PL237059B1 - Sposób otrzymywania 2-hydroksypropanosulfonianów [(3-alkanoilo metyloamino)propylo] dimetyloamoniowych - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest sposób wytwarzania 2-hydroksypropanosulfonianów [(3-alkanoilo metyloamino)propylo] dimetyloamoniowych o wzorze ogólnym 1, w którym R oznacza, prosty lub rozgałęziony, nasycony lub nienasycony, korzystnie nasycony łańcuch węglowodorowy zawierający od 7 do 19 atomów węgla, korzystnie od 9 do 17 atomów węgla, charakteryzuje się tym, że kwaternizację N-[3-(dimetyloamino)propylo]-N-metyloalkiloamidu solą sodową kwasu 3-chloro-2-hydroksypropanosolfonowego prowadzi się w środowisku niskocząsteczkowego alkoholu i otrzymuje 2-hydroksypropanosulfonian [(3-alkanoilometyloamino)propylo] dimetyloamoniowy, a otrzymany surowy produkt oczyszcza się poprzez krystalizację. Związki te, zawierające ugrupowania hydrofilowe, które stanowiące jon obojnaczy, mogą znaleźć zastosowanie w produktach chemii gospodarczej oraz formulacjach kosmetycznych i farmaceutycznych.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób otrzymywania 2-hydroksypropanosulfonianów [(3-alkanoilo metyloamino)propylo]dimetyloamoniowych.

Sposób wytwarzania 2-hydroksypropanosulfonianów [(3-alkanoilo metyloamino)propylo]dimetyloamoniowych pozwala na otrzymanie cennych związków, należących do grupy surfaktantów amfoterycznych, prostą i dogodną metodą, prowadzącą do otrzymania czystych związków z wysoką wydajnością. Związki te, zawierające ugrupowania hydrofilowe, które stanowi jon obojnaczy, mogą znaleźć zastosowanie w produktach chemii gospodarczej oraz formulacjach kosmetycznych i farmaceutycznych.

Z opisu zgłoszenia patentowego nr US201781277 znane są 2-hydroksypropanosulfoniany [(3-alkanoilo amino)propylo]dimetyloamoniowe oraz 2-hydroksypropanosulfoniany (3-alkanoilopropylo) 2-hydroksy-N, N-dimetyloamoniowe, pochodne N, N-dimetylotrimetylenodiaminy lub N, N-dimetylopropanoloaminy, zawierające amfoteryczne ugrupowanie hydrofilowe. Reakcja czwartorzędowania odpowiednich półproduktów (alkiloamidów lub alkiloestrów) solą sodową kwasu 3-chloro-2-hydroksypropanosolfonowego prowadzona była typowo w środowisku wodnym z dodatkiem węglanu sodu przez 12-18 godzin w temperaturze 80-90°C. Według opisu patentowego związki te mogą być zastosowane jako składniki myjące w środkach chemii kosmetycznej i gospodarczej.

Z opisu patentowego AU 200630354 znana jest metoda wytwarzania octanów [(3-alkanoiloamino)propylo]dimetyloamoniowych, która polega na czwartorzędowaniu N-[3-(dimetyloamino)propylo]-N-alkiloamidów chlorooctanem sodu w środowisku wodnym w obecności czynnika zasadowego (korzystnie wodorotlenku sodu przy pH utrzymywanym około 7,5) w temperaturze 98°C przez 5 godzin. Według opisu patentowego związki te mogłyby być stosowane jako składniki środków grzybobójczych, przeznaczonych do ochrony roślin.

