает хорошими потребительскими свойствами, а именно: рабочий раствор 1,0 и 2,0 %-ной концентрации может быть легко и быстро приготовлен в любых условиях простым добавлением водопроводной воды. В виде 20 %-ного раствора препарат сохраняет свои свойства в течение 3 лет, не разлагаясь и не выпадая в осадок.

В связи с высокой биоцидной активностью препарата «Роксацин» представляется целесообразным организовать его промышленное производство. Однако для этого необходимы более подробные сведения о кинетике процесса, температурном и временном режи-

ме, возможности контролировать степень превращения реагентов (по количеству выделяющегося газообразного аммиака). Знание тепловых эффектов, установленных с использованием метода дифференциального термического анализа (ДТА), позволяет осуществить оптимальный выбор теплообменного оборудования.

На первом этапе осуществляется конденсация гексаметилендиамина и хлористоводородной соли гуанидина (температура 150—1600С, 5 ч) с образованием соед. 1, которое реагирует со следующей молекулой гидрохлорида гуанидина, приводя к дигидрохлориду Ы,Ы’-(диаминоиминокарбонил)гександиамино-1,6 (соед.2):

НЫ* НС1

t

ИНз—с------ИН2 + Н2М-(СН2)6—ЫН2 ------------► ИНз +

150-160°

НИ* НС1

Н1\ЖС1 II

II —мн2

ИН^С---------НЫ-(СН2)6—ЫН2 ---------------►

1 1,-|\1Н3

Н[\> НС1 НМНС1

ИН^с-------НЫ —(СН2)6 ЫН—с—1мн2

'I

Соед. 2 взаимодействует со следующей молекулой гексаметилендиамина, гидрохлорида гуанидина и т.д., приводя к целевому ПГМГ. Степень поликонденсации в условиях производства можно регулировать, регистрируя объём выделяющегося аммиака.

Кинетические закономерности процесса изучали с помощью дериватографа системы Б. РаиНк, I. РаиНк, Ь. Бгёеу в изотермических условиях.

Термогравиметрические исследования проводили при температурах 900С, 1000С, 1200С, 1400С, 1600С, 1700С и 1800С. На рис.1 представлены температурные зависимости выделения аммиака в процессе взаимодействия гидрохлорида гуанидина и гексаметилен-диамина при эквимольном соотношении.

Рис. 1 - Температурные зависимости взаимодействия гексаметилендиамина и гидрохлорида гуанидина

Для оптимального аппаратурного оформления технологии производства гидрохлорида ПГМГ необходимы сведения о тепловых эффектах, сопровождающих протекание реакций. Они изучены термогравиметрически при нагревании эквимольных количеств исходных компонентов в неизотермических условиях. Скорость нагрева 6 град/мин.

Тепловые эффекты определены по площади, ограниченной кривой дифференциального термического анализа (ДТА), по отношению к площади, ограниченной кривой ДТА репера, имеющего известную теплоту плавления. Кривая ДТА взаимодействия гидрохлорида гуанидина и гексаметилендиамина характеризуется двумя точками перегиба при температурах: 41°С и 180°С. Первая точка соответствует плавлению гексаметилендиамина, сопровождающемуся поглощением тепла +ДН = 15,1 кал/г.

Поликонденсация гексаметилендиамина и гидрохлорида гуанидина осуществляется при температуре 150 - 180°С. Максимальная скорость процесса, определенная по кривой ДТА, соответствует 160°С.

Тепловой эндотермический эффект поликонденсации, определённый по площади, ограниченной кривой ДТА, составляет +ДН = 19,0 кал/г.

Производство исходного гидрохлорида гуанидина в промышленном масштабе может быть организовано из доступного (аминоиминокарбонил)аминонитрила (З) и хлористого аммония нагреванием компонентов при 80 - 150°С [1];

НМ HN-HCI

МН2—с-HN — CN + 2 NH4CI —-—*- 2 МН2—с------------------NH2

З

Побочным продуктом этого взаимодействия является меламин (4), химизм образования которого из соед. З описан в литературе [3]. Считают, что из двух молекул (аминои-минокарбонил)аминонитрила образуется молекула меламина и молекула цианамида (5);

НМ

NH-

мн2-с-нм-см (

+ ™ " II I + м2н-см

мн2-с- нм-см Н2М-С х-мн2

II N

мн

3 4 5

Соединения 3 и 5 реагируют между собой с образованием ещё одной молекулы ме-ламина-4 [4]:

МН2

нм Г|'^С^М

МН2—с—НМ-СМ + м2н-см—^Н2Н-С Х-МН9

м ^

З

5

4

Не исключается возможность тримеризации цианамида в меламин:

nh2

t h I

3N2H-CN----------* N N

H2N-C c-nh2 N ^

5 4

Эти реакции могут проходить в газовой фазе при нагревании до 110°С.

Плавление соед. 3 протекает эндотермически с тепловым эффектом +ДН = 67,6 кал/г. Образование меламина (4) из (аминоиминокарбонил)аминонитрила (3) характеризуется максимальной скоростью при 2530С и сопровождается выделением тепла -ДН = 234,3 кал/г.

Нами термогравиметрически охарактеризован синтез гидрохлорида гуанидина из (аминоиминокарбонил)аминонитрила (3) и хлористого аммония:

t

NH—C-----------CH2CN + 2 NH4CI-----------► 2 NH2—C---NH2

HN HNHCI

Данные дифференциального термического анализа указанного процесса свидетельствуют о поглощении тепла +ДН = 15,4 кал/г при температуре начала реакции 1750С. Плавление гидрохлорида гуанидина (1800С) происходит с эндоэффектом +ДН = 20,3 кал/г. При температуре выше 2700С наблюдается деструкция синтезированного таким образом гидрохлорида гуанидина с выделением газообразных продуктов. Тепловой эндоэффект процесса термического разложения составляет +ДН = 105,9 кал/г.

Биоцидные препараты на основе полигексаметиленгуанидина, в том числе «Рокса-цин», представляют собой смесь полимерных продуктов, степень поликонденсации которых в зависимости от условий синтеза может быть n = 10 - 50. На рисунках 2, 3 и 4 представлены, соответственно, ИК-спектры гексаметилендиамина, гидрохлорида гуанидина и гидрохлорида полигексаметиленгуанидина, подтверждающие их строение.

Рис. 2 - ИК-спектр гексаметилендиамина

ИК - спектры сняты в стандартных условиях в виде таблеток с KBr на ИК— Фурье спектрометре Vektor - 22 фирмы Bruker.

На спектре (рис. 2) имеются полосы, характеризующие валентные колебания N—H и NH2 симметричные и ассиметричные валентные колебания. В твёрдой фазе наблюдаются межмолекулярные водородные связи. Поэтому к vas (NH2) относим полосу 3340 см" ’ а к vs (NH2) - широкую полосу ~ 2900 см"1. На фоне широкой полосы ~ 2900 см"1~ 2900 см-1 имеются полосы 2935 и 2858 см-1, относящиеся к асимметричным и симметричным валентным колебаниям СН2- групп. Полоса 1449 см-1 характеризует деформационные колебания групп СН2. Полосы 1636 и 1565 см-1 относятся к деформационным колебаниям групп NH2.

4000 3000 2000 1500 1000 500

Рис. 3 - ИК-спектр гидрохлорида гуанидина

4000 3000 2000 1500 1000 500

Рис. 4 - ИК-спектр гидрохлорида полигексаметиленгуанидина

Сильная широкая полоса (рис.3) 3400 см характеризует валентные колебания групп NH2, NH и HCl. Эта полоса является следствием наложения полос различных валентных колебаний N-H групп NH2, NH и HCl, которые участвуют в образовании различных водородных связей. Сильная полоса 1650 см-1 относится к валентным колебаниям связи —C=N—. Полоса 1536 см-1 характеризует деформационные колебания группы NH2.

ИК-спектр гидрохлорида полигексаметиленгуанидина близок спектру, представленному на рис. 3. Сильная широкая полоса 3330 см-1 характеризует валентные колебания групп NH2, NH и HCl. Эта полоса является результатом наложения полос различных валентных колебаний N-H групп NH2, NH и HCl, которые участвуют в образовании различных водородных связей. Сильная полоса 1649 см-1 относится к валентным колебаниям связи —C=N—.

Остальные полосы на спектрах (рис. 2, 3, 4) затруднительно отнести к колебаниям отдельных групп, поскольку это нехарактеристические колебания.

Выводы

1. Изучено влияние температуры реакции на превращение гидрохлорида гуанидина и гексаметилендиамина в полигексаметиленгуанидин гидрохлорид.

2. Определены тепловые эффекты плавления гексаметилендиамина и гидрохлорида гуанидина, исследован процесс термической поликонденсации гидрохлорида гуанидина с гексаметилендиамином, что позволяет провести оптимальный подбор аппаратуры при создании технологической схемы производства.

Литература

1. Пат.2191606 РФ, МКП С07С 279/00. Способ получения полигексаметиленгуанидина гидрохлорида / В.М. Соловьев.- заявл. 18.06.01; опубл. 27.10.02, Бюл.№30.

2. Пат.2136155 РФ, МКП А0Ш47/44. Биоцидное средство для сельского хозяйства / Н.П. Баркова, С.И. Лопырев, А.П. Шелупаев.- заявл. 21.05.98; опубл. 10.09.99, Бюл.№25.

3. Юкельсон, И.И. Технология основного органического синтеза / И.И. Юкельсон. - М.: Химия,

1968, - С. 779.

4. Гауптман, З. Органическая химия /пер. с нем. Под ред. проф. Потапова В.М. - М.: Химия, 1979. -С.461.

© И. Б. Струнина - научн. сотр. ООО «Базис», г. Уфа; Т. Б. Пахомова - научн. сотр. ООО «Базис», г. Уфа; П. А. Гуревич - д-р хим. наук, проф. каф. органической химии КГТУ; Б. П. Струнин - д-р техн. наук, проф. каф. оборудования пищевых производств КГТУ; В. Н. Калашник - гл. инженер ООО «Поливит» г. Уфа; В. Г. Ковалев - нач. отдела ООО «Поливит» г. Уфа. е-шаП:ре1х_§игеу1ск@та11.т.