PL204957B1 - Środki krzemoorganiczne hamujące rozwój szczepów bakterii, grzybów i innych drobnoustrojów, oraz sposób ich wytwarzania - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest otrzymany przez Zgłaszającego środek, stanowiący mieszaninę nowych związków krzemoorganicznych w dużej części rozpuszczalnych w wodzie lub w mieszaninie wody i alkoholu oraz wykazujących zróżnicowane działanie hamujące rozwój różnych drobnoustrojów, a zwł aszcza rozmaitych szczepów bakterii i zarodników grzybów.

Środki będące przedmiotem wynalazku stanowią mieszaninę polisilseskwioksanów zawierających drugorzędowe, trzeciorzędowe i/lub czwartorzędowe grupy amoniowe, podłączone do krzemu poprzez grupę węglowodorową, korzystnie poprzez mostek trimetylenowy. Przedmiotem wynalazku jest także sposób wytwarzania tych związków.

Stan techniki

Sole amoniowe są znane jako środki hamujące rozwój bakterii, grzybów i glonów. Środki te są najczęściej czwartorzędowymi solami amoniowymi zawierającymi jeden dłuższy podstawnik alkilowy. Przyjmuje się, że ich działanie polega na rozrywaniu błon komórkowych drobnoustroju na skutek napięcia powierzchniowego wywołanego przez amfifilowy biocyd. Niewątpliwie dużą rolę w tym procesie odgrywa dodatni ładunek grupy amoniowej [E.-R. Kenawy, F.I. Abdel-Hay, A.B.D. El. Raheem, R. El. Shanshoury, M.H. El-Newchy J. Pol. Sci. Part A Polymer Chemistry, 40, 2384 (2002)]. Znana jest również biologiczna aktywność związków krzemoorganicznych, w których jeden z podstawników organicznych zawiera grupę amoniową związaną z krzemem poprzez atomy węgla.

Do najczęściej używanych środków z tej grupy należy chlorek [3-(trimethoxysililo)propylo]octadecylodimetyloamoniowy (Q9-5700) produkowany przez firmę Dow Corning. Umieszczenie grup amoniowych na polimerach krzemoorganicznych, np. polisiloksanach, mogłoby zwiększyć aktywność przeciwbakteryjną oraz przedłużyć ich biobójcze działanie [G. Sauvet, S. Dupond, K. Kaźmierski, J. Chojnowski J. Polym. Sci. 75,1005,(2000)]. Większość polisiloksanów organicznych, jak np. polidimetylosiloksany znane w farmacji i medycynie jako „dimeticone ulega mikrobiologicznej biodegradacji pod wpływem różnych szczepów bakterii. [P. Rościszewski, J.Łukasiak, A.Dorosz, J.Galiński: Macromol. Symp. 1998, 130,337; Handbook of Biopolymers, 9, 10, Wiley VCH, Verlag GmbH, Weinheim 2002].

Znane jest z polskiego patentu nr 181 411 działanie hamujące rozwój niektórych szczepów bakterii pewnych pochodnych chlorowcoalkilochlorosilanów i alkoksysilanów, ale z uwagi na ich nierozpuszczalność w wodzie nie znalazły one dotychczas praktycznego zastosowania.

Podczas prowadzenia przez Zgłaszającego badań własnych nad syntezą specjalnej klasy polisiloksanów organicznych o trwałej strukturze klatkowej, tzw. polisilseskwioksanów nieoczekiwanie okazało się, że pewne nowo otrzymane odmiany soli amoniowych silseskwioksanów wykazują wyraźne działanie hamujące rozwój dość znacznej grupy drobnoustrojów. Sole takie będące oligomerycznymi polisilsekwioksanami podstawionymi grupami amoniowymi można otrzymać w wyniku stosunkowo prostych syntez w oparciu o niskocząsteczkowe polisilseskwioksany z grupami aminowymi lub chlorowymi w podstawnikach organicznych przy krzemie. Z uwagi na to, iż związki otrzymane sposobem według wynalazku mają podstawową strukturę klatkową lub drabinkową i ciężary cząsteczkowe powyżej 1500 g/mol, w większości, nie powinny one ulegać wchłanianiu przez błony komórkowe organizmów wyższych oraz procesom biodegradacji, jednocześnie wykazując obojętność fizjologiczną dla ludzi i zwierząt. Związki te mają zwartą budowę, przez co łatwiej mogą przenikać przez zewnętrzną osłonę do ścian cytoplazmy, którą niszczą.

