БИОЦИДНАЯ КОМПОЗИЦИЯ И СПОСОБ ЕЕ ПОЛУЧЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК A61L2/16 A01N55/08 A01N33/12 C07F5/04 

Настоящее изобретение относится к области нефтехимического и основного органического синтеза, точнее к способам получения обладающих биологической активностью водорастворимых и стойких к гидролизу борных эфиров многоатомных спиртов путем химической переработки высококипящих побочных продуктов (ВПП) процесса синтеза 4,4-диметилдиоксана-1,3 (I стадия производства изопрена из изобутилена и формальдегида).

Борные эфиры многоатомных спиртов, как и многие другие производные борной кислоты обладают токсичностью по отношению к грибам и бактериям и нашли практическое применение в качестве антисептиков для защиты древесины от биоразрушения и дезинфицирующих средств [Kliegel W., Bor in Biologie, Medizin und Pharmazie. - Berlin: Academic Verlag. - 1980. Попова Н.М., Харук Е. В. Консервирование древесины: проблемы, решения, экологические аспекты. - Новосибирск. -1991. - 171 с. Эрмуш Н.А. Борсодержащие антисептики и антипирены для защиты древесины. - Обзорная информация. Рига: ЛатНИИНТИ, 1988. - 63 с.].

Известен способ получения смеси обладающих биологической активностью, водорастворимых борных эфиров многоатомных спиртов (условное название "Аквабор", свидетельство на товарный знак 125140) из ВПП и борной кислоты, заключающийся в том, что широкая фракция ВПП (без предварительного разделения ее на отдельные компоненты) контактирует с кристаллической борной кислотой при 140÷160^oС и давлении 4÷6 атм в присутствии 0,05÷0,10 мас.% щавелевой, муравьиной и фосфорной кислот с последующей отгонкой выделяющихся при реакции воды и формальдегида [патент РФ 2054429, бюл. изобретений 5, 1996].

Известен также способ получения "Аквабора" из ВПП путем взаимодействия их с нагретым до кипения водным раствором борной кислоты, содержащим 0,05÷0,10 мас.% щавелевой, муравьиной и фосфорной кислот, при нагревании до 140÷160^oС и давлении 4÷6 атм с непрерывной отгонкой воды и формальдегида. ВПП предварительно обрабатывают водой при массовом соотношении 1:(1,0÷1,5) при 180÷190^oС в течение 1,5÷2,0 ч, а затем охлаждают до 100^oС [патент РФ 2052461, бюл. изобретений 2, 1996]. Недостатком полученной по этим способам смеси водорастворимых борных эфиров является образование при повышенных температурах 140÷160^oС и давлении 4÷6 атм смолообразных веществ, ухудшающих технологические свойства "Аквабора" при пропитке древесины.

Наиболее близким по предлагаемому составу биоцидной композиции и способу ее получения является "Аквабор", состоящий из смеси борных эфиров полиолов С₅-С₆, среди которых преобладают эфиры 3-метилпентантриола-1,3,5: 2-гидрокси-4-метил-4-гидроксиэтил-1,3,2-диоксаборинан и бис(2-гидрокси-4-метил-4-оксиэтил-1,3,2-диоксаборинан)-гидроксиборан. Указанную смесь получают также из широкой фракции ВПП без предварительного ее разделения при нагревании при 110÷115^oС с борной кислотой, взятой в массовом соотношении кислота : ВПП, равном (0,47÷0,45):1 соответственно, в присутствии инертного углеводорода, образующего гетероазеотроп с водой, с непрерывной отгонкой выделяющихся по реакции воды и формальдегида при атмосферном давлении, с последующим гидролизом образовавшихся борных эфиров при 80÷85^oС. Этерификация исходных ВПП и гидролиз полученных в результате этерификации промежуточных продуктов протекают в отсутствии катализаторов. После охлаждения реакционной массы отфильтровывают выпавшие кристаллы борной кислоты (около 60÷65% от исходной загрузки), а из двухфазного фильтрата отгоняют при пониженном давлении азеотропную смесь толуола с водой, а затем воду [патент РФ 2052460, бюл. изобретений 2, 1996 - прототип].

