PL 217159 B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 217159 (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: 397931 (22) Data zgłoszenia: 30.01.2012 (51) Int.Cl. C07D 295/037 (2006.01) C07D 295/023 (2006.01) C07D 295/03 (2006.01) (54) 4,4-Dipodstawione morfoliniowe ciecze jonowe oraz sposób ich otrzymywania (43) Zgłoszenie ogłoszono: 05.08.2013 BUP 16/13 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 30.06.2014 WUP 06/14 (73) Uprawniony z patentu: POLITECHNIKA POZNAŃSKA, Poznań, PL (72) Twórca(y) wynalazku: JULIUSZ PERNAK, Poznań, PL NINA BORUCKA, Poznań, PL JAN KOZŁOWSKI, Poznań, PL MONIKA JASKULSKA, Leszno, PL
2 PL 217 159 B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku są 4,4-dipodstawione morfoliniowe ciecze jonowe oraz sposób ich otrzymywania, które mają zastosowanie jako środki hamujące żerowanie ślimaków. Morfoliniowe ciecze jonowe są to sole, w których kationem jest pierścień morfoliniowy, a dodatni ładunek na atomie azotu stabilizowany jest przez jon ujemny. Za stosowaniem kationów morfoliniowych przemawia fakt, że są one znacznie tańsze niż powszechnie badane kationy imidazoliowe czy pirydyniowe. W zależności od budowy kationu jak i anionu, morfoliniowe ciecze jonowe mają wysoką stabilność termiczną (np. tetrafluoroboran 4-butylo-4-metylomorfoliniowy rozkłada się powyżej 400 C) oraz wysoką stabilność elektrochemiczną, nawet do 6V. Protonowe morfoliniowe ciecze jonowe stosowane są w elektrochemii jako elektrolity. Ekotoksyczność cieczy jonowych z kationem zawierającym pierścień morfoliniowy nie jest jeszcze tak szczegółowo zbadana jak ekotoksyczność imidazoliowych, pirydyniowych czy amoniowych cieczy jonowych. Dotychczasowe badania pozwoliły wykazać, że ciecze te są znacznie mniej toksyczne od imidazoliowych czy pirydyniowych cieczy jonowych. Morfoliniowe ciecze jonowe z uwagi na obecność tlenu w pierścieniu wykazują niską toksyczność, np. wartość EC 50 dla bromku 4-etylo-4- -metylomorfoliniowego czy bromku 4-butylo-4-etylomorfoliniowego wynosi >100 mg/dm 3 - czyli związki te są praktycznie nietoksyczne. Kation 4-alkito-4-benzylomorfoliniowy z anionami organicznymi jest przedmiotem zgłoszeń wynalazków: P-388259, P-391735, P-391706, P-387401, P-386725, P-386726, P-387541 oraz z anionami nieorganicznymi P-386627. Kation 4-alkoksymetylo-4-metylomorfoliniowy z anionami organicznymi jest przedmiotem zgłoszenia patentowego o nr P-385144. Spośród wielu gatunków ślimaków tylko nieliczne są szkodnikami roślin. Większość spełnia ważną rolę w rozkładzie i obiegu materii organicznej w przyrodzie, a niektóre objęte są nawet ochroną gatunkową. Co roku lokalnie ślimaki powodują jednak uszkodzenia warzyw oraz roślin ozdobnych uprawianych w polu i pod osłonami. Zjadają wszystkie części roślin, zwłaszcza ich młode organy (liście, pędy, korzenie, kwiatostany). Największe szkody powodują w okresie kiełkowania nasion oraz wschodów. W uprawach ogrodniczych spotykamy ślimaki oskorupione oraz tak zwane nagie. Ślimaki oskorupione w naszym klimacie jako szkodniki roślin uprawnych nie mają większego znaczenia. W przeciwieństwie do nich ślimaki nagie mogą powodować znaczne straty w uprawach roślin ogrodniczych i rolniczych. Ślimaki te wyrządzają szkody przez cały sezon wegetacyjny, największe wiosną, zwłaszcza w miesiącach z dużą ilością opadów oraz niską temperaturą. Lokalnie, duże uszkodzenia powodują także w uprawach rzepaku ozimego i pszenicy ozimej w okresie wschodów i rozwoju pierwszych liści. Są szkodnikami wszystkich gatunków warzyw, niektórych roślin rolniczych, roślin jagodowych (truskawek, poziomek), roślin