PL237430B1 - Octany [3-(alkilometyloamino)-3-oksopropylo] dimetyloamoniowe i sposób ich wytwarzania - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia są octany [3-(alkilometyloamino)-3-oksopropylo]dimetyloamoniowe, o wzorze ogólnym 1, w których R oznacza prosty lub rozgałęziony, nasycony lub nienasycony, korzystnie nasycony łańcuch węglowodorowy zawierający od 8 do 20 atomów węgla, korzystnie od 10 do 16 tomów węgla. Octany [3-(alkilometyloamino)-3-oksopropylo] 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 dyspergowania mydeł wapniowych, a także 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 i czynniki utrudniające powstawanie osadów soli wapniowych wyższych kwasów tłuszczowych w różnego rodzaju formulacjach chemii gospodarczej, kosmetycznej i farmaceutycznej. Z uwagi na pH-respnonsywność (możliwość zmiany właściwości pod wpływem przejścia z formy kationowej w anionową lub na odwrót przy określonych wartościach pH) mogą stanowić składniki tzw. inteligentnych nośników substancji biologicznie aktywnych. Wynalazek dotyczy także sposobu wytwarzania octanów [3-(alkilometyloamino)-3-oksopropylo] dimetyloamoniowych o wzorze ogólnym 1, w którym R oznacza prosty lub rozgałęziony, nasycony lub nienasycony, korzystnie nasycony łańcuch węglowodorowy zawierający od 8 do 20 atomów węgla, korzystnie od 10 do 16 atomów węgla, charakteryzuje się tym, że w pierwszym etapie w wyniku reakcji 3-dimetyloaminopropionianu metylu lub etylu z N-metylo-N-alkiloaminą, otrzymuje się 3-(dimetyloamino)-N-alkilo-N-metylopropanamid. W drugim etapie prowadzi się kwaternizację 3-(dimetyloamino)-N-aikilo-N-metylopropanamidu chlorooctanem sodu w środowisku niskocząsteczkowego alkoholu i otrzymuje octan [3-(alkilometyloamino)-3-oksopropylo] dimetyloamoniowy. Otrzymany surowy produkt oczyszcza się poprzez krystalizację.

Description

Przedmiotem wynalazku są nowe octany [3-(alkilometyloamino)-3-oksopropylo] dimetyloamoniowe i sposób ich wytwarzania. Octany [3-(alkilometyloamino)-3-oksopropylo] 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 dyspergowania mydeł wapniowych, a także 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 i czynniki utrudniające powstawanie osadów soli wapniowych wyższych kwasów tłuszczowych w różnego rodzaju formulacjach chemii gospodarczej, kosmetycznej i farmaceutycznej. Z uwagi na pH-responsywność (możliwość zmiany właściwości pod wpływem przejścia z formy kationowej w anionową lub na odwrót przy określonych wartościach pH) mogą stanowić składniki tzw. inteligentnych nośników substancji biologicznie aktywnych.

Octany [3-(alkilometyloamino)-3-oksopropylo] dimetyloamoniowe są nowymi związkami, należącymi do grupy surfaktantów amfoterycznych, zawierających ugrupowania hydrofitowe stanowiące jon obojnaczy, które mogą znaleźć zastosowanie w produktach chemii gospodarczej oraz formulacjach kosmetycznych i farmaceutycznych.

Z opisu patentowego nr US7425527 znane są octany [(3-alkanoiloacetylamino)propylo] dimetyloamoniowe, zawierające amfoteryczne ugrupowanie hydrofilowe w postaci wewnętrznej soli betainowej. Czwartorzędowanie N-acetylo-N-[3-(dimetyloamino)propylo] alkiloamidów chlorooctanem sodu w celu otrzymania octanów [(3-alkanoiloacetylamino)propylo] dimetyloamoniowych prowadzono poprzez ogrzewanie mieszaniny w acetonitrylu pod chłodnicą zwrotną przez 24 h. Według opisu patentowego związki te mogą znaleźć potencjalne zastosowania m.in. jako promotory wybielaczy na bazie tlenu w kompozycjach środków chemii gospodarczej.

Znane są z publikacji J. Collod. Interface. Sci., 2016, 465, 174-182 (G. Para i inni, „Hydrolysis driven surface activity of esterquat surfactants”) surfaktanty: bromek dodecyloksykarbonylometyloN, N, N-timetyloarnoniowy oraz bromek dodecyloksykarbonylo-1-etylo-N, N, N-timetyIoamoniowy, otrzymywane w trójetapowym procesie, obejmującym syntezę estru dodekanolu (odpowiednio: chlorooctanu lub 2-bromopropionianu), ich reakcję z dimetyloaminą w środowisku eteru dietylowego, a następnie czwartorzędowanie bromkiem metylu.

Znany jest z publikacji ACS Synth. Biol., 2012, 1, 403-407 (M. Wang i inni, „A Combinatorial Library of Unsaturated Lipidoids for Efficient Intracellular Gene Delivery”) szereg pochodnych N-oktadecylopropanamidów, w tym zawierających aminowy atom azotu w pozycji β w stosunku do ugrupowania karbonylowego oraz Il-rzędowe ugrupowanie amidowe. Są one otrzymywane w wyniku kondensacji Michaela N-oktadecyloakrylamidu i odpowiednich amin.

Opisana w publikacji J. Surfactant. Detergent., 2012, 15, 657 (D. Fen i inni, „Synthesis and Surface Activities of Amidobetaine Surfactants with Ultra-long Unsaturated Hydrophobic Chains”) metoda otrzymywania surfaktantów typu amidobetain (z ugrupowaniem amidowym Il-rzędowym w łączniku) polega na czwartorzędowaniu N-[3-(dimetyloamino)propylo]-N-alkiloamidów chlorooctanem sodu (4 : 5, mol : mol) w mieszaninie etanol : woda (5 : 1, v : v). Rekcję prowadzi się w temperaturze 79°C przez 12 godzin pod chłodnicą zwrotną. Otrzymany produkt oczyszcza się poprzez odparowanie rozpuszczalników i chromatografię kolumnową z zastosowaniem żelu krzemionkowego jako fazy stacjonarnej i bezwodnego etanolu jako eluenta.

Nie są znane z literatury przedmiotu: octany [3-(alkiIometyloamino)-3-oksopropylo] dimetyloamoniowe o wzorze ogólnym 1, będące przedmiotem wynalazku.

Istotą wynalazku są octany [3-(alkilometyloamino)-3-oksopropylo] dimetyloamoniowe o wzorze ogólnym 1, w których R oznacza prosty lub rozgałęziony łańcuch węglowodorowy zawierający od 8 do 20 atomów węgla, korzystnie od 10 do 16 atomów węgla, a także sposób ich wytwarzania.

Istotą wynalazku jest również sposób wytwarzania octanów [3-(alkilometyloamino)-3-oksopropylo] dimetyloamoniowych o wzorze ogólnym 1, w którym R oznacza prosty lub rozgałęziony, nasycony lub nienasycony łańcuch węglowodorowy zawierający 8-20 atomów węgla, polega na dwuetapowym procesie, w którym pierwszym etapem syntezy jest wytworzenie 3-(dimetyloamino)-N-alkilo-N-metylopropanamidów w wyniku reakcji 3-dimetyloaminopropionianu metylu lub etylu z N-metylo-N-alkiloaminą. Reakcję prowadzi się w temperaturze około 135-140°C przez 18-36 godzin, korzystnie co najmniej 24 godziny, przedmuchując mieszaninę ciągłym strumieniem suchego azotu. Przebieg reakcji kontroluje

PL 237 430 B1 się przy wykorzystaniu chromatografii cienkowarstwowej (eluent: mieszanina metanol : octan etylu (1 : 1, v : v); faza stacjonarna: żel krzemionkowy) i prowadzi aż do zaniku obecności N-metylo-N-alkiloaminy w mieszaninie reakcyjnej. Po zakończeniu reakcji mieszaninę chłodzi się, rozpuszcza w metanolu, filtruje i odparowuje do stałej masy pod zmniejszonym ciśnieniem. W drugim etapie 3-(dimetyloamino)- N-alkilo-N-metylopropanamidy i chlorooctan sodu (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 niskocząsteczkowy alkohol lub jego mieszaninę z wodą i prowadzi reakcję w temperaturze 75-120°C, korzystnie 85-110°C, przez 6-72 godziny, korzystnie 36-54 godzin. Po ochłodzeniu do temperatury pokojowej mieszaninę poreakcyjną sączy się w celu usunięcia wytrąconego produktu ubocznego (chlorku sodu) i nadmiaru nieprzereagowanego chlorooctanu sodu, a następnie odparowuje się rozpuszczalnik pod zmniejszonym ciśnieniem przy użyciu wyparki obrotowej. Otrzymany produkt rozpuszcza się w bezwodnym etanolu, ponownie sączy i odparowuje na wyparce obrotowej do uzyskania stałej masy. Otrzymany produkt surowy oczyszcza się na drodze krystalizacji z mieszaniny rozpuszczalników organicznych, korzystnie bezwodnego etanolu i octanu etylu, 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 hydrofitowego oraz dobrej zdolności do dyspergowania mydeł wapniowych.

