NO177842B - Antimikrobielt preparat for inhibering av mikrobiell vekst - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse et antimikrobielt preparat for inhibering av mikrobiell vekst, kjennetegnet ved at det omfatter 2-(2-bromo-2-nitroetenyl)-furan og en bærer i væskeform valgt fra en lavere alkohol, tetrahydrofuran, tetrahydrofurfurylalkohol, N-metylpyrrolidon eller dimetylformamid.

Beskrivelse av kjent teknikk

Et antall industrielle bromo-organiske ikke-oksyderende antimikrobemidler, innbefattet (3-bromo-p-nitrostyren er kjent. Ikke-oksyderende antimikrobemidler anvendes i mange industrielle systemer hvori sterkt oksyderende antimikrobemidler som klor eller brom ikke kan anvendes. Industrielle systemer som generelt krever ikke-oksyderende antimikrobemidler innbefatter vannsystemer, fremstilling av tremasse og papir, konservering av fluider ved metallbearbeidelse, konservering av latexmaling, konservering av tre, konservering av kosmetikk, hard-overflate desinfeksjon i oljefelt og institu-sjoner. Imidlertid, til tross for de mange kommersielt til-gjengelige ikke-oksyderende antimikrobemidler, er ingen full-stendig egnet for hver anvendelse på grunn av virkningsfull-het, sikkerhet, omgivelsesmessig aksepterbarhet og omkost-ninger .

Den antimikrobielle aktivitet av forskjellige 2-furyletylener som 2-(2-nitroetenyl)-furan er også velkjent. Litteraturen antyder at den mikrobiocide aktivitet av nitro-etenylfuranene ikke er tilstrekkelig for industriell antimikrobisk anvendelse med mindre furanringen har en 5-nitro-substitusjon. Uheldigvis er 5-nitrosubstituerte furan-antimikrobemidler mutagene og, i noen tilfeller, til og med karsinogene hos gnagere: derfor er 5-nitrofuranderivater uegnede for industrielle anvendelser. Imidlertid har kjent teknikk ikke vært klar over den effektive antimikrobielle aktivitet av 2-(2-bromo-2-nitroetenyl)-furan (BNEF) som et ikke-oksyderende antimikrobemiddel.

Russisk patent 1,027,663 publisert 1. januar 1967, fremlegger anvendelsen av furylnitroalkylener som antimikrobemidler. Furylnitroalkylenene anbringes ved rotsonen av en plante eller i jorden for å kontrollere nematoder.

Nazarova og Potemkin i en artikkel med tittel "Synthesis of Some Furylnitroolefins with Potential Biological Activity" beskriver laboratoriefremstillingen av utvalgte furylnitroolefiner innbefattet BNEF. Den anvendte fremgangsmåte for å fremstille BNEF anvender et 100 % støkiometrisk overskudd av vandig kaliumhydroksyd som et katalytisk middel. Imidlertid er det funnet at BNEF som dannes ved den beskrevne fremgangsmåte er uønsket forurenset med ikke-bromert nitroetenylfuran, en forbindelse med lavere antimikrobisk aktivitet.

Den russiske artikkel "Physiochemical Properties and Reactivities of Furylnitroolefins" av Gruntfest, et al., fremlegger de fysiokjemiske egenskaper, strukturer og reaktivi-teter av en serie furylnitroolefiner. Artikkelen fremlegger ikke de antimikrobielle aktiviteter av noen av de undersøkte furylnitroolefiner.

Japansk patent 59/184463 fremlegger en antimikrobiell anvendelse av nitroetenylfuran anvendt som en bestanddel av en avleiringshindrende dekkmaling for skipsbunner.

Følgelig er et primært mål for den foreliggende oppfinnelse å utvikle et nytt bredspektret industrielt antimikrobielt middel som omfatter 2-(2-bromo-2-nitroetenyl)-furan.

Et annet mål er å erholde et nytt bredspektret antimikrobielt middel av den beskrevne karakter som er ikke-oksyderende .

SAMMENDRAG AV OPPFINNELSEN

De tidligere beskrevne og andre mål, fordeler og trekk for den foreliggende oppfinnelse kan oppnås ved anvendelse av 2-(2-bromo-2-nitroetenyl)-furan som et bredspektret industrielt antimikrobemiddel. Nærmere bestemt er det funnet at 2-( 2-bromo-2-nitroetenyl)-furan kan anvendes ved vannbehandling, fremstilling av papir og tremasse, metallbearbeidende fluider, og forskjellige andre anvendelser som ikke-oksyderende biocider. 2-(2-bromo-2-nitroetenyl)-furan er effektiv mot et bredt spektrum av bakterier, alger og sopp.

