DE69516006T2 - Ammonium ionene polymere mit biologisch aktiven anionen - Google Patents
Ammonium ionene polymere mit biologisch aktiven anionenInfo
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Description
- Diese Erfindung bezieht sich auf neue Ionen-Polymere, Verfahren zu ihrer Herstellung und ihre verschiedenen Verwendungen. Insbesondere enthalten die neuen Ionen- Polymere als kationischen Anteil des Moleküls quaternäre Ammoniumgruppen in dem Polymergerüst und, als Teil des anionischen Anteils des Moleküls, mindestens ein Anion, das von einer biologisch aktiven Verbindung abgeleitet ist. Die neuen Ionen- Polymere der Erfindung sind wasserlöslich und z. B. als Herbizide, mikrobizide Mittel, Pflanzenwachstumsregulatoren, Pharmazeutika, desinfizierende Mittel, Algenbekämpfungsmittel, Desinfektionsmittel und Konservierungsmittel brauchbar.
- Ionen-Polymere oder polymere quaternäre Ammoniumverbindungen (Polyquat-Verbindungen), d. h. kationische Polymere, die quaternäre Stickstoffatome in dem Polymergerüst enthalten, gehören zu einer bekannten Klasse von biologisch aktiven Verbindungen. Siehe z. B. A. Rembaum, Biological Activity of Ionene Polymers, Applied Polymer Symposium Nr. 22, 299-317 (1973). Ionen-Polymere finden eine Vielzahl von Anwendungen in wässrigen Systemen wie z. B. als mikrobizide Mittel, Bakterizide, Algenbekämpfungsmittel, Desinfektionsmittel und desinfizierende Mittel. Die US-Patente Nr. 3,778,476, 3,874,870, 3,898,336, 3,931,319, 4,013,507, 4,027,020, 4,089,977, 4,111,679, 4,506,081, 4,581,058, 4,778,813, 4,970,211, 5,051,124 und 5,093,078 geben verschiedene Beispiele für diese Polymere, ihre Herstellung und ihre Verwendungen an. Die US-Patente Nr. 3,778,476, 3,898,536 und 4,960,590 beschreiben insbesondere unlösliche Trihalogenid enthaltende Ionen-Polymere. Das US-Patent Nr. 4,013,507 beschreibt Ionen-Polymere, welche selektiv das Wachstum von bösartigen Zellen in vitro hemmen.
- Es wurde gezeigt, dass kationische Polymere im Allgemeinen und quaternäre Ammonium-Ionen-Polymere im Besonderen mit Oberflächen, insbesondere mit polaren Oberflä chen eine starke Wechselwirkung eingehen und daran anhaften. Die meisten Oberflächen weisen im Allgemeinen eine anionische Beschaffenheit auf. Diese elektrostatischen Wechselwirkungen werden als Grundlage für viele Anwendungen von kationischen Polymeren angesehen. Zum Beispiel sind kationische Polymere sehr wirksame Flockungsmittel. Es wird auch angenommen, dass die bioziden Eigenschaften von Ionen-Polymeren aus elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen dem kationischen Gerüst des Ionen-Polymers und der Oberfläche des biologischen Substrats, das mit dem Ionen-Polymer behandelt wird, hervorgehen oder dadurch verstärkt werden.
- Eine große Zahl von relativ einfachen monomeren organischen und anorganischen Verbindungen mit niedrigem Molekulargewicht sind für ihre biologisch aktiven Eigenschaften bekannt und werden dafür verwendet. Zu den biologisch aktiven Verbindungen gehören Pestizide, mikrobizide Mittel, oberflächenaktive Stoffe, Schlichtemittel bzw. Leim, Pflanzenwachstumsregulatoren, Düngemittel, desinfizierende Mittel, Fluoreszenzstoffe, Konservierungsmittel und Pharmazeutika, sie sind aber nicht darauf beschränkt. Solche Verbindungen kommen in allen Klassen von Verbindungen vor, z. B. als organische oder anorganische Säuren, Ester, Amine, Anhydride oder Alkohole.
- Wenngleich sie allgemein für ihren beabsichtigten Zweck wirksam sind, weisen viele biologisch aktive Verbindungen einen oder mehrere Mängel auf, welche verhindern können, dass eine bestimmte Verbindung ihre volle Aktivität entfaltet. Zum Beispiel kann es bei Verwendungen, die eine Auftragung auf ein Substrat erfordern, wie es bei Herbiziden der Fall ist, vorkommen, dass die biologisch aktive Verbindung nicht immer optimal an der Oberfläche des Blattes oder Stengels der behandelten Pflanze haftet. Das aufgetragene Herbizid kann deshalb aufgrund des Ablaufens während der Auftragung einen Teil seiner Wirksamkeit verlieren. Bei anderen Anwendungen kann es sein, dass die Verbindung nur für eine sofortige Wirkung zur Verfügung steht, aber keine Restaktivität zurückbleibt.
- Gemäß dieser Erfindung kann die Wirksamkeit von solchen biologisch aktiven Verbindungen durch Einbauen dieser Verbindungen als Anionen in ein Ionen-Polymer verbessert werden. Die Anionen sind deshalb integrale Bestandteile der Ionen-Polymerstruktur. Desgleichen kann das Einbauen von solchen biologisch aktiven Anionen in das Ionen- Polymer auch die biologische Wirksamkeit des Ionen-Polymers verbessern.
- Diese Erfindung stellt ein wasserlösliches Ionen-Polymer der Formel I oder II bereit:
- worin
- n eine ganze Zahl von 4 bis 400 ist, die dem Polymerisationsgrad des Polymers entspricht;
- R&sub1;, R&sub2;, R&sub3; und R&sub4; bedeuten den gleichen oder unterschiedlichen Substituenten, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Wasserstoff, einer C&sub1; bis C&sub1;&sub6;-Alkylgruppe, einer C&sub1; bis C&sub1;&sub6;-Alkylgruppe, substituiert mit einer oder mehreren Hydroxylgruppen, einer Benzylgruppe und einer Benzylgruppe, substituiert mit einer oder mehreren C&sub1; bis C&sub1;&sub6; Alkylgruppen;
- B bedeutet einen zweiwertigen aliphatischen C&sub2; bis C&sub1;&sub6;-Kohlenwasserstoffrest, welcher substituiert sein kann durch Hydroxyl, einen zweiwertigen cyclischen C&sub5; bis C&sub9;-Kohlenwasserstoffrest, einen Di-(C&sub2; bis C&sub6;)-alkylenether, einen Phenylen- oder alkylsubstituierten Phenylenrest, oder die zweiwertige Gruppe R&sub1;R&sub2;NBNR&sub3;R&sub4; der Formel I oder II bedeutet einen zweiwertigen Rest mit der Struktur:
- R&sub1;R&sub2;N-(CH&sub2;)p-NR&sub5;-C(O)-NR&sub6;-(CH&sub2;)p-NR&sub3;R&sub4;
- worin p eine ganze Zahl von 2 bis 6 ist, R&sub1;, R&sub2;, R&sub3; und R&sub4; wie vorstehend definiert sind, und R&sub5; und R&sub6; gleich oder verschieden sind und ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Wasserstoff und einer C&sub1; bis C&sub1;&sub6;-Alkylgruppe, oder der zweiwertige Rest R&sub1;R&sub2;NBNR&sub3;R&sub4; bildet eine heterocyclische Gruppe, ausgewählt aus 1,2-Pyrazolidinyl, 1,3-Imidazolindiyl, 1,4-Piperazindiyl, Aminopyrrolidinyl und Aminopiperidiyl, wobei die heterocyclische Gruppe mit einer oder mehreren Gruppen, ausgewählt aus einer C&sub1; bis C&sub6;-Alkylgruppe, einer Hydroxylgruppe, einem Halogenid und einer Phenylgruppe substituiert sein kann.
- A&supmin; ist ein Anion, das abgeleitet ist von einer biologisch aktiven Verbindung mit mindestens einer Säurefunktionalität; und
- X&supmin; ist ein Anion, das abgeleitet ist von einer anorganischen oder organischen Säure.
- In den Ionen-Polymeren der Erfindung definiert der Substitutionsgrad (SG) die Menge des vorhandenen aktiven Anions "A". Für Ionen-Polymere der Formel I kann der Substitutionsgrad des Polymers von ungefähr 0,005 bis 0,5 (ein halb) variieren. Ionen- Polymere der Formel II können einen SG aufweisen, der von ungefähr 0,005 bis 0,33 (ein Drittel) variieren kann.
- Diese Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Herstellen der neuen Ionen-Polymere bereit, wobei teilweise oder vollständig protonierte Ammoniummonomere verwendet werden, die ein biologisch aktives Anion enthalten. Das Polymerisieren solcher Monomere ergibt ein Ionen-Polymer, welches das biologisch aktive Anion als integralen Teil des Ionen-Polymers aufweist.
- Die biologische Aktivität der Ionen-Polymere der Formel I und II ergibt sich aus dem Ionen-Polymergerüst und/oder dem biologisch aktiven Anion. Die Ionen-Polymere können nicht nur die für Ionen-Polymere bekannte Aktivität und Verwendungen besitzen, sondern auch die Aktivität und Verwendungen des biologisch aktiven Anions. Bis zu einem gewissen Grade beschränkt dann nur die Verfügbarkeit von biologisch aktiven Anionen die Herstellung, Aktivität und Verwendung von Ionen-Polymeren gemäß dieser Erfindung. Diese Erfindung stellt deshalb auch verschiedene Zusammensetzungen und Verfahren zur Verwendung für die neuen Ionen-Polymere bereit.
- Die nachfolgende ausführliche Beschreibung zeigt weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung auf. Die weiteren Merkmale und Vorteile gehen zumindest zum Teil aus der Beschreibung hervor oder können durch die praktische Durchführung der Erfindung in Erfahrung gebracht werden. Die Aufgaben und weitere Vorteile der Erfindung werden durch die beschriebene, beanspruchte und in den beigefügten Figuren gezeigte Erfindung gelöst und erhalten.
- Die Fig. 1 und 2 stellen Reaktionsschemata zum Herstellen der Ionen-Polymere dieser Erfindung dar.
- In einer ersten Ausführungsform stellt diese Erfindung neue, wasserlösliche Ionen- Polymere der Formel I oder II bereit:
- In jeder der vorstehenden Formeln weisen die Variablen und Substituenten die folgenden Definitionen auf.
- Die Variable "n" ist eine ganze Zahl von ungefähr 4 bis 400, die dem Polymerisationsgrad des Polymers entspricht. Vorzugsweise liegt "n" im Bereich von ungefähr 5 bis 100 und am meisten bevorzugt von ungefähr 5 bis 50. Allgemein gesagt können Ionen- Polymere mit diesem Polymerisationsgrad Molekulargewichte im Bereich von ungefähr 1.000 bis 20.000 aufweisen. Vorzugsweise haben die Ionen-Polymere dieser Erfindung Molekulargewichte im Bereich von ungefähr 1.000 bis 10.000 und am meisten bevorzugt ungefähr 3.000 bis 5.000.
- Die Substituenten R&sub1;, R&sub2;, R&sub3; und R&sub4; bedeuten die gleichen oder unterschiedliche Gruppen, ausgewählt aus Wasserstoff; C&sub1; bis C&sub1;&sub6;-Alkylgruppen; C&sub1; bis C&sub1;&sub6;-Alkylgruppen, substituiert mit einer oder mehreren Hydroxylgruppen; einer Benzylgruppe; oder einer Benzylgruppe, substituiert mit einer oder mehreren C&sub1; bis C&sub1;&sub6;-Alkylgruppen. Vorzugsweise sind R&sub1;, R&sub2;, R&sub3; und R&sub4; Methyl, Ethyl oder Benzyl und am meisten bevorzugt Methyl. So wie der Begriff hier verwendet wird, kann eine Alkylgruppe geradkettig oder verzweigt sein.
