ГЛАВА 2. “ПОЛИСЕПТ” И ПОЛИГУАНИДИНОВЫЕ БИОЦИДЫ

В последние годы большой интерес исследователей вызывает новый класс полимеров - полимерные биоциды, которые являются более эффективными и менее опасными для человека по сравнению с низкомолекулярными биоцидными веществами. традиционно применяемыми в различных отраслях народного хозяйства [1].
Среди широкого спектра полимерных биоцидов выделяется группа соединений, содержащих в своем составе гуанидиновую группировку: эти соединения легкодоступны, высокоэффективны, обладают широким спектром бактерицидного действия и при этом являются малотоксичными веществами, не проникают через кожу и не накапливаются в организме.
Первые сообщения об антибактериальной активности гуанидиновых соединений относятся к середине 30-х годов [2].
Наибольшее значение приобрели три из них: ацетат 1-додецил-гуанидина (додин), 1,17-бис-(гуанидино)-9-азагептадекан (гуазатин) и ,-дигуанидины с центральными длинноцепочечными метиленовыми группировками (синтеллины) [2-4]. Формулы этих соединений представлены ниже:
С12Н25NHCNH2

Додин
H2NCNH(CH2)8NH(CH2)8NHCNH2
	   	
	NH 	NH
Гуазатин
H2NCNH(CH2)mNHCNH2 ,        где m = 10-12
	   	
	NH 	NH
Синтеллины
Додин был предложен специалистами фирмы “Американ Цианамид” для борьбы с грибковыми поражениями сельскохозяйственных культур, а также в качестве эффективного антисептика [5].
Гуазатин известен как пестицид и входит в качестве заменителя ртутноорганических веществ в коммерческие составы протрав для семян [6, 7].
Синтеллины обладают не только бактерицидными и фунгицидными свойствами, но и высокой активностью в подавлении трипаносом [1].
Гуанидиновые соединения широко распространены в природе. К ним относятся: аминокислота аргинин, фолиевая кислота, многочисленные белки и нуклеиновые кислоты. Гуанидиновая группировка служит активным началом таких широко используемых лекарственных препаратов, как сульгин, истелин, фарингосепт, а также антибиотиков - стрептомицина, бластицидина, мильдомицина [1].
Производные гуанидина, в частности агматины и хордатины, имеются и среди специфических веществ, с помощью которых растения защищаются от атаки микроорганизмов. Отсюда можно заключить, что биоцидный эффект гуанидиновых соединений физиологичен и что в живом организме имеются ферментные системы, способные вызывать деградацию этих соединений [8].
Лучшими зарубежными гуанидиновыми антисептиками являются хлоргексидин или гибитан и вантоцил (производимые фирмой “Ай-Си-Ай), космоцил CQ и др. Хлоргексидин используется в качестве дезинфицирующего средства в виде солей (гипохлорида, ацетата, глюконата). Их рекомендуют применять в хирургии, для борьбы с внутрибольничными инфекциями, для лечения кожных заболеваний и в бытовых целях. Используют эти дезинфектанты в виде растворов, мазей и присыпок [1].
Хлоргексидин, ватонцил и космоцил CQ получают по сложной 4-х стадийной технологической схеме. Исходным сырьем для синтеза этих соединений служит хлорциан, поэтому технологический процесс их получения дорог и опасен.
Разработанный в нашей стране процесс производства полимерного гуанидинового антисептика - полигексаметиленгуанидин гидрохлорида осуществляется по простой и безопасной 2-х стадийной технологии на основе дешевого и доступного сырья: гексаметилендиамин, дициандиамин, хлористый аммоний [1, 9]. По своей доступности, стабильности, антимикробной активности полигуанидиновые антисептики превосходят лучшие зарубежные образцы.