ozdobnych i ziół. Zabiegi chemicznego zwalczania ślimaków wykonuje się za pomocą granulowanych moluskocydów. Jednorazowe użycie moluskocydów nie umożliwia całkowitego zwalczenia ślimaków, ponieważ szkodniki te mogą występować jednocześnie w różnych fazach rozwojowych. Duże szanse na przeżycie mają jaja oraz osobniki młodociane. Istnieją również ograniczenia w terminach wykonywania zabiegu, możliwości zastosowania preparatów, a także w kosztach prowadzenia ochrony chemicznej. Substancjami aktywnymi moluskocydów są metiokarb lub metaldehyd (wycofany od 2011 roku zgodnie z decyzją Komisji Unii Europejskiej). Oprócz substancji aktywnych moluskocydy zawierają atraktanty przynęcające ślimaki. Istotą wynalazku są 4,4-dipodstawione sole morfoliniowe o wzorze ogólnym 1, w którym R 1 oznacza prostołańcuchową grupę alkilową zawierającą od 1 do 4 atomów węgla, R 2 oznacza grupę benzylową, lub prostołańcuchową grupę alkilową zawierającą od 1 do 12 atomów węgla lub grupę alkoksymetylową zawierającą od 1 do 14 atomów węgla, a A oznacza anion diwodorofosforanowy, lub 2-merkaptobenzotiazolanowy lub (S)-(+)-migdalanowy, a sposób ich otrzymywania polega na tym, że halogenki o wzorze ogólnym 2, gdzie R 1 oznacza prostołańcuchową grupę alkilową zawierającą od 1 do 4 atomów węgla, R 2 oznacza prostołańcuchową grupę alkilową zawierającą od 1 do 12 atomów węgla, a X oznacza chlor, lub brom lub jod, wprowadza się do chlorku metylenu lub chloroformu umieszczonego w łaźni lodowej, następnie wkrapla się kwas fosforowy o wzorze ogólnym 3 z co najmniej stechiometryczną ilością, następnie odgazowuje się powstały halogenowodór z mieszaniny poreakcyjnej przepuszczając przez nią suche powietrze, a odgazowany produkt oddziela się i suszy w warunkach obniżonego ciśnienia.
PL 217 159 B1 3 Drugi sposób wytwarzania polega na tym, że halogenki o wzorze ogólnym 2, gdzie R 1 oznacza prostołańcuchową grupę alkilową zawierającą od 1 do 4 atomów węgla, R 2 oznacza grupę benzylową, a X oznacza chlor, lub brom lub jod, poddaje się reakcji z wodorotlenkiem potasu lub wodorotlenkiem sodu z co najmniej stechiometryczną ilością w metanolu w temperaturze od 293 do 333 K, korzystnie w 303 K, następnie oddziela się powstały produkt uboczny, a do przesączu dodaje się 2-merkaptobenzotiazol o wzorze ogólnym 4 z co najmniej stechiometryczną ilością w temperaturze od 293 do 333 K, korzystnie w 303 K, następnie odparowuje się metanol w warunkach obniżonego ciśnienia, po czym dodaje się acetonu lub acetonitrylu, następnie odsącza się osad a z przesączu odparowuje się rozpuszczalnik, dalej produkt suszy się w warunkach obniżonego ciśnienia. Kolejny sposób wytwarzania polega na tym, że halogenki o wzorze ogólnym 2, gdzie R 1 oznacza prostołańcuchową grupę alkilową zawierającą od 1 do 4 atomów węgla, R 2 oznacza grupę alkoksymetylową zawierającą od 1 do 14 atomów węgla, a X oznacza chlor, lub brom lub jod, poddaje się reakcji z wodorotlenkiem potasu lub wodorotlenkiem sodu z co najmniej stechiometryczną ilością w metanolu w temperaturze od 293 do 333 K, korzystnie w 303 K, następnie oddziela się powstały produkt uboczny, a do przesączu dodaje się kwas (S)-(+)-migdałowy o wzorze ogólnym 5 z co najmniej stechiometryczną ilością w temperaturze od 293 do 333 K, korzystnie w 303 K, następnie odparowuje się metanol w warunkach obniżonego ciśnienia, po czym dodaje się acetonu lub acetonitrylu, następnie odsącza się osad, a z przesączu odparowuje się rozpuszczalnik, dalej produkt suszy się w warunkach obniżonego ciśnienia. Dzięki zastosowaniu rozwiązania według wynalazku uzyskano następujące efekty: otrzymano nowe związki chemiczne zaliczane do grupy morfoliniowych cieczy jonowych, syntezę związków charakteryzuje wysoka wydajność oraz czystość produktów, syntezowane związki posiadają budowę jonową, dzięki czemu posiadają niską prężność par w temperaturze otoczenia, zastosowanie kationu morfoliniowego powoduje, że otrzymane związki są mało toksyczne, otrzymane morfoliniowe ciecze jonowe wykazują wpływ na żerowanie ślimaków. Wynalazkiem są 4,4-dipodstawione sole morfoliniowe o wzorze ogólnym 1, w R 1 którym oznacza prostołańcuchową grupę alkilową zawierającą od 1 do 4 atomów węgla, R 2 oznacza grupę benzylową, lub prostołańcuchową grupę alkilową zawierającą od 1 do 12 atomów węgla lub alkoksymetylową zawierającą od 1 do 14 atomów węgla, a A oznacza anion diwodorofosforanowy, lub 2-merkaptobenzotiazolanowy lub (S)-(+)-migdalanowy, a sposób ich otrzymywania oraz wpływ na żerowanie ślimaków przedstawiają poniższe przykłady. P r z y k ł a d I Diwodorofosforan 4-decylo-4-etylomorfoliniowy W kolbie okrągłodennej zaopatrzonej w mieszadło magnetyczne umieszczono 0,009 mola bromku 4-decylo-4-etylomorfoliniowego w 15 cm 3 chlorku metylenu i umieszczono w łaźni lodowej, a następnie wkroplono 0,009 mota kwas fosforowego. Reakcję prowadzono przez dwie godziny w temperaturze 268 K. Produkt oddzielił się z mieszaniny reakcyjnej jako górna warstwa cieczy. Produkt uboczny - HBr, usunięto z mieszaniny reakcyjnej przepuszczając przez nią osuszone powietrze. Powietrze osuszano przepuszczając je przez płuczkę z wodorotlenkiem sodu. Za kolbą z mieszaniną reakcyjną umieszczono płuczkę z roztworem KOH (równomolowo w przeliczeniu na ilość wydzielającego się w reakcji HBr) i fenoloftaleiną. Przez mieszaninę przepuszczano powietrze do momentu zaniku różowego zabarwienia fenoloftaleiny w płucze za kolbą reakcyjną, a następnie oddzielono produkt w rozdzielaczu. Produkt wysuszono w suszarce próżniowej w temperaturze 318 K. Produkt otrzymano w postaci bezbarwnej cieczy z wydajnością 92%. Czystość związku potwierdzono wykonując analizę elementarną CHN. Dla C 16 H 36 NO 5 P (M = 353,43) ustalono następujące wartości: wyliczone C = 54,37; H = 10,27; N = 3,96 i otrzymane C = 54,73; H = 9,95; N = 4,21 w procentach. P r z y k ł a d II 2-Merkaptobenzotiazolan 4-benzylo-4-metylomorfoliniowy W reaktorze zaopatrzonym w mieszadło magnetyczne umieszczono 0,01 mola jodku 4-benzylo- -4-metylomorfoliniowego rozpuszczonego w 20 cm 3 metanolu i dodano 0,01 mola wodorotlenku potasu rozpuszczonego w 20 ml metanolu. Reakcję prowadzono 30 minut w temperaturze 298 K. Wytrąciła się sól nieorganiczna, którą odsączono, a do przesączu dodano 0,011 mola 2-merkaptobenzotiazolu. Reakcję prowadzono przez 3 godziny w temperaturze 303 K. Następnie metanol odparowano na wyparce próżniowej. Otrzymany surowy produkt dodatkowo rozpuszczono w acetonitrylu,
4 PL 217 159 B1 w którym wytrąciła się pozostała część jodku potasu. Sól odsączono, a z przesączu zawierającego produkt odparowano rozpuszczalnik. Produkt suszono przez 24 godziny w suszarce próżniowej w temperaturze 313 K. Otrzymano produkt w postaci ciała stałego o temperaturze topnienia 389-392K z wydajnością 58%. Wykonana analiza elementarna CHN dla C 19 H 22 N 2 OS 2 (M = 358,52) potwierdza prawidłowo zidentyfikowaną strukturę. Wartości wyliczone w %: C = 63,65; H = 6,19; N = 7,81 potwierdzają się z wartościami otrzymanymi: C = 63,23; H = 6,58; N = 8,03. P r z y k ł a d III (S)-(+)-Migdalan 4-decyloksymetylo-4-metylomorfoliniowy W reaktorze zaopatrzonym w mieszadło magnetyczne umieszczono 0,0071 mola chlorku 4- -decyloksymetylo-4-metylomorfoliniowego rozpuszczonego w 15 cm 3 metanolu i dodano 0,0071 mola wodorotlenku sodu rozpuszczonego w 20 ml metanolu. Reakcję prowadzono 45 minut w temperaturze 308 K. Wytrąciła się sól nieorganiczna, którą odsączono, a do przesączu dodano 0,0077 mola kwasu (S)-(+)-migdalowego rozpuszczonego w 15 cm 3 metanolu. Reakcję prowadzono w temperaturze 300 K przez 2 godziny, a następnie odparowano rozpuszczalnik. Otrzymany surowy produkt rozpuszczono w acetonie, w którym wytrącił się pozostała część produktu ubocznego (chlorek sodu), następnie odsączono go, a z przesączu odparowano rozpuszczalnik. Produkt suszono w suszarce próżniowej w temperaturze 318 K. Produkt w temperaturze pokojowej jest lekko żółtą cieczą. Wydajność reakcji 82%. Czystość związku potwierdzono wykonując analizę elementarną CHN. Dla C 24 H 41 NO 5 (M = 423,58) ustalono następujące wartości: wyliczone C = 68,05; H = 9,76; N = 3,31 i otrzymane C = 68,39; H = 9,39; N = 3,57 w procentach. Przykład zastosowania Działanie 4,4-dipodstawionych soli morfoliniowych na ślimaki W doświadczeniach laboratoryjnych badano efektywność działania morfoliniowych cieczy jonowych na kondycję i behawior żerowania A. lusitanicus na roślinach oraz określano ich wpływ na wielkość uszkodzeń roślin przez ślimaki. Testy na roślinach wykonano w kabinie wzrostu, w temperaturze 289 K, wilgotność RH 93% ± 3% i długości dnia 12 godzin. Test prowadzono na rzepaku ozimego odmiany Bazyl w fazie rozwojowej 2-4 liście właściwe (BBCH 12-13), które zostały wyhodowane z nasion wysianych w półprzezroczystych, zamykanych, plastykowych pojemnikach (26 x 26 x 14 cm), po 6 roślin w każdym pojemniku. Rośliny opryskano roztworami badanych morfoliniowych cieczy jonowych, zastosowanych w trzech stężeniach (0,1, 0,5 i 1,0%). Kontrolę stanowiły rośliny opryskane wodą. Po obeschnięciu roślin w każdym pojemniku umieszczono po jednym wygłodzonym przez 24 godziny ślimaku o średniej masie: A. lusitanicus 1,84 g. Po 24 godzinach, a następnie, co 2 dni, określono wielkość uszkodzeń roślin oraz oceniano kondycję i żywotność ślimaków. Wykonano po 5 powtórzeń dla badanych cieczy i kontroli. T a b e l a 1. Uszkodzenia roślin rzepaku przez Arion lusitanicus traktowanych roztworami morfoliniowych cieczy jonowych Związek Stężenie [%] Wielkość uszkodzeń roślin [%] 1 dzień 3 dzień 5 dzień 7 dzień 1 2 3 4 5 6 [BMmorf][MBT] 0,1 6,12 35,03 70,00 76,58 0,5 8,52 22,06 67,42 76,70 1.0 8,39 40,18 72,44 60,01 [DEmorf][H 2PO 4] 0,1 10,22 41,59 73,34 76,57 0,5 4,56 36,04 73,32 76,60 1,0 4,40 36,61 72,51 76,57
PL 217 159 B1 5 ciąg dalszy Tabeli 1 1 2 3 4 5 6 [C 10OMmorf][Migd] 0,1 10,05 38,19 73,18 76,82 0,5 14,53 37,34 73,24 76,73 1,0 10,10 25,25 73,27 76,69 Kontrola 17,86 67,49 72,45 76,66 [BMmorf][MBT] - 2-merkaptobenzotiazolan 4-benzylo-4-metylomorfoliniowy [DEmorf][H 2PO 4] - diwodorofosforan 4-decylo-4-etylomorfoliniowy [C 10OMmorf][Migd] - (S)-(+)-migdalan 4-decyloksymetylo-4-metylomorfoliniowy Istotne różnice w wielkościach uszkodzeń roślin rzepaku traktowanych badanymi cieczami jonowymi, przez ślimaki A. lusitanicus, wystąpiły po jednym i po trzech dniach od aplikacji związków (tabela 1). Po 24 godzinach żerowania ślimaków mniejsze uszkodzenia w stosunku do kontroli stwierdzono na roślinach traktowanych diwodorofosforan 4-decylo-4-etylomorfoliniowy zastosowanym w stężeniu 1,0 i 0,5%. Po trzech dniach, mniejsze uszkodzenia wystąpiły na roślinach traktowanych: diwodorofosforan 4-decylo-4-etylomorfoliniowy (1,0 i 0,5%), 2-merkaptobenzotiazolan 4-benzylo-4- -metylomorfoliniowy (0,5 i 0,1%) oraz (S)-(+)-migdalan 4-decyloksy-metylo-4-metylomorfoliniowy (1,0 i 05%). Słabo uszkodzone były także rośliny traktowane związkami: (S)-(+)-migdalan 4-decyloksymetylo-4-metylomorfoliniowy (0,1%), 2-merkaptobenzotiazolan 4-benzylo-4-metylomorfoliniowy (1,0%) i diwodoro-fosforan-4-decylo-4-etyiomorfoliniowy (0,1%), jednak stwierdzona wielkość uszkodzeń nie różniła się istotnie od wielkości uszkodzeń roślin w kontroli. Zastrzeżenia patentowe 1. 4,4-Dipodstawione sole morfoliniowe o wzorze ogólnym W którym R 1 oznacza prostołańcuchową grupę alkilową zawierającą od 1 do 4 atomów węgla, R 2 oznacza grupę benzylową, lub prostołańcuchową grupę alkilową zawierającą od 1 do 12 atomów węgla lub alkoksymetylową zawierającą od 1 do 14 atomów węgla, a A oznacza anion diwodorofosforanowy, lub 2-merkapto-benzotiazolanowy lub (S)-(+)-migdalanowy. 2. Sposób wytwarzania 4,4-dipodstawionych soli morfoliniowych określony zastrzeżeniem 1, znamienny tym, że halogenki o wzorze ogólnym gdzie R 1 oznacza prostołańcuchową grupę alkilową zawierającą od 1 do 4 atomów węgla, R 2 oznacza prostołańcuchową grupę alkilową zawierającą od 1 do 12 atomów węgla, a X oznacza chlor, lub brom, lub jod, wprowadza się do chlorku metylenu lub chloroformu umieszczonego w łaźni lodowej, następnie wkrapla się kwas fosforowy o wzorze ogólnym 3 z co najmniej stechiometryczną ilością, następnie odgazowuje się powstały halogenowodór z mieszaniny poreakcyjnej przepuszczając przez nią suche powietrze, a odgazowany produkt oddziela się i suszy w warunkach obniżonego ciśnienia. 3. Drugi sposób wytwarzania 4,4-dipodstawionych soli morfoliniowych określony zastrzeżeniem 1, znamienny tym, że halogenki o wzorze ogólnym 2, określonym w zastrzeżeniu 2, gdzie R 1 oznacza prostołańcuchową grupę alkilową zawierającą od 1 do 4 atomów węgla, R 2 oznacza grupę benzylową,
6 PL 217 159 B1 a X oznacza chlor, lub brom lub jod, poddaje się reakcji z wodorotlenkiem potasu lub wodorotlenkiem sodu z co najmniej stechiometryczną ilością w metanolu w temperaturze od 293 do 333 K, korzystnie w 303 K, następnie oddziela się powstały produkt uboczny, a do przesączu dodaje się 2-merkaptobenzotiazol o wzorze ogólnym 4 z co najmniej stechiometryczną ilością w temperaturze od 293 do 333 K, korzystnie w 303 K, następnie odparowuje się metanol w warunkach obniżonego ciśnienia, po czym dodaje się acetonu lub acetonitrylu, następnie odsącza się osad a z przesączu odparowuje się rozpuszczalnik, dalej produkt suszy się w warunkach obniżonego ciśnienia. 4. Kolejny sposób wytwarzania 4,4-dipodstawionych soli morfoliniowych określony zastrzeżeniem 1, znamienny tym, że halogenki o wzorze ogólnym 2, określonym w zastrzeżeniu 2, gdzie R 1 oznacza prostołańcuchową grupę alkilową zawierającą od 1 do 4 atomów węgla, R 2 oznacza grupę alkoksymetylową zawierającą od 1 do 14 atomów węgla, a X oznacza chlor, lub brom lub jod, poddaje się reakcji z wodorotlenkiem potasu lub wodorotlenkiem sodu z co najmniej stechiometryczną ilością w metanolu w temperaturze od 293 do 333 K, korzystnie w 303 K, następnie oddziela się powstały produkt uboczny, a do przesączu dodaje się kwas (S)-(+)-migdalowy o wzorze ogólnym 5 z co najmniej stechiometryczną ilością w temperaturze od 293 do 333 K, korzystnie w 303 K, następnie odparowuje się metanol w warunkach obniżonego ciśnienia, po czym dodaje się acetonu lub acetonitrylu, następnie odsącza się osad a z przesączu odparowuje się rozpuszczalnik, dalej produkt suszy się w warunkach obniżonego ciśnienia.
PL 217 159 B1 7 Rysunki
8 PL 217 159 B1 Departament Wydawnictw UPRP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)