2-(2-bromo-2-nitroetenyl)-furan kan fremstilles ved en fremgangsmåte som i høy grad eliminerer dannelsen av ikke-bromert nitroetenylfuran, en urenhet i produktet, som resul-

terer fra den konkurrerende reaksjon som innledes ved det nukleofile angrep på brom av hydroksydionet fra det vandige hydroksydholdige katalytiske middel i reaksjonen. Fremgangsmåten omfatter at furfural omsettes med bromonitrometan under anvendelse av et primært amin eller et primært aminsalt og natriumkarbonat som det katalytiske middel for å fremstille et mellomprodukt, 2-bromo-l-(2-furyl)-2-nitroetanol, som dehydreres under tilstedeværelse av en syre til det ønskede produkt.

BESKRIVELSE AV TEGNINGENE

Figur 1 er et diagram som viser sammenhengen mellom bakteriell levedyktighet og tid ved anvendelsen av 2-(2-bromo-2-nitroetenyl)-furan mot den mest vanlige bakterie funnet i industrielt avkjølingsvann. Figur 2 er en sammenligning av resultater fra ASTM E600-85 virkningstesten for tremasse og papir. Figur 3 er et diagram som viser sammenhengen mellom bakteriell levedyktighet og konsentrasjon av 2-(2-bromo-2-nitroetenyl)-furan i de tre hovedkategorier av metallbearbeidende fluider. Figur 4 er et diagram som viser virkningen av 2-(2-bromo-2-nitroetenyl)-furan i anvendelsen av industrielt av-kjølingsvann i overensstemmelse med fremgangsmåten ifølge ASTM E-645-85. Figur 5 er et diagram som viser kinetikken av desin-feksjonen med 2-(2-bromo-2-nitroetenyl)-furan i sammenligning med dens styrenanalog.

DETALJERT BESKRIVELSE AV DE FORETRUKNE UTFØRELSESFORMER

Foreliggende oppfinnelse angår nye virkningsfulle anvendelser av 2-(2-bromo-2-nitroetenyl)-furan (BNEF) som et allsidig kjemisk antimikrobielt middel. BNEF er vist å være et ytterst kraftig antimikrobielt middel. Det er aktivt ved lave nivåer mot et bredt spektrum av mikroorganismer innbefattet bakterier, slik som gramnegative bakterier som, Pseudomonas aeruginosa Xanthomonas prunll, Erwina anylovora eller Escherlchla coil, og grampositive bakterier som Baclllus megaterlum, Streptoccus pyogenes, Clostridium botulium eller Staphylococcus aureus: alger som Chlorella pyrenoidosa og andre grønnalger, og blå-grønnalger; og sopp som Aspergillus niger, Trlchomonas vaginitis, Alternaria solanl, Thricoderma, Saccharomyces og Rhizoctania. BNEF kan fremstilles fra furfural, et billig biologisk nedbrytbart avfallsprodukt fra jordbruket. Videre er BNEF en sterk kromofor og kan derfor lett påvises.

Foreliggende oppfinnelse angår også et nytt antimikrobielt preparat. Det antimikrobielle preparat som fore-ligger i væskeform omfatter en blanding av BNEF og en inert bærer slik som en lavere alkohol, tetrahydrofuran, tetrahydrofurfurylalkohol, N-metylpyrrolidon og dimetylformamid. Tetrahydrofurfurylalkohol er funnet å være en spesielt anvendelig bærer. Blandingen omfatter 0,1-50 % vekt/volum BNEF og 50-99,9 % vekt/volum bærer. Fortrinnsvis omfatter blandingen 1-50 % vekt/volum BNEF og 50-99 % vekt/volum av bæreren. Helst omfatter blandingen 20 % vekt/volum BNEF og 80 % vekt/volum bærer.

Fremgangsmåten for syntetisering av BNEF eliminerer dannelsen av ikke-bromert nitroetenylfuran. Fremgangsmåten medfører at furfural, metylammoniumhydroklorid og natriumkarbonat bringes i kontakt med hverandre i et polart oppløs-ningsmiddel. Et foretrukket polart oppløsningsmiddel er etanol. Bromonitromehan tilsettes sakte til den avkjølte reaksjonsblanding. Det foretrukne temperaturområde for reaksjonen er 0-1 °C. Reaksjonsblandingen omrystes inntil furfuralet er oppbrukt, og surgjøres deretter. Den surgjorte reaksjonsblanding omrystes inntil dehydreringen er full-stendig. Etter surgjøring kan reaksjonsblandingen oppvarmes forsiktig for å øke hastigheten av dehydreringstrinnet.

I tillegg angår foreliggende oppfinnelse en anvendelse av BNEF-preparatet inhibering av mikrobiell vekst i et vandig medium. Mulige vandige medier innbefatter avkjølings-vann, bearbeidelsesvæsker ved tremasse og papirfremstilling, metallbearbeidelsesfluider, luftvaskemidler, injeksjonsvann og boreslam for anvendelse i oljefelter, akryl-latexmaling-emul-sjoner, adhesiver og dekkmidler, svømmebassenger og kurbad, og kosmetikk. En antimikrobiell effektiv mengde av BNEF tilsettes til det vandige medium. En antimikrobiell effektiv mengde kan finnes i området fra tilnærmet 0,5 deler pr. million (ppm) til 300 ppm.

Generelt er BNEF et bredspektret antimikrobielt middel med et stort antall mulige anvendelser. De mulige anvendelser kan deles inn i fire grupper; ikke-oksyderende antimikrobielle anvendelser; biocide anvendelser; anvendelser som en synergist for både andre ikke-oksyderende biocider, og oksyderende biocider; og andre nye anvendelser. Mulige ikke-oksyderende antimikrobielle anvendelser innbefatter, men er ikke begrenset til: vannbehandling, fremstilling av tremasse og papir, konservering av metallbearbeidende fluidum, konservering av brennstoffer, konservering av latexmaling, konservering av kosmetikk, og anvendelser i svømme-bassenger og kurbad. BNEF kan anvendes i biocide anvendelser av mollusker som Corbicula (muslinger) og Oncomelania bulinus (snegler); av protozoer som Giardia og Entmoeba, og av sopp som Trlchomonas vaglnalls. Videre kan BNEF anvendes i kombina-sjon med andre ikke-oksyderende biocider som f.eks. kvaternære ammoniumsalter, isotiazolonbiocider, dibromonitrilopropionamid (DBNPA), 2-bromo-2-nitro-propan-l,3-diol, tributylinoksyd, triazinherbicider, 3,3,4,4-tetrakloroterahydrothiofen 1,1-di-oksyd, metylenbistiocyanat, eller med oksyderende biocider som: klorinerte isocyanurater, halogenerte hydantoiner, hypo-kloritt i væskeform eller fast form, klordioksyd, hydrogenper-oksyd, pereddiksyre og ozon.

EKSEMPEL

Det følgende eksempel gis for å illustrere foreliggende oppfinnelse.

2-(2-bromo-2-nitroetenyl)-furan med et redusert nivå av ikke-bromert nitroetenylfuran ble fremstilt på den følgende måte. Furfural (1 mol, 96,09 gram) metylammoniumhydroklorid (0,1 mol, 6,7 gram) og natriumkarbonat (0,1 mol, 10,5 gram) i 750 ml etanol ble plassert i en 2 liters kolbe utstyrt med et overliggende røreverk og en ekstra trakt. Bromonitrometan (1 mol, 139,89 gram) ble tilsatt dråpevis i løpet av en

periode på 45 minutter. Blandingen ble omrørt i 25 timer ved 5 °C. Etter omrøringen ble 750 ml avkjølt vann tilsatt til blandingen for å oppløse eventuelle uoppløste salter. Blandingen ble deretter sakte tilsatt til 720 ml kald 20 % vandig saltsyre, og den resulterende oppløsning ble omrørt i 2 timer ved 5 °C. En mørk olje atskilte seg fra oppløsningen; den organiske fase ble atskilt og tilbakeholdt. Den vandige fase ble ekstrahert under anvendelse av metylenklorid. Oppløsnings-midlet ble utdrevet fra ekstraktet på en rotasjonsfordamper. Den resulterende olje ble blandet med det tilbakeholdte organiske sjikt, og blandede organiske faser ble dampdestilert. Det faste produkt ble filtrert og rekrystallisert fra etanol. Produktet ble erholdt i form av skinnende gule krystaller.

EKSPERIMENTELLE EVALUERINGER

Det er funnet at BNEF er aktiv mot et bredt spektrum av mikroorganismer. Tabell 1 viser de inhibitoriske minimums konsentrasjoner mot bakterier og alger for et antall biocidale forbindelser, innbefattet BNEF. Dataene viser at BNEF er aktiv ved meget lave konsentrasjoner.

Figur 1 illustrerer en nedgang i levedyktigheten av Pseudomonas aeruginosa, en vanlig bakteriell slekt funnet i industrielt avkjølingsvann, ved kontakt med forskjellige konsentrasjoner av BNEF. Eksperimentet ble utført i fosfatbufret vann ved pH 7,2. Som vist i figuren angir virksomhets-dataene at tilnærmet 10 ppm BNEF er påkrevet for å eliminere 99,9 % av testinokulatet etter 6 timers kontakt.