- "B" bedeutet einen zweiwertigen aliphatischen C&sub2; bis C&sub1;&sub6;-Kohlenwasserstoffrest, welcher substituiert sein kann mit Hydroxyl, einen zweiwertigen cyclischen C&sub5; bis C&sub9;-Kohlenwasserstoffrest, einen Di-(C&sub2; bis C&sub6;)-alkylenether, einen Phenylen- oder alkylsubstituierten Phenylenrest. Vorzugsweise ist B Methylen, Ethylen, Propylen, 2-Hydroxypropylen, Butylen, Isobutylen, Hexylen, Diethylenether oder Phenylen.
- Alternativ dazu bedeutet die zweiwertige Gruppe R&sub1;R&sub2;NBNR&sub3;R&sub4; der Formel I oder II einen zweiwertigen Rest, der abgeleitet ist von dem Reaktionsprodukt von Harnstoff und einem aliphatischen gemischten tertiären/primären Amin. In dieser Alternative weist die zweiwertige Gruppe R&sub1;R&sub2;NBNR&sub3;R&sub4; die folgende Struktur auf:
- R&sub1;R&sub2;N-(CH&sub2;)p-NR&sub5;-C(O)-NR&sub6;-(CH&sub2;)p-NR&sub3;R&sub4;
- Die Variable "p" ist eine ganze Zahl von 2 bis 6, vorzugsweise 2 bis 4 und am meisten bevorzugt 2 oder 3. R&sub5; und R&sub6; sind gleich oder verschieden und werden gewählt aus der Gruppe, bestehend aus Wasserstoff und einer C&sub1; bis C&sub1;&sub6;-Alkylgruppe. Wasserstoff, Methyl und Ethyl sind für die Substituenten R&sub5; und R&sub6; bevorzugt Das US-Patent Nr. 4,506,801, welches hierdurch Bezugnahme aufgenommen ist, beschreibt Ionen- Polymere, die von Harnstoffdiaminen abgeleitet sind.
- Der zweiwertige Rest R&sub1;R&sub2;NBNR&sub3;R&sub4; kann auch eine heterocyclische Gruppe bilden, die ausgewählt ist aus 1,2-Pyrazolidinyl, 1,3-Imidazolindiyl, 1,4-Piperazindiyl, Aminopyrrolidinyl und Aminopiperidiyl. Diese heterocyclischen Gruppen können z. B. mit einer oder mehreren Gruppen, ausgewählt aus einer C&sub1; bis C&sub6;-Alkylgruppe, einer Hydroxylgruppe, einem Halogenid und einer Phenylgruppe substituiert sein.
- "A&supmin;" ist ein Anion, das von einer biologisch aktiven, organischen oder anorganischen Verbindung mit mindestens einer Säurefunktionalität abgeleitet ist. Das biologisch aktive Anion "A&supmin;" kann ein einwertiges, zweiwertiges, dreiwertiges, vierwertiges oder sonstiges mehrwertiges Anion sein. Somit symbolisiert "A&supmin;" ein Anion allgemein und ist nicht auf einwertige Anionen beschränkt. Die Ladung des jeweiligen Anions "A&supmin;" hängt von seiner entsprechenden biologisch aktiven Verbindung ab.
- Das biologisch aktive Anion "A&supmin;" kann durch praktisch jede biologisch aktive Verbindung mit einer Säurefunktionalität bereitgestellt werden, welche in der Lage ist, mit einem Amin unter Bildung eines protonierten Aminsalzes zu reagieren. Dazu gehören organische und anorganische biologisch aktive Verbindungen. Vorzugsweise ist die biologisch aktive Verbindung, die das Anion "A&supmin;" liefert, deshalb eine Brönstedsäure.
- Zu den biologisch aktiven Säureverbindungen gehören Pestizide, oberflächenaktive Stoffe, Schlichtemittel bzw. Leim, Pflanzenwachstumsregulatoren, Düngemittel, desinfizierende Mittel, Konservierungsmittel, mikrobizide Mittel, Dispergiermittel und therapeutische Mittel wie Pharmazeutika oder topische Antiseptika, sie sind aber nicht darauf beschränkt. Chemikalien, die allgemein als Pestizide bekannt sind, haben weit verbreitete Verwendung in der ganzen Welt für viele ackerbauliche und gartenbauliche Anwendungen gefunden. Zu Pestiziden gehören Herbizide, Fungizide, Insektizide, sporenabtötende Mittel und Nematizide, sie sind aber nicht darauf beschränkt. Pestizide können auch Chemikalien umfassen, die für andere Arten von Anwendungen eingesetzt werden, wie etwa Düngemittel, Pflanzenwachstumsregulatoren, desinfizierende Mittel, Entlaubungsmittel und Saatgutbehandlungsmittel. Düngemittel sind Chemikalien, die auf die Blätter aufgetragen werden können, wenngleich Düngemittel nicht als Pestizide angesehen werden.
- Zu Quellen für die Auswahl von Verbindungen mit der geforderten Säurefunktionalität gehören z. B. solche Veröffentlichungen wie The Farm Chemicals Handbook, The Physician's Desk Reference oder Drugs of the Future, die alle hier durch Bezugnahme aufgenommen sind. Die nachstehenden Tabellen 1 und 2 liefern Beispiele für einige biologisch aktive organische und anorganische Anionen "A&supmin;" und ihre Verwendungen. Tabelle 1: Beispiele für organische biologisch aktive Verbindungen Tabelle 2: Beispiele für anorganische biologisch aktive Verbindungen
- Außer der in Tabelle 2 gezeigten Aktivität sind anorganische biologisch aktive Anionen wie Trihalogenid- und Oxidhalogenidanionen auch als desinfizierende Mittel bekannt. Zu bevorzugten Trihalogenidanionen gehören z. B. Br&sub3;&supmin;, I&sub3;&supmin;, BrI&sub2;&supmin;, ClI&sub2;&supmin;, ClBr&sub2;&supmin;, I&sub2;Cl&supmin; und Br&sub2;I&supmin;, wobei I&sub3;&supmin; besonders bevorzugt ist. Zu bevorzugten Oxidhalogenidanionen gehören OCl&supmin;, OBr&supmin; und OI&supmin;.
- Das Anion "X&supmin;" ist von einer anorganischen Säure bzw. Mineralsäure (mineral acid) (z. B. anorganischen Säure) oder einer organischen Säure HX abgeleitet. Wie im Fall von "A&supmin;" kann das Anion "X&supmin;" ein einwertiges, zweiwertiges, dreiwertiges, vierwertiges oder sonstiges mehrwertiges Anion einer Mineralsäure sein. "X&supmin;" symbolisiert das Anion allgemein und ist nicht auf einwertige Anionen beschränkt. Entsprechend ist HX nicht auf einprotonige Säuren beschränkt. Zu Mineralsäuren gehören z. B. Fluorwasserstoffsäure, Chlorwasserstoffsäure, Bromwasserstoffsäure, Schwefelsäure, Salpetersäure und Phosphorsäure. Zu organischen Säuren gehören Ameisensäure, Essigsäure, Propionsäure, Buttersäure, Valeriansäure, n-Capronsäure, Cyclohexancarbonsäure und Benzoesäure, sie sind aber nicht darauf beschränkt. Essigsäure ist bevorzugt. Vorzugsweise gehören zu Anionen Halogenidanionen und insbesondere Cl&supmin;.
- Im Allgemeinen können die wasserlöslichen biologisch aktiven Ionen-Polymere der Erfindung nicht durch ein einfaches Verfahren wie etwa das Vermischen eines Anions von einer biologisch aktiven Verbindung mit einem bereits vorhandenen Ionen-Polymer, welches durch bekannte Verfahren gebildet worden ist, hergestellt werden. Durch ein solches einfaches Gleichgewichtsverschiebungsverfahren tritt kein ausreichender Ionenaustausch in Ionen-Polymeren auf. Zum Beispiel weist ein Ionen-Polymer, das durch die Reaktion von einem di-tertiären Amin, Chlorwasserstoffsäure und Epichlorhydrin hergestellt ist, Chloridanionen auf. Damit die Chloridanionen dieses Ionen-Polymers durch ein biologisch aktives Anion unter Verwendung eines Gleichgewichtsverschiebungsverfahrens ersetzt werden, wäre ein großer Überschuss des biologisch aktiven Anions erforderlich, und nur ein kleiner Teil davon würde die Chloridionen ersetzen.
- Eine zweite Ausführungsform dieser Erfindung bezieht sich deshalb auf die Herstellung von Ionen-Polymeren, die biologisch aktive Anionen enthalten, wobei diese Anionen mit dem Ionen-Polymer innig verbunden und überall darin verteilt sind. Ionen-Polymere der Formeln I oder II können durch ein allgemeines Verfahren bequem hergestellt werden, welches in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist. Das allgemeine Verfahren verläuft über die folgenden Schritte:
- 1) Vollständige oder teilweise Neutralisierung eines Diamins mit einer biologisch aktiven sauren Verbindung unter Bildung eines protonierten Diaminsalzes;
- 2) Bildung eines Zwischenprodukts durch Umsetzen des protonierten Diaminsalzes mit einem Epihalohydrin; und
- 3) Polymerisieren des Zwischenprodukts mit einem weiteren Diamin oder einem anderen Amin, um ein Ionen-Polymer gemäß dieser Erfindung zu bilden.
- Das allgemeine Verfahren kann und wird vorzugsweise in einem einzigen Reaktionsgefäß oder Bereich unter Verwendung eines wässrigen Mediums erfolgen.
- In diesem allgemeinen Verfahren ergeben sich alle quaternären Ammoniumgruppen (stickstoffhaltigen Gruppen) in dem Ionen-Polymer aus der Reaktion der tertiären, sekundären oder sogar primären Amine. Das zugehörige Anion (das Gegenion) kommt aus zwei Quellen. In dem ersten Teil des Verfahrens reagiert eine biologisch aktive oder andere Säure mit einem Teil der vorhandenen Amingruppen, wobei alle oder ein Teil dieser Amingruppen protoniert werden. Alle Anionen von diesem anfänglichen Neutralisations- oder Protonierungsschritt liegen am Ende als Anionen an dem fertigen Ionen- Polymer vor. Die anderen Anionen kommen aus dem Halogenid des Epihalohydrins, das in dem Polymerisationsschritt eingesetzt wird. Bezugnehmend auf die Fig. 1 und 2 folgt eine ausführliche Beschreibung dieses Verfahrens:
- Wie in Fig. 1 gezeigt ist, wird eine Diaminverbindung, III, mit einer biologisch aktiven sauren Verbindung, HA, allein oder in Kombination mit einer weiteren Säure, HX, neutralisiert. Mindestens ein Teil der Amingruppen reagiert mit den sauren Gruppen der Verbindung HA, um die Amingruppen teilweise oder vollständig zu protonieren und das Salz IV zu bilden. Die Neutralisationsreaktion kann durch beliebige im Fachgebiet bekannte Mittel ausgeführt werden, vorzugsweise erfolgt sie jedoch durch Zugeben der Verbindung HA zu einer wässrigen Lösung des bis-tertiären Diamins.
