ПРОИЗВОДНЫЕ N,N-ДИМЕТИЛАНИЛИНА КАК КАТИОННЫЕ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА И ИХ БИОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ

АННОТАЦИЯ

В данном исследовании была синтезирована четвертичная аммониевая соль на основе N,N-диметиланилина. Подробно изучены механизм её образования и альтернативные условия протекания реакции. В процессе синтеза проанализировано влияние различных реакционных сред и параметров, таких как температура, тип растворителя и соотношение реагентов. Полученная четвертичная аммонийная соль была далее введена во взаимодействие с биополимером хитозаном для изучения возможности получения новых композитных соединений. Структура и химические свойства синтезированных веществ были определены с использованием современных физико-химических методов анализа, включая инфракрасную (ИК) спектроскопию и протонный магнитный резонанс (ПМР) спектроскопию. Результаты исследования подтвердили успешное получение четвертичной аммонийной соли и показали, что её взаимодействие с хитозаном приводит к образованию новых функциональных композитных материалов. Полученные данные могут представлять интерес для разработки ионнообменных материалов, биологически активных соединений и экологически безопасных композитов.

ABSTRACT

In this study, a quaternary ammonium salt based on N,N-dimethylaniline was synthesized. The mechanism of its formation and alternative reaction conditions were thoroughly investigated. During the synthesis, the influence of various reaction media and parameters such as temperature, solvent type, and reactant ratios was analyzed. The obtained quaternary ammonium salt was subsequently reacted with the biopolymer chitosan to explore the possibility of obtaining new composite materials. The structure and chemical properties of the synthesized compounds were characterized using modern physicochemical methods, including infrared (IR) spectroscopy and proton magnetic resonance (PMR) spectroscopy. The results confirmed the successful synthesis of the quaternary ammonium salt and demonstrated that its interaction with chitosan leads to the formation of new functional composite materials. These findings are promising for the development of ion-exchange materials, biologically active compounds, and environmentally safe composites.

Ключевые слова: N,N-диметиланилин, эфиры монохлоруксусной кислоты, морфолин, этиловый спирт, ацетон, этилацетат, бензол.

Keywords: N,N-dimethylaniline, esters of monochloroacetic acid, morpholine, ethyl alcohol, acetone, ethyl acetate, benzene.

Введение

Большинство бактерий являются безвредными для здоровья человека и в некоторых случаях выполняют полезные функции. Однако установлено, что при определённых условиях отдельные патогенные бактерии могут оказывать негативное воздействие [1,2]. Чрезмерное использование антибиотиков приводит к более быстрому развитию и распространению лекарственно-устойчивых штаммов, что превращается в одну из серьёзнейших проблем для системы здравоохранения во всём мире.

С этой точки зрения полимеры на основе четвертичных аммонийных солей представляют большой практический интерес для контроля бактериальных инфекций, ограничения их повторного развития, а также в качестве мембраноактивных бактерицидных агентов [3].

В настоящее время вопросы охраны окружающей среды приобретают всё большую актуальность. К числу важнейших направлений современной химии относятся утилизация промышленных, твёрдых и бытовых отходов, а также переработка сточных вод с целью получения новых ценных соединений [4,5]. Одновременно снижение объёмов отходов, эффективное использование ресурсов и внедрение процессов переработки материалов имеют важное экологическое и экономическое значение. В химии такие подходы тесно связаны с концепцией «зелёной химии», которая направлена на разработку инновационных и устойчивых технологий, предотвращающих загрязнение окружающей среды [6,7].

Целью данной работы является синтез четвертичных аммониевых солей в результате реакции эфиров монохлоруксусной кислоты с третичными аминами, в частности с диметиланилином, а также их выделение, установление строения, изучение физико-химических и биологических свойств.

Материалы и методы исследования

ПРОИЗВОДНЫЕ N,N-ДИМЕТИЛАНИЛИНА

В данном разделе приведено описание методики синтеза продуктов взаимодействия диметиланилина с изопентиловым, гексиловым и бензиловым эфирами монохлоруксусной кислоты, а также указаны условия, при которых реакция протекает наиболее эффективно.

Реакция диметиланилина с эфирами монохлоруксусной кислоты осуществлялась по следующей общей схеме:

R – изопентил, гексил, бензил.

Схема 1. Реакция диметиланилина с эфирами монохлоруксусной кислоты

Для получения четвертичных аммониевых солей на основе диметиланилина были проведены реакции с эфирами монохлоруксусной кислоты. С этой целью диметиланилин и различные эфиры монохлоруксусной кислоты растворяли в этиловом спирте и смешивали в мольном соотношении 1:2. При использовании изопентил- и бензиловых эфиров монохлоруксусной кислоты во время смешивания наблюдалось нагревание реакционной среды и выделение белого дыма. В противоположность этому, при проведении реакции с дециловым эфиром подобное явление не происходило, что позволило предположить, что эфиры высших спиртов вступают в реакцию с диметиланилином значительно медленнее.

Реакционные смеси подвергались испытаниям при различных температурах — в диапазонах 30–40 °C, 50–60 °C и 70–80 °C. Полученные результаты показали, что наибольшие выходы целевых продуктов наблюдаются при температуре 50–60 °C. Поэтому все последующие эксперименты проводились при этих условиях в течение 2–4 часов с нагреванием. Образовавшиеся четвертичные аммониевые соли сушили в вакууме в течение суток и выделяли в виде стабильных соединений.

Были продолжены реакции, направленные на модификацию синтезированного четвертичного аммониевого соединения с использованием хитозана. Процесс модификации заключался в ковалентном присоединении катионного фрагмента к полисахаридной матрице хитозана, что позволило получить новый полимерный материал с улучшенными физико-химическими и биологическими характеристиками.

В процессе модификации активные центры хитозана — первичные аминогруппы — вступали во взаимодействие с четвертичной аммониевой солью. Реакция проводилась при постоянном перемешивании в водной или водно-спиртовой среде с контролем pH, температуры и продолжительности процесса. В результате взаимодействия происходило образование устойчивых катионных комплексов между полимерной матрицей хитозана и катионами четвертичного аммония.

Полученные образцы промывались дистиллированной водой до нейтральной реакции среды и высушивались до постоянной массы при пониженной температуре. Такая методика обеспечивала равномерное связывание функциональных групп и стабильность структуры модифицированного полимера.

Для определения физико-химических свойств синтезированных соединений были использованы современные физико-химические и инструментальные методы анализа. Инфракрасные (ИК) спектры получены на спектрометре Perkin-Elmer FT-IR System 2000 в таблетках KBr.

¹H и ¹³C ЯМР-спектры записаны на спектрометрах Unity-400+ (рабочая частота 400 МГц) и Jeol-600 (рабочая частота 600 МГц) с использованием тетраметилсилана (ГМДС) в качестве внутреннего стандарта и δ-шкалы; в качестве растворителей применялись дейтерированные CD₃COOD и DMSO-d₆.

Температура плавления синтезированных соединений определялась на приборе “MEL-TEMP” (США). Для проведения синтеза использовалась химическая посуда из термо- и механически прочного прозрачного боросиликатного стекла (BorSilicatium 3.3).

ИК-спектры были зарегистрированы на спектрофотометрах SPECORD-75IR и Avatar 360 в виде таблеток KBr.

Cхема реакции синтезированных четвертичных аммониевых солей с хитозаном

Для проведения модификации использовали хитозан в качестве полимерной матрицы и четвертичную аммониевую соль в качестве модифицирующего агента. Реакцию осуществляли при постоянном перемешивании в водно-спиртовой среде при контролируемой температуре и pH. Продолжительность процесса и соотношение реагентов подбирались экспериментально с целью обеспечения оптимального взаимодействия функциональных групп.

После завершения реакции полученные образцы многократно промывали дистиллированной водой до нейтрального значения pH и высушивали до постоянной массы при температуре не выше 40 °C. Полученные данные использовались для последующего анализа физико-химических свойств модифицированного полимера.

Схема 2. Реакция четвертичных аммониевых солей с хитозаном

Для проведения реакции были изучены оптимальные условия синтеза. В качестве растворителя использовался диметилформамид (ДМФА), при этом реакция проводилась в различных временных интервалах. Установлено, что наибольший выход целевого продукта наблюдается при продолжительности реакции около трёх часов.

Кроме того, была исследована зависимость выхода четвертичной аммониевой соли от температуры проведения реакции. Результаты показали, что при температуре 40–50 °C процесс протекает наиболее эффективно, обеспечивая получение продукта с максимальным выходом и высокой степенью чистоты.

Таким образом, оптимальными условиями синтеза четвертичного аммониевого соединения являются использование ДМФА в качестве растворителя, температура 40–50 °C и продолжительность реакции около 3 часов, что позволяет достичь высокой эффективности процесса и стабильности получаемого соединения.

Результаты и обсуждение

На рисунке 1 представлены ИК-спектры хитозана и четвертичной аммониевой соли, полученной в результате взаимодействия хитозана с четвертичной аммониевой солью пиридина.

Рисунок 1.  ИК-спектры хитозана и четвертичной аммониевой соли

Для хитозана характерна широкая полоса поглощения в области 3200–3500 см⁻¹, соответствующая колебаниям валентных связей N–H и O–H. Полосы поглощения при 2878 см⁻¹, 1600 см⁻¹, 1156 см⁻¹ и 1078 см⁻¹ относятся соответственно к валентным колебаниям связей C–H, амидных групп, колебаниям связи C–O–C, а также к колебаниям C–O вторичных гидроксильных групп.

В диапазоне 650–900 см⁻¹ наблюдаются внеплоскостные деформационные колебания связей C–H ароматического кольца. Появление новых полос при 1467 см⁻¹, 1464 см⁻¹ и 1471 см⁻¹, соответствующих валентным колебаниям группы –N⁺, свидетельствует о формировании четвертичной аммониевой соли хитозана.

Заключение

В результате проведённого исследования были успешно синтезированы четвертичные аммонийные соли на основе N,N-диметиланилина, оптимизированы условия их получения и изучены механизмы образования. Показано, что выбор реакционной среды, температуры и соотношения реагентов оказывает существенное влияние на выход и чистоту целевого продукта.

Установлено, что взаимодействие полученной четвертичной аммонийной соли с хитозаном приводит к образованию новых композитных соединений с изменёнными физико-химическими свойствами. Спектральные данные (ИК и ПМР спектроскопия) подтверждают успешное формирование, как четвертичной аммонийной соли, так и её производных на основе хитозана.

Полученные результаты свидетельствуют о перспективности синтезированных соединений для дальнейшего использования при разработке ионнообменных материалов, биологически активных веществ и экологически безопасных полимерных композитов.

Список литературы:

1. Уткина Н. С. Синтез четвертичных аммониевых солей, содержащих полипренильный заместитель // Russian Chemical Bulletin. – 2010. – Т. 59, № 7. – С. 1459–1462.
2. Иоанну К. Дж., Ханлон Г. В., Денайер С. П. Действие дезинфицирующих четвертичных аммониевых соединений против Staphylococcus aureus // Antimicrobial Agents and Chemotherapy. – 2007. – Т. 51, № 1. – С. 296–306.
3. Федер-Кубис Й., Томчук К. Влияние катионных структур хиральных ионных жидкостей на их антимикробную активность // Tetrahedron. – 2013. – Т. 69, № 21. – С. 4190–4198.
4. Пернак Й., Федер-Кубис Й. Синтез и свойства ионных жидкостей на основе хиральных аммониевых соединений // Chemistry – A European Journal. – 2005. – Т. 11, № 15. – С. 4441–4449.
5. Пернак Й., Хвала П., Федер-Кубис Й. и др. Синтез и свойства хиральных имидазолиевых ионных жидкостей с заместителем (1R,2S,5R)-(−)-ментоксиметил // New Journal of Chemistry. – 2007. – Т. 31, № 6. – С. 879–892.
6. Габдрахманов Д. Р., Латыпов С. К., Герасимова Т. П. и др. Супрамолекулярное проектирование биосовместимых наноконтейнеров на основе амфифильных производных природного соединения изостевиола // Physical Chemistry Chemical Physics. – 2013. – Т. 15, № 39. – С. 16725–16735.
7. Линдси К. У., Хопкинс К. Р. Возвращение антагонистов дофаминовых рецепторов D₄ в фармацевтические исследования // Journal of Medicinal Chemistry. – 2017. – Т. 60. – С. 7233–7243. – DOI: https://doi.org/10.1021/acs.jmedchem.7b00151
8. Jia Z. et al. Synthesis and antibacterial activities of quaternary ammonium salt of chitosan //Carbohydrate research. – 2001. – Т. 333. – №. 1. – С. 1-6.
9. Huang Z. et al. Polymeric quaternary ammonium salt activity against Fusarium oxysporum f. sp. cubense race 4: Synthesis, structure-activity relationship and mode of action //Reactive and Functional Polymers. – 2017. – Т. 114. – С. 13-22.
10.  Hamsen M. et al. An update on Pseudomonas aeruginosa biofilm formation, tolerance, and dispersal // FEMS Immunology & Medical Microbiology. – 2010. – Vol. 59, No. 3. – P. 253–268.
11. Boateng J. S. et al. Wholesale CE High Quality 22 AWG Wire Products Cheap Price – Bluekin Industries Limited: a review // Journal of Pharmaceutical Sciences. – 2008. – Vol. 97, No. 8. – P. 2892–2923.
12. Pawar H. V. et al. Comparison of in vitro antibacterial activity of streptomycin–diclofenac loaded composite biomaterial dressings with commercial silver-based antimicrobial wound dressings // International Journal of Biological Macromolecules. – 2019. – Vol. 121. – P. 191–199.
13. Алекберова И. А. Исследование ингибирующей способности четвертичных солей аминов // Тезисы докладов. – Москва, 2010. – С. 181.
14. Jiao Y. et al. Quaternary ammonium–based biomedical materials: state-of-the-art, toxicological aspects and antimicrobial resistance // Progress in Polymer Science. – 2017. – Vol. 71. – P. 53–90.
15. Хайдарова Г. Р. и др. Разработка и испытание свойств ингибиторов коррозии на основе четвертичных аммониевых соединений // Известия высших учебных заведений. Химия и химическая технология. – 2018. – Т. 61, № 7. – С. 191–196.
16. Tang R. et al. Synthesis and characterization of chitosan-based dye containing quaternary ammonium group // Carbohydrate Polymers. – 2016. – Vol. 139. – P. 191–196.