Известный способ обеспечивает высокий выход "Аквабора" со стабильными физико-химическими свойствами и биологическими свойствами, который не содержит смолообразных примесей, образующихся при повышенной температуре.

В соответствии с результатами испытания "Аквабора" - прототипа на грибостойкость он достаточно эффективен для защиты древесины от поражения дереворазрушающим грибом Coniophora cerebella (синоним Coniophora puteana - наиболее распространенный в странах умеренного климата дереворазрушающий гриб), но малоэффективен по отношению к деревоокрашивающим грибам.

Полученный "Аквабор" обладает и определенным антибактериальным действием и может использоваться в качестве дезинфектанта. Так, 6%-ный водный раствор "Аквабора" прекращает рост вегетативной микрофлоры (золотистый стафилококк, St. aureus, штамм "906" и кишечная палочка, E.coli, штамм "1257"). Однако этот эффект достигается только после 24-х часовой экспозиции, а при воздействии на вегетативную микрофлору с белковой защитой действенным оказывается только препарат, содержащий не менее 8% "Аквабора". В то же время установлено, что даже 10%-ный раствор "Аквабора" неэффективен по отношению к спорам антракоида (синоним Вас. cereus, штамм "96").

С целью усиления биологической активности препарата "Аквабор" предложена композиция, содержащая смесь водорастворимых, циклических борных эфиров полиолов С₅-С₆, среди которых преобладают эфиры 3-метилпентантриола-1,3,5: 2-гидрокси-4-метил-4-гидроксиэтил-1,3,2-диоксаборинан и бис(2-гидрокси-4-метил-4-оксиэтил-1,3,2-диоксаборинан)-гидроксиборан и 2-5% Катамина АБ (в расчете на массу смеси).

Катамин АБ представляет собой четвертичное аммониевое соединение, получаемое путем конденсации алкилдиметиламина и бензилхлорида. Эмпирическая формула Катамина АБ - R₂(CH₃)₂NH₂C₆H₅C_l, где R - смесь прямоцепных алкильных остатков C₁₀-C₁₈. Это вещество в виде 49-51%-ного водного раствора алкилдиметилбензиламмонийхлорида широко используется как дезинфектант и фунгицид, обладает большей биоактивностью, чем "Аквабор", однако относится к веществам 3 класса опасности и применение его в виде концентрированных растворов ограничивается из-за того, что Катамин АБ является довольно сильным аллергеном [Н. А. Заикина, А.Н. Разин, М.В. Соловский. Микология и фитопатология, 1994, т. 28, вып.6, с.32 - 34. Березовская И.В. и др., хим. - фарм. журнал, 1978, вып.12, с.61-68].

Введение в состав "Аквабора" Катамина АБ, взятого в указанных соотношениях, существенно повышает токсичность композиции по отношению к целому ряду культур микроорганизмов, либо подавляет рост других культур, в отношении которых, компоненты композиции по отдельности не проявляли никакой активности (синергитический эффект).

О наличии выраженного синергитического эффекта в предлагаемой в настоящей заявке композиции свидетельствуют результаты исследования токсичности предлагаемой композиции и входящих в ее состав компонентов по отношению к культурам некоторых микроорганизмов (табл.1 и 2). Так, из рассмотрения данных табл.1 видно, что водные раствора "Аквабора" и Катамина АБ, как и растворы композиций, содержащих менее 2 мас.% Катамина АБ, практически не влияют или влияют очень слабо на рост культуры возбудителя туберкулеза (Mycobacterium), тогда как применение композиций, содержащих 2-5 мас.% Катамина АБ, обеспечивает эффективное подавление роста этой культуры. Из рассмотрения табл. 2 также видно насколько возрастает эффективность дезинфицирующего действия "Аквабора" в отношении бактерий и спор при использовании смеси "Аквабора" с Катамином АБ, содержащей от 2 до 5% последнего.

Синергитический эффект наблюдается также при использовании смеси "Аквабор-Катамин АБ" в качестве фунгицида. В табл.3 приведены результаты изучения противогрибковой активности препаратов на основе "Аквабора" в отношении четырех крайне опасных для человека токсигенных и аллергенных грибов. Из рассмотрения этих данных видно, что для препаратов, содержащих от 2 до 5% Катамина АБ, резко уменьшается время экспозиции, необходимое для подавления жизнедеятельности всех грибов, по сравнению с той же величиной для "Аквабора" и смеси "99% Аквабора+1% Катамина АБ".

В то же время введение Катамина АБ не вызывает снижения класса опасности полученной композиции по сравнению с "Аквабором". Об этом свидетельствуют результаты определения основных параметров токсичности различных препаратов на основе "Аквабора" (табл.4). Из рассмотрения этих данных видно, что снижение класса опасности от 4-го до 3-го наблюдается для композиций, содержащих свыше 5% Катамина АБ, в то время как смеси, содержащие менее 5% Катамина АБ, также безопасны для человека, как и сам "Аквабор".

Приведенные данные по синергитическому эффекту от совместного использования "Аквабора", полученного предлагаемым способом, и Катамина АБ подтверждают неочевидность предлагаемой композиции.

Недостатками известного способа получения "Аквабора" являются сложность технологии, а также применение при синтезе пожаро-взрывоопасного растворителя - инертных углеводородов. С целью упрощения технологии синтез предлагаемой биоцидной композиции, состоящей из "Аквабора" и 2÷5% Катамина АБ, осуществляют следующим образом.

В качестве исходного сырья используют легкую фракцию высококипящих продуктов с температурой кипения 150÷180^oС при остаточном давлении 100÷200 мм рт. ст., выделенную из широкой фракции ВПП синтеза 4,4-диметилдиоксана-1,3 и имеющую следующий состав (мас.%):
Триметилкарбинол (ТМК) - 0,60 - 0,70
Диметилвинилкарбинол - 0,02 - 0,04
Метилдигидропиран - 0,01 - 0,03
Изобутенилкарбинол - 0,15 - 0,40
4,4-диметил-1,3-диоксан - 2,50 - 6,50
Эфир ТМК и МВД - 5,50 - 10,50
4-метил-4-окситетрагидропиран - 6,70 - 9,50
3-метил-1,3-бутандиол (МБД) - 8,50 - 13,50
4-оксиизопропил-1,3-диоксан - 6,00 - 16,00
4-метил-4-оксиэтил-1,3-диоксан - 20,00 - 30,00
4,4-диметил-5-оксиметил-1,3-диоксан - 4,50 - 8,50
Эфиры и формали указанных спиртов - Остальное
Синтез проводят в двух аппаратах, снабженных перемешивающими устройствами, в первом из которых синтезируют борные эфиры, разлагают гидролитически нестойкие бораты и отделяют реакционную жидкость от выпавших в осадок кристаллов борной кислоты, а во втором - отгоняют из полупродукта (фильтрата) избыточную воду, легколетучие органические вещества и формальдегид, вводят компонент, повышающий биологическую активность, - Катамин АБ и получают готовую биоцидную композицию "Аквабор-Катамин АБ".

В аппарат 1 загружают воду и кристаллическую борную кислоту, взятые в массовом соотношении 1:(0,35÷0,40). Включают обогрев и доводят жидкость до кипения. Борная кислота растворяется в течение 10÷15 мин после закипания воды, образуя 28÷30%-ный раствор, кипящий при 104^oС. В кипящий раствор кислоты вводят предварительно нагретую до 70÷80^oС легкую фракцию ВПП, взятую в соотношении к воде, равном 1:1. После загрузки всего количества ВПП кипение в аппарате поддерживают еще 7 ч, так чтобы полное время синтеза составило 8 ч, считая от момента введения первой порции ВПП.

Отключают обогрев и охлаждают аппарат 1 до комнатной температуры. При этом в процессе охлаждения на дно аппарата выпадают кристаллы борной кислоты. Затем отсасывают жидкую фазу в аппарат 2 под вакуумом с помощью резинового шланга с фильтром (сеткой) на конце, установленного в донной части аппарата 1. В аппарате 1 остается около 2/3 количества загруженной борной кислоты и 12-13% от массы загруженной жидкости. Применение такого приема фильтрации реакционной массы позволяет избежать трудоемких операций по снятию кристаллической борной кислоты с фильтра и ее рециклу в реактор синтеза борных эфиров.

Содержимое аппарата 2 нагревают при включенной мешалке до 100^oС, а затем упаривают в течение 1÷2 ч при 100÷130^oС. Отгон содержит воду, 2,5% формальдегида и 2% легколетучих органических веществ. Охлаждают реакционную массу в аппарате 2 до 60÷70^oС и добавляют при перемешивании 49÷51%-ный водный раствор алкилдиметилбезиламмоний хлорида (Катамин АБ) в количестве 2÷5% в расчете на массу образующейся композиции в аппарате 2. После охлаждения до 50^oС выгружают готовую композицию, содержащую не менее 2,3 мас.% бора. В аппарат 1 загружают воду и 1/3 расчетного количества Н₃ВО₃ (2/3 осталось после синтеза) и все операции повторяют заново.

Существенными отличительными признаками предлагаемого способа от прототипа являются:
1) использование в качестве сырья взамен широкой смеси ВПП синтеза 4,4-диметилдиоксана-1,3 ее легкой фракции, выделенной при 150-180^oС и остаточном давлении 100÷200 мм рт.ст.,
2) проведение синтеза борных эфиров при массовом соотношении борная кислота : исходная легкая фракция ВПП : вода, равном (0,35÷0,40):1:1 соответственно,
3) исключение из технологических операций инертных углеводородов, например толуола,
5) добавление 2÷5% в расчете на массу смеси Катамина АБ на стадии упарки продуктов этерификации.

Указанные отличительные признаки позволяют улучшить качество и повысить биологическую активность смеси циклических борных эфиров, снизить уровень пожароопасности процесса за счет проведения его без участия органических растворителей, например толуола, а также упростить технологию процесса за счет отсоса жидкой части реакционной массы, содержащей химически связанную борную кислоту (примерно 1/3 от загрузки) через фильтр, установленный непосредственно в донной части реактора этерификации и гидролиза, что исключает трудоемкие операции по снятию кристаллической борной кислоты с фильтра и возврату ее в реактор 1, а также существенно повысить биоактивность целевого продукта.

Промышленная применимость и эффективность предлагаемой биоцидной композиции и способа ее получения подтверждается следующими примерами.

Пример 1
В 3-х горлую колбу, емкостью 750 мл, снабженную мешалкой, обогреваемой загрузочной воронкой, термометром и обратным холодильником, загружают 250 г воды и 100 г кристаллической борной кислоты. Содержимое колбы нагревают до растворения борной кислоты, образующей 28,6%-ный раствор, кипящий при 104^oС.

В кипящий раствор кислоты при включенной мешалке постепенно вводят через обогреваемую воронку 250 г легкой фракции ВПП, предварительно нагретой до 70÷80^oС.

Состав легкой фракции ВПП (мас.%):
Триметилкарбинол (ТМК) - 0,64
Диметилвинилкарбинол - 0,02
Метилдигидропиран - 0,01
Изобутенилкарбинол - 0,15
4,4-диметил-1,3-диоксан - 6,50
Эфир ТМК и МБД - 6,59
4-метил-4-окситетрагидропиран - 7,61
3-метил-1,3-бутандиол (МБД) - 8,50
4-оксиизопропил-1,3-диоксан - 7,99
4-метил-4-оксиэтил-1,3-диоксан - 20,38
4,4-диметил-5-оксиметил-1,3-диоксан - 7,30
Эфиры и формали указанных спиртов - Остальное
Температура кипения фракции 150÷160^oС/100÷120 мм рт.ст.

После загрузки всего количества ВПП кипение в аппарате при 104÷106^oС поддерживают еще 7 ч с тем, чтобы полное время синтеза составило примерно 8 ч, считая от момента введения первой порции ВПП.

Отключают обогрев и охлаждают содержимое колбы до комнатной температуры в течение примерно 12 ч, установив вместо загрузочной воронки отсасывающую стеклянную трубку с металлической сеткой на конце (фильтр). В процессе охлаждения реакционной массы протекает гидролиз части образовавшихся эфиров и на дно колбы постепенно выпадают кристаллы борной кислоты. При продолжительной выдержке борная кислота оседает в виде однородных, сформированных в виде белых чешуек кристаллов.

Затем присоединяют отсасывающую трубку к водоструйному насосу и через фильтр отсасывают под вакуумом во вторую колбу большую часть жидкости (примерно 85÷90% от массы загруженной воды и ВПП). При этом в первой колбе остается около 2/3 от всего количества загруженной борной кислоты.

Содержимое второй колбы (фильтрат) нагревают при включенной мешалке до 100^oС, а затем упаривают в течение 1÷2 ч при 100÷130^oС. Отгон содержит воду, около 2,5% формальдегида и 2÷3% легколетучих органических веществ. Периодически из колбы отбирают пробы, которые анализируют на содержание бора. По достижении 2,3%-ной концентрации бора в кубовой жидкости отгон прекращают (в случае необходимости содержание бора может быть доведено до 4,0÷4,2 мас.%).

Охлаждают кубовый продукт до 60÷70^oС и добавляют к нему при перемешивании 50%-ный водный раствор алкилдиметилбензиламмоний хлорида (Катамин АБ) в количестве 4,2 г (2,08% в расчете на массу кубового продукта, 2,00% в расчете на массу композиции) и после смешения выгружают из колбы 206,2 г прозрачной вязкой текучей жидкости, окрашенной в желтый цвет. Содержание бора в готовом продукте составляет 2,70%, воды - 5,65%.

В первую колбу загружают 250 г воды и 34 г борной кислоты. Нагревают содержимое колбы до кипения, постепенно добавляют 250 г предварительно нагретой легкой фракции ВПП и проводят синтез повторно (табл.4а).

Полученный продукт представляет собой маслянистую, вязкую жидкость, практически не отличающуюся по своим физико-химическим показателям от чистого "Аквабора" (см. табл. 5).

Эффективность полученного препарата в качестве дезинфектанта оценивалась по результатам испытаний его туберкулецидной (табл.1), бактерицидной и спорицидной (табл. 2) и фунгицидной (табл.3) активности, проводимых согласно "Методических указаний по оценке эффективности дезинфицирующих, предназначенных для обеззараживания различных объектов и санитарной обработки людей" Минздрава СССР 859-70 от 20.08.1970.

Пример 2
Синтез биоцидной композиции проводят аналогично примеру 1 с тем лишь различием, что в качестве исходного сырья используют легкую фракцию ВПП с температурой кипения 170÷180^oС при 200 мм рт.ст.

Состав легкой фракции ВПП (мас.%):
Триметилкарбинол (ТМК) - 0,74
Диметилвинилкарбинол - 0,02
Метилдигидропиран - 0,01
Изобутенилкарбинол - 0,40
4,4-диметил-1,3-диоксан - 2,05
Эфир ТМК и МВД - 9,59
4-метил-4-окситетрагидропиран - 8,75
3-метил-1,3-бутандиол (МВД) - 12,67
4-оксиизопропил-1,3-диоксан - 11,07
4-метил-4-оксиэтил-1,3-диоксан - 27,65
4,4-диметил-5-оксиметил-1,3-диоксан - 9,07
Эфиры и формали указанных спиртов - Остальное
Синтез борных эфиров проводят при массовом соотношении борная кислота : исходная легкая фракция ВПП : вода, равном 0,35:1:1. В аппарат 2 загружают Катамин АБ в количестве 9,8 г (5% в расчете на массу композиции, 5,26% в расчете на массу "Аквабора").