BNEF kan også anvendes som et antimikrobielt middel ved anvendelse ved tremasse og papirfremstilling. Figur 2 viser resultater fra ASTM virksomhetstesten for masse og papir (ASTM E600-85). Denne laboratorietest viser at BNEF er minst like så aktiv som to kommersielt vellykkede antimikrobielle midler som vanligvis anvendes i denne industri.

I tillegg til masse og papirfremstilling, kan BNEF anvendes som et konserveringsmiddel for metallarbeidsvæske. Data viser at BNEF er effektiv i tre kategorier av metallarbeidsvæsker (oppløselig olje, semisyntetisk og syntetisk) mot bakterier, som vist i figur 3, og mot sopp. Disse tester ble utført på den følgende måte. En typisk oppløselig olje, semisyntetisk og syntetisk metallarbeidsvæske, ble fremstilt med kranvann i forhold 20:1. En feltprøve av "fordervet" væske ble blandet med en næringsoppløsning (50/50) og inkubert i 24 timer for å tjene som det bakterielle inokulat. Sopp iso-lert fra metallarbeidsvæsker ble dyrket på agarplater. Soppen ble innsamlet i en suspensjon som deretter tjente som sopp-inokulatet. Ved tid null ble 50 ml alikvoter av hver væske fremstilt. Væskene ble inokulert og dosert med det antimikrobielle middel ved forskjellige konsentrasjoner. Tellinger av bakterier og sopp ved tid null ble utført på hver kontroll-væske. Prøvene ble deretter plassert i en mekanisk omrører (ved romtemperatur) i 72 timer. Tellinger av bakterier og sopp ble deretter utført. Det foretrukne nivå av BNEF ved denne anvendelse ligger i området 10 til 100 ppm.

BNEF kan også anvendes i vannbehandling som f.eks. behandling av industrielt avkjølingsvann. Figur 4 viser virksomheten av BNEF i industrielt avkjølingsvann. Som vist i figuren kan det oppnås tilnærmet en 99 % reduksjon i levedyktighet av naturlig forekommende mikroorganismer i industrielt avkjølingsvann, ved hjelp av anvendelsen av 5 ppm BNEF og 24 timers kontakt. Kortere kontakttider krever en høyere konsentrasjon av BNEF ved anvendelsen. Fortrinnsvis bør en antimikrobiell effektiv mengde BNEF tilsettes for å redusere levedyktigheten av mikroorganismene med minst 90 %. Det er spesielt foretrukket å anvende tilnærmet 1 ppm til tilnærmet 5 ppm

BNEF.

Figur 5 viser kinetikken ved desinfeksjon med 10 ppm (vekt/volum) BNEF sammenlignet med dens styrenanalog, p-bromo-p-nitrostyren, et vellykket kommersielt antimikrobielt middel ved vannbehandling, i en fosfatbuffer ved pH 7,0. Dataene ble analysert statistisk og viser at BNEF er like så effektivt som antimikrobielt middel ved vannbehandlingsanvendelser som p-bromo-p-nitrostyren.

Praktisk talt alle moderne vannbehandlingsanvendelser er alkaliske. Selv under alkaliske betingelser er BNEF temme-lig aktiv. Data i tabell 2 viser kontakttiden av BNEF påkrevet for en 99,9 % reduksjon i levedyktighet av Pseudomonas aeruginosa i vann. Dataene ble oppnådd på følgende måte. Flere rene cellekultursuspensjon er av Pseudomonas aeruginosa ble fremstilt i fosfatbufret vann som var justert til pH 7,0 eller pH 8,1. Den innledende konsentrasjon av levedyktige celler ble bestemt ved telling av kolonidannende enheter under anvendelse av standard plateutspredelsesmetoden. En tetrahydrofurfurylalkohol (THFA)-oppløsning inneholdende det antimikrobiske middel (90 % THFA, 10 % antimikrobisk middel) ble tilsatt til cellesuspensjoner ved hver pH-verdi, slik at 10 ppm av det antimikrobiske middel ble anvendt. På lignende måte ble THFA tilsatt uten antimikrobisk middel til cellesuspensjoner ved hver pH-verdi for å tjene som ikke-behandlingskontroller. Konsentrasjonen av levedyktige celler ble deretter bestemt ved regelmessige tidsintervaller i alle cellesuspensjoner inntil minst 99,9 % reduksjon i levedyktighet (sammenlignet med kontrollene) ble oppnådd ved den antimikrobielle behandling.

Dataene i tabell 2 tyder på at desinfeksjonshastig-heten for BNEF ved en konsentrasjon på 10 ppm faktisk er hurtigere ved et pH-nivå på 8 sammenlignet med desinfeksjons-hastigheten ved et pH-nivå på 7. Derfor synes effekten av for-høyet pH på virkningen av BNEF i vannanvendelser å være gunst-ige. Forhøyet desinfeksjonshastighet med høyere pH er også funnet med (3-bromo-p-nitrostyren, en kommersielt vellykket analog av BNEF.

Tabell 3 viser den minimale inhibitoriske konsentrasjon av BNEF mot forskjellige mikroorganismer, i tillegg til de tidligere omtalte Pseudomonas aeruginosa og Bacillus megaterium, som er påtruffet ved forskjellige vannbehandlingsanvendelser. Dataene viser at forbindelsen har et bredt aktivitetsspektrum. Alle bestemmelser av den minimale inhibitoriske konsentrasjon ble utført i et næringsmiddelrikt vekstmedium på følgende måte. Hver organisme ble inokulert i et næringsmiddelrikt medium som underholdt veksten. Forskjellig konsentrasjoner av en oppløsning av det antimikrobielle middel i THFA (90 % THFA, 10 % antimikrobielt middel) ble dosert i det inokulerte vekstmedium: inokulert medium ble også dosert kun med THFA (uten antimikrobielt middel) for å tj ene som kontroller. To konsentrasjoner av antimikrobielt middel ble registrert for hver organisme etter at veksten i kontrollene var synlig (den laveste konsentrasjon som forhindret vekst og den høyeste konsentrasjon som tillot vekst): MIC er angitt som området mellom disse konsentrasjoner.

Dataene i tabell 3 er signifikante fordi de viser et usedvanlig aktivitetsspektrum for dette antimikrobielle middel; bredspektret aktivitet er åpenbart en fordel ved anvendelser av industrielle antimikrobielle midler.

De følgende analoger av 2-(2-bromo-2-nitroetenyl)-furan oppført i tabell 4 er syntetisert og testet for antimikrobiell virkning. Alle disse forbindelser er aktive i det lave ppm-område mot Pseudomonas aeruginosa. Disse forbindelser ble også testet i masse- og papir-ASTM-virkningstesten, og de ble vist å være aktive ved lave nivåer. Ingen av de testede forbindelser synes å være mer aktive enn 2-(2-bromo-2-nitro-etenyl)-furan.

Claims (9)

1. Antimikrobielt preparat for inhibering av mikrobiell vekst, karakterisert ved at det omfatter 2-(2-bromo-2-nitroetenyl)-furan og en bærer i væskeform valgt fra en lavere alkohol, tetrahydrofuran, tetrahydrofurfurylalkohol, N-metylpyrrolidon, eller dimetylformamid.

2. Preparat ifølge krav 1, karakterisert ved at bæreren er en tetra-hydrof urf urylalkohol .

3. Anvendelse av preparatet ifølge kravene 1-2 for inhibering i et vandig medium av vekst av mikroorganismer valgt fra alger, sopp og bakterier, omfattende at det vandige mediet tilsettes en antimikrobiell effektiv mengde i området 0,5 ppm til 300 ppm av 2-(2-bromo-2-nitroetenyl)-furan.

4. Anvendelse ifølge krav 3, hvori bakterien er valgt fra gramnegative og grampositive bakterier.

5. Anvendelse ifølge krav 4, hvori de gramnegative bakterier er valgt fra Pseudomonas og Pseudoznonader, Xanthomonous, Erwinla, Agrobacterium, Photobac-terium og Desulfovibrio.

6. Anvendelse ifølge krav 4, hvori de grampositive bakterier er valgt fra Bacillus, Staphylococcus og Clostrldium.

7. Anvendelse ifølge krav 3, hvori algene er valgt fra Chlorella pyrenoidosa, Schlzothrlx, Anabaena og Chlamydomonas.

8. Anvendelse ifølge krav 3, hvori soppen er valgt fra Aspergillus, Trichomonas alternaria, Trichoderma, Saccharomyces og Rhizoctonia.

9. Anvendelse ifølge krav 3, hvori det vandige medium er valgt fra avløpsvann fra masse og papirfremstilling, kjølevann, metallarbeidsvæsker, luftvaske-re, oljefelt-injeksjonsvann, og boreslam, akryl-latex-maling-emulsjoner, adhesjonsmidler og overtrekksmidler, svømme-bassenger og kurbad, og kosmetikk.