W roztworach wodnych lub wodno-alkoholowych nie ulegają one ł atwo agregacji. W przeciwieństwie do różnych niskocząsteczkowych związków biobójczych. Nowe związki według wynalazku dzięki dużej liczbie naładowanych dodatnio grup amoniowych powiązanych przestrzennie z klatką silseskwioksanową, są w miarę dobrze rozpuszczalne w wodzie i mieszaninach wody z alkoholami mając zdolność silnego oddziaływania na naładowaną ujemnie ścianę komórki.

Istota wynalazku

Środki krzemoorganiczne hamujące rozwój różnych drobnoustrojów, a zwłaszcza rozmaitych szczepów bakterii i zarodników grzybów, według wynalazku stanowią mieszaninę oligomerów polisilseskwioksanów zawierających drugorzędowe i/lub trzeciorzędowe i/lub czwartorzędowe grupy amoniowe w ilości od 0,5 do 15% zawartości wagowej azotu w cząsteczce, podłączone do krzemu poprzez grupę węglowodorową, korzystnie poprzez mostek trimetylenowy przedstawionych ogólnym wzorem 1:

PL 204 957 B1

[XSiO3/2]p wzór 1 w którym

X oznacza grupę amoniową (CH2)mNRH2⁺ Y^-, (CH2)mNRR'H⁺ Y^- i/lub (CH2)mNRR'R⁺ Y^- i/lub grupę (CH2)mY lub (CH2)mNH2, w których:

R oznacza n-alkil, korzystnie CnH2n+1 (gdzie n = 1 do 20)

R' i R oznaczają grupę alkilową, arylową lub atom wodoru

Y oznacza halogen: Cl, Br lub J, m - oznacza liczbę naturalną od 1 do 4, natomiast p oznacza liczbę naturalną od 6 do 12

Związki według wynalazku mają budowę klatkową, jak pokazano na rysunku, zwłaszcza o strukturze A, strukturze B, strukturze C, strukturze D albo o strukturze drabinkowej E gdzie X jest wybrany z grupy obejmującej sole amoniowe o wzorze: (Y)^-N⁺RR'R, [N(R)H2]⁺Y^- lub [NRH(CH2)2NRH2]²⁺2Y w podstawnikach organicznych zawierają otrzymane w reakcji poli(halogenoalkilo)-silseskwioksanów z róż nymi alkilo(arylo)aminami lub w reakcji poli(aminoalkilo)silseskwioksanów z róż nymi halogenoalkanami.

Korzystnie głównym składnikiem środka według wynalazku jest silseskwioksan z grupą funkcyjną halogenową o zawartości halogenu od 1 do 50% oraz grup aminowych o zawartości w przeliczeniu na azot od 0,5 do 15%, o strukturze klatkowej T-8 (n=8) o budowie sześcianu z atomami krzemu w naroż ach (struktura A).

Środki według wynalazku mogą też być mieszaniną związków klatkowych o większej liczbie atomów krzemu od 9 do 12, na przykład T-10 [X(CH2)mSiO3/2]10. Środek według wynalazku może także zawierać związki z niepełnym zamknięciem klatki, na przykład T-9-OH lub T-8-(OH)2, [X(CH2)mSiO3/2]9 O1/2H (struktury C i D) i związki o strukturze drabinkowej-E. Wszystkie te związki są przedstawiane wzorem ogólnym 1, w którym X ma wyżej podane znaczenie, R oznacza podstawnik alkilowy, korzystnie CnH2n+1 (gdzie n= 4-20) albo wodór, a R' i R oznaczają grupę alkilową, arylową lub atom wodoru, korzystnie metyl.

Opis metody

Sposób syntezy związków krzemoorganicznych hamujących rozwój bakterii i grzybów, według wynalazku polega na reakcji odpowiednio przygotowanych poli(halogeno-alkilo)silseskwioksanów z różnymi alkiloaminami lub z amoniakiem. W rezultacie tej reakcji, która jest reakcją alkilowania amin (amoniaku), a w przypadku amin trzeciorzędowych czwartorzędowania amin, grupami halogenoalkilowymi polisilseskwioksanów, następuje generacja soli amoniowych. Reakcję prowadzi się w rozpuszczalniku polarnym, korzystnie, izopropanolu, n-butanolu, octanie etylu, dimetyloformamidzie lub w mieszaninach tych rozpuszczalników. Proces wykonuje się w temperaturze wrzenia rozpuszczalników (60-90°C). Podstawienie halogenu w polisilseskwioksanie grupami aminowymi może być pełne bądź niepełne.

Drugi wariant sposobu, według wynalazku, polega na reakcji odpowiednio przygotowanych poli(aminoalkilo)silseskwioksanów z halogenoalkanami bądź halogeno-wodorem. W rezultacie tej reakcji alkilowania grup aminowych polisilseskwioksanu następuje także generacja soli amoniowych na polisilseskwioksanie. Reakcję prowadzi się w roztworze lub w układzie dwufazowym. Reakcja może być prowadzona do całkowitej lub częściowej transformacji grupy aminowej do soli amoniowej.

Trzeci wariant sposobu, według wynalazku, polega na hydrolizie i polikondensacji soli amoniowej otrzymanej w wyniku reakcji aminoalkilotrialkoksysilanu z halogenkami alkilowymi. Proces jest prowadzony w dwóch etapach. W pierwszym etapie wykonywana jest wstępna hydroliza, którą prowadzi się w układzie woda - rozpuszczalnik organiczny, korzystnie izopropanol, n-butanol, octan etylu lub DMF. Korzystnie należy stosować katalizator, którym jest silny kwas np. H2SO4 lub silna zasada, np. wodorotlenek tetrametyloamoniowy TMAH. Proces jest prowadzony w podwyższonej temperaturze. W tym etapie następuje hydroliza grup alkoksylowych i częściowa polikondensacja. W drugim etapie nastę puje dalsza polikondensacja do silseskwioksanu.

Etap ten prowadzi się w temperaturze pokojowej lub podwyższonej z udziałem bądź bez udziału katalizatora. W końcowej fazie woda zostaje odparowana pod zmniejszonym ciśnieniem a produkt wygrzany w temperaturze ponad 100°C.

Aktywność biologiczna tych preparatów przeciw bakteriom gram ujemnym i gram dodatnim jak również przeciw grzybom została sprawdzona w wyniku badań mikrobiologicznych.

PL 204 957 B1

Silseskwioksany według wynalazku otrzymuje się z karbofunkcyjnych silseskwioksanów, będących produktami polikondensacji hydrolitycznej odpowiednich organofunkcyjnych alkilotrialkoksysilanów lub alkilotrichlorosilanów zawierających funkcje w podstawniku alkilowym przy krzemie halogen lub grupy aminowe. Karbofunkcyjny silseskwioksan zawierający halogen poddawany jest reakcji z alkiloaminami (schemat I). Natomiast silseskwioksan zawierają cy grupy alkiloaminowe jest poddawany reakcji z halogenoalkanem (np. schemat 2)

R - alkil, najczęściej C2H2n+1 (n=4-20), lub wodór

R' i R - oznaczają grupę alkilową, arylową lub atom wodoru

Podstawienie może być pełne, jak pokazano na schemacie 1 i schemacie 2, bądź niepełne, jak pokazano na schemacie 3 i schemacie 4. W przypadku niepełnego podstawienia halogenu (schemat 3), obok grup amoniowych będą występowały grupy organiczne zawierające kowalencyjnie związany halogen. Natomiast w przypadku niepełnego przekształcenia aminy (schemat 4), obok grup amoniowych będą występowały grupy aminowe.

Poniżej przedstawiono przykłady wykonania wynalazku.

P r z y k ł a d I

Silseskwioksan zawierający podstawniki 3-aminopropyłowe przy krzemie, otrzymano metodą dwustopniowej polikondensacji hydrolitycznej 3-aminopropylotrietoksysilanu, początkowo przez ogrzewanie roztworu tego monomeru w octanie etylu, z niedomiarem stechiometrycznym wody, w obecności wodorotlenku tetrametyloamoniowego jako katalizatora. Otrzymany pół produkt dozowano następnie z mieszaniem do wody z dodatkiem roztworu amoniaku jako katalizatora utrzymując temperaturę 15-20°C. Otrzymany roztwór wodny poli(3-aminosilseskwioksanu) zatężano przez destylację pod obniżonym ciśnieniem i wylewano do kuwet dla wyschnięcia do postaci przezroczystej folii. Folię tą rozpuszczano w gorącej wodzie lub mieszaninie wody z metanolem ew. etanolem i poddawano reakcji ze stechiometrycznie wyliczoną ilością 1-bromobutanu przez ogrzewanie w kolbie z chłodnicą zwrotną. Otrzymany roztwór miał wyraźne działanie hamujące rozwój następujących szczepów bakterii: Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Escherichia coli i Proteus vulgaris oraz zarodników grzybków C.Albicans.

P r z y k ł a d II

Rozwór wodno-alkoholowy soli amoniowej otrzymanej analogicznie jak opisano w przykładzie I z zastąpieniem jedynie 1-bromobutanu 1-bromopentanem wykazał silne działanie hamują ce następujących szczepów bakterii (mierzone najmniejszym stężeniem hamującym): Staphylococcus aureus: 0,015%, Escherichia coli: 0,015-0,12%, Proteus vulgaris: 0,12-0,24%, Pseudomonas aeruginosa: 0,015-0,12% a dla Enterococcus hirae: poniżej 0,015%

P r z y k ł a d III

Otrzymano okta(3-chloropropylisilseskwioksan) o strukturze klatkowej i ciężarze cząsteczkowym 1036 g/mol (zgodny z wyliczonym teoretycznie) prowadząc dwustopniową polikondensację hydrolityczną, podobnie jak opisano w przykładzie I, z tą różnicą, że pierwszy etap prowadzono ogrzewając roztwór 3-chloropropylotrimetoksysilanu w octanie etylu z dodatkiem 2 moli wody w przeliczeniu na 1 mol monomeru oraz stężonego kwasu solnego jako katalizatora. Po zakończeniu następnego etapu polikondensacji w nadmiarze wody z amoniakiem, ekstrahowano otrzymany silseskwioksan toluenem, płukano wodą i zatężano przez destylację pod obniżonym ciśnieniem do stężenia 40-60%. Następnie prowadzono dodatkową polikondesację przez ogrzewanie tego roztworu do wrzenia wobec wodorotlenku tetrametyloamoniowego. Po odpędzeniu rozpuszczalnika pod obniżonym ciśnieniem otrzymano okta(3-chloropropylosilseskwioksan) w postaci oleju o niskiej lepkości. Otrzymany silseskwioksan poddano reakcji z N,N-dimetylooktyloaminą przez dłuższe ogrzewanie roztworu substratów w mieszaninie izopropanolu z dimetyloformamidem. Po stwierdzeniu na podstawie analizy ¹H NMR, ż e stopień podstawienia atomów chloru przewyższył 45% proces przerywano otrzymując, po odpędzeniu rozpuszczalnika i nieprzereagowanej aminy, odpowiednią seskwioksanową sól amoniową dobrze rozpuszczalną w wodzie i wykazującą podobne działanie hamujące rozwój wybranych szczepów bakterii i grzybów jak opisano w przykładach I i II , a mianowicie minimalne stężenia hamujące rozwój bakterii: Enterococcus hirae 0,0157%, Staphylococcus aureus).0,00198%, Escherichia coli 0,0313%, Proteus vulgaris 0,125% i Pseudomonas aeruginosa 0,125%.

PL 204 957 B1

P r z y k ł a d IV

Oligosilseskwioksan otrzymany w przykładzie III zawierający 45% grup chloropropylowych podstawionych grupą N,N-dimetylo-n-oktyloamoniową poddano dalszemu ogrzewaniu z nadmiarem N,N-dimetylo-n-oktyloaminy w roztworze w dimetyloformamidzie w temperaturze 80°C przez 7 dni. Analiza ¹H NMR wykazała wzrost podstawienia do ponad 90% Po usunięciu rozpuszczalników i nadmiaru aminy otrzymaną sól amoniową silseskwioksanu poddano badaniom zdolnoś ci hamowania rozwoju bakterii stwierdzając podobną aktywność: Enterococcus hirae - 0,0157%, Staphylococcus aureus - 0,00198%, Eshericha coli - 0,25%, Proteus vulgaris - 0,5%, Psudomonas aeruginosa - 0,5%.

P r z y k ł a d V

Otrzymano nową silseskwioksanową sól amoniową przez ogrzewanie do wrzenia, w kolbie pod chłodnicą zwrotną, roztworu w 200 g octanu etylu 55 g (0,25 mola) N-2-aminoetylo-3-aminopropylotrimetoksysilanu [H2NCH2CH2NHCH2CH2CH2Si(OCH3)3] z dodatkiem 96,5 g (0,5 mola) 1-bromooktanu (C8H17Br). Po 7 godz. ogrzewania dodano 15 g (0,8 mola) wody destylowanej i kontynuowano ogrzewanie do wrzenia w ciągu następnych 7 godz., po czym dodano 1 ml roztworu wodnego wodorotlenku tetrametyloamoniowego w celu dokończenia polikondensacji i ogrzewano dalej do wrzenia, do wyraźnego zaniku pasma IR przy 3630 cm^-1, charakterystycznego dla wiązań HO-Si. Otrzymany jednorodny bezbarwny roztwór silseskwioksanowej soli amoniowej o odczynie pH =5,9 poddano destylacji pod obniżonym ciśnieniem (ok. 10 torr) odpędzając rozpuszczalniki, wodę i lotne związki. Pozostało 140 g żółtawej, termoplastycznej żywicy dobrze rozpuszczalnej w etanolu. Metodą analizy elementarnej oznaczono zawartość N: 6,03% (oblicz. 5,19%), C: 46,5% (oblicz. 46,8%), H: 8,45% (oblicz. 8,72%). Roztwór w etanolu otrzymanej soli amoniowej o stężeniu 20% dodany w ilości 1,5% do farby emulsyjnej silikonowo-akrylowej i poddanej standardowym badaniom na rozwój zarodników grzybów na powłoce lakierniczej skutecznie zabezpieczył powłokę przed wzrostem grzybów.

P r z y k ł a d VI

Dodatek 2,5% roztworu wodnego silseskwioksanowej soli amoniowej opisanej w przykładzie I do farby emulsyjnej typu „Polinil” użytej do pomalowania ściany w pralni skutecznie zabezpieczał w ciągu 6 miesięcy przed pojawieniem się częstego dla tych wymalowań ciemnego zagrzybienia.

Claims (11)

1. Środek krzemoorganiczny hamujący rozwój szczepów bakterii, grzybów i innych drobnoustrojów stanowi mieszaninę polisilseskwioksanów zbudowanych z 6-12 atomów krzemu powiązanych mostkami tlenowymi w strukturę regularnych wielościanowych klatek lub drabinek z podstawnikami organicznymi przy każdym atomie krzemu, przedstawionych wzorem 1 [XSiO3/2]p wzór 1 w którym

X oznacza grupę amoniową (CH2)mNRH2⁺ Y^-, (CH2)mNRR'H⁺ Y^- i/lub (CH2)mNRR'R⁺ Y^- i/lub grupę (CH2)mY lub (CH2)mNH2, w których:

R oznacza n-alkil, korzystnie CnH2n+1 (gdzie n = 1 do 20)

R' i R oznaczają grupę alkilową, arylową lub atom wodoru

Y oznacza halogen: Cl, Br lub J, m - oznacza liczbę naturalną od 1 do 4, natomiast p oznacza liczbę naturalną od 6 do 12

2. Środek według zastrz. 1, znamienny tym, że ma budowę klatkową o strukturze A, strukturze B, strukturze C, strukturze D albo o strukturze drabinkowej E, jak pokazano na rysunku, gdzie X jest wybrany z grupy obejmującej sole amoniowe o wzorze: (Y)^-N+RR'R, [N(R)H2]⁺Y^- lub [NRH(CH2)2NRH2]²⁺2Y^-, w którym podstawniki organiczne R, R' i R maj ą wyż ej podane znaczenie.

3. Środek według zastrz. 2, znamienny tym, że głównym składnikiem silseskwioksanu z grupą funkcyjną halogenową i solą amoniową jest związek klatkowy T 8 (n=8) o budowie sześcianu z atomami krzemu w narożach (struktura A).

4. Środek według zastrz. 2, znamienny tym, że stanowią go związki o strukturze klatkowej o większej liczbie atomów krzemu, korzystnie T10: [X(CH2)3SiO3/2]10.

PL 204 957 B1

5. Środek wedł ug zastrz. 2, znamienny tym, ż e stanowią go zwią zki z niepeł nym zamkni ę ciem klatki, korzystnie T-9-OH tub T-8-(OH)2 (struktury C i D) lub związek o strukturze drabinkowej - E.

6. Sposób wytwarzania środków krzemoorganicznych hamujących rozwój szczepów bakterii, grzybów i innych drobnoustrojów, znamienny tym, że w pierwszym etapie wytwarza się poli(halogenoalkilo)-silseskwioksan poprzez polikondensację hydrolityczną halogenoalkilotrialkoksy(trichloro)silanu, a następnie prowadzi się reakcję wyodrębnionego silseskwioksanu z aminą o wzorze RR'RN gdzie R jest grupą n-alkilową zawierającą od 4 do 20 grup CH2, a R' i R oznaczają grupę alkilową, arylową lub atom wodoru.

7. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, ż e jako poli(halogenoalkilo)silseskwioksan stosuje się octa(3-chloropropylo)silseskwioksan i podaje się go reakcji w odpowiednich warunkach, korzystnie z dimetylalkiloaminą zawierającą 8-20 grup metylenowych w podstawniku alkilowym.

8. Sposób wytwarzania związków krzemoorganicznych hamujących rozwój szczepów bakterii, grzybów i innych drobnoustrojów, znamienny tym, że w pierwszym etapie wytwarza się poli(aminoalkilo)silseskwioksan poprzez polikondensację hydrolityczną odpowiedniego aminoalkilotrialkoksysilanu, a następnie prowadzi się reakcję wyodrębnionego silseskwioksanu, przez ogrzewanie w odpowiednim rozpuszczalniku z 1-bromo-alkanem, z 1-chloroalkanem lub z 1-jodoalkanem zawierającymi 4-12 grup metylenowych.

9. Sposób według zastrz. 8, znamienny tym, że jako monomery do wytwarzania poli(aminoalkilo)silseskwioksanów stosuje się 3-aminopropylotrietoksysilan, 3-aminopropylotrimetoksysilan i/lub N-2-aminoetylo-3-aminopropylotrimetoksysilan.

10. Sposób wytwarzania związków krzemoorganicznych hamujących rozwój szczepów bakterii, grzybów i innych drobnoustrojów, znamienny tym, że w pierwszym etapie wytwarza się sól amoniową przez ogrzewanie odpowiedniego aminoalkilotrialkoksysilanu z wybranym 1-bromo-alkanem, 1-chloroalkanem lub 1-jodoalkanem, a następnie poddaje się otrzymany addukt polikondensacji hydrolitycznej w odpowiednich warunkach i wyodrębnia otrzymaną silseskwioksanową sól amoniową.

11. Sposób według zastrz. 10, znamienny tym, że jako monomery do wytwarzania poli(aminoalkilo)silseskwioksanów stosuje się 3-aminopropylotrietoksysilan, 3-aminopropylotrimetoksysilan i/lub N-2-aminoetylo-3-aminopropylotrimetoksysilan.