Синтез полигуанидиновых биоцидов и “Полисепта”

Исходными веществам для получения полигуанидинов служат обычно гуанидины и диамины. В свободном состоянии гуанидин малостабилен, поэтому он используется в виде солей. Благодаря наличию трех аминогрупп гуанидин является весьма реакционноспособным соединением: легко алкилируется, ацилируется, конденсируется с различными органическими соединениями (формальдегидом, эфирами, кетонами, аминами и др.).
Общая формула полиалкиленгуанидинов:
[(CH2)x(NHC)y]n , где n и х обычно равны 4-50, y = 1-2 .
	
	NHHCl
В частности, полиалкиленгуанидины и полиалкиленбигуанидины, содержащие в открытой цепи множество гуанидиновых и бигуанидиновых группировок, имеют строение:
[(CH2)xNHCNH]n 	и 	[(CH2)x NHCNHCNH ]n .
			
	NHHCl 	NH 	NHHCl
Полиалкиленгуанидины впервые были синтезированы в 1943 г. в США сразу в нескольких конденсационных процессах: взаимодействием ,-диаминов с основанием гуанидина (реакция 1), галоидцианом (реакция 2) или N,N-алкилендицианамидами (реакция 3):
	NH			
		NH		
	H2N-C-NH2			
		[(CH2)6NHCNH]n 	(1)	
				
		NHHBr		
	BrCN			
H2N-(CH2)6-NH2		[(CH2)6NHCNH]n 	(2)	
				
		NH		
	(NC-NH2)2(CH2)6			
		[(CH2)6NHCNH]n 	(3)	
где n > 1 [10].
Реакцию № 1 проводят путем 12-часового нагревания эквимолярной смеси гуанидина с гексаметилендиамином при 130-180 в инертной атмосфере. В результате реакции выделяется аммиак и образуется основание полигексаметиленгуанидина (ПГМГ). Недостаток процесса связан с термической нестабильностью гуанидина при температуре синтеза и обусловленной этим неоднородностью полученного полимера (в цепи полимера присутствуют продукты деструкции гуанидина, например мочевина).
Реакцию № 2 проводят в кипящем спиртовом растворе, затем спирт отгоняют и завершают реакцию при 170 и остаточном давлении 2 мм рт.ст. Реакция удобна тем, что при ее проведении не выделяется никаких побочных продуктов и образуется термостабильная соль. Недостаток этой реакции связан с использованием высокотоксичного галоидциана.
Реакцию № 3 проводят при 170-180. При мольных соотношениях гексаметилендиамин/дицианамид > 1 в результате реакции образуется сшитый продукт, обладающий свойствами сильноосновной анионобменной смолы с высокой удельной емкостью (7,7 ммоль/г). При соотношениях гексаметилендиамин/дицианамид < 0,8 получают водорастворимый ПГМГ.
В России первые полигуанидиновые препараты были разработаны в конце 60-х годов в Институте нефтехимического синтеза РАН П.А.Гембицким с соавт. Наибольшее народнохозяйственное значение из них приобрели ПГМГ-хлорид (“метацид”, “полисепт”) и ПГМГ-фосфат (“фогуцид”).
Позднее П.А.Гембицким с соавт. был разработан простой способ получения ПГМГ-хлорида путем поликонденсации гексаметилендиамина с гидрохлоридом гуанидина:
nH2N-(CH2)6-NH2 + nH2N-C-NH2  [(CH2)6NHCNH]n + 2nNH3
		
	NHHCl 	NHHCl
Эта реакция гладко протекает при 120-150 и прекращается после выделения  80 % теоретического количества аммиака [1, 11-15].
Простота синтеза и доступность исходных веществ (гексаметилендиамин, дициандиамин, хлористый аммоний) определили выбор схемы промышленного синтеза полигуанидинов и позволили организовать в 1987 г. промышленное производство метацида на Покровском заводе биопрепаратов (ТУ 10-090481.90).
В дальнейшем было предложено объединить в одном процессе синтез гуанидинхлорида и получение из него метацида [12, 15]:
	nH2N(CH2)6NH2
1/2n H2N-C-NH-CN + nNH4Cl  nH2N-C-NH2  [(CH2)6NHCNH]n
			
	NH 	NHHCl 	NHHCl
Согласно разработанному процессу дициандиамид и хлористый аммоний смешиваются и измельчаются в специальной дробилке, затем поступают в обогреваемый реактор, где при температуре 200 они сплавляются. Полученный расплав гуанидингидрохлорида передается по обогреваемой линии во второй реактор, куда затем постепенно вводится расплав гексаметилендиамина (молярное соотношение компонентов  1:1). Поликонденсацию проводят в течение 7,5 час, постепенно повышая температуру от 170 до 200-200 (выделяющийся аммиак поглощается водой). По окончании процесса горячий метацид выгружают через нижний слив реактора в металлический противень, охлаждают, измельчают и упаковывают в двойные полиэтиленовые мешки. В этих условиях с выходом 96-98 % получается метацид, полностью растворимый в воде и спиртах (метиловом и этиловом), который представляет собой бесцветный стеклообразный гигроскопичный полимер с температурой плавления 150.
Позднее в МГУ прикладной биотехнологии был предложен более эффективный, простой, менее энергоемкий способ получения полигексаметиленгуанидин-гидрохлорида и его производных с повышенным содержанием действующего (основного) вещества в конечном продукте, пониженным содержанием гигиенически и экологически нормируемых небезопасных остаточных примесей в продуктах синтеза, повышенными антимикробной активностью и антисептическими свойствами [16].
Технический результат достигается тем, что дополнительно вводят дигидрохлорид гексаметилендиамина, смешивают с дициандиамином и гексаметилендиамином при 150 С в течение 5 часов с последующим повышением до 170 С и нагреванием при этой температуре в течение 5 часов, затем полученное средство переосаждают водным раствором соли калия или натрия; в качестве соли натрия используют хлористый натрий, натриевую (калиевую) соль дегидрацетовой кислоты, или цитрат натрия [16].
Там же разработан способ получения полигуанидиновых дезинфектантов с более глубокой их очисткой посредством двойного переосаждения насыщенными растворами солей с различной молекулярной массой [17].
В результате, наряду с упрощением технологии производства, достигается повышение антимикробной активности и снижение токсичности конечного продукта [16, 17].
Получаемый по разработанной технологии препарат получил название “Полисепт очищенный пищевой” (“ПОЛИСЕПТ-ОП”) и в настоящее время находит широкое применение в пищевой промышленности, медицине, ветеринарии, быту.
Благодаря тому, что три аминогруппы гуанидингидрохлорида имеют различную реакционную способность и молекулярную массу (ММ), структуру метацида удается регулировать, изменяя условия реакции и содержание гексаметилендиамина в исходной смеси.
Полиалкилегуанидины являются производными специфического азотистого однокислотного основания - гуанидина, в ядре которого содержатся три полностью равноценные аминогруппы:
.
Двойная С-N-связь, которую обычно принято изображать у одного из трех атомов азота гуанидинового ядра, равномерно распределена между всеми азотными атомами, порядок связи которых с центральным углеродным атомом оказывается между 1 и 2.
ПГМГ представляет собой полифункциональный катионный сополимер, в каждом элементарном звене которого содержатся гуанидиновые группировки и связывающий эти группировки в цепь углеводородный радикал: . Соответственно для ПГМГ характерны два ряда химических превращений: межмакромолекулярные, в которых вся макромолекула участвует как единое целое (структурирование, деструкция, образование интерполимерных полиэлектролитных комплексов и интерполимеров с ковалентными С-N-связями), а также полимераналогичные реакции, в которых участвуют отдельные гуанидиновые группировки полимера (обменное разложение солей, нейтрализация ПГМГ-основания кислотами, алкилирование, оксиэтилирование, фосфометилирование и др.).
На основании этих химических превращений полигексаметиленизанидинов были синтезированы интерполимеры нового поколения, которые широко используются в настоящее время в различных отраслях народного хозяйства. Более подробные сведения об этих соединениях и их применении будут описаны далее.

СИНТЕЗ СОЛЕЙ ПОЛИГЕКСАМТИЛЕНГУАНИДИНА

Полигексаметиленгуанидин (ПГМГ) является поликатионом и способен образовывать соли с различными органическими и неорганическими кислотами. Среди них только гидрохлорид, гидробромид и карбонат могут быть получены сплавлением соответствующей соли гуанидина с гексаметилендиамином. В случае фосфата гуанидина, например, температура поликонденсации (260) существенно превышает температуру кипения гексаметилендиамина.
Гембицким П.А. с соавт. был получен ПГМГ-карбонат сплавлением карбоната гуанидина с гексатилендиамином (молярное отношение 1:1) при 135-140 в течение 10-15 час; полимер представляет собой бесцветную смолу.
Для получения ПГМГ-основания 30%-ный водный раствор ПГМГ-гидрохлорида или ПГМГ-карбоната, нагретый до 80-90, добавляют к концентрированному (5-%-ному) водному раствору NaOH, собирают и промывают горячей водой всплывающую на поверхность раствора беловатую, вязкую смолу, ограниченно растворимую в воду и хорошо растворимую в спирте. ПГМГ-основание сушат в вакууме над Р2О5.
Различные соли ПГМГ (фосфат, глюконат, дегидроцет, сорбат, фторид, сульфат, нитрат, силикат, ацетат, стеарат, олеат, фумарат, сукцинат, адипинат, себацинат) были получены при действии соответствующих кислот или их солей на основание или карбонат ПГМГ [18, 19].
Среди солей ПГМГ наибольшее практическое значение помимо гидрохлорида (метацида) имеют фосфат (фогуцид) и глюконат: ПГМГ-глюконат получают, обрабатывая глюконатом кальция ПГМГ-основание или ПГМГ-карбонат в присутствии H2SO4 [18, 19].
По весьма несложной технологии - обработкой щелочью, а затем фосфорной кислотой - метацид может быть превращен в более активный и менее токсичный антибактериальный препарат - полигексметиленгуанидин фосфат (“фогуцид”), выпускаемый на Покровском заводе биопрепаратов в соответствии с ТУ 031-1-92 [1, 11].
Фогуцид [2] представляет собой линейный или разветвленный, а также подшитый эпихлоргидрином сополимер, в котором гуанидиновые группировки в качестве анионов могут содержать ОН, Cl и РО4-3 :
	NH-C-N				-NH-C-N				-NH-C-N			
											С	
	NHHX		А		NHH3PO4		В		NHHX-CH2-CH-CH	
												
									OH	
где Х = Cl или ОН [20].
Сополимер при С = 0 (А = 10-90 мол.%, В = 90-10 мол.%) получают, обрабатывая 50%-ный водный раствор ПГМГCl или ПГМГОН 85%-ной ортофосфорной кислотой при комнатной температуре; он представляет собой стеклообразное вещество без запаха, не гигроскопичен, растворим в воде; [] = 0,05-0,18 дл/г.
Тройной сополимер при С = 10-40 мол.% (А = 10-40 мол.%, В = 50-80 мол.%) получают, обрабатывая ПГМГCl сначала эпихлоргидрином и щелочью, а затем добавляя ортофосфорную кислоту. Сополимер обычно получают в виде водных растворов или пасты, содержащей 35-40 % основного вещества, он хорошо растворим в спирте и воде; [] = 0,04-0,40 дл/г.
По сравнению с метацидом, фогуцид обладает более высокой дезинфицирующей способностью по отношению к условно-патогенной микрофлоре человека; более высокой флокулирующей способностью по отношению к нефтепродуктам; менее токсичен и коррозионноактивен [21].