Przedmiot wynalazku objaśniony jest na przykładzie otrzymywania octanu [3-(tetradecylometyloamino)-3-oksopropylo] dimetyloamoniowego, octanu [3-(oktylometyloamino)-3-oksopropylo] dimetyloamoniowego i octanu [3-(ikozylometyloamino)-3-oksopropyIo] dimetyloamoniowego oraz na schematach reakcji, z których schemat reakcji 1 uwidacznia reakcję powstawania 3-(dimetyloamino)-N-alkilo-N-metylopropanamidów, a schemat reakcji 2 otrzymywanie octanu [3-(alkilometyloamino)-3-oksopropylo] dimetyloamoniowego.

Przykład 1

W pierwszym etapie w celu otrzymania 3-(dimetyloamino)-N-tetradecylo-N-metylopropanamidu do kolby kulistej dwuszyjnej wprowadza się 11,37 g (0,05 mola) N-metylo-N-tetradecyloaminy oraz 3-dimetyIoaminopropionianu metylu 9,84 g (0,075 mola), a następnie ogrzewa się mieszaninę przez 30 godzin w temperaturze około 135-140°C, przedmuchując zawartość kolby strumieniem suchego azotu. Reakcję prowadzi się do zaniku obecności N-metylo-N-tetradecyloaminy w mieszaninie reakcyjnej (kontrola za pomocą chromatografii cienkowarstwowej; eluent: mieszanina metano l : octan etylu (1 : 1, v : v); faza stacjonarna: żel krzemionkowy). Następnie mieszaninę poreakcyjną rozpuszcza się w metanolu, filtruje w celu usunięcia substancji nierozpuszczalnych w metanolu i odparowuje do stałej masy pod zmniejszonym ciśnieniem. Otrzymuje się 3-(dimetyloamino)-N-tetradecylo-N-metylopropanamid z wydajnością 95,5% (15,59 g).

W drugim etapie w celu otrzymania octanu [3-(tetradecylometyloamino)-3-oksopropylo] dimetyloamoniowego do naczynia, przeznaczonego do prowadzenia reakcji pod zwiększonym ciśnieniem, wprowadza się 13,06 g (0,04 mola) 3-(dimetyloamino)-N-tetradecylo-N-metylopropanamidu, 5,82 g (0,05 mola) chlorooctanu sodu i 200 cm³ metanolu. Następnie naczynie zamyka się szczelnie i ogrzewa przez 48 godzin w temperaturze 75°C na łaźni olejowej. Po ochłodzeniu do temperatury pokojowej mieszaninę reakcyjną filtruje się pod zmniejszonym ciśnieniem, a przesącz odparowuje pod zmniejszonym ciśnieniem przy użyciu wyparki obrotowej. Uzyskany produkt surowy dysperguje się w 100 cm³ bezwodnego etanolu, ponownie sączy, a otrzymany roztwór odparowuje pod zmniejszonym ciśnieniem. Otrzymaną pozostałość rozpuszcza się w minimalnej ilości metanolu (około 15 cm³), dodaje octan etylu aż do pojawienia się trwałego zmętnienia (około 250 cm), a następnie 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 nad P2O5. Otrzymuje się 11,41 g (74,2% 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, 30,28 i 36,15 mN/m.

Widmo 1H NMR octanu [3-(tetradecylometyloamino)-3-oksopropyIo] dimetyloamoniowego (roztwór w CDCI3), δ [ppm] (wartość przesunięcia chemicznego względem standardu tetrametylosilanu): 0,89-0,92 [t, 3H, -N(CH3)CH2CH2(CH2)iiCH3]; 1,25-1,36 [m, 22H, -N(CH3)CH2CH2(CH2)iiCH3]; 1,51-1,53 [m, 2H, -N(CH3)CH2CH2(CH2)iiCH3]; 2,56-2,66 [m, 5H, -CH2CH2CON(CH3)CH2CH2(CH2)iiCH3]; 2,98-3,00 [t, 2H, -N(CH3)CH2CH2(CH2)iiCH3]; 3,31-3,48 [m, 9H, -CH2CH2N⁺(CH3)2-]; 3,90-3,95 [s, 2H; -N+CH2COO^-].

