СИНТЕЗ, СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОГО БИОСТИМУЛЯТОРА НА ОСНОВЕ ПРОИЗВОДНЫХ BIS-[(N-МЕТИЛ-3-ГИДРОКСИПИПЕРИДИНИЛ)-КАРБАМАТА]

АННОТАЦИЯ

В данной работе установлено, что на основе N-метил-3-гидроксипиперидина и гексаметилендиизоцианата возможно получение нового соединения N,Nʹ-гексаметилен бис[(3-пиперидинил)карбамат] при комнатной температуре безотходным способом. В процессе синтеза изучено влияние природы и количества катализатора, органических растворителей, температуры, а также продолжительности реакции, и предложены оптимальные условия проведения процесса. Впервые разработан способ синтеза биологически активного вещества на основе реакций N,Nʹ-дихлорирования полученного производного N,Nʹ-гексаметилен бис[(3-пиперидинил)карбамат]. Установлено, что полученное соединение обладает высокой биологической активностью, и рекомендовано его применение в сельском хозяйстве в качестве эффективного биостимулятора.

ABSTRACT

In this study, it was determined that a new compound, N,Nʹ-hexamethylene bis[(3-piperidinyl)-carbamate], can be obtained by a waste-free method at room temperature based on N-methyl-3-hydroxypiperidine and hexamethylene diisocyanate. The effects of the nature and amount of the catalyst, organic solvents, temperature, and reaction time on the synthesis process were investigated, and the optimal conditions for the reaction were proposed. For the first time, a method for synthesizing a biologically active substance based on the N,Nʹ-dichlorination reactions of the obtained N,Nʹ-hexamethylene bis[(3-piperidinyl)-carbamate] derivative was developed. The synthesized compound was found to possess high biological activity, and its application as an effective biostimulator in agriculture was recommended.

Ключевые слова: N-метил-3-гидроксипиперидин, карбамат, гексаметилендиизоцианат, N,N'-дихлорзамишчени, триэтиламин.

Keywords: N-methyl-3-hydroxypiperidine, carbamate, hexamethylene diisocyanate, N,N'-dichloro substitution, triethylamine.

Введение. В современной химии исследование бис-карбаматных соединений вызывает большой интерес благодаря их широким химическим возможностям и ценным прикладным свойствам. Функциональные группы, такие как фенильные, карбаматные, галогенные и полиуглеводородные фрагменты, обеспечивают их высокую реакционную способность, а наличие бромфенильных заместителей и бис-карбаматных связей придаёт практическую значимость [2; 3; 6; 8].

Показано, что введение галогенсодержащих и пиперидилкарбаматных фрагментов приводит к получению соединений с разнообразной биологической и фармакологической активностью. Такие вещества применяются как ингибиторы коррозии, компоненты защитных покрытий, стабилизаторы полимеров, пропиточные материалы, а также используются при разработке антиоксидантов и в технологиях окрашивания тканей [1; 4; 7].

Экспериментальная часть

1. Синтез N,Nʹ-гексаметилен бис[(3-пиперидинил)-карбамата] (1)

Реакцию проводили в трёхгорлой колбе, оснащённой хлоркальциевой трубкой, механической мешалкой, термометром и капельной воронкой. В реакционный сосуд предварительно вносили 100 мл раствора диметилформамида, после чего добавляли 27,6 г (0,12 моль) N-метил-3-гидроксипиперидина. Для ускорения протекания реакции и повышения выхода целевого продукта в качестве катализатора использовали 30 мл триэтиламина. К полученной реакционной смеси при перемешивании постепенно, через капельную воронку, добавляли 20,16 мл (0,12 моль) гексаметилендицианата. Реакцию проводили при температуре 22–43 °C в течение 2, 4 и 6 часов. В ходе процесса образовывался осадок целевого продукта. После завершения реакции осадок отделяли фильтрованием, промывали дистиллированной водой 2–3 раза и сушили при комнатной температуре. Полученное соединение представляет собой порошкообразное вещество белого цвета. Выход продукта составил 44,13 г (практический выход — 92,4 %). Температура плавления — 189–190 °C; Rf=0,73; молекулярная масса — 398.

2. Синтез N,Nʹ-дихлор-N,Nʹ-гексаметилен бис[(3-пиперидинил)-карбамата] (2)

Для синтеза N,N′-дихлор-N,N′-гексаметилен-бис[(3-пиперидинил)-карбамата] в качестве исходного соединения использовали N,N′-гексаметилен-бис[(3-пиперидинил)-карбамат]. Процесс хлорирования осуществляли в присутствии гипохлорита кальция на поверхности увлажнённого оксида алюминия.

С этой целью рассчитанное количество исходного бис-карбамата тщательно перемешивали с увлажнённым оксидом алюминия. К полученной смеси постепенно добавляли гипохлорит кальция, после чего реакцию проводили при комнатной температуре в условиях постоянного перемешивания. В ходе процесса происходило N,N′-дихлорирование по атомам азота бис-карбаматной молекулы, что приводило к образованию целевого продукта — N,N′-дихлор-N,N′-гексаметилен-бис[(3-пиперидинил)-карбамата].

Индивидуальность продукта (2) была подтверждена методом тонкослойной хроматографии (ТСХ) на пластинках Silufol. Выход соединения (2) составил 6,45 г (91,5 % от теоретического). Температура плавления — 163 °C, Rf=0,76, молекулярная масса — 467.

Таблица 1.

Влияние препарата на всхожесть семян и рост проростков томата, огурца и хлопчатника

Таким образом, установлено, что раствор препарата BC-5 в концентрации 0,001 % является наиболее эффективным регулятором роста для овощных культур в лабораторных условиях.

Ростостимулирующая активность N,N′-гексаметилен-бис[(3-пиперидинил)-карбамата] (1)

С целью изучения ростостимулирующей активности соединения N,N′-гексаметилен-бис[(3-пиперидинил)-карбамата] (BC-5) были проведены его биологические испытания. Исследования выполнялись в лаборатории фитотоксикологии Института химии растительных веществ и были направлены на оценку влияния препарата на рост огурца, томата и хлопчатника.

В качестве биотестов использовали семена указанных культур. В каждом варианте опыта использовали по 100 семян, которые предварительно отбирали по размеру и внешнему виду. Семена замачивали в растворах препарата различной концентрации (0,1; 0,01; 0,001 и 0,0001 %) в течение 12 часов, после чего проращивали в чашках Петри на фильтровальной бумаге при температуре 24–26 °C. В качестве контроля использовали семена, обработанные дистиллированной водой. Каждый опыт проводили в трёхкратной повторности.

Оценку всхожести проводили на 5–7 сутки, при этом учитывали как процент проросших семян, так и их абсолютное количество. Длину корневой системы и надземной части проростков измеряли на 7-е сутки с использованием миллиметровой линейки. Для каждого варианта анализировали не менее 20 проростков, после чего рассчитывали средние значения показателей.

Полученные результаты продемонстрировали: препарат BC-5 оказывает положительное влияние на прорастание семян томата и развитие проростков. Наибольший эффект наблюдался при концентрации 0,0001 %, при которой из 100 семян проросло в среднем 65–70 семян, тогда как в рамках контроля — 40–45 семян, что соответствует увеличению всхожести на 62,5 %.

При этом длина корневой системы проростков составляла в среднем 6,3±0,2 см противоположно 5,5±0,2 см в контрольной группе (увеличение на 14,4 %), а длина надземной части — 5,7±0,3 см против 4,9±0,3 см (увеличение на 15,2 %).

Следует отметить, что наряду с ускорением начального роста растений необходимо учитывать и их дальнейшее развитие. В связи с этим требуется проведение дополнительных исследований, направленных на оценку формирования вегетативной массы, количества листьев, а также параметров плодоношения (число, масса и размер плодов). Это позволит установить, не оказывает ли применение препарата отрицательного влияния на качество и пригодность продукции для пищевого использования (табл. 3).

Результаты и обсуждение. Разработанный нами способ получения N,N′-гексаметилен-бис-[(N-метил-3-гидроксипиперидинил)-карбамата] основан на реакции нуклеофильного присоединения (A_N) N-метил-3-гидроксипиперидина к гексаметилендицианату. Синтез проводится в присутствии растворителя и основного катализатора при температуре 26–47 °C, соответствующей условиям комнатной температуры. После завершения реакции образовавшийся продукт отделяют методом фильтрации и подвергают сушке при температуре 148–150 °C.

Следует отметить, что в процессе получения N,N′-гексаметилен-бис-[(N-метил-3-гидроксипиперидинил)-карбамата] образование газообразных и твердых отходов не наблюдается. Используемый катализатор после регенерации может быть повторно применен в последующих технологических циклах, что повышает эффективность процесса.

Синтезированное соединение N,N′-гексаметилен-бис-[(N-метил-3-гидроксипиперидинил)-карбамат] представляет собой бесцветный порошок с температурой плавления 232–233 °C. Полученное вещество хорошо растворяется в ряде органических растворителей, таких как ДМФА, ДМАЦ, ДМСО, диоксан, нитробензол и других.

Описание химического процесса и его схемы

Разработанный способ безотходного получения эффективного стимулятора роста для технических культур предусматривает синтез соединения N,N′-гексаметилен-бис-[(N-метил-3-гидроксипиперидинил)-карбамата]. Данный процесс основан на взаимодействии гексаметилендицианата с N-метил-3-гидроксипиперидином в присутствии основного катализатора триэтиламина (C₂H₅)₃N. Реакция протекает в среде универсального растворителя — диметилформамида, который обеспечивает эффективное протекание процесса и образование целевого продукта.

В ходе реакции происходит присоединение N-метил-3-гидроксипиперидина к изоцианатным группам гексаметилендицианата, что приводит к формированию бис-карбаматной структуры целевого соединения.