БИОЦИДНЫЕ ПРЕПАРАТЫ НА ОСНОВЕ 
ПОЛИГЕКСАМЕТИЛЕНГУАНИДИНОВ

В настоящее время на Покровском заводе биопрепаратов в соответствии с разработанными ТУ выпускаются препараты “Метацид” и “Фогуцид”. Они выпускаются в виде гранул или брикетов желтого, белого или светло-серого цвета. Наряду с этим выпускается также 25%-ный водный раствор метацида, получивший название “Полисепт”.
Кроме того, в МГУ прикладной биотехнологии разработаны новые формы водорастворимых препаратов на основе “Полисепта”. Это препараты “БИОР-1” и “Полисепт-ОП”, адаптированные специально к пищевой промышленности [22, 23].
На основе “Полисепта” выпускается ряд моюще-дезинфицирующих средств: в России - “Демос” [24], в Белоруссии - “ИНКРАСЕПТ” [25], на Украине - “ГЕМБАР” [1].
В промышленном масштабе в АО “Лакма-КОЛОР” производятся биоцидные краски на основе пентафталеых эмалей, масляных красок, воднодисперсионных красок, включающие полигексаметиленгуанидин в концентрации около 1 % [26].
В последние годы работы по синтезу и расширению областей применения полигуанидиновых биоцидов получили развитие в Институте эколого-технологических проблем. Здесь разрабатывается новое поколение экологически безопасных антисептиков, среди которых известны “БИОПАГ”, “ФОСФОПАГ” и “ЭКОПАГ” [9].

Литература к главе 2

1. Гембицкий П.А., Волынцева И.И. Полимерный биоцидный препарат полигексаметиленгуанидин. - Запорожье: Полиграф, 1988. - 44 с.
2. Патент Франции № 788429 (1935).
3. Патент США № 4405645 (1983).
4. Патент Японии № 62-12218 (1987).
5. Патент США “ 2867562 (1959).
6. Патент Швеции № 417569 (1981).
7. Патент ФРГ № 2647915 (1977).
8. Can. J. Bot., 1970, V. 48, № 3, р. 465.
9. Гембицкий П.А. Производство полигуанидиновых антисептиков // Экологически безопасные полимерные биоциды: Сб статей. Вып. 1. - М., 2000. - С. 5-7.
10. Патент США “ 2325586 (1943).
11. Гембицкий П.А., Корявов Я.И., Ерусалимский Н.М., Лиманов В.Е., Жук Д.С. // Журнал прикладной химии. - 1975. - Т. 48. - С. 1833.
12. А.с. СССР № 1616898; БИ (48), 80 (1990).
13. А.с. СССР № 1808832; БИ (14), 92 (1993).
14. Гембицкий П.А., Бокша Л.Ф., Болденков Г.Ф., Мурмыло С.И., Жук Д.С. // Химическая промышленность. - 1984. - № 2. - С. 82.
15. Сафонов Г.А., Гембицкий П.А., Родионов А.В. // Химическая промышленность. - 1989. - № 12. - С. 23.
16. Патент РФ № 2122866. БИ № 34, 1998 г.
17. Патент РФ № 2151613. БИ № 18, 2000 г.
18. А.с. № 2039735. БИ № 20, 1995 г.
19. А.с. № 1687261. БИ № 40, 1991 г.
20. А.с. № 1728256. БИ № 15, 1992 г.
21. Данилина Н.И., Гембицкий П.А., Кузнецов О.Ю. Технологические процессы улучшения качества воды биоцидными полиэлектролитами на основе полиалкиленгуанидинов // Обзорная информация. - М.: НИИ экономики жилищно-коммунального хозяйства им. Е.Д.Памфилова. - 1992. - Вып. 2 (87). - 35 с.
22. Кузнецова Л.С., Снежко А.Г., Борисова З.С., Розанцев Э.Г. Антимикробный препарат БИОР-1 // Молочная промышленность. - 1997. - № 7. - С. 16-17.
23. Снежко А.Г., Кузнецова Л.С., Борисова З.С. “ПОЛИСЕПТ-ОП” - новое дезинфицирующее средство // Мясная индустрия. - 1998. - № 6.
24. Патент РФ № 2057796. БИ № 10, 1996 г.
25. Токарев В.А. // Медицина (республика Беларусь). - 1997. - №2. - С. 41.
26. Кудрявцев Б.Б., Недачин А.Е., Данилов А.Н. и др. Новое поколение биологически активных алкидных и водоэмульсионных красок // Лакокрасочные материалы и их применение. - 2001. - № 2-3. - С. 3-7.