Znana z publikacji J. Surfactant. Detergent., 2014, 17, 295 (Y. Wang i inni, „Effect of a Hydrophilic Head Group on Krafft Temperature, Surface Activities and Rheological Behaviors of Erucyl Amidobetaines”) metoda otrzymywania surfaktantów typu amidosulfobetain (z ugrupowaniem amidowym II-rzędowym w łączniku) polega na reakcji soli sodowej kwasu 3-chloro-2-hydroksypropanosolfonowego z N-[3-(dimetyIoamino)propylo]-N-erucyloamidem w mieszaninie izopropanol : woda (1:1, r/r) przy 25% nadmiarze soli sodowej kwasu 3-chloro-2-hydroksypropanosolfonowego, w obecności NaOH jako katalizatora. Reakcję prowadzi się w temperaturze 78°C przez 12 godzin pod chłodnicą zwrotną, natomiast wydzielony uboczne chlorek sodu usuwa się poprzez odparowanie rozpuszczalników, rozpuszczenie pozostałości w bezwodnym etanolu i filtrację. Otrzymany produkt oczyszcza się poprzez wytrącenie octanem etylu, filtrację i kilkukrotne przemycie octanem etylu.

Nie jest znany z literatury przedmiotu: sposób wytwarzania 2-hydroksypropanosulfonianów [(3-alkanoilo metyloamino)propylo]dimetyloamoniowych o wzorze ogólnym 1, będący przedmiotem wynalazku.

Istotą wynalazku jest: sposób otrzymywania 2-hydroksypropanosulfonianów [(3-alkanoilo metyloamino)propylo]dimetyloamoniowych o wzorze ogólnym 1, w których R oznacza prosty lub rozgałęziony łańcuch węglowodorowy zawierający od 7 do 19 atomów węgla, korzystnie od 9 do 17 atomów węgla.

Sposób wytwarzania 2-hydroksypropanosulfonianów [(3-alkanoilo metyloamino)propylo]dimetyloamoniowych o wzorze ogólnym 1, w którym R oznacza prosty lub rozgałęziony, nasycony lub nienasycony łańcuch węglowodorowy zawierający 7-19 atomów węgla, polega na dwuetapowym procesie, w którym pierwszym etapem syntezy jest wytworzenie N-[3-(dimetyloamino)propylo]-N-metyloalkiloamidów w wyniku reakcji N, N, N’-trimetylo-1,3-propanodiaminy z chlorkiem kwasu tłuszczowego w mieszaninie tetrahydrofuranu i trietyloaminy (1:1, r/r). Reakcję prowadzi się poprzez wkroplenie chlorku kwasu tłuszczowego do roztworu N, N, N’-trimetylo-1,3-propanodiaminy w mieszaninie tetrahydrofuranu i trietyloaminy podczas intensywnego mieszania w ciągu 15-60 minut, korzystnie 30 minut. Następnie intensywnie miesza się powstałą zawiesinę przez kolejne 2-12 godzin, korzystnie 4-6 h. Po upływie tego czasu z mieszaniny reakcyjnej usuwa się wytrącony osad produktu ubocznego (chlorowodorku trietyloaminy) poprzez sączenie, a następnie odparowuje rozpuszczalniki pod zmniejszonym ciśnieniem na wyparce rotacyjnej. Otrzymuje się N-[3-(dimetyloamino)propylo]-N-metyloalkiloamidów w postaci cieczy (w przypadku użycia chlorków kwasowych o łańcuchach zawierających od 8 do 16 atomów węgla) lub ciała stałego (w przypadku użycia chlorków kwasowych o łańcuchach zawierających powyżej 16 atomów węgla). W drugim etapie N-[3-(dimetyloamino)propylo]-N-metyloalkiloamidy i sól sodową kwasu

PL 237 059 B1

3-chloro-2-hydroksypropanosolfonowego (1,25-krotny nadmiar w stosunku do N-[3-(dimetyloamino)propylo]-N-metyloalkiloamidu) wprowadza się do naczynia, przeznaczonego do prowadzenia reakcji pod zwiększonym ciśnieniem, dodaje metanol i prowadzi reakcję w temperaturze 85-120°C, korzystnie 95105°C, przez 24-72 godziny, korzystnie 36-54 h. Alternatywnym rozpuszczalnikiem podczas tego procesu może być mieszanina izopropanol : woda (1:1, w). Po ochłodzeniu do temperatury pokojowej z mieszaniny reakcyjnej usuwa się wytrącony osad produktu ubocznego (chlorku sodu) i nieprzereagowanej soli sodowej kwasu 3-chloro-2-hydroksypropanosolfonowego, a następnie odparowuje się rozpuszczalnik pod zmniejszonym ciśnieniem przy użyciu wyparki obrotowej. Kolejno uzyskany produkt rozpuszcza się w bezwodnym etanolu, ponownie poddaje filtracji, a przesącz odparowuje na wyparce obrotowej do uzyskania stałej masy. Otrzymany produkt surowy oczyszcza się na drodze krystalizacji z rozpuszczalnika organicznego, korzystnie mieszaniny bezwodnego etanolu i acetonu (1:2, w), metanolu i octanu etylu lub metanolu i acetonitrylu, w temperaturze poniżej 5°C, korzystnie około -20°C.

Zasadniczą zaletą sposobu według wynalazku jest wytwarzanie prostą metodą, z użyciem powszechnie dostępnych surowców, związków o aktywności powierzchniowej i szerokiej gamie potencjalnych zastosowań dzięki obecności pH-czułego ugrupowania hydrofilowego.

2-hydroksypropanosulfoniany [(3-alkanoilo metyloamino)propylo]dimetyloamoniowe według wynalazku potencjalnie wykazują szereg interesujących własności użytkowych, z których najistotniejsza jest aktywność powierzchniowa na granicach międzyfazowych, zdolność do modyfikowania (zwiększania) lepkości roztworów wodnych oraz pH-czułość. Z tego względu mogą być wykorzystane jako składniki aktywne środków piorących, myjących, zwilżających, zwłaszcza przeznaczonych do kontaktu ze skórą, a także modyfikatory lepkości w różnego rodzaju formulacjach chemii gospodarczej, kosmetycznej i farmaceutycznej. Sposób wytwarzania 2-hydroksypropanosulfonianów [(3-alkanoilo metyloamino)propylo]dimetyloamoniowych charakteryzuje się prostotą oraz możliwością otrzymywania produktów o wysokiej czystości z dużymi wydajnościami. Z uwagi na pH-respnonsywność mogą stanowić składniki tzw. inteligentnych nośników substancji biologicznie aktywnych.

Przedmiot wynalazku objaśniony jest na przykładzie otrzymywania 2-hydroksypropanosulfonianu [(3-tetradekanoilo metyloamino)propylo]dimetyloamoniowego, 2-hydroksypropanosulfonianu [(3-tetradekanoilo metyloamino)propylo]dimetyloamoniowego i 2-hydroksypropanosulfonianu [(3-oktanoilo ikozanoilo metyloamino)propylo]dimetyloamoniowego oraz na schematach reakcji, z których schemat reakcji 1 uwidacznia reakcję powstawania N-[3-(dimetyloamino)propylo]- N-metyloalkiloamidu, a schemat reakcji 2 reakcję otrzymywania 2-hydroksypropanosulfonianu [(3-alkanoilo metyloamino)propylo]dimetyloamoniowego.

P r z y k ł a d I

W pierwszym etapie w celu otrzymania N-[3-(dimetyloamino)propylo]-N-metylotetradecyloamidu do kolby stożkowej wprowadza się 10,00 g (0,0861 mola) N, N, N-trimetylo-1,3-propanodiaminy w 200 cm³ mieszaniny tetrahydrofuran : trietyloamina (1:1, ν: ν), a następnie wkrapla 21,24 g (0,0861 mola) chlorku tetradekanoilu przez 30 minut, podczas intensywnego mieszania zawartości kolby. Następnie kontynuuje się mieszanie przez 5 h, a wytrącony osad chlorowodorku trietyloaminy usuwa poprzez filtrację pod zmniejszonym ciśnieniem. Po odparowaniu rozpuszczalników pod zmniejszonym ciśnieniem otrzymuje się 27,94 g (99,4% mas).

W drugim etapie w celu otrzymania 2-hydroksypropanosulfonianu [(3-tetradekanoilo metyloamino)propylo]dimetyloamoniowego do naczynia, przeznaczonego do prowadzenia reakcji pod zwiększonym ciśnieniem, wprowadza się 6,00 g (0,018 mola) N-[3-(dimetyloamino)propylo]-N-metyIotetradecyloamidu, 4,42 g (0,0225 mola) chlorooctanu sodu i 100 cm³ metanolu. Następnie naczynie zamyka się szczelnie i ogrzewa przez 48 godzin w temperaturze 100°C na łaźni olejowej. Po ochłodzeniu do temperatury pokojowej mieszaninę reakcyjną poddaje się filtracji, a przesącz odparowuje pod zmniejszonym ciśnieniem przy użyciu wyparki obrotowej. Do uzyskanego produktu dodaje się 100 cm³ bezwodnego etanolu, ponownie sączy, a uzyskany roztwór odparowuje pod zmniejszonym ciśnieniem. Otrzymaną pozostałość rozpuszcza się w minimalnej ilości mieszaniny etanol : aceton (1:2, w, około 125 cm³) i pozostawia do krystalizacji w zamrażarce (temperatura -20°C) na co najmniej 24 godziny. Uzyskany produkt odsącza się pod zmniejszonym ciśnieniem, przemywa zimnym acetonem i pozostawia do wysuszenia w eksykatorze. Korzystna może być ponowna krystalizacja, z użyciem innego zestawu rozpuszczalników, np.: metanolu i octanu etylu lub metanolu i acetonitrylu. Otrzymuje się 7,05 g (84,3% mas) produktu w postaci białego ciała stałego.

Napięcia powierzchniowe dla 0,1 i 0,01% wag. roztworu w wodzie destylowanej w temperaturze 295 K wynoszą, odpowiednio, 39,9 i 38,8 mN/m.

PL 237 059 B1

Widmo ¹H NMR 2-hydroksypropanosulfonianu [(3-tetradekanoilo metyloamino)propylo]dimetyloamoniowego (roztwór w CDCI3), δ [ppm] (wartość przesunięcia chemicznego względem standardu tetrametylosilanu): 0.84-0.89 [t, 3H, -COCH2CH2(CH2)ioCH3]; 1.25-1.31 [m, 20H, -COCH2CH2(CH2)ioCH3]; 1.56-1.61 [m, 2H, -COCH2CH2(CH2)ioCH3]; 1.99-2.02 [m, 2H, -N+CH2CH2CH2N-]; 2.25-2.31 [t, 2H,

-COCH2CH2(CH2)ioCH3]; 3.02-3.05 [s, 3H, -N(CH3)-]; 3.23-3.35 [s, 6H; -N⁺(CH3)2-]; 3.45-3.47 [m, 2H; -N⁺CH2CH(OH)CH2-]; 3.62-3.68 [m, 4H, -N+CH2CH2CH2N-]; 3.88 [m, 2H; -N⁺CH2CH(OH)CH2-]; 4.324.35 [m, 1H; -N⁺CH2CH(OH)CH2-].

P r z y k ł a d II

W pierwszym etapie w celu otrzymania N-[3-(dimetyloamino)propylo]-N-metylooktyloamidu do kolby stożkowej wprowadza się 10,00 g (0,0861 mola) N, N, N ‘-trimetylo-1,3-propanodiaminy w 200 cm³ mieszaniny tetrahydrofuran : trietyloamina (1:1, w), a następnie wkrapla 14,01 g (0,0861 mola) chlorku tetradekanoilu przez 15 minut, podczas intensywnego mieszania zawartości kolby. Następnie kontynuuje się mieszanie przez 2 h, a wytrącony osad chlorowodorku trietyloaminy usuwa poprzez filtrację pod zmniejszonym ciśnieniem. Po odparowaniu rozpuszczalników pod zmniejszonym ciśnieniem otrzymuje się 19,89 g (95,3% mas).

