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Anorganisches
Monochloramin, NH2Cl, weist wie alle aktiven
Chlorverbindungen oxidierende und damit auch bakterizide Eigenschaften
auf.
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NH2Cl kann als Reinsubstanz wegen seiner Instabilität (Disproportionierung
zu Dichloramin und dessen Zersetzung zu Ammoniak, Chlorid und Stickstoff
[1]) unter normalen Bedingungen nicht aufbewahrt werden, und muss
daher in situ hergestellt werden. Es wird beispielsweise bei der
Wasser-Desinfektion (Trinkwasser, Abwasser, Kühlwasser usw.) eingesetzt.
Hergestellt werden kann NH2Cl durch Umsetzung
von Ammoniak oder Ammoniumverbindungen mit elementarem Chlor oder
aktiven Chlorverbindungen (enthalten O-Cl oder N-Cl Bindungen).
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In
biologischen Systemen bildet sich NH2Cl bei
der Umsetzung von Ammonium mit organischen, von stimulierten Granulocyten
produzierten Chloraminen [2]. Von diesem Autor wurde auch erkannt, dass
die gegenüber
den organischen Chloraminen stärkere
bakterizide Wirkung auf die lipophile Natur des NH2Cl
und das damit verbundene leichtere Eindringen in Bakterien zurückzuführen ist.
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Trotz
des unterschiedlichen Aufbaues der Zellhüllen von Bakterien und menschlichen
Zellen zeigte sich unerwarteterweise, dass NH2Cl
auch in menschliches Gewebe deutlich besser eindringt als N-Chlortaurin.
Diese verbesserte Gewebsgängigkeit erleichtert
eine Behandlung von tieferliegenden Infekten, beispielsweise im
Auge.
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Eine
genauere in-vitro Untersuchung der bakteriziden Wirkung erfolgte
mit frisch hergestellten, phosphat-gepufferten Lösungen von N-Chlortaurin und
Ammoniumchlorid. Sie zeigten, verglichen mit N-Chlortaurin allein,
eine wesentlich verstärkte
bakterizide Wirkung, u.a. gegenüber
wichtigen Pathogenen wie Mycobakterien und Pilzen [3–5], die
auf die Bildung von NH2Cl zurückgeführt wurde.
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Es
ist bekannt, dass bei der Umsetzung von Ammoniak bzw. Ammoniumverbindungen
mit Hypochloriten oder anderen aktiven Chlorverbindungen, z.B. Chlorisocyanursäuren, N-Chlortoluolsulfonamid Natrium
(Chloramin T), NH2Cl gebildet wird. Diese Reaktion
bleibt jedoch nicht bei einer Monochlorierung stehen, sondern führt auch
zum Di- und Trichlorderivat, NHCl2 und NCl3 [2,6]. Die Darstellung von wässrigen
Lösungen,
die nur Monochloramin, NH2Cl, enthalten,
erfordert die Einhaltung ganz spezieller Reaktionsbedingungen, vor
allem ein alkalisches Milieu von pH ≈ 9 [7] und einen molaren Überschuss
an NH3 [8].
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NHCl2 und NCl3 wirken
zwar auch mikrobizid, ihre Bildung ist aber unerwünscht, da
diese Verbindungen zum Unterschied von NH2Cl
ausgesprochen unangenehm und stechend riechende Substanzen darstellen,
deren Vorhandensein einen Einsatz als desinfizierendes Agens ausschließt.
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Ein
alkalischer pH und überschüssiges NH3 hingegen, bei dem die Bildung von NHCl2 und NCl3 nicht
stattfindet, kommt aber aufgrund der Geruchsbelästigung durch Ammoniak nicht
in Frage.
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Eine
für die
Desinfektion geeignete NH2Cl haltige Präparation
sollte daher einen pH 7–8
aufweisen und frei von NHCl2 und NCl3 sein. Sie könnte aus einer wässrigen
Lösung
bestehen von einem Ammonium-Salz, z.B. Ammoniumchlorid und einer
stabilen aktiven Chlorverbindung wie Calciumhypochlorit, Natriumdichloroisocyanurat,
Chloramin-T oder N-Chlortaurin, während Natriumhypochlorit aufgrund
seiner Instabilität
hierfür
nicht geeignet ist.
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Als
geeignete Verpackungsform wäre
denkbar ein Gefäß, das die
beiden Komponenten Ammoniumsalz und aktive Chlorverbindung getrennt
enthält.
Die Anwendungslösung
wird unmittelbar vor Gebrauch durch Auflösen der beiden Substanzen in Wasser
frisch hergestellt: NH4 + + H2O ↔ NH3 + H3O+ R-Cl + NH3 → R-H + NH2Cl R = > N-,
-O-
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Es
stellte sich jedoch heraus, dass bei Verwendung von Chloramin T
als Chlorierungsmittel, das aufgrund seiner hervorragenden Stabilität in wässriger
Lösung
hierfür
besonders geeignet wäre, auch
bei einem Überschuss
an NH4 + die Reaktion nicht
bei NH2Cl stehen bleibt, sondern bis zur
Bildung von NHCl2 und NCl3 führt, wobei
der pH von anfänglich
6.8 innerhalb von nur 8 min auf 2.9 absinkt.
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Wird
derselbe Versuch in Gegenwart von 0.1 M Phosphat-Puffer ausgeführt, so
sinkt der pH von anfänglich
7.0 innerhalb von 2 h zwar nur auf 6.3, wobei jedoch Zersetzung
unter gleichzeitiger Entwicklung von Stickstoff-Gas stattfindet.
Die Oxidationskapazität
der Lösung
sinkt hierbei bereits innerhalb 1 h um über 90%.
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In
gleicher Weise verhalten sich auch Calciumhypochlorit und Natrium-dichloroisocyanurat
in Gegenwart von Ammoniumchlorid.
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Es
wurde überraschender
Weise gefunden, dass N-Chlortaurin, im Gegensatz zu den anderen oben
genannten aktiven Chlorverbindungen, Ammoniumsalze in wässriger
Lösung
nur bis zur Stufe des NH2Cl oxidiert, und
somit die unerwünschten
Nebenprodukte NHCl2 und NCl3 nicht
gebildet werden. In der wässrigen
Lösung
von N-Chlortaurin und Ammoniumchlorid bildet sich innerhalb von ≈ 10 min folgendes
Gleichgewicht aus: NH4 + + N-Chlortaurin ↔ Taurin + NH2Cl
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Im
Konzentrationsbereich 0.01%–1.0%
für beide
Ausgangssubstanzen liegt die Gleichgewichtskonzentration an NH2Cl zwischen 10–200 ppm (1.94e-4–3.88e-3
M).
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In
diesen Mischungen stellt sich ein pH 6.5–7.5 ein, sodass eine Irritation
durch freigesetzten Ammoniak nicht stattfindet. Mit einer Abnahme
der Oxidationskapazität
um 1.4% pro Tag bei Aufbewahrung im Eisschrank (0–3°C) weisen
die so hergestellten NH2Cl Lösungen eine
unerwartete Stabilität
auf, sodass bei einem Behandlungszeitraum von 10–15 Tagen eine merkliche Abnahme
der bakteriziden Wirkung nicht zu erwarten ist. Die so aufbewahrten
Lösungen
sind frei von den Folgeprodukten NHCl2 und NCl3.
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In
Monochloramin-Lösungen,
die frei von N-Chlortaurin sind, findet hingegen unter den selben Bedingungen
eine komplette Umwandlung in Dichloramin statt (Siehe Beispiel 2).
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Da
in wässrigen
Lösungen
von N-Chlortaurin und Ammoniumchlorid
- 1. Ammonium-Ionen
nur bis zur Stufe des Monochloramins, NH2Cl,
oxidiert werden, die unerwünschten
Nebenprodukte NHCl2 und NCl3 also gar
nicht entstehen,
- 2. sich hierbei ohne Verwendung eines Puffers ein pH 6.5–7.5 einstellt,
was eine Ausscheidung von Ammoniak ausschließt,
- 3. diese Lösungen
eine unerwartete Stabilität
aufweisen, und
- 4. das in diesen Lösungen
entstehende Monochloramin aufgrund seiner Lipophilie eine deutlich verbesserte
Gewebegängigkeit
besitzt, was zum Beispiel in der Augenheilkunde von Bedeutung ist,
eignen
sich wässrige
Lösungen
von N-Chlortaurin und Ammoniumchlorid hervorragend zur Behandlung von
Infektionen, Entzündungen
und/oder nässenden Gewebsdefekten.
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Die
Erfindung wird im Folgenden an Hand der Beispiele näher erläutert.
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Beispiel 1: Herstellung und Stabilität einer
wässrigen Monochloramin-haltigen
Lösung
aus 1% N-Chlortaurin und 1% Ammoniumchlorid
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Je
1 g N-Chlortaurin und Ammoniumchlorid werden in 100 mL Wasser aufgelöst, wobei
sich ein pH 7.5 einstellt. Nach 10 Tagen bei Aufbewahrung bei 0–3°C (Raumtemperatur)
wurde ein pH 7.5 (7.1) gemessen. Die Oxidationskapazität wurde
indometrisch ermittelt und sank innerhalb von 10 Tagen von 5.43e-2
M auf 4.816e-02 (3.35e-2) M Cl+, was einer täglichen
Abnahme von 1.1% (3.8%) entspricht.
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Die
Bestimmung des Gehaltes an NH2Cl erfolgte
photometrisch unter Verwendung der bekannten UV-Spektren von N-Chlortaurin
[9] und NH2Cl [10]. Die Anfangskonzentration
beträgt
[NH2Cl] = 3.88e-03 M bzw. 205 ppm und sank
innerhalb von 10 Tagen auf 191 ppm (158 ppm) bei Aufbewahrung bei 0–3°C (Raumtemperatur).
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Beispiel 2: Herstellung und Stabilität einer
reinen Monochloramin Lösung
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Eine
Lösung
von je 1 g N-Chlortaurin und Ammoniumchlorid in 100 mL Wasser wurde
im Rotavapor (Wasserstrahlvakuum, Badtemperatur 50°C) destilliert.
Das Destillat enthielt laut UV-Spektrum 2.13e-3 M reines Monochloramin,
NH2Cl: Absorptionsbande bei λmax =
244 nm, A244 = 0.9812, d = 0.1 cm, ∈244 = 461.6 L mol–1 cm–1.
Nach drei Tagen Aufbewahrung im Eisschrank bei 0–3°C war die Bande bei 244 nm verschwunden,
während
sich zwei Banden bei 203 nm (A = 1.146) und 294 nm (A = 0.148) bildeten,
die charakteristisch für
den Chromophor -NCl2 sind [9]. Diese spektrale
Veränderung
weist darauf hin, dass NH2Cl sich komplett
in NHCl2 umgewandelt hat.
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Beispiel 3: Herstellung einer isotonen
Lösung
aus 1% N-Chlortaurin
und 0.53% Ammoniumchlorid
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1
g N-Chlortaurin (0.0055 mol) und 0.53 g Ammoniumchlorid (0.0099
mol) werden in 100 mL Wasser aufgelöst. Die Gesamtmolarität beträgt dann 0.154
mol/L und entspricht damit einer isotonen 0.9% igen NaCl-Lösung. Sie
weist einen pH 7.2 und eine Monochloramin-Konzentration von [NH2Cl] = 2,48e-03 M bzw. 128 ppm auf.
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Beispiel 4: Zeitlicher Verlauf der bakteriziden
Wirkung einer NH2Cl Lösung hergestellt aus 1% N-Chlortaurin
und 1% Ammoniumchlorid
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Eine
Lösung
von 1% NCT und 1% Ammoniumchlorid in Wasser wurde 8 Tage lang im
Eisschrank (0–3°C) aufbewahrt.
Nach 8 Tagen wurde außerdem
eine frische Lösung
von 1% NCT und 1% Ammoniumchlorid in Wasser hergestellt.
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20
Minuten später
wurde zu beiden Lösungen
Staphylococcus aureus in einer Endkonzentration von 1 × 107 Koloniebildender Einheiten pro Milliliter
gegeben und bei Raumtemperatur inkubiert. Nach unterschiedlichen
Einwirkzeiten wurden Aliquots entnommen und mittels quantitativer
Kulturen die Zahl der überlebenden
Keime bestimmt.
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In
beiden Lösungen
wurden die Keime nach 30 Sekunden teilweise und nach 1 Minute vollständig abgetötet. Daher
besitzt eine wässrige
Lösung
von 1% NCT und 1% Ammoniumchlorid auch nach einer Aufbewahrungszeit
von 8 Tagen im Kühlschrank noch
volle bakterizide Wirkung.
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Beispiel 5: Penetration von NH2Cl durch die menschliche Hornhaut
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Eine
menschliche Hornhaut wurde in eine Hornhautkammer eingespannt. Im
oberen Kompartiment befand sich die Desinfektionslösung, im
unteren Kompartiment Pufferlösung.
Das System wurde 2, 4 und 6 h bei Zimmertemperatur äquilibriert,
und danach wurde in der Pufferlösung
des unteren Kompartimentes die Oxidationskapazität bestimmt. Bei 1% N-Chlortaurin
betrug die durchdiffundierte Oxidationskapazität nach 2 h 1.3%, nach 4 h 4.8%
und nach 6 h 25.4% vom Ausgangswert im oberen Kompartiment. Die
entsprechenden Werte betrugen für eine
Lösung
von 1% N-Chlortaurin
und 1% Ammoniumchlorid nach 2 h 17.9%, nach 4 h 30.1% und nach 6
h 53.1%.
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Literaturliste
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