PL 237 430 B1

Przykład 2

W pierwszym etapie w celu otrzymania 3-(dimetyloamino)-N-oktylo-N-metylopropanamidu do kolby kulistej dwuszyjnej wprowadza się 7,16 g (0,05 mola) N-metylo-N-oktyloaminy oraz 3-dimetyloaminopropionianu metylu 9,84 g (0,075 mola), a następnie ogrzewa się mieszaninę przez 18 godzin w temperaturze około 135-140°C, przedmuchując zawartość kolby strumieniem suchego azotu. Produkt izoluje się jak w przykładzie 1. Otrzymuje się 3-(dimetyloamino)-N-oktylo-N-metylopropanamid z wydajnością 91,1 % (11,04 g).

W drugim etapie w celu otrzymania octanu [3-(oktylometyloamino)-3-oksopropylo] dimetyloamoniowego do naczynia, przeznaczonego do prowadzenia reakcji pod zwiększonym ciśnieniem, wprowadza się 9,70 g (0,04 mola) 3-(dimetyloamino)-N-oktylo-N-metylopropanamidu, 5,82 g (0,05 mola) chlorooctanu sodu i 150 cm³ mieszaniny etanol - woda (5 : 1, v: v). Następnie naczynie zamyka się szczelnie i ogrzewa przez 6 godzin w temperaturze 120°C na łaźni olejowej. Dalej postępuje się jak w przykładzie 1. Otrzymaną pozostałość rozpuszcza się w minimalnej ilości etanolu (około 25 cm³), dodaje octan etylu aż do pojawienia się trwałego zmętnienia (około 300 cm³), a następnie 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 nad P2O5. Otrzymuje się 8,22 g (68,4% 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, 26,32 i 45,57 mN/m.

Widmo 1H NMR octanu [3-(oktylometyloamino)-3-oksopropylo] dimetyloamoniowego (roztwór w CDCI3), δ [ppm] (wartość przesunięcia chemicznego względem standardu tetrametylosilanu): 0,88-0,91 [t, 3H, -N(CH3)CH2CH2(CH2)5CH3]; 1,24-1,35 [m, 10H, -N(CH3)CH2CH2(CH2)sCH3]; 1,50-1,54 [m, 2H, -N(CH3)CH2CH2(CH2)5CH3]; 2,56-2,66 [m, 5H, -CH2CH2CON(CH3)CH2CH2(CH2)sCH3]; 2,97-3,01 [t, 2H, - N(CH3)CH2CH2(CH2)5CH3]; 3,30-3,47 [m, 9H, -CH2CH2N+(CH3)2-]; 3,91-3,98 [s, 2H; -N+CH2COO^-].

Przykład 3

W pierwszym etapie w celu otrzymania 3-(dimetyloamino)-N-ikozylo-N-metylopropanamidu do kolby kulistej dwuszyjnej wprowadza się 15,58 g (0,05 mola) N-metylo-N-ikozyloaminy oraz 3-dimetyloaminopropionianu metylu 9,84 g (0,075 mola), a następnie ogrzewa się mieszaninę przez 36 godzin w temperaturze około 135-140°C, przedmuchując zawartość kolby strumieniem suchego azotu. Produkt izoluje się jak w przykładzie 1. Otrzymuje się 3-(dimetyloamino)-N-ikozylo-N-metylopropanamid z wydajnością 89,3% (18,29 g).

W drugim etapie w celu otrzymania octanu [3-(ikozylometyloamino)-3-oksopropylo] dimetyloamoniowego do naczynia, przeznaczonego do prowadzenia reakcji pod zwiększonym ciśnieniem, wprowadza się 16,39 g (0,04 mola) 3-(dimetyloamino)-N-ikozylo-N-metylopropanamidu, 5,82 g (0,05 mola) chlorooctanu sodu i 250 cm³ etanolu (5 : 1, v : v). Następnie naczynie zamyka się szczelnie i ogrzewa przez 72 godziny w temperaturze 105°C na łaźni olejowej. Dalej postępuje się jak w przykładzie 1. Otrzymaną pozostałość rozpuszcza się w minimalnej ilości metanolu (około 20 cm³), dodaje acetonitryl aż do pojawienia się trwałego zmętnienia (około 175 cm³), a następnie 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 nad P2O5. Otrzymuje się 14,67 g (78,4% mas) produktu w postaci białego ciała stałego.

Napięcia powierzchniowe dla 0,01 % wag. roztworu w wodzie destylowanej w temperaturze 295 K wynosi 26,07 mN/m.

Widmo 1H NMR octanu [3-(ikozylometyloamino)-3-oksopropylo] dimetyloamoniowego (roztwór w CDCl3), δ [ppm] (wartość przesunięcia chemicznego względem standardu tetrametylosilanu): 0,89-0,93 [t, 3H, -N(CH3)CH2CH2(CH2)17CH3]; 1,22-1,36 [m, 34H, -N(CH3)CH2CH2(CH2)17CH3]; 1.52-1.54 [m, 2H, -N(CH3)CH2CH2(CH2)17CH3]; 2,55-2,63 [m, 5H, -CH2CH2CON(CH3)CH2CH2(CH2)17CH3]; 2,99-3,03 [t, 2H, -N(CH3)CH2CH2(CH2)17CH3]; 3,33-3,45 [m, 9H, -CH2CH2N+(CH3)2-]; 3,92-3,97 [s, 2H; -N+CH2COO^-].

Claims (10)

1. Octany [3-(alkilometyIoamino)-3-oksopropylo] dimetyloamoniowe, o wzorze ogólnym 1, w których R oznacza prosty lub rozgałęziony, nasycony lub nienasycony, korzystnie nasycony łańcuch węglowodorowy zawierający od 8 do 20 atomów węgla, korzystnie od 10 do 16 atomów węgla.

PL 237 430 B1

2. Sposób wytwarzania octanów [3-(alkilometyloamino)-3-oksopropylo] dimetyloamoniowych o wzorze ogólnym 1, w którym R oznacza prosty lub rozgałęziony, nasycony lub nienasycony, korzystnie nasycony łańcuch węglowodorowy zawierający od 8 do 20 atomów węgla, korzystnie od 10 do 16 atomów węgla, znamienny tym, że w pierwszym etapie w wyniku reakcji 3-dimetyloaminopropionianu metylu lub etylu z N-metylo-N-alkiloaminą, otrzymuje się 3-(dimetyloamino)-N-alkiIo-N-metyIopropanamid. W drugim etapie prowadzi się kwaternizację 3-(dimetyIoamino)-N-alkilo-N-metylopropanamidu chlorooctanem sodu w środowisku niskocząsteczkowego alkoholu i otrzymuje octan [3-(alkilometyloamino)-3-oksopropylo] dimetyloamoniowy. Otrzymany surowy produkt oczyszcza się poprzez krystalizację.

3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że pierwszy etap reakcji prowadzi się w podwyższonej temperaturze, korzystnie około 135-140°C.

4. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że proces prowadzi się przez 18-36 godzin, korzystnie co najmniej 24 godziny.

5. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że mieszaninę reakcyjną przedmuchuje się ciągłym strumieniem suchego gazu inertnego, korzystnie azotu.

6. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że kwaternizację 3-(dimetyloamino)-N-alkilo-N-metylopropanamidu chlorooctanem sodu prowadzi się w środowisku niskocząsteczkowego alkoholu, korzystnie metanolu, etanolu lub mieszaniny etanol - woda.

7. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że kwaternizację 3-(dimetyloamino)-N-alkiloN-metylopropanamidu chlorooctanem sodu prowadzi się przez 6-72 godziny, korzystnie 36-54 godzin.

8. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że kwaternizację 3-(dimetyloamino)-N-alkilo-N-metylopropanamidu chlorooctanem sodu prowadzi się w temperaturze 75-120°C, korzystnie 85-110°C.

9. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że octany [3-(alkilometyloamino)-3-oksopropylo] dimetyloamoniowe oczyszcza się na drodze krystalizacji z mieszaniny rozpuszczalników organicznych, korzystnie bezwodnego etanolu i octanu etylu, metanolu i octanu etylu lub metanolu i acetonitrylu.

10. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że krystalizację octanów [3-(alkilometyloamino)-3-oksopropylo] dimetyloamoniowych prowadzi się w temperaturze poniżej 5°C, korzystnie około -20°C.