W drugim etapie w celu otrzymania 2-hydroksypropanosulfonianu [(3-oktanoilo metyloamino)propylo]dimetyloamoniowego do naczynia, przeznaczonego do prowadzenia reakcji pod zwiększonym ciśnieniem, wprowadza się 4,36 g (0,018 mola) N-[3-(dimetyloamino)propylo]-N-metylooktadecyloamidu, 4,42 g (0,0225 mola) chlorooctanu sodu i 80 cm³ mieszaniny izopropanol : woda (1:1, w). Następnie naczynie zamyka się szczelnie i ogrzewa przez 72 godziny w temperaturze 85°C na łaźni olejowej. Następnie postępuje się jak w przykładzie I. Otrzymaną pozostałość, po odparowaniu etanolu, rozpuszcza się w minimalnej ilości metanolu (około 15 cm³), dodaje porcjami octan etylu, aż do pojawienia się trwałego zmętnienia (około 200 cm³) i pozostawia do krystalizacji w zamrażarce (temperatura -20°C) na co najmniej 24 godziny. Uzyskany produkt odsącza się pod zmniejszonym ciśnieniem, przemywa zimnym octanem etylu i pozostawia do wysuszenia w eksykatorze. Otrzymuje się 4,82 g (70,3% mas) produktu w postaci białego ciała stałego.

Napięcia powierzchniowe dla 0,1 i 0,01% wag. roztworu w wodzie destylowanej w temperaturze 295 K wynoszą, odpowiednio, 54,9 i 65,3 mN/m.

Widmo 1H NMR 2-hydroksypropanosulfonianu [(3-oktanoilo metyloamino)propylo]dimetyloamoniowego (roztwór w CDCI3), δ [ppm] (wartość przesunięcia chemicznego względem standardu tetrametylosilanu): 0.85-0.88 [t, 3H, -COCH2CH2(CH2)4CH3]; 1.26-1.32 [m, 8H, -COCH2CH2(CH2)4CH3]; 1.551.62 [m, 2H, -COCH2CH2(CH2)4CH3]; 1.98-2.03 [m, 2H, -N+CH2CH2CH2N-]; 2.25-2.33 [t, 2H,

-COCH2CH2(CH2)4CH3]; 3.02-3.05 [s, 3H, -N(CH3)-]; 3.23-3.36 [s, 6H; -N⁺(CH3)2-]; 3.43-3.47 [m, 2H; -N⁺CH2CH(OH)CH2-]; 3.61-3.68 [m, 4H, -N+CH2CH2CH2N-]; 3.88 [m, 2H; -N⁺CH2CH(OH)CH2-]; 4.354.36 [m, 1H; -N⁺CH2CH(OH)CH2-].

P r z y k ł a d III

W pierwszym etapie w celu otrzymania N-[3-(dimetyloamino)propylo]-N-metyloikozyloamidu do kolby stożkowej wprowadza się 10,00 g (0,0861 mola) N, N, N’-trimetylo-1,3-propanodiaminy w 200 cm³ mieszaniny tetrahydrofuran : trietyloamina (1:1, w), a następnie wkrapla 28,50 g (0,0861 mola) chlorku ikozanoilu przez 60 minut, podczas intensywnego mieszania zawartości kolby. Następnie kontynuuje się mieszanie przez 12 h, a wytrącony osad chlorowodorku trietyloaminy usuwa poprzez filtrację pod zmniejszonym ciśnieniem. Po odparowaniu rozpuszczalników pod zmniejszonym ciśnieniem otrzymuje się 35,17 g (99,7% mas).

W drugim etapie w celu otrzymania 2-hydroksypropanosulfonianu [(3-ikozanoilo metyloamino)propylo]dimetyloamoniowego do naczynia, przeznaczonego do prowadzenia reakcji pod zwiększonym ciśnieniem, wprowadza się 7,38 g (0,018 mola) N-[3-(dimetyloamino)propylo]-N-metyloikozyloamidu, 4,42 g (0,0225 mola) chlorooctanu sodu i 120 cm³ metanolu. Następnie naczynie zamyka się szczelnie i ogrzewa przez 24 godziny w temperaturze 120°C na łaźni olejowej. Następnie postępuje się jak w przykładzie I. Otrzymaną pozostałość, po odparowaniu etanolu, rozpuszcza się w minimalnej ilości metanolu (około 35 cm³), dodaje porcjami acetonitryl, aż do pojawienia się trwałego zmętnienia (około 175 cm³) i pozostawia do krystalizacji w lodówce (temperatura 2-4°C) na co najmniej 24 godziny. Uzyskany produkt odsącza się pod zmniejszonym ciśnieniem, przemywa zimnym acetonitrylem i pozostawia do wysuszenia w eksykatorze. Otrzymuje się 6,93 g (70,3% mas) produktu w postaci białego ciała stałego.

Napięcia powierzchniowe dla 0,01% wag. roztworu w wodzie destylowanej w temperaturze 295 K wynosi 26,3 mN/m.

PL 237 059 B1

Widmo ¹H NMR 2-hydroksypropanosulfonianu [(3-oktanoilo metyloamino)propylo]dimetyloamoniowego (roztwór w CDCI3), δ [ppm] (wartość przesunięcia chemicznego względem standardu tetrametylosilanu): 0.86-0.88 [t, 3H, -COCH2CH2(CH2)i6CH3]; 1.23-1.34 [m, 32H, -COCH2CH2(CH2)4CH3]; 1.541.62 [m, 2H, -COCH2CH2(CH2)i6CHs]; 1.99-2.02 [m, 2H, -N+CH2CH2CH2N-]; 2.24-2.32 [t, 2H,

-COCH2CH2(CH2)i6CH3]; 3.02-3.06 [s, 3H, -N(CH3)-]; 3.24-3.36 [s, 6H; -N⁺(CH3)2-]; 3.43-3.47 [m, 2H; -N⁺CH2CH(OH)CH2-]; 3.63-3.68 [m, 4H, -N+CH2CH2CH2N-]; 3.88 [m, 2H; -N⁺CH2CH(OH)CH2-]; 4.334.37 [m, 1H; -N⁺CH2CH(OH)CH2-].

Claims (6)

1. Sposób wytwarzania 2-hydroksypropanosulfonianów [(3-alkanoilo metyloamino)propylo]dimetyloamoniowych o wzorze ogólnym 1, w którym R oznacza prosty lub rozgałęziony, nasycony lub nienasycony, korzystnie nasycony łańcuch węglowodorowy zawierający od 7 do 19 atomów węgla, korzystnie od 9 do 17 atomów węgla, znamienny tym, że kwaternizację N-[3-(dimetyloamino)propylo]-N-metyloalkiloamidu solą sodową kwasu 3-chloro-2-hydroksypropanosolfonowego prowadzi się w środowisku niskocząsteczkowego alkoholu i otrzymuje 2-hydroksypropanosulfonian [(3-alkanoilo metyloamino)propylo]dimetyloamoniowy, a otrzymany surowy produkt oczyszcza się poprzez krystalizację.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że kwaternizację N-[3-(dimetyloamino)propylo]-N-metyloalkiloamidu chlorooctanem sodu prowadzi się w środowisku niskocząsteczkowego alkoholu, korzystnie metanolu lub mieszaniny izopropanol - woda (1:1, ν:ν).

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że kwaternizację N-[3-(dimetyloamino)propylo]-N-metyloalkiloamidu solą sodową kwasu 3-chloro-2-hydroksypropanosolfonowego prowadzi się przez 24-72 h, korzystnie 36-54 h.

4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że kwaternizację N-[3-(dimetyloamino)propylo]-N-metyloalkiloamidu solą sodową kwasu 3-chloro-2-hydroksypropanosolfonowego prowadzi się w temperaturze 85-120°C, korzystnie 95-105°C.

5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że 2-hydroksypropanosulfoniany [(3-alkanoilo metyloamino)propylo]dimetyloamoniowe oczyszcza się na drodze krystalizacji z mieszaniny alkoholu z acetonem, octanem etylu lub acetonitrylem, korzystnie z układów: etanol : aceton (1:2, ν: ν), metanol : octan etylu lub metanol : acetonitryl.

6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że krystalizację 2-hydroksypropanosulfonianów [(3-alkanoilo metyloamino)propylo]dimetyloamoniowych prowadzi się w temperaturze poniżej 5°C, korzystnie około -20°C.