Выгружают из колбы 206 г прозрачной, текучей жидкости темно-желтого цвета. Содержание бора в продукте составляет 2,44%, воды - 6,1% (табл.5а).

Эффективность полученного препарата в качестве дезинфектанта оценивалась по результатам испытаний его туберкулецидной (табл.1), бактерицидной и спорицидной (табл. 2) и фунгицидной (табл.3) активности, проводимых согласно "Методических указаний по оценке эффективности дезинфицирующих, предназначенных для обеззараживания различных объектов и санитарной обработки людей" Минздрава СССР 859-70 от 20.08.1970.

Описывается биоцидная композиция на основе водорастворимых, стойких к гидролизу циклических борных эфиров многоатомных спиртов С₅-С₆ ("Аквабор"), дополнительно содержащая 2-5 мас.% Катамина АБ в расчете на биоцидную композицию. Описывается способ получения биоцидной композиции, полученной этерификацией легкой фракции высококипящих побочных продуктов синтеза 4,4-диметил-1,3-диоксана борной кислотой при 150-180^oС и остаточном давлении 100-200 мм рт.ст. при массовом соотношении борная кислота : легкая фракция ВПП : вода, равном (0,35-0,40):1:1 соответственно. Процесс проводят в двух реакторах, в первом из которых при температуре 104-110^oС проводят этерификацию с последующим гидролизом и отделением выпадающих при гидролизе кристаллов борной кислоты на фильтре, установленном в донной части реактора, с рециклом отделенных кристаллов в процесс, а во втором реакторе отгоняют избыточную воду, формальдегид и легколетучие органические вещества и добавляют для усиления биологической активности Катамин АБ в количестве 2-5% в расчете на образующуюся композицию. Техническим результатом является усиление биоцидного действия композиции "Аквабор-Катамин АБ" по сравнению с "Аквабором". 2 с.п. ф-лы, 7 табл.

1. Биоцидная композиция на основе водорастворимых, стойких к гидролизу циклических борных эфиров многоатомных спиртов "Аквабора", представляющих собой смесь борных эфиров полиолов С₅-С₆, с преобладающим содержанием в них эфиров 3-метилпентантриола-1,3,5: 2-гидрокси-4-метил-4-гидроксиэтил-1,3,2-диоксаборинана и бис(2-гидрокси-4-метил-4-оксиэтил-1,3,2-диоксаборинан)-гидроксиборана, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит 2-5 мас. % Катамина АБ в расчете на биоцидную композицию. 2. Способ получения биоцидной композиции на основе смеси водорастворимых, стойких к гидролизу циклических борных эфиров многоатомных спиртов "Аквабор", представляющих собой смесь борных эфиров полиолов С₅-С₆, с преобладающим содержанием в них эфиров 3-метилпентантриола-1,3,5: 2-гидрокси-4-метил-4-гидроксиэтил-1,3,2-диоксаборинана и бис(2-гидрокси-4-метил-4-оксиэтил-1,3,2-диоксаборинан)-гидроксиборана, полученной этирификацией высококипящих побочных продуктов синтеза 4,4-диметил-1,3-диоксана борной кислотой при повышенной температуре с последующим гидролизом образующихся продуктов этерификации с отгонкой выделяющихся по реакции воды и формальдегида, отличающийся тем, что на этерификацию берут легкую фракцию высококипящих побочных продуктов с температурой кипения 150-180^oС при остаточном давлении 100-200 мм рт. ст. при массовом соотношении борная кислота : легкая фракция высококипящих побочных продуктов : вода, равном (0,35-0,40): 1: 1 соответственно и процесс проводят в двух реакторах, в первом из которых при температуре 104-110^oС проводят этерификацию с последующим гидролизом и отделением выпадающих при гидролизе кристаллов борной кислоты на фильтре, установленном в донной части реактора, с рециклом отделенных кристаллов в процесс, а во втором реакторе отгоняют из фильтрата избыточную воду, формальдегид и легкокипящие органические вещества и к полученной смеси борных эфиров добавляют Катамин АБ в количестве 2-5 мас. % в расчете на биоцидную композицию.