- Jedes Diamin der Formel III kann durch die biologisch aktive saure Verbindung HA neutralisiert werden. Da das Diamin III ein Ausgangsmaterial für die Ionen-Polymere der Erfindung ist, sind die Substituenten R&sub1;, R&sub2;, R&sub3; und R&sub4; die gleichen wie die vorstehend für die Ionen-Polymere der Formel I und II definierten, einschließlich der bevorzugten Ausführungsformen. Jeder Substituent kann gleich oder von den anderen verschieden sein. Zu besonders bevorzugten Diaminen der Formel III gehören z. B.:
- N,N,N',N'-Tetramethylethylendiamin (TMEDA),
- N,N,N',N'-Tetramethyl-1,3-propylendiamin,
- N,N,N',N'-Tetramethyl-1,3-butylendiamin,
- N,N,N',N'-Tetramethyl-1,4-butylendiamin
- N,N,N',N'-Tetramethyl-1,6-hexylendiamin,
- Bis(beta-dimethylaminoethyl)ether, und
- 1,3-Bis(dimethylamino)-2-propanol.
- Alternativ dazu kann das Diamin der Formel III ein Polyamin sein, das von dem Reaktionsprodukt von Harnstoff und einem aliphatischen gemischten tertiären/primären Amin, einem Harnstoffdiamin, abgeleitet ist. In dieser Alternative weist das Harnstoffdiamin die Struktur auf:
- R&sub1;R&sub2;N-(CH&sub2;)p-NR&sub5;-C(O)-NR&sub6;-(CH&sub2;)p-NR&sub3;R&sub4;
- Die Variable "p" ist eine ganze Zahl von 2 bis 6, vorzugsweise 2 bis 4 und am meisten bevorzugt 3. R&sub5; und R&sub5; können gleich oder verschieden sein und sind ausgewählt aus Wasserstoff und einer C&sub1; bis C&sub1;&sub6;-Alkylgruppe. Wasserstoff, Methyl und Ethyl sind für die Substituenten R&sub5; und R&sub5; bevorzugt. Das US-Patent Nr. 4,581,058 beschreibt Ionen- Polymere, die von Harnstoffdiaminen abgeleitet sind, und ist hier durch Bezugnahme aufgenommen. Ein bevorzugtes Harnstoffdiamin weist die folgende Formel auf:
- (CH&sub3;)&sub2;N-CH&sub2;-CH&sub2;-CH&sub2;-NH-C(O)-NH-CH&sub2;-CH&sub2;-CH&sub2;-N(CH&sub3;)&sub2;
- Ein bevorzugtes Harnstoffdiamin kann bequem hergestellt werden durch Erwärmen von Harnstoff und Dimethylaminoethylamin oder Dimethylaminopropylamin, wobei Ammoniak als Nebenprodukt entwickelt wird. Wenn die Umwandlung in das Harnstoffdiamin sich 100% annähert, hört die Ammoniakentwicklung auf, was anzeigt, dass die Reaktion vollständig abgelaufen ist. Weitere bevorzugte Harnstoffdiamine sind solche, die durch die Reaktion von Dialkylalkylendiaminen erhalten werden, bei denen die Alkylgruppe ein C&sub1; bis C&sub1;&sub6;-Alkyl, vorzugsweise Methyl, Ethyl oder Propyl ist und die Alkylengruppe eine C&sub2; bis C&sub6;-Alkylengruppe, vorzugsweise C&sub2; bis C&sub4; ist.
- Wenn der zweiwertige Rest R&sub1;R&sub2;NBNR&sub3;R&sub4; eine heterocyclische Gruppe ist, kann die Diaminverbindung III aus 1,2-Pyrazolidin, 1,3-Imidazolidin, 1,4-Piperazin, Aminopyrrolidin und Aminopiperidin gewählt werden. Wie vorstehend erörtert wurde, können diese heterocyclischen Diamine beispielsweise mit einer oder mehreren Gruppen, ausgewählt aus einer C&sub1; bis C&sub8;-Alkylgruppe, einer Hydroxylgruppe, einem Halogenid und einer Phenylgruppe substituiert werden.
- Die Neutralisationsreaktion zwischen dem Diamin II und der Verbindung HA kann so gesteuert werden, dass eine teilweise oder vollständig protonierte Diaminverbindung der Formel IV gebildet wird. In Verbindung V ist das protonierte Aminkation an den anionischen Teil der biologisch aktiven Verbindung "A&supmin;" ionisch gebunden.
- Das stöchiometrische Verhältnis der Mole der Verbindung HA zu den Molen des Diamins kann mit der Anzahl von Molen der Verbindung HA und/oder der Anzahl der sauren Gruppen in der Verbindung HA variieren, die verwendet wird, um das Diamin III zu neutralisieren. Wenn z. B. eine Verbindung HA mit nur einer sauren Gruppe umgesetzt wird, können zwei Mole HA zugegeben werden, um jedes Mol Diamin vollständig zu neutralisieren. Alternativ dazu ist zum vollständigen Umsetzen eines Mols Diamin mit einer biologisch aktiven zweibasigen Säure nur ein Mol der zweibasigen Säure erforderlich. Das stöchiometrische Verhältnis kann auch in denjenigen biologisch aktiven Verbindungen HA variieren, die mehr als eine saure Gruppe aufweisen, wobei nicht alle sauren Gruppen für die Reaktion mit dem Diamin zugelassen sind oder zur Verfügung stehen. So kann das Diamin der Formel III mit bis zu einem Äquivalent einer biologisch aktiven Säure HA pro Amingruppe neutralisiert werden.
- Das stöchiometrische Verhältnis zwischen der Verbindung HA und einem Diamin bestimmt im Allgemeinen die Menge an biologisch aktiven Anionen "A&supmin;" die in dem fertigen Ionen-Polymer vorhanden ist. Wenn eine biologisch aktive Säure die einzige Säure ist, die in der Neutralisationsreaktion verwendet wird, rühren alle mit dem protonierten Diamin IV verbundenen Anionen von der biologisch aktiven Säure her.
- Die erfindungsgemäßen Ionen-Polymere erfordern jedoch nicht, dass alle Anionen von biologisch aktiven sauren Verbindungen abgeleitet sind. Tatsächlich kann in einer bevorzugten Ausführungsform das Ionen-Polymer weniger als eine vollständige stöchio metrische Anzahl von biologisch aktiven Anionen pro quaternäre Ammoniumeinheit aufweisen. Ionen-Polymere mit weniger als der stöchiometrischen Anzahl von biologisch aktiven Anionen werden bequem durch Neutralisieren einer Diaminverbindung III mit weniger als der stöchiometrischen Menge einer biologisch aktiven sauren Verbindung, HA, hergestellt.
- In Neutralisationsreaktionen, die keine stöchiometrischen Mengen der biologisch aktiven Verbindung HA bezogen auf Diamin III einsetzen, kann eine nachfolgende Säure eingesetzt werden, um das Diamin vollständig zu neutralisieren. Die Menge der eingesetzten nachfolgenden Säure erhöht die Gesamtmolmenge der eingesetzten Säure auf annähernd die gleiche Menge oder die gleiche Menge wie die stöchiometrische Menge der vorhandenen Amingruppen. Die nachfolgende Säure kann eine unterschiedliche biologisch aktive Verbindung HA oder eine Mineral- oder organische Säure, HX sein. Dies ist in Fig. 1 als Reaktionspartner HA/HX gezeigt. Die vollständige Neutralisationsreaktion unter Einsatz des Reaktionspartners HA/HX kann gleichzeitig oder nacheinander in beliebiger Reihenfolge erfolgen.
- Wenn eine oder mehrere verschiedene biologisch aktive Verbindungen verwendet werden, kann jede Verbindung für die gleiche Aktivität wie die andere biologisch aktive Verbindung oder für eine unterschiedliche Aktivität bekannt sein. Die nachfolgende biologisch aktive Verbindung kann verwendet werden, um die verbleibenden Amingruppen in dem Diamin vollständig oder teilweise zu neutralisieren. Wenn eine weitere biologisch aktive Verbindung HA in einer Menge verwendet wird, um die verbleibenden Amingruppen ebenfalls nur teilweise zu neutralisieren, kann eine Mineralsäure oder eine andere biologisch aktive Verbindung eingesetzt werden, um das Diamin vollständig zu neutralisieren. So können Mehrfachkombinationen von biologisch aktiven Anionen für ein bestimmtes Ionen-Polymer gemäß der Erfindung hergestellt werden.
- Die "weniger als stöchiometrischen" Ionen-Polymere gemäß dieser Erfindung enthalten mindestens ausreichend viele biologisch aktive Anionen, dass sie die gewünschte Funktion und/oder das gewünschte Maß an Aktivität besitzen. Zum Beispiel enthält ein herbizides Ionen-Polymer gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung ausreichend viele als Herbizid-wirksame Anionen, um dem Ionen-Polymer seine herbiziden Eigenschaften zu verleihen. Abstufungen der herbiziden Aktivität wie einer raschen Abtötung oder der Dauer der Wirksamkeit können durch Einsatz von mehr oder weniger herbiziden Anionen pro Ionen-Polymer, d. h. durch Anheben oder Absenken des Substitutionsgrades erzielt werden.
- Wie vorstehend erörtert wurde, kann jede anorganische oder organische Säure, HX, als nachfolgende Säure verwendet werden, wenn weniger als die stöchiometrische Menge der biologisch aktiven Verbindung HA umgesetzt wird. Somit können Halogensäuren wie Chlorwasserstoff-, Bromwasserstoff- oder Iodwasserstoffsäure; Säuren von Phosphor wie Phosphorsäure oder phosphorige Säure; Säuren von Schwefel wie Schwefelsäure oder schweflige Säure oder eine organische Säure wie Essigsäure verwendet werden.
- Die Verwendung einer nachfolgenden Säure ergibt eine protonierte Diaminverbindung IV mit gemischten Anionen und gestattet die Variation des Substitutionsgrades SG. Mit oder ohne Zugabe einer nachfolgenden Säure ergibt die Reaktion zwischen der Säure und dem Diamin eine protonierte Diaminverbindung IV als Ausgangsmaterial für die Bildung eines Ionen-Polymers gemäß der Erfindung.
- Die Neutralisationsreaktion kann ohne weiteres durch im Fachgebiet bekannte Methoden ausgeführt werden. Vorzugsweise erfolgt die Neutralisation in einem wässrigen Medium und am meisten bevorzugt in Wasser. Im Allgemeinen läuft diese Neutralisation, eine einfache Säure/Base-Reaktion, bei Raumtemperatur im Wesentlichen spontan ab. In einigen Fällen kann tatsächlich eine Kühlung erforderlich sein.
- Wie als zweiter Schritt in Fig. 1 gezeigt ist, reagiert das protonierte Diamin IV mit einem Epihalohydrin V unter Bildung einer Zwischenverbindung VI mit quaternären Ammoniumgruppen und halogenhaltigen Endgruppen, die eine weitere Reaktion, z. B. Polymerisation eingehen können. Die Säureanionen "A&supmin;" und/oder "X&supmin;" bleiben mit den quaternären Ammoniumgruppen der Zwischenverbindung über Ionenbindungen innig verbunden.
- Beinahe jedes Epihalohydrin V, substituiert oder unsubstituiert, kann zum Bilden der Zwischenverbindung VI verwendet werden. Zu bevorzugten Epihalohydrinen gehören Epichlorhydrin, Epibromhydrin, Epifluorhydrin und Epiiodhydrin. So bedeutet die Gruppe "Z" in den Verbindungen V und Vl F, Cl, Br oder I. Epichlorhydrin ist besonders bevorzugt.