Физико-химические параметры N,Nʹ-гексаметилен бис[(3-пиперидинил)-карбамата] (1) приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Физико-химические параметры соединений (1)

С целью изучения химической активности реакционных центров N–H в соединении N,N′-гексаметилен-бис[(3-пиперидинил)-карбамата] нами была проведена относительно редко встречающаяся реакция N,N′-дихлорирования.

Получение N,Nʹ-дихлор-замещенных соединений (2)

Производные бис-гексаметиленкарбаматов являются ценным сырьём для синтеза биологически активных соединений, применяемых в технике, сельском хозяйстве и химической промышленности. Благодаря наличию реакционноспособной N–H группы они удобны для реакций замещения. Разработан эффективный и экономичный метод N,N′-дихлорирования бис-карбаматов с использованием гипохлорита кальция на увлажнённом оксиде алюминия, отличающийся стабильностью и экологической безопасностью.

          2

Физико-химические параметры соединении (2) приведены в табл.3.

Таблица 3.

Физико-химические параметры соединений (2)

Заключение

Установлено, что образование нового соединения N,N′-гексаметилен-бис[(3-пиперидинил)-карбамата] на основе N-метил-3-гидроксипиперидина и гексаметилендицианата протекает при комнатной температуре и осуществляется без образования отходов.

Путем изучения влияния различных факторов, таких как природа и количество катализатора, выбор органических растворителей, температурные условия и продолжительность реакции, были определены и предложены оптимальные параметры проведения процесса синтеза N,N′-гексаметилен-бис[(3-пиперидинил)-карбамата].

Впервые предложен метод получения биологически активного соединения на основе реакции N,N′-дихлорирования производного N,N′-гексаметилен-бис[(3-пиперидинил)-карбамата]. Установлено, что синтезированное производное N,N′-гексаметилен-бис[(3-пиперидинил)-карбамата] обладает высокой биологической активностью, что позволяет рекомендовать его в качестве перспективного биостимулятора.

Список литературы:

1. Махсумов А.Г., Холикулов Б.Н., Холикова С.Дж. Синтез супербиостимулятора на основе производных бис-[(4-бромфенокси)-карбамата], свойства и применение // Universum: науч. журнал. — 2020. — № 10 (76). — С. 50–55.
2. Холикулов Б.Н. Synthesis of bis-carbamate derivatives based on hexamethylene isocyanate and 2-bromophenol // ЎзМУ Хабарлали. — Тошкент, 2022 [3/2/1]. — С. 438–441.
3. Холиқулов Б.Н., Маxсумов А.Г., Зиядуллаев А.Э., Нигматова К.Х. N,Nʹ-гeксамeтилeн бис [(3- бром фeнокси) -карбамат] синтезининг чиқиндисиз усулини ишлаб чиқиш // Kompozition Materiallar. Ilmiy-texnikaviy va amaliy jurnali. — № 4. — 2022. — Ташкент. — b. 195–196.
4. Ain A.Z., Rizafizah O., Wan S.A.W., Mohd N., Farah H.A. ¹H-NMR characterization of poly(ethylene glycol) and polydimethylsiloxane copolymer // Published by the American Institute of Physics.. — 2016. — Vol. 1784. — P. 030023.
5. Chunmei Li., Zhengzhou Su., Jiaojun Tan., Ying Xue., Yumin Yang., Hangyu Yin., Guoxian Zhang., and Qiuyu Zhang. Autocatalyzed interfacial thiol–isocyanate click reactions for microencapsulation of ionic liquids // The Journal of Materials Science. — 2020. — No.55. — Pp.9119–9128.
6. Kholikulov B.N., Makhsumov A. G., Umrzokov A. T., Ziyadullayev A.E. Syntheses and technology of  2-bromo-substituted bis-carbamate derivatives, properties and their application // Austrian Journal of Technical and Natural Sciences. — No. 3–4  2022. — March– April. — P. 100–110.
7. Panli Jiang, Mengping Guo, Leiqing Fu, Yongju Wen, Xiuli Shen, Lanjiang Zhou. [(PhCH₂O)₂P(CH₃)₂CHNCH(CH₃)₂]₂PdCl₂/CuI as Cocatalyst for Coupling-Cyclization of 2-Iodophenol with Terminal Alkynes in Water // Catalysts. — 2018. No. 8. — P.136.
8. Xoliqulov B.N., Maxsumov A.G‘., Umrzoqov A., Xandamov D.A., Ochilov G‘.M. Synthesis of a super biostimulator of bis-4-bromphenoxycarbamate derivatives, technology of properties and their application // Научный вестник. Кокандский ГПИ. — № 2 (6). — 2022. — Mart. — С. 48–59.
9. Zhuo J.H., Yong Ch., Huang H.H., Zhang X. Synthesis and structure investigation of hexamethylene diisocyanate (HDI)-based polyisocyanates // Research on Chemical Intermediates. — 2017. — No. 43. —  P. 2799–2816.