Водорастворимый полиэлектролит с биологически активными свойствами на основе n,n-диаллиламино-этановой кислоты Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

ARCHITECTURE

УДК 541.6

ВОДОРАСТВОРИМЫЙ ПОЛИЭЛЕКТРОЛИТ С БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫМИ СВОЙСТВАМИ НА ОСНОВЕ N.N-ДИАЛЛИЛАМИНОЭТАНОВОЙ КИСЛОТЫ

Бегиева М.Б.,

Доктор химических наук, доцент, кафедра органической химии и высокомолекулярных соединений,

Кабардино-Балкарский госуниверситет

Блиева Л.З.,

Кандидат биологических наук, доцент кафедры микробиологии, вирусологии и иммунологии Кабардино-Балкарский госуниверситет Сахтуева Л.М.,

Кандидат медицинских наук, доцент кафедры хирургии, Кабардино-Балкарский госуниверситет

Хараева З.Ф.,

Доктор медицинских наук., профессор, заведующий кафедрой микробиологии и вирусологии, Кабардино-Балкарский госуниверситет Малкандуев Ю.А.,

Доктор химических наук, профессор, кафедра органической химии и высокомолекулярных соединений, Кабардино-Балкарский госуниверситет

Хараев А.М.,

Доктор химических наук, профессор, кафедра органической химии и высокомолекулярных соединений, Кабардино-Балкарский госуниверситет

WATER-SOLUBLE POLYELECTROLYTE WITH BIOLOGCALLY ACTIVE PROPERTIES OF POLYMERS BASED ON N,N-DIALLYLAMINOETANOIC ACID

Begieva M.

Doctor of Chemical Science, associate professor, departament of organice and of macromolecular compounds, Kabardino-Balkar State University

Blieva L.

Candidate of Biological Science, associate professor, departament of microbiology, virology and immunology, Kabardino-Balkar State University

Sahtueva L.

Candidate of Medical Science, assistant professor of surgery, Kabardino-BalkarState University

Kharaevа Z.

Doctor of Medical Science, professor, departament of microbiology, virology and immunology Kabardino-

Balkar State University Malkanduev Yu.

Doctor of chemical Science, professor, departament of organice and of macromolecular compounds, Ka-

bardino-Balkar State University

Charaev A.

Doctor of chemical Science, professor, departament of organice and of macromolecular compounds, Ka-

bardino-Balkar State University

Аннотация

Обсуждены условия синтеза нового мономера - ^^диаллиламиноэтановой кислоты. Реакцией радикальной полимеризации получен новый полимер поли- ^^диаллиламиноэтановая кислота.

Исследованы антимикробные свойства водорастворимого полиэлектролита. Исследования проводились на музейных культурах кафедры микробиологии, вирусологии и иммунологии медицинского факультета КБГУ, полученных из различных источников. Показано, что полимер на основе N^-диаллил-а-аминокислоты обладает бактеростатическими и бактерицидными свойствами. Более чувствительными являются штаммы S. aureus. Изученные полимеры могут быть использованы в качестве полимерной матрицы при создании перевязочных средств, так называемых «раневых покрытий».

Abstract

The conditions for the synthesis of the new monomer - N, N-diallilaminoetanoic acid. Radical polymerization reaction polymer obtained new poly N, N-diallilaminoetanoic acid.

Investigated the antimicrobial properties of the water-soluble polyelectrolyte. Studies were carried out on the museum culture of the Department of Microbiology, Virology and Immunology, Medical Faculty KBSU obtained

6 Norwegian Journal of development of the International Science No 1,2016

from various sources. It is shown that a polymer based on N, N-diallyl a-amino acid has bakterostaticheskimi and bactericidal properties. More sensitive strains are S. aureus. The examined polymers may be used as the polymer matrix to create dressing means, the so-called "wound dressings".

Ключевые слова: радикальная полимеризация, полимер, мономер, мономер N,N-диаллиламиноэтановой кислоты, поли- Ы,Ы-диаллиламиноэтановая кислота, антимикробная активность.

Keywords: radical polymerization, polymer, monomer, monomer- N,N-diallyl amineetanoic acid, poly- N,N-diallylamineetanoic acid, antimicrob activity .

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время из-за высокой опасности возникновения эпидемических ситуаций и активизацией опасных инфекций, возникает необходимость в разработке принципиально новых сани-тарно - гигиенических мероприятий и профилактических методов. Важнейшим индикатором качества стационарной медицинской помощи является уровень заболеваемости внутрибольничной инфекцией (ВБИ). Нарушения санитарно-эпидемического режима в больничных учреждениях приводят к различным осложнениям и даже смертельным исходам, затягивают сроки выздоровления, приносят ощутимый медико-социальный и экономический ущерб пациентам, лечебно-профилактическим учреждениям, системе здравоохранения и обществу в целом (ежегодно в стране регистрируется около 30 тыс. случаев ВБИ).

Основная масса внутрибольничных инфекций на современном этапе вызывается условно-патогенными возбудителями. К ним относятся: стафилококки, стрептококки, синегнойная палочка, протей, клебсиеллы, кишечная палочка, сальмонеллы, энтеробактер, энтерококки, серрации, бактероиды, клостридии, кандида и другие микроорганизмы. Важнейшим патогенным для человека стафилококком является золотистый стафилококк -Staphylococcus aureus (S. aureus) - стойкий, высоковирулентный, легко приобретающий устойчивость к антимикробным препаратам, грамположитель-ный микроорганизм.

В связи с этим одним из актуальных проблем в решении этого вопроса является создание синтетических и конструкционных полимерных материалов, в частности производство перевязочных средств нового поколения, обладающих антибактериальными и антивирусными свойствами. Современные перевязочные средства по своему дизайну и свойствам существенно отличаются от традиционных. Под термином "раневое покрытие" подразумеваются не только привычные текстильные материалы (марля, сетка, трикотаж, нетканое полотно), но и пленки, пленко - композиции, губки, гидроколлоиды, гели, пасты и комбинации различных материалов [1, 2], в составе которых может находиться биологически активный компонент из ряда проти-воспалительных, болеутоляющих средств, антибиотиков, противогрибковых, антибактериальных, антисептиков, анестезирующих, факторов роста.

Целью нашей работы являлось синтез нового водорастворимого полимера диаллильной природы- поли-Ы,Ы-диаллиламиноэтановой кислоты и изучение его действия на некоторых возбудителей ВБИ.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Получение Ы,Ы-диаллиламиноэтановой кислоты

Ы,Ы-диаллиламиноэтановая кислота (ДААУК) получали алкилированием а-аминоэтановой кислоты хлористым (бромистым) аллилом [3]. Структура синтезированного мономера- диаллила-миноэтановой кислоты подтверждена ИК- и 13С-ЯМР спектроскопией .

Получение полимера

Поли-Ы,Ы-диаллиламиноэтановую кислоту получали в водном растворе реакцией радикальной полимеризации Ы,Ы-диаллиламиноэтановой кислоты в присутствии радикального инициатора, персульфат аммония (ПСА) [4].

Структура синтезированного полимера- поли-диаллиламиноэтановой кислоты подтверждена 13С-ЯМР спектроскопией .

Методы анализа

Спектры 13С ЯМР регистрировались на спектрометре WP-80 фирмы «Брукер» с рабочей частотой на ядрах 13С 10.115 Мгц. при температуре 35-400С. В качестве стандарта использовали внешний эталон. Химические сдвиги 13С ЯМР приведены в 5-шкале и определялись относительно внешнего стандарта по формуле:

8тмс=8 + 49,5 м.д.

Точность измерения химических сдвигов составило +0,03 м.д.

Спектры ИК-спектроскопии

ИК-спектры регистрировались на Spekord М-82 в области 4000-400 см-1. Тонко измельченный образец полимера смешивается с порошком КВг и прессуется под большим давлением в прозрачные тонкие диски. Толщина прессуемого диска 1 мм, диаметр 12 мм, пропускание 95%.

Измерение характеристической вязкости полимеров

Значения характеристической вязкости поли-Ы,Ы-диаллиламиноэтановой кисоты были определены вискозиметрическим методом в 0,1н растворе №С1 при 250С. Молекулярные веса определяли по формуле Марка-Куна-Хаувинка: И=1,12х 10-4 Ы0-82

Коэффициенты К и а были определены для 1н раствора №С1 при 250С [5].

Исследования проводились на музейных культурах кафедры микробиологии, вирусологии и иммунологии медицинского факультета, полученных из различных источников. Всего в работе использовано 15 штаммов золотистого стафилококка и 15 штаммов кишечной палочки.

Исследуемые музейные культуры сначала культивировали на плотной среде, а затем вырастили каждый штамм в мясо-пептонном бульоне. Для проведения эксперимента использовалась техника посева бульонной культуры сплошным газоном на агаровой чашке Петри. Затем на соответствующие участки чашки наносили петлёй 10% раствор полимера. Для лучшего впитывания раствора чашки оставлялись на горизонтальной поверхности на 30 минут. Результаты испытаний учитывали после 18-24 часов инкубации в термостате при 370С. При этом фиксировали все виды литиче-ских реакций - от единичных колоний до сливного лизиса бактериальной культуры [6].

Полимер-поли-Ы,Ы-даллиламиноэтановую кислоту (ДААУК) использовали с молекулярной массой (Мг=1500-45000).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ 1. Синтез и исследование структуры N,N -диаллиламиноэтановой кислоты

К

В настоящее время синтезу мономеров диалли-льной природы, а также полимеров на их основе уделяется большое внимание. Интерес исследователей обусловлен широким спектром применения водорастворимых ионогенных полимеров, поэтому актуальной является проблема синтеза растворимых полиэлектролитов, которые обладали бы комплексом ценных свойств, в частности, амфофиль-ными свойствами.

Из литературы известно, что достаточно сложно получать алкилированные а - аминокислоты. В работе [7] авторами было показано, что основные и кислые аминокислоты не реагируют с бромистым аллилом и не образуют продукты замещения. Затруднения, связанные с проведением ал-килирования а - аминокислот, по-видимому, связано с тем, что а - аминокислоты являются амфо-терными (биполярными) соединениями и отвечают общей формуле, для алкилирования а - аминокислоты ее необходимо перевести в анионную форму:

C^-COO"

U

NH 3

В водном растворе в зависимости от рН среды молекула принимает формы:

О

H . N CH C

R OH

H

H

O +

+ / -H

H3N с H с ^^ nh2

R

O

H

CH

R

с

O

O

Сильнокислая среда Биполярный ион Сильно- СХЕМА 1

щелочная среда Депротонирование аминокислоты приводит к обра-

Катионная форма Анионная форма зованию анионной формы а - аминокислоты:

№ОН , рН >12

N H 3 CH C O O

R

N H, C H C O O

R

в которой основные свойства ЫИг - группы усили- в молекуле которой содержались бы функциональ-ваются, в результате чего возможно протекание реакции ные группы как положительно, так и отрицательно

алкилирования.

заряженные, нами проводилась реакция алкилиро-

Для синтеза Ы,Ы- диаллиламиноэтановой кис- вания а - аминоэтановой кислоты хлористым алли-лоты (ДААУК) - мономера диаллильной природы, лом.(Схема 2)

nh2 CH2 C 2 CH2=CHCH2CI O

где R=H

2NaOH 2NaCI

NaOH NaCI

СХЕМА 2

CH2 CH CH CH2 CH = CH2

N

H ^H2 COO-

A

NH2 CH C O CH2 CH = CH2 \ R O

B

При алкилировании а - аминокислоты теоретически возможно получение продуктов по схеме (А) - алкилирова-ние по аминогруппе и по схеме (В) - с образованием сложного эфира.

Идентификацию образующегося продукта, проводили сравнением полос поглощения характеристических групп

0.6

0.5

§0.4 я

я X и

§ 0.3

ft

с

0.2

0.1

0.0 1

ИК - спектров. В аминокислоте (рис.1) присутствуют две функциональные группы - ЫН2 и -СОО—, для которых характерны полосы поглощения в области 3100 - 3400 см -1 для ассоциированной группы ЫН2; и в области 1725 -1680 см -1 для карбоксильной группы -СОО— .

500

1000

1500

2000

3000'

2500 3000 3500

Волновое число, 1/см

Рис. 1 ИК-спектр аминоэтановой кислоты

В случае протекании реакции по схеме (А) и получении - - диаллиламиноэтановой кислоты формулы:

СН2= СН СН=СН2 СН2 СН2

H

CH2 COO

аналитическим сигналом, служащим подтверждением реакции алкилирования, является присутствие спектра интенсивного поглощения в области 1620см -1, что характерно для присутствия С=С- группы. Не наблюдается полоса поглощения в области 1750-1735

см -1, что свидетельствует об отсутствии сложноэфирной -СОО группы, и присутствует интенсивная полоса поглощения в области 1485 см -1 характерная для деформационных колебаний Ы+Я3 -группы (рис.2).

0.80 --

0.75

u

s

К

g 0.70

о

С 0.65

0.60

0.55

0.50 -•

r\

-1—I—П-1—I-1-1-1—I-1-1-1—I—I-1-1-1-1-1—I—I-1—I-1-1-1-1-1-1-1-1-1—

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

Волновое число, см-1 Рис.2. ИК-спектр Ы,Ы — диаллиламиноэтановой кислоты

4000

Таким образом, из анализа ИК - спектра можно делать вывод о протекании реакции алкилирования по аминогруппе с получением диаллильного мономера в протонированной форме.

Структура углеродного скелета синтезированного мономера- Ы,Ы- диаллиламиноэтановой кислоты подтверждена 13С-ЯМР спектроскопией

(рис.3, табл.3), данные которого согласуются с результатами ИК-спектроскопии.

Ниже приведены структуры исходных аминокислот и ожидаемых диаллильных производных (без учета возможного положения протона у азота, а не у карбоксильной группы).

4' 5' 1 2 3 4 5 ЫЬЬС'ЬЬС'ООН (СН2=СНСН2)2МСН2СООН

д, м.д.

Рис.3. 13С-ЯМР NN - диаллиламиноэтановой кислоты Данные 13С -ЯМР спектроскопии в Р2Р Ы,Ы- диаллиламиноэтановой кислоты

Таблица 3

Образец 6C или 6'C 3C 4C или 4'C !C 2C 5C или 5'C 7C или 7'C

ДААУК - 58.76 58.27 122.12 135.76 180.47 -

2. Исследование реакции полимеризации ^Диаллиламиноэтановой кислоты

Радикальную полимеризацию NN - диаллиламиноэтановой кислоты осуществляли в водных растворах в условиях термического инициирования.

Проведение реакции полимеризации без инициаторов радикального характера показало, что реакция практически не протекает. Данный факт свидетельствует об отсутствии катионной полимеризации. Условия и результаты полимеризации представлены в табл.4.

Таблица4

Результаты реакции радикальной полимеризации NN - диаллиламиноэтановой кислоты_

Мономер, [М]= 2 моль/л Инициатор [I]=5x10-3 Среда полимеризации Температура, °С Выход, % Привед. вязкость (П привед). дл/г

ДААУК [ПСА] Вода 60 56 0,25

[ПСА] Вода 75 68,3 0,35

[ПСА] Водно -спиртовая 60 45 0,10

[ПСА] Водно -спиртовая 75 51 0,12

[ПБ] (перекись бензоила) Водно -спиртовая 75 35,5 0,10

Как видно из таблицы 4, наиболее высокие зна- Реакция радикальной полимеризации поли-

чения приведенной вязкости получили в водном ^^диаллиламиноэтановой кислоты протекает по

растворе в присутствии в качестве инициатора схеме 3 ПСА при температуре 75° С.

СН

n

СН СН2

СН = СН2

N

СН

СН

CH2 COO

R"

СХЕМА 3

СН СН2

СН СН2

H

CH

СН

n

2

COO

Структура синтезированной поли-N,N-диалли- (рис.4). Данные 13С -ЯМР спектроскопии в Б20 при-ламиноэтановой кислоты установлена на основе ведены в табл. 5. данных элементного анализа и 13С -ЯМР спектра

Таблица 5

Данные 13С -ЯМР спектроскопии в D2O поли- N,N- диаллиламиноэтановой кислоты

Образец 6C или 6'C 3C 4C или 4'C !C 2C 5C или 5'C 7C или 7'C

ПДААУК - 58.82 58.00 123.31 134.48 179.23 -

В отличие от ранее исследованных мономеров диал-лильной природы мы предполагаем, что в молекуле N,N -диаллиламиноэтановой кислоты присутствует -СОО— группа, которая будет оттягивать на себя электронную плотность, в результате чего, а - подвижный атом Н при ал-

лильной группе будет фиксированным, конкурентная способность отрыва подвижного атома водорода будет уменьшатся, за счет чего и вклад деградационной передачи цепи на мономер уменьшится, повышая эффективную передачу цепи на мономер.

д, м.д.

Рис.4. ЯМР 13С-спектр N,N- диаллиламиноэтановой кислоты

Проведено исследование влияния азтсодержа-щего водорастворимого полиэлектролита диалли-льной природы на тест-культуру золотистого стафилококка.

После взаимодействия водорастворимого полиэлектролита с тест-культурой стафилококка наблюдалось угнетение ее роста, было установлено также, что после непосредственного контакта с исследуемым материалом наблюдается гибель микрофлоры.

Среди исследованных штаммов S. aureus высокую чувствительность к полимеру проявили 9

штаммов (60%), из которых 4 получены при посеве с миндалин при тонзиллитах, 5 штаммов из гнойного отделяемого распространненых флегмон че-люстно-лицевой области и 3 штамма выделенные из крови. Чувствительными к полимеру оказались 6 штаммов (40%), из которых 1 штамм получен при посеве с миндалин, 2 штамма из гнойного отделяемого и 3 штамма выделенные из крови. Устойчивых к полимеру штаммов S. aureus среди исследованных культур не обнаружено (табл. 6).

Таблица 6

Чувствительность S. aureus к полимерам

Группа Число Число/процент штаммов с различным уровнем чувствительности к полимерам

штаммов штаммов Высоко чувствительные Чувствительные Устойчивые

Клинические: посев с миндалин 5 4/80% 1/20% -

гнойное отделяемое 7 5/71,4% 2/28,6% -

кровь 3 - 3/100% -

Всего 15 9/60% 6/40% -

ВЫВОДЫ

1. Проведённое исследование показало, что различные возбудители внутрибольничных инфекций проявляют высокую чувствительность к гидрофильным азотсодержащим полимерам, которые оказывают бактерицидное и бактериостатическое действие в первую очередь на грамположительные бактерии.

2. Изученный полимер могут быть использован в качестве полимерной матрицы при создании

перевязочных средств, так называемых «раневых покрытий».

Список литературы:

1. Рана. Повязка. Больной. Руководство для медсестер// Г.И. Назаренко, И. Ю. Сугурова, С.П.Глянцев - М.: Медицина, 2002.- С.125

2. Биологически активные перевязочные средства в комплексном лечении гнойно-некротических ран //под. ред. В. Д. Федорова - М.: МЭ РФ,

2000. Раневые повязки и покрытия - Медицина,здо-ровье-реферат [Электронный ресурс] htt:// www. kazedu.kz/referat/ 114972

3. ^^диаллиламиноэтановая кислота и способ получения./ М.Б.Бегиева, А.М. Хараев, Р.Ч. Ба-жева, А.А. Альмова, Ю.А. Малкандуев. // Патент (РФ) № 2458045 - От 10. 08.2012. - Заявка № 2010108879 от 11.03.2010г.

4. Поли-^^диаллиламиноэтановая кислота./ М.Б. Бегиева, А.М. Хараев, Р.Ч. Бажева, А.А.

Альмова, Ю.А. Малкандуев, А.К. Микитаев. // Патент (РФ) №2439 086 - от 10.01.2012- Заявка № 2010119316 /04 от 13.05.2010г.

5. Нажметдинова Г.Т. Радикальная полимеризация галоидных солей Ы,Ы-диалкил-Ы,Ы-диаллиламмония. //дисс. канд. хим. наук. - М: ИНХС. АН СССР, 1983. 189С.

6. Приказ №5 Минздрав СССР

7. Канао С., Сакаери Я. «Якугаку дзасси, Ya-kugaku zasshi, J. Phrmac. Soc. Japan»1966, 86, №1161105-1108, РЖХ.