- Das protonierte Diamin IV und das Epihalohydrin V reagieren unter relativ milden Bedingungen durch im Fachgebiet bekannte Mittel. Das protonierte Diamin reagiert durch Öffnen der Epoxidringe des Epihalohydrins unter Bildung eines elektrophilen Radikals, welches sich an eine der tertiären Amingruppen addiert, wobei eine halogenierte Zwischenverbindung der Formel VI gebildet wird. Die Reaktion kann in einem wässrigen Medium oder geeigneten organischen Lösungsmitteln (z. B. niederen Alkylalkoholen) und, falls erforderlich, nach Anwendung eines mäßigen Erwärmens, z. B. von ungefähr 30º bis 60ºC leicht durchgeführt werden. Vorzugsweise findet die Reaktion in Wasser oder einem wässrigen Medium und am meisten bevorzugt in dem Reaktionsmedium auf Wasserbasis statt, das verwendet wird, um die protonierte Diaminverbindung IV herzustellen. Am meisten bevorzugt finden die ersten beiden Schritte, und in der Tat alle Schritte bei der Herstellung von Ionen-Polymeren gemäß dieser Erfindung in dem gleichen Reaktionsgefäß oder Bereich statt.
- Wie vorstehend erörtert wurde, kann das biologisch aktive Anion "A&supmin;" von jeder biologisch aktiven Verbindung HA mit einer Säurefunktionalität geliefert werden, die in der Lage ist, mit dem Diamin III zu reagieren, um eine protonierte Diaminverbindung IV zu bilden. Da die Polymerbildungsreaktion im Allgemeinen in basischem Medium stattfindet, sollte die biologisch aktive Säureverbindung in einer basischen Umgebung mindestens einigermaßen stabil sein. Außerdem sollte sie vorzugsweise relativ inaktiv gegenüber Epoxidgruppen sein, während freies Epihalohydrin in dem Reaktionsgemisch vorhanden ist. Desgleichen sollte die organische Verbindung, die eine Säurefunktionalität enthält, das durch die Reaktion zwischen der Epoxidgruppe des Epihalohydrins und dem protonierten Aminsalz gebildete freie Hydroxyl nicht ohne weiteres verestern.
- Wie in Fig. 2 gezeigt ist, kann die Zwischenverbindung VI anschließend mit weiterem Diamin III oder einem Amin VII unter Bedingungen polymerisiert werden, die ausreichen, um die Ionen-Polymere gemäß dieser Erfindung zu bilden. Die Reaktion auf der linken Seite von Fig. 2 stellt die Polymerisation der Zwischenverbindung VI mit einem Diamin III unter Bildung eines Ionen-Polymers der Formel I dar. Die Reaktion auf der rechten Seite von Fig. 2 zeigt die Polymerisation der Zwischenverbindung VI mit einem sekundären Amin der Formel VII, welche das Ionen-Polymer der Formel II ergibt.
- Das zum Polymerisieren der Zwischenverbindung VI verwendete Diamin III kann das gleiche oder ein anderes sein als das zum Herstellen der protonierten Diaminverbindung VI verwendete. Jedes Amin der Formel VII kann in der Polymerisationsreaktion verwendet werden. Zu bevorzugten Aminen gehören z. B. Dimethylamin, Diethylamin, Dipropylamin, Methylethylamin. Dimethylamin ist am meisten bevorzugt.
- Beide Polymerisationen können durch im Fachgebiet bekannte Mittel erfolgen. Die Zwischenverbindung VI polymerisiert ohne weiteres mit dem Diamin fll oder dem sekundären Amin VII, wobei keine weiteren Reaktionspartner oder Katalysatoren erforderlich sind. Die Polymerisationsreaktion findet ohne weiteres nach der Anwendung einer mäßigen Erwärmung, d. h. von ungefähr 75 bis 105ºC, vorzugsweise ungefähr 80º bis 95ºC statt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Diamin III oder das sekundäre Amin VII zu einer warmen Lösung, beispielsweise von ungefähr 40º bis 65ºC, zugegeben und anschließend erwärmt, um eine Polymerisation zu bewirken oder die Reaktion zu vervollständigen.
- In ihrem Verlauf verdrängt die Polymerisation das endständige Halogen "Z" als Halogenidanion "Z&supmin;" und bildet neue quaternäre Ammoniumgruppen. Das Halogenidanion "Z&supmin;" bleibt mit dem wachsenden Ionen-Polymer verbunden, wobei es an die neugebildete quaternäre Ammoniumgruppe ionisch gebunden ist. In der Definition der fertigen Ionen- Polymerprodukte I und II, die in Fig. 2 gezeigt sind, ist das Anion "X&supmin;" das gleiche wie das Halogenidion "Z&supmin;" und umfasst dieses. So ist in einer bevorzugten Ausführungsform das Anion "X&supmin;" in der protonierten Diaminverbindung IV das gleiche wie das Halogen in dem Epihalohydrin, das verwendet wurde, um die Zwischenverbindung VI zu bilden. Zum Beispiel kann das Anion "X&supmin;" Cl&supmin; sein, das von Chlorwasserstoffsäure, die als HX verwendet wird, und Epichlorhydrin, das als das Epihalohydrin verwendet wird, stammt.
- Wenn ein Harnstoffdiamin als das Diamin III verwendet wird, um die Polymerisation zu bewirken, ergibt sich ein bequemes Verfahren zum Steuern des Molekulargewichts des fertigen Polymers aus der Abwandlung der Reaktionszeit der Reaktion, die zum Herstellen des Harnstoffdiamins verwendet wird. Wenn man die Harnstoffdiaminherstellungsreaktion anhält, bevor eine 100%ige Umwandlung erreicht ist, dann hat jedes fertige Ionen-Polymer, das aus dieser Harnstoffdiaminzubereitung hergestellt ist, ein niedrigeres Molekulargewicht als ein Ionen-Polymer, das aus einer vollständig umgewandel ten Harnstoffdiaminzubereitung hergestellt ist. Man kann das gleiche Ergebnis erhalten, indem man weniger als das stöchiometrische Verhältnis von Reaktionspartnern verwendet, um das Harnstoffdiamin herzustellen, und indem diese Zubereitung in der Polymerisationsreaktion verwendet wird.
- Außerdem kann, wenn Epibromhydrin, Bromwasserstoff und Brom in dem Verfahren verwendet werden, das resultierende Ionen-Polymer bis zu 100% Tribromid enthalten. Es kann sogar möglich sein, die Polymerisation so durchzuführen, dass zwei oder mehr Trihalogenide sich an dem gleichen Ionen-Polymermolekül befinden. Wie aus der vorstehenden Erörterung hervorgeht, würde einem Durchschnittsfachmann klar sein, dass weitere Variationen gemischte Trihalogenide, z. B. I&sub2;Cl&supmin; einschließen.
- Die Ionen-Polymere der Formeln I und II können auch mit einer endständigen Gruppe versehen sein, d. h. eine spezifische Endgruppe aufweisen. Das Anbringen der endständigen Gruppe kann durch im Fachgebiet bekannte Mittel erzielt werden. Zum Beispiel kann ein Überschuss eines beliebigen Reaktionspartners, der zum Herstellen des Ionen-Polymers verwendet wird, eingesetzt werden, um eine endständige Gruppe zu liefern. Alternativ kann eine berechnete Menge eines monofunktionellen tertiären Amins oder monofunktionellen substituierten oder unsubstituierten Alkylhalogehids mit einem Ionen-Polymer umgesetzt werden, um ein Ionen-Polymer mit endständigen Gruppen zu erhalten. Endständige Gruppen können an den Ionen-Polymeren an einem oder beiden Enden angebracht werden. Die US-Patente Nr. 3,931,319 und 5,093,078 beschreiben mit endständigen Gruppen versehene Ionen-Polymere und ihre mikrobiziden Eigenschaften. Ihr Offenbarungsgehalt ist hiermit durch Bezugnahme aufgenommen.
- Die Ionen-Polymere der Formeln I und II können auch mit primären, sekundären oder anderen polyfunktionellen Aminen vernetzt werden, wobei im Fachgebiet bekannte Mittel verwendet werden. Die Ionen-Polymere können entweder über das quaternäre Stickstoffatom oder über eine andere funktionelle Gruppe vernetzt werden, die an das Polymergerüst oder an eine Seitenkette gebunden ist.
- Das US-Patent Nr. 3,738,945 und das wiedererteilte US-Patent Nr. 28,808 offenbaren vernetzte Ionen-Polymere, die unter Verwendung verschiedener vernetzender Co- Reaktanten hergestellt werden. Ihr Offenbarungsgehalt ist hier durch Bezugnahme auf genommen. Das wiedererteilte Patent beschreibt das Vernetzen von Ionen-Polymeren, die durch die Reaktion von Dimethylamin und Epichlorhydrin hergestellt sind. Die aufgeführten vernetzenden Co-Reaktanten sind Ammoniak, primäre Amine, Alkylendiamine, Polyglycolamine, Piperazine, heteroaromatische Diamine und aromatische Diamine.
- Das US-Patent Nr. 5,0151,124, dessen Offenbarung hier durch Bezugnahme aufgenommen ist, beschreibt vernetzte Ionen-Polymere, die sich aus der Reaktion von Dimethylamin, einem polyfunktionellen Amin und Epichlorhydrin ergeben. Das Patent beschreibt auch Verfahren zum Hemmen des Wachstums von Mikroorganismen unter Verwendung solcher vernetzter Ionen-Polymere.
- Weitere Beispiele für verschiedene vernetzte Ionen-Polymere und ihre Herstellung sind in den US-Patenten Nr. 3,894,946, 3,894,947, 3,930,877, 4,104,161, 4,164,521, 4,147,627, 4,166,041, 4,606,773 und 4,769,155 angegeben. Die Offenbarungen von jedem von diesen Patenten sind hier durch Bezugnahme aufgenommen.
- Die Menge an biologisch aktiven Anionen "A&supmin;", die in einem bestimmten Ionen-Polymer gemäß der Erfindung vorhanden ist, ist durch den "Substitutionsgrad" (SG) dieses Polymers definiert. Der Begriff "Substitutionsgrad" bezieht sich entsprechend auf bekannte Ionen-Polymere, die charakteristischerweise nur Halogenidanionen wie Cl&supmin; enthalten. Da man die biologisch aktiven Anionen als Ersatz oder Substitution der üblichen Halogenidanionen eines Ionen-Polymers ansehen könnte, bezieht sich der "Substitutionsgrad" für ein bestimmtes Ionen-Polymer dieser Erfindung auf die Anzahl von Anionen, welche biologisch aktive Anionen "A&supmin;" sind. Somit bedeutet ein SG von 0,5, dass 50% der Anionen biologisch aktive Anionen "A&supmin;" sind. Die Menge der biologisch aktiven Verbindung HA, die mit einem Diamin umgesetzt wird, kann entsprechend dem gewünschten Substitutionsgrad in dem Ionen-Polymerprodukt gewählt werden.
- Ein Durchschnittsfachmann ist sich darüber im klaren, dass der SG auch von der Wertigkeit der biologisch aktiven Anionen "A&supmin;" abhängt. Deshalb kann, wenn zweiwertige oder sonstige mehrwertige biologisch aktive Anionen verwendet werden, der SG sich auf die Zahl von ersetzten anionischen Ladungen statt auf die Zahl der tatsächlich ersetzten Anionen beziehen.
- Der Substitutionsgrad definiert deshalb die Anzahl von biologisch aktiven Anionen "A&supmin;" die an das Ionen-Polymer ionisch gebunden sind. Wenn das protonierte Diamin IV ein biologisch aktives Anion "A&supmin;" pro Amingruppe enthält, wird ein maximaler SG in dem Ionen-Polymer-Produkt erreicht. Im Allgemeinen haben die Ionen-Polymere der Formel I einen SG von weniger als oder gleich 0,5 (ein halb), vorzugsweise 0,005 bis 0,5. Entsprechend haben die Ionen-Polymere der Formel II einen SG von weniger als oder gleich 0,33 (ein Drittel), vorzugsweise 0,005 bis 0,33. Das heißt, weil ein protoniertes Diamin mit dem Epihalohydrin reagiert, sind ein Teil der an das Polymer gebunden Anionen Halogenidanionen aus dem Epihalohydrin. Die anderen Anionen kommen von der biologisch aktiven Verbindung HA, die verwendet wird, um das Diamin III zu neutralisieren und ein protoniertes Diamin IV herzustellen.
- Aus verschiedenen Gründen kann es nicht wünschenswert oder möglich sein, Substitutionsgrade von weniger als oder gleich 0,5 für Ionen-Polymere der Formel I oder weniger als und gleich 0,33 für diejenigen der Formel II zu erreichen. Es ist deshalb anerkannt, dass der minimale Substitutionsgrad mindestens einem aktiven Anion pro Ionen- Polymermolekül entsprechen muss.
- Da der Polymerisationsgrad (n) in den Formeln über einen weiten Bereich variiert, muss auch der SG variieren, da der SG von dem Polymerisationsgrad inhärent abhängig ist. Der bevorzugte Bereich des SG kann deshalb für die Formel I von ungefähr 0,005 bis 0,5 variieren, wenngleich es sehr große Polymere geben kann, die einen großen Wert n aufweisen. In diesem könnte der SG kleiner als 0,005 sein. Entsprechend kann für Ionen-Polymere der Formel II der SG vorzugsweise von ungefähr 0,005 bis 0,33 variieren, aber bei sehr großen Polymeren kann der SG kleiner als 0,005 sein.
- Ein erheblicher Vorteil, der durch das Einbauen der biologisch aktiven Verbindungen in ein Ionen-Polymer auf die Art und Weise dieser Erfindung erhalten wird, ist eine wesentliche Erhöhung der Wasserlöslichkeit im Vergleich zu der Wasserlöslichkeit der meisten biologisch aktiven Verbindungen selbst. Zum Beispiel hängt die Wasserlöslichkeit des Herbizids 2,4-D sehr vom pH-Wert ab. Wenn es in ein Ionen-Polymer gemäß dieser Erfindung eingebaut wird, ist das 2,4-D-Ionen-Polymer-Produkt ungeachtet des pH-Werts beinahe oder sogar vollständig wasserlöslich. Ein Ionen-Polymer gemäß der Erfindung mit einem Triiodid als anionischen Teil des Polymers ist beispielsweise ebenfalls was serlöslich. So können viel höhere Konzentrationen der wirksamen Verbindung, d. h. des biologisch aktiven Anions erzielt werden.
- Für den Zweck dieser Erfindung ist ein Ionen-Polymer als wasserlöslich definiert, wenn Lösungen hergestellt werden können, die mindestens ungefähr 1000 ppm des Ionen- Polymers in Wasser bei 25ºC enthalten. Mehr bevorzugt beträgt die Wasserlöslichkeit mindestens ungefähr 5000 ppm. Eine wichtige Unterscheidung muss zwischen dieser Definition der Wasserlöslichkeit und dem, was als wirksame Menge eines Ionen- Polymers für eine bestimmte Verwendung angesehen wird, vorgenommen werden. Häufig kann die wirksame Menge eines Ionen-Polymers gemäß der Erfindung weniger als 1000 ppm betragen. Noch wichtiger ist, dass die wirksame Menge auch von dem SG des Ionen-Polymers, d. h. der Menge an biologisch aktiven Anionen, die vorhanden sind, abhängt. Die Wasserlöslichkeit bezieht sich jedoch auf die Löslichkeit des gesamten biologisch aktiven Ionen-Polymers selbst. Wenngleich die Ionen-Polymere dieser Erfindung die Definition von Wasserlöslichkeit erfüllen, ist es somit möglich, dass eine Lösung, die eine effektive Menge des Ionen-Polymers enthält, nicht unbedingt so konzentriert ist.
- Wenn ein hohes Maß an Wasserlöslichkeit für eine bestimmte Anwendung nicht erwünscht ist, können Anpassungen an dem Polymer vorgenommen werden, um seine Hydrophilie und Hydrophobie zu beeinflussen und die Löslichkeit zu steuern. Diese Anpassungen sind im Fachgebiet gut bekannt. Ein Mittel der Steuerung ist z. B. die Auswahl von hydrophoben Anionen und/oder die Erhöhung der Menge von solchen Anionen in dem Polymer. Reaktionen zum Anbringen von endständigen Gruppen, die vorstehend erörtert wurden, können ebenfalls durchgeführt werden, um hydrophobe Gruppen an den Enden der Polymerketten anzubringen. Eine Anzahl von brauchbaren Methoden zum Anbringen von endständigen Gruppen werden von den US-Patenten Nr. 3,931,319 und 5,093,078 gelehrt. Die Verwendung von di-tertiären Aminen mit langkettigen Kohlenwasserstoffsequenzen als Ausgangsmaterial trägt ebenfalls dazu bei, die Wasserlöslichkeit zu verringern.
- Wie vorstehend erörtert wurde, kann die Brauchbarkeit der Ionen-Polymere dieser Erfindung durch das biologisch aktive Anion "A&supmin;", das Ionen-Polymer und/oder beide definiert werden. Als solches kann ein Ionen-Polymer gemäß dieser Erfindung in einer Weise verwendet werden, die für diesen Nutzen zweckdienlich ist.
- Wenn beispielsweise das Ionen-Polymer ein Herbizid ist, kann das Ionen-Polymer der Wirkstoff in einer Herbizid-Zusammensetzung oder Formulierung sein, bei der es sich um ein Stäubemittel oder Pulver oder eine Lösung, Emulsion oder Suspension handelt. Ganz gleich in welcher Gebrauchsform es vorliegt, kann das Ionen-Polymer zusammen mit anderen Hilfsmitteln wie Trägern, Stabilisatoren, Emulgatoren oder oberflächenaktiven Stoffen verwendet werden.
- So erwirbt eine Person, die z. B. ein Herbizid anwendet, gewöhnlich das Produkt als Formulierung, welche nicht nur den Wirkstoff sondern auch andere Materialien enthält. Das Produkt (die Formulierung) ist üblicherweise eine Flüssigkeit oder ein Pulver, welches mit Wasser vermischt werden soll, so dass der Wirkstoff in dem Wasser während der Anwendung gleichmäßig gelöst oder suspendiert bleibt. Herbizid-Formulierungen können andere Mittel (Hilfsmittel) enthalten, welche die Wasser/Herbizid-Suspension verbessern und die Verteilung der Anwendung über die Zielpflanzen erleichtern. Ein Hilfsmittel ist ein Bestandteil, der zu einer Formulierung, z. B. zu einem Herbizid oder einer anderen Agrochemikalien-Formulierung zugegeben wird, um die Aktivität des hauptsächlichen Wirkstoffs zu verändern oder zu unterstützen. Ein Hilfsstoff kann ein Öl, ein die Oberflächenspannung verringerndes Mittel, ein Lösemittel, ein Aktivator, ein Stabilisator, ein Klebemittel und ein Schaummittel oder Antischaummittel sein. Die Wahl des Hilfsmittels hängt von der zu verändernden physikalischen oder chemischen Eigenschaft ab. Chemisch gesehen sind oberflächenaktive Stoffe die wichtigsten und am häufigsten verwendeten Hilfsmittel. Oberflächenaktive Stoffe können viele Eigenschaften der Formulierung wie die Löslichkeit, Flüchtigkeit, relative Dichte, Korrosivität, Wirksamkeit und die Gefrier- und Flammpunkte beeinflussen.
- Die Leistung (oder Wirksamkeit) eines Herbizids in einer beliebigen Anwendung hängt von der aufgetragenen Menge, dem Auftragungsverfahren und den Umgebungsbedingungen während der Auftragung ab. Im Allgemeinen möchte der Bauer oder die Person, die ein Herbizid anwendet, ein gewünschtes Ergebnis mit der geringsten Chemikalienmenge und zu den niedrigsten Kosten erzielen. Die Ionen-Polymere dieser Erfindung, die Anionen aufweisen, die von einem Herbizid abgeleitet sind, können als Wirkstoffe in neuen Herbizidzusammensetzungen verwendet werden, welche den biologischen Zweck des Herbizids erfüllen oder übertreffen, wobei weniger von dem Herbizid selbst verwendet wird. So verbesserten die erfindungsgemäßen Ionen-Polymere die Leistung, wobei gleichzeitig die Kosten und die verwendete Chemikalienmenge verringert wurden. Die Erfindung ergibt deshalb sowohl ökonomische als auch ökologische Vorteile.
- Wenn das Ionen-Polymer der Erfindung ein Herbizid ist, bezieht sich die Erfindung entsprechend auf Herbizid-Zusammensetzungen, die eine wirksame Menge dieses Ionen- Polymers umfassen. Verfahren zum Verwenden dieses Ionen-Polymers als Herbizid werden ebenfalls in Betracht gezogen, wobei das Ionen-Polymer entweder allein oder in einer Herbizid-Zusammensetzung auf die Vegetation in einer als Herbizid wirksamen Menge aufgetragen wird.
- Als weiteres Beispiel kann das Ionen-Polymer, wenn es ein Pharmazeutikum ist, mit pharmazeutisch annehmbaren Trägern in Lösung, als Pulver oder in einer Tablette oder anderen Pille eingesetzt werden. Je nach seiner Verwendung kann das Ionen-Polymer unter Verwendung einer beliebigen pharmazeutisch annehmbaren Form oder Methode verabreicht werden. Wenn das Ionen-Polymer ein Pharmazeutikum ist, bezieht sich die Erfindung auch auf pharmazeutische Zusammensetzungen, die eine wirksame Menge des Ionen-Polymers umfassen, und auf Verfahren zur Behandlung, bei denen einem Subjekt, welches eine solche Behandlung benötigt, eine wirksame Menge des Ionen- Polymers verabreicht wird. Der Begriff "Subjekt" umfasst Tiere, Viehbestand, Heimtiere, Pflanzen oder Menschen, ist aber darauf beschränkt.
- Wenn ein erfindungsgemäßes Ionen-Polymer ein Desinfektionsmittel oder desinfizierendes Mittel wie Triiodid 13 als biologisch aktives Anion enthält, kann dieses Ionen- Polymer dann in den gleichen Anwendungen wie das Desinfektionsmittel oder desinfizierende Mittel verwendet werden. Zum Beispiel gehört zu einer tierärztlichen pharmazeutischen Verwendung eines Ionen-Polymers, das Triiodid enthält, die Behandlung von Euterinfektionen (Mastitisverhütung) bei Milchvieh. Diese Verwendung liefert ein Beispiel für einen Nutzen von sowohl dem Ionen-Polymer als auch dem biologisch aktiven Anion.
- Mastitis wird allgemein als die kostspieligste Erkrankung von Milchkühen angesehen. Mastitis führt zu wirtschaftlichen Verlusten durch das Verwerfen unbrauchbarer Milch, frühzeitiges Aussondern von Merzvieh, Arzneimittelkosten, Tierarztkosten und erhöhten Arbeitsaufwand. Mastitis verringert die Menge und Qualität der Milch und der hergestellten Milchprodukte. Mastitisinfektionen verringern den Gehalt von Laktose, Fett, das Feststoff-zu-Fett-Verhältnis und Kasein. Ökonomische Anreize zum Bekämpfen von Mastitis ergeben sich durch die öffentliche Gesundheit, die Verbraucherakzeptanz und die Lagerfähigkeit der Produkte. Wenngleich alle diese Auswirkungen von Mastitis zu erheblichen wirtschaftlichen Verlusten führen, ist die herabgesetzte Milcherzeugung die bedeutendste einzelne wirtschaftliche Überlegung. Die Euterhygiene ist das kosteneffektivste Mittel zum Bekämpfen der Rindermastitis. Seit vielen Jahren hat die Milchindustrie die ausreichende Beachtung der Hygiene beim Melken, nach dem Melken und zwischen dem Melken betont.
- Die Bekämpfung der Mastitis erfolgt im Allgemeinen durch das Eintauchen der Zitzen oder eine Euterwaschung. Behandlungsformulierungen enthalten im Allgemeinen die folgenden Wirkstoffe: Iod, Chlorhexidin, monomere quaternäre Ammoniumverbindungen, Natriumhypochlorit und Dodecylbenzolsulfonsäure.
- Wie vorstehend erörtert wurde, verwendet die vorliegende Erfindung Ionen-Polymere als kationisches Gerüst. Ionen-Polymere besitzen eine keimtötende Wirkung, benötigen aber im Allgemeinen längere Kontaktzeiten, um die gewünschten Abtötungsraten zu erzielen. Ein wichtiger Aspekt von Ionen-Polymeren ist jedoch ihre Fähigkeit, dünne Schichten/Filme auf anionischen Oberflächen zu bilden, um mindestens eine gewisse bakteriostatische Wirkung aufrecht zu erhalten. Wenn ein erfindungsgemäßes Ionen- Polymer ein Triiodidanion enthält, bewirkt das Iod rasch eine Desinfektion der Oberfläche, und wenn das freie Iod "aufgebraucht" ist, bleibt das Ionen-Polymer zurück und verlängert die keimtötende Schutzwirkung.
- Eine weitere bisher noch nicht erwähnte praktische Verwendung für erfindungsgemäße iodierte Ionen-Polymere (z. B. solche mit einem I&sub3;&supmin;-Anion) ist die Keimfreimachung/Desinfektion von harten Oberflächen. Desinfektionsmittel auf Iodbasis, die in dieser Erfindung beschrieben sind, sind geruchlos, nicht reizend, nicht korrosiv, wirksam in hartem Wasser, wirksam bei hohem pH, wenig schäumend und etwas stabiler in Gegenwart von organischem Material als die Verbindungen auf Chlorbasis. Für Iodophore wird im Allgemeinen in Anspruch genommen, dass sie ohne Spülen für Lebensmittelkontaktflächen verwendet werden können und ein breites Wirkspektrum gegen Bakterien und Viren aufweisen, wozu Tuberkulose gehört. In den meisten Desinfektionsmitteln oder desinfizierenden Mitteln auf Iodbasis ist elementares Iod mit nichtionischen oberflächenaktiven Stoffen wie Nonylphenolethylenoxidkondensaten oder mit einem Träger wie Polyvinylpyrrolidon komplexiert, um die "Iodophore" zu bilden.
- Die Ionen-Polymere der Erfindung können auch mit oberflächenaktiven Stoffen Komplexe bilden, wobei sie detergenzartige Eigenschaften ergeben. Die Ionen-Polymere dieser Erfindung mit direkt an das kationische Polymer gebundenem Iod ergeben sowohl oberflächenaktive Eigenschaften als auch schnell wirkende Desinfektionseigenschaften, welche sie als Detergenz-Desinfektionsmittel geeignet machen.
- Eine Anwendung solcher Polymere liegt auf dem Gebiet der Lebensmittelindustrie. Die Verwendung von Ionen-Polymeren auf Iodbasis färbt Schmutzflecken gelb. Diese Färbung zeigt den Ort einer unzureichenden Reinigung an Ausrüstungsgegenständen oder Oberflächen an.
- Weitere pharmazeutische Verwendungen von iodierten Ionen-Polymeren der Erfindung können auch z. B. topische Antiseptika wie ein vor der Operation zu verwendendes Desinfektionsmittel oder wundreinigendes/desinfizierendes Mittel einschließen. So können sie verwendet werden, um Gaze in Verbänden zu imprägnieren, um opportunistische Hautinfektionen zu verhindern. Diese Ionen-Polymere können auch als Textildesinfektionsmittel zum Desinfizieren von Krankenhauswäsche oder anderen medizinischen Kleidungsstücken oder Bekleidung verwendet werden, vorzugsweise in Mengen, die eine Färbung verhindern, die gewöhnlich mit Iodtinkturen einhergeht. So können die Ionen-Polymer-Iodophore dieser Erfindung unter Verwendung normaler Waschverfahren ausgewaschen werden.
- Außerdem können die iodbasierten Ionen-Polymere dieser Erfindung als Algenbekämpfungsmittel in der Erholung dienenden oder industriellen Wässern wie Schwimmbädern und Kühlbehältern verwendet werden. Im Hinblick auf diese Verwendung werden die Lehren des Artikels "Effectiveness of Iodine for the Disinfection of Swimming Pool Water, Am. Journal of Public Health, V. 49(8) 1959, Seiten 1060-1068 durch Bezugnahme hier aufgenommen.
- Aufgrund ihrer Affinität für Oberflächen können erfindungsgemäße Ionen-Polymere, die biologisch aktive Anionen enthalten, auch in Anwendungen mit zielgerichteter Abgabe, zeitlich festgelegter Freigabe oder verzögerter Freigabe verwendet werden. Die Oberflächenaffinität des kationischen Ionen-Polymergerüsts ermöglicht den Polymeren, an einer Oberfläche anzuhaften. Dies bringt mindestens drei verschiedene Vorteile mit sich.
- Erstens kann das biologisch aktive Anion direkt an einer Oberfläche abgegeben werden. Zum Beispiel kann ein herbizides Ionen-Polymer direkt an einer Pflanzenoberfläche gebunden sein, was die Pflanze dem Herbizid direkt aussetzt.
- Zweitens "hält" die Bindung des Ionen-Polymers an die Oberfläche das biologisch aktive Anion an seinem Platz, da das biologisch aktive Anion ionisch an das kationische Ionen- Polymergerüst gebunden ist. Dies macht auf vorteilhafte Weise möglich, dass mehr von dem biologisch aktiven Anion unter Bedingungen zur Verfügung steht, bei denen die entsprechende biologisch aktive Verbindung, HA, aufgrund ihrer Unfähigkeit, fest an die Oberfläche zu binden, verloren gehen oder weggewaschen werden könnte.
- Drittens dissoziiert das biologisch aktive Anion im Lauf der Zeit von dem kationischen Ionen-Polymer und kann durch andere anionische Elemente an der Oberfläche ersetzt werden. Diese Dissoziation gestattet eine zeitlich festgelegte Freigabe und/oder verzögerte Freigabe des biologisch aktiven Anions. Da die Verteilung des biologisch aktiven Anions entlang des gesamten Ionen-Polymergerüsts vorhanden ist, ermöglicht die Faltung des Polymers den Anionen, die näher an der Oberfläche sind, zuerst zu dissoziieren, und den Anionen, die sich im Inneren des gefalteten Polymers befinden, zu einem späteren Zeitpunkt zu dissoziieren. Dies gibt das biologisch aktive Anion über einen verlängerten Zeitraum frei, wobei seine Verweilzeit an der Oberfläche erhöht und seine gewünschte Wirkung verlängert wird.
- Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele veranschaulicht, welche, wie sich versteht, nicht beschränken, sondern nur zur Erläuterung dienen sollen.
- Ein Ein-Liter-Dreihalsrundkolben wurde mit einem Rührer, Kühler Thermometer und einem Zugabetrichter versehen. Der Kolben wurde dann mit 67,7 g einer 85,7%igen Lösung von Tetramethylethylendiamin (TMEDA) in Wasser (0,5 mol TMEDA) befüllt. Zu dieser Lösung wurden 22,1 g (0,1 mol) des Herbizids 2,4-D zugegeben. Das feste 2,4-D löste sich in der wässrigen Aminlösung und reagierte mit dem TMEDA unter Bildung eines partiellen Aminsalzes. Die Reaktionslösung wurde anschließend mit 100 g Wasser verdünnt, mit einem Eisbad gekühlt und 86,3 g einer 37%igen Chlorwasserstoffsäurelösung (0,9 mol HCl) wurden inkrementell zugegeben, um das TMEDA vollständig zu protonieren, wobei die Temperatur unter 40ºC gehalten wurde. Über einen Zeitraum von ungefähr 47 Minuten wurden 92,5 g (1,0 mol) Epichlorhydrin inkrementell zugegeben, wobei die Temperatur zwischen 50ºC und 60ºC gehalten wurde. Anschließend wurde weiteres TMEDA, 67,6 g der 85,7%igen Lösung (0,5 mol) langsam über einen Zeitraum von ungefähr 46 Minuten zugegeben, wobei die Temperatur zwischen 50º und 60ºC gehalten wurde. Schließlich wurde die Reaktionslösung ungefähr vier Stunden lang erwärmt, wobei die Temperatur auf 96ºC ansteigen gelassen wurde, um eine Polymerisation zu bewirken. Das resultierende herbizide Ionen-Polymer hatte eine massegemittelte Molekülmasse von ungefähr 3500, bestimmt durch wässrige Gelpermeations-Chromatographie (GPC). Der Substitutionsgrad betrug ungefähr 5% 2,4-D und 95% Chloridionen. Das Polymer wurde ohne weitere Aufarbeitung so verwendet, wie es erhalten wurde. Die Konzentration des Polymers in der resultierenden Lösung betrug ungefähr 60 Gew.-%, was 5 Gew.-% 2,4-D in der Lösung entspricht.
- Unter Befolgung eines Verfahrens, wie es im Wesentlichen für Beispiel 1 beschrieben wurde, wurde ein Ionen-Polymer hergestellt, in dem ein Phenolatanion einen Anteil des anionischen Teils des Polymers umfasste. Ein 500 ml-Dreihalskolben, der mit einem Rührer, Kühler, Thermometer und Zugabetrichter ausgestattet war, wurde mit 153,42 g Wasser und 29,01 g (0,25 mol) TMEDA befüllt. Die Lösung wurde mit einem Eisbad gekühlt und 4,5 g (0,05 mol) Phenol wurde zugegeben, um ein partielles TMEDA-Phenolat- Salz zu bilden. Anschließend wurden 44,52 g 37%ige Chlorwasserstoffsäure langsam tropfenweise zugegeben, um das TMEDA vollständig zu protonieren, wobei die Temperatur unter 30ºC gehalten wurde. Der pH wurde anschließend auf 4,04 mit weiterem HCl eingestellt. Zu dieser Lösung wurden 46,31 g (0,5 mol) Epichlorhydrin inkrementell über einen Zeitraum von ungefähr 45 Minuten zugegeben, wobei die Temperatur zwischen 50ºC und 60ºC gehalten wurde. Die Temperatur der Lösung wurde während eines weiteren Zeitraums von ungefähr einer Stunde zwischen 50ºC und 60ºC gehalten, woraufhin sie auf ungefähr 40ºC abkühlen gelassen wurde. Es erfolgte eine weitere Zugabe von 29,06 g (0,25 mol) TMEDA über einen Zeitraum von 55 Minuten, wobei die Temperatur zwischen 55ºC und 65ºC gehalten wurde. Die Temperatur der Lösung wurde dann auf einen Wert zwischen 80ºC und 90ºC während eines Zeitraums von ungefähr 2¹/&sub2; Stunden angehoben, um eine Polymerisation zu bewirken. Die GPC-Analyse des Produkts zeigte, dass die relative Molekülmasse des so hergestellten Ionen-Polymers ungefähr 3600 betrug. Der Substitutionsgrad des anionischen Teils des Polymers betrug ungefähr 5% Phenolationen und 95% Chlorid. Die Konzentration des Polymers in der resultierenden Lösung betrug ungefähr 46,8 Gew.-%, was 1,5 Gew.-% Phenolat in der Lösung entspricht.
- Unter Befolgung der im Wesentlichen gleichen Arbeitsweise, die in Beispiel 1 beschrieben ist, wurde ein Ionen-Polymer hergestellt, bei dem 3-Indolbuttersäure das Ausgangsmaterial für die biologisch aktiven Anionen war. Ein 500 ml-Dreihalskolben wurde mit einem Rührer, Kühler, Thermometer und Zugabetrichter ausgerüstet und 158,82 g Wasser und 29,00 g (0,25 mol) TMEDA wurden zu dem Kolben zugegeben. Die Lösung wurde anschließend mit einem Eisbad gekühlt. Zu der Aminlösung wurden 10,15 g (0,05 mol) 3-Indolbuttersäure zugegeben, um ein partielles Aminsalz des TMEDA zu bilden. Anschließend wurden 44,39 g 37%ige Chlorwasserstoffsäure langsam zugegeben, um das TMEDA vollständig zu protonieren, wobei die Temperatur unter 30ºC gehalten wurde. Zu dieser Lösung des TMEDA-Aminsalzes wurden 46,25 g (0,5 mol) Epichlorhydrin in Inkrementen über einen Zeitraum von ungefähr 108 Minuten zugegeben, wobei die Temperatur zwischen 45ºC und 50ºC gehalten wurde. Die Temperatur der Lösung wurde langsam auf 80ºC über einen Zeitraum von ungefähr 87 Minuten erhöht, woraufhin sie auf ungefähr 60ºC abkühlen gelassen wurde. Eine weitere Zugabe von 29 g (0,25 mol) TMEDA erfolgte über einen Zeitraum von 61 Minuten, wobei die Temperatur zwischen 50ºC und 64ºC gehalten wurde. Die Temperatur der Lösung wurde dann auf 90ºC über einen Zeitraum von ungefähr zwei Stunden erhöht. Die GPC- Analyse des Produkts zeigte, dass die relative Molekülmasse des so hergestellten Io nen-Polymers ungefähr 3600 betrug. Der Substitutionsgrad des anionischen Teils des Polymers betrug ungefähr 5% des Pflanzenwachstumsregulator-Anions und 95% Chlorid. Die Konzentration des Polymers in der Lösung betrug 45,7 Gew.-%, was 3,5 Gew.- % des Pflanzenwachstumsregulators in Lösung entspricht.
- Das Verfahren in Beispiel 1 wurde befolgt, um ein Ionen-Polymer herzustellen, in dem Aspirin (Acetylsalicylsäure) das biologisch aktive Anion war. Zu einem 1000 ml-Dreihalskolben, der mit einem Rührer, Kühler, Thermometer und Zugabetrichter ausgerüstet war, wurden 180,0 g Wasser und 58,0 g (0,5 mol) TMEDA zugegeben. Die Lösung wurde mit einem Eisbad gekühlt und 18,19 g (0,1 mol) Acetylsalicylsäure (Aspirin) wurde zugegeben. Anschließend wurden 56,95 g 37%ige Chlorwasserstoffsäure langsam zugegeben, um das TMEDA vollständig zu protonieren, wobei die Temperatur unter 40ºC gehalten wurde. Zu dieser Lösung des TMEDA-Aminsalzes wurden 92,5 g (1,0 mol) Epichlorhydrin in Inkrementen über einen Zeitraum von ungefähr 60 Minuten zugegeben, wobei die Temperatur zwischen 34ºC und 51ºC gehalten wurde. Die Lösung wurde über Nacht stehen gelassen, wobei die Temperatur während dieser Zeit auf 25ºC abnahm. Eine weitere Zugabe von 58,0 g (0,5 mol) TMEDA erfolgte über einen Zeitraum von 108 Minuten, wobei die Temperatur zwischen 38ºC und 49ºC gehalten wurde. Die Temperatur der Lösung wurde dann über einen Zeitraum von ungefähr zwei Stunden auf 92ºC angehoben. Der Substitutionsgrad, SG, des anionischen Teils des Polymers betrug ungefähr 5% Aspirin und ungefähr 95% Chlorid. Die Konzentration des Polymers in der Lösung betrug 57,9 Gew.-%, was 4,25 Gew.-% Aspirin in Lösung entspricht.
- Die Arbeitsweise von Beispiel 1 wurde befolgt, um ein Ionen-Polymer herzustellen, in dem p-Aminobenzoesäure das Ausgangsmaterial für die biologisch aktiven Anionen war. Zu einem 500 ml-Dreihalskolben, der mit einem Rührer, Kühler, Thermometer und Zugabetrichter ausgerüstet war, wurden 155,50 g Wasser und 29,01 g (0,25 mol) TME- DA zugegeben. Die Lösung wurde mit einem Eisbad gekühlt. 6,85 g (0,05 mol) p-Aminobenzoesäure wurden zu der Aminlösung zugegeben. Anschließend wurden 44,40 g 37%ige Chlorwasserstoffsäure langsam zugegeben, um das TMEDA vollständig zu protonieren, wobei die Temperatur unter 30ºC gehalten wurde. Zu dieser Lösung des TMEDA-Aminsalzes wurden 46,30 g (0,5 mol) Epichlorhydrin in Inkrementen über einen Zeitraum von ungefähr 20 Minuten zugegeben, wobei die Temperatur zwischen 37º und 43ºC gehalten wurde. Eine weitere Zugabe von 29,01 g (0,25 mol) TMEDA erfolgte über einen Zeitraum von 17 Minuten, wobei die Temperatur zwischen 42º und 49ºC gehalten wurde. Die Temperatur der Lösung wurde anschließend über einen Zeitraum von ungefähr 81 Minuten auf ungefähr 79ºC angehoben. Der Substitutionsgrad des anionischen Teils des Polymers betrug ungefähr 5% des Sonnenschutzanions und 95% Chlorid. Die Konzentration des Polymers in der Lösung betrug 45,7 Gew.-%, was 2,42 Gew.-% des Sonnenschutzmittels entspricht.
- Die Arbeitsweise von Beispiel 1 wurde befolgt, um ein Ionen-Polymer herzustellen, in dem p-Hydroxybenzoesäure das Ausgangsmaterial für die biologisch aktiven Anionen war. In einen 500 ml-Dreihalskolben, der mit einem Rührer, Kühler, Thermometer und Zugabetrichter ausgerüstet war, wurden 127,62 g Wasser und 29,0 g (0,25 mol) TMEDA zugegeben. Die Lösung wurde anschließend mit einem Eisbad gekühlt und 6,93 g (0,05 mol) p-Hydroxybenzoesäure wurde zugegeben. Anschließend wurden 44,41 g 37%ige Chlorwasserstoffsäure langsam zugegeben, wobei die Temperatur unter 30ºC gehalten wurde. Zu dieser Lösung des potentiellen TMEDA-Aminsalzes wurden 46,28 g (0,5 mol) Epichlorhydrin in Inkrementen über einen Zeitraum von ungefähr 27 Minuten zugegeben, wobei die Temperatur zwischen 35ºC und 45ºC gehalten wurde. Die Lösung wurde anschließend erwärmt, wobei die Temperatur ungefähr 44 Minuten lang zwischen 40ºC und 45ºC gehalten wurde. Eine weitere Zugabe von 29,01 g TMEDA erfolgte über einen Zeitraum von 10 Minuten, wobei die Temperatur zwischen 43ºC und 51ºC gehalten wurde. Die Temperatur der Lösung wurde anschließend auf ungefähr 80ºC erhöht und über einen Zeitraum von ungefähr 94 Minuten zwischen 80º und 102ºC gehalten. Der Substitutionsgrad des anionischen Teils des Polymers betrug ungefähr 5% des Konservierungsmittelanions und 95% Chlorid. Die Konzentration des Polymers in Lösung betrug 50,01 Gew.-%, was 2,71 Gew.-% des Konservierungsmittelanions entspricht.
- Zu einem Ein-Liter-Kolben, der mit einem Rührer, Kühler und Thermometer ausgerüstet war, wurden 120,1 g (2 mol) Harnstoff und 406,7 g (4 mol) Dimethylaminopropylamin zugegeben. Das Gemisch wurde über einen Zeitraum von 100 Minuten langsam auf ungefähr 165ºC erwärmt. Große Mengen Ammoniak wurden während dieses Zeitraums freigesetzt. Die Reaktion wurde ungefähr 8&sub1;/&sub2; Stunden lang bei 160-165ºC gehalten; wobei eine fortgesetzte Freisetzung von Ammoniak stattfand. Das Produkt war eine goldbraune Flüssigkeit und wurde ohne weitere Aufarbeitung verwendet. Das in den nachfolgenden Beispielen verwendete Harnstoffdiamin (HDA) wurde gemäß diesem Beispiel hergestellt.
- Die Arbeitsweise von Beispiel 1 wurde befolgt, um ein Harnstoffdiamin-Ionen-Polymer herzustellen, in dem 2,4-D das Ausgangsmaterial für die biologisch aktiven Anionen war. Zu einem 500 ml-Dreihalskolben, der mit einem Rührer, Kühler, Thermometer und Zugabetrichter ausgerüstet war, wurden 180,0 g Wasser und 118,1 g des Produkts von Beispiel 7 (0,5 mol Harnstoffdiamin) zugegeben. Die Lösung wurde mit einem Eisbad gekühlt und 22,3 g (0,1 mol) 2,4-D wurden zugegeben. Anschließend wurden 88,2 g 37%ige Chlorwasserstoffsäure langsam zugegeben, um das TMEDA vollständig zu protonieren, wobei die Temperatur unter 50ºC gehalten wurde. Zu dieser Lösung des Harnstoffdiaminsalzes wurden 92,5 g (1,0 mol) Epichlorhydrin in Inkrementen über einen Zeitraum von ungefähr 3 Stunden zugegeben, wobei die Temperatur unter 5000 gehalten wurde. Eine weitere Zugabe von 118,1 g (0,5 mol) Harnstoffdiamin erfolgte über einen Zeitraum von 95 Minuten, wobei die Temperatur zwischen 41ºC und 53ºC gehalten wurde. Die Temperatur der Lösung wurde anschließend auf ungefähr 100ºC angehoben und über einen Zeitraum von ungefähr 6 Stunden bei Rückfluss, ungefähr 106ºC gehalten. Der Substitutionsgrad des anionischen Teils des Polymers betrug ungefähr 5% des Herbizid-Anions und 95% Chlorid. Die Konzentration des Polymers in Lösung betrug 68,1 Gew.-%, was 3,96 Gew.-% des Herbizid-Anions entspricht.
- Eine Reihe von Ionen-Polymer-Herbiziden wurde hergestellt, bei denen der Substitutionsgrad des Herbizids 2,4-D von ungefähr 12,5% bis 37,5% variiert wurde. Die Ionen- Polymere wurden unter Verwendung der Arbeitsweise von Beispiel 1 hergestellt.
- Zu einem Ein-Liter-Dreihals-Rundkolben, der mit einem Rührer, Kühler, Thermometer und einem Zugabetrichter ausgestattet war, wurden 180 g Wasser und 58,3 g (0,5 mol) Tetramethylethylendiamin, TMEDA, zugegeben, wie in Tabelle 3 gezeigt ist. Zu dieser Lösung wurden die verschiedenen Mengen von 2,4-D, wie sie in Tabelle 3 aufgeführt sind, zugegeben. 37%ige HCl wurde langsam in den in Tabelle 3 aufgeführten Mengen zu dem Kolben zugegeben, wobei mit einem Eisbad gekühlt wurde. 92,5 g (1,0 mol) Epichlorhydrin (Epi) wurden zugegeben, wobei die Temperatur unter 60ºC gehalten wurde. Anschließend wurden weitere 58,3 g (0,5 mol) TMEDA langsam über einen Zeitraum von ungefähr einer Stunde zugegeben, wobei die Temperatur zwischen 60ºC gehalten wurde. Schließlich wurden die Lösungen ungefähr vier Stunden lang erwärmt, wobei die Temperatur auf ungefähr 100ºC ansteigen gelassen wurde. Der Substitutionsgrad betrug ungefähr 12,5%, 25% und 37,5% des von 2,4-D abgeleiteten Anions. Die Konzentrationen der Ionen-Polymere in den resultierenden Lösungen betrugen 66,7 Gew.-%, 64,98 Gew.-% bzw. 68,41 Gew.-%. Die Konzentration des Herbizids in der jeweiligen Lösung betrug 12,18 Gew.-%, 21,72 Gew.-% bzw. 29,39 Gew.-%. Tabelle 3 Variation des 2,4-D-Substitutionsgrades von Ionen-Polymeren, die 2,4-D enthalten Gewicht der verwendeten Materialien
- Es wurde die gleiche Arbeitsweise von Beispiel 1 verwendet, um ein Ionen-Polymer herzustellen, in dem ungefähr 10 Prozent der Anionen 13 waren. In einen Ein-Liter-Dreihals- Rundkolben, der mit einem Rührer, Kühler, Thermometer und einem Zugabetrichter ausgerüstet ist, werden 528,4 g Wasser und 115,03 g Harnstoffdiamin (Beispiel 7, 0,5 mol) eingefüllt. Zu dieser Lösung werden 212,37 g (0,95 mol) einer 57%igen Lösung von Iodwasserstoffsäure zugegeben. Die Lösung wurde auf 28ºC gekühlt; der pH betrug 3,32. Das Epichlorhydrin, 92,5 Gramm (1,0 mol) wurde auf einmal zugegeben; die Temperatur blieb bei 28ºC. Die Temperatur stieg im Laufe der nächsten fünf Minuten auf 35ºC an, wobei zu diesem Zeitpunkt ein Eisbad verwendet wurde, um die Lösung zu kühlen. Die Temperatur wurde während der nächsten drei Stunden nahe bei 35ºC gehalten. Anschließend wurde der Inhalt des Kolbens 20 Minuten lang auf ungefähr 50ºC erwärmt. Zu dieser Lösung wurden weitere 115,30 Gramm Harnstoffdiamin auf einmal zugegeben. Dann wurden 25,22 g (0,1 mol) Iod zugegeben. Die Lösung war dunkel mit rot-schwarzer Farbe. Der Inhalt wurde anschließend eine Stunde lang auf ungeflähr 70ºC erwärmt, wobei während dieser Zeit die Farbe der Lösung zu einem hellen durchsichtigen Gelb umschlug. Zu diesem Zeitpunkt wurde weiteres Iod (27,30 g) zugegeben, die Farbe wurde dunkelrot-schwarz. Die Lösung wurde dann eine weitere Stunde zum Rückfluss erhitzt. Die Farbe blieb dunkelrot-schwarz. Die Konzentration des Polymers in der resultierenden Lösung betrug 46,2 Gew.-%, was 17,67 Gew.-% 13 entspricht.
- Die dunkle Farbe zeigt, dass viel von dem Iod (I&sub3;&supmin;) in der I&sub3;&supmin;-Form geblieben ist. Anschließend wurde die mikrobiologische Aktivität dieses Polymers geprüft, die Ergebnisse finden sich in den Tabellen 8, 9, 10 und 11-13.
- A) In einen Ein-Liter-Dreihals-Rundkolben, der mit einem Rührer, Kühler, Thermometer und einem Zugabetrichter ausgerüstet ist, werden 503,0 g Wasser und 115,0 g Harnstoffdiamin (Beispiel 7, 0,5 mol) eingefüllt. Zu dieser Lösung werden 213,8 g (0,95 mol) einer 57%igen Lösung von Iodwasserstoffsäure zugegeben. Die Lösung wurde auf 28ºC abgekühlt; der pH betrug 2,65. Anschließend wurde 92,5 g (1,0 mol) Epichlorhydrin auf einmal zugegeben; die Temperatur blieb bei 28ºC. Die Temperatur stieg im Laufe der nächsten drei Minuten auf 35ºC an, wobei zu diesem Zeitpunkt ein Eisbad verwendet wurde, um die Lösung zu kühlen. Die Temperatur wurde während der nächsten drei Stunden in der Nähe von 35ºC gehalten. Anschließend wurde der Inhalt des Kolbens 20 Minuten lang auf ungefähr 45ºC erwärmt. Zu dieser Lösung wurden weitere 115,29 Gramm Harnstoffdiamin auf einmal zugegeben. Dann wurden 25,70 g (0,1 mol) Iod zugegeben. Diese Lösung war dunkelrot-schwarz. Der Inhalt wurde dann zwei Stunden lang auf ungefähr 102ºC erwärmt, wobei während dieser Zeit die Farbe der Lösung zu einem hellen durchsichtigen Gelb umschlug. Die gelbe Farbe zeigt an, dass ein großer Teil des Iods (I&sub3;&supmin;) verschwunden war. Es wird angenommen, dass ein Hypoiodition (OI&supmin;) aus dem I² (oder I&sub3;&supmin;) gebildet wurde. Anschließend wurde die mikrobiologische Aktivität dieses Polymers geprüft. Die Konzentration des Polymers in der resultierenden Lösung betrug 46,7 Gew.-%, was 1,5 Gew.-% Hypoioditionen entspricht.
- B) In einen Ein-Liter-Dreihals-Rundkolben, der mit einem Rührer, Kühler, Thermometer und einem Zugabetrichter ausgerüstet ist, werden 503,0 g Wasser und 115,0 g Harnstoffdiamin (Beispiel 7, 0,5 mol) eingefüllt. Zu dieser Lösung werden 213,8 g (0,95 mol) einer 57%igen Lösung von Iodwasserstoffsäure zugegeben. Die Lösung wurde auf 28ºC abgekühlt; der pH betrug 2,65. Anschließend wurden 92,5 g (1,0 mol) Epichlorhydrin auf einmal zugegeben; die Temperatur blieb bei 28ºC. Die Temperatur stieg im Laufe der nächsten drei Minuten auf 35ºC an, wobei zu diesem Zeitpunkt ein Eisbad verwendet wurde, um die Lösung zu kühlen. Die Temperatur wurde während der nächsten drei Stunden in der Nähe von 35ºC gehalten. Anschließend wurde der Inhalt des Kolbens 20 Minuten lang auf ungefähr 45ºC erwärmt. Zu dieser Lösung wurden weitere 115,29 g Harnstoffdiamin auf einmal zugegeben. Anschließend wurden 25,70 g (0,1 mol) Iod zugegeben. Diese Lösung war dunkelrot-schwarz. Der Inhalt wurde anschließend zwei Stunden lang auf ungefähr 102ºC erwärmt, wobei während dieser Zeit die Farbe der Lösung zu einem hellen durchsichtigen Gelb umschlug. Die gelbe Farbe zeigt, dass ein großer Teil des Iods (I&sub3;&supmin;) verschwunden war. Es wird angenommen, dass ein Hypoiodition aus dem I&sub2; (oder I&sub3;&supmin;) gebildet wurde. Anschließend wurde die mikrobiologische Aktivität dieses Polymers geprüft. Die Konzentration des Polymers in der resultierenden Lösung betrug 46,9 Gew.-%, was 4,1 Gew.-% I&sub3;&supmin; entspricht.
- Die in den Beispielen 1 und 8 dargelegten Arbeitsweisen wurden befolgt, um die in den folgenden Tabellen 4 bzw. 5 aufgeführten Polymere zu synthetisieren. Jede Tabelle gibt die Molzahl von jedem verwendeten Reaktionspartner und den Substitutionsgrad (SG) für jedes Polymer an. Die Konzentration der Polymerprodukte in Lösung betrug 50 Gew.-%. Die Konzentration des biologisch aktiven Anions in Lösung ist in den Tabellen als Prozentsatz, bezogen auf das Gewicht der Lösung, angegeben. Tabelle 4 Ionen-Polymere auf der Basis von substituiertem TMEDA
- TMEDA = Tetramethylethylendiamin
- Epi = Epichlorhydrin Tabelle 5 substituierte Harnstoffdiamin-Ionen-Polymere
- HDA = Harnstoffdiamin, Beispiel 7
- Epi = Epichlorhydrin
- Die herbizide Aktivität des herbiziden Ionen-Polymer-Produkts von Beispiel 1 wurde geprüft. Das Reaktionsprodukt wurde in einem solchen Maß verdünnt, dass die Konzentration von 2,4-D in der Lösung auf 0,4% verringert war Die Wirksamkeit dieser Zubereitung des herbiziden Ionen-Polymers wurde anschließend mit der eines handelsüblichen 2,4-D-Produkts "WEED-B-GONE" verglichen, das von Chevron Chemical Co. erhältlich ist und ebenfalls 0,4% Wirkstoff aufweist. In einem direkten Vergleich war die herbizide Ionen-Polymer-Zubereitung eindeutig ein wirksameres Herbizid als das handelsübliche Produkt.
- Der Mechanismus der herbiziden Aktivität schien sich dadurch zu unterscheiden, dass die Polymerzusammensetzung die Blätter von breitblättrigen Unkräutern innerhalb von ein bis zwei Tagen braun und brüchig machte, wogegen das handelsübliche Produkt keine solche nekrotische Aktivität aufwies. Die herbizide Ionen-Polymer-Zusammensetzung tötete die Unkräuter auch schneller ab als das handelsübliche Produkt. Weitere Vorteile wurden von den Personen festgestellt, welche die Prüfung durchführten. Zum Beispiel war es während des Sprühens möglich, die Bereiche zu erkennen, die bereits mit der Polymerzusammensetzung besprüht worden waren, und zwar aufgrund ihrer besseren Sichtbarkeit, was möglicherweise auf ihre Anhaftung an die Blattoberfläche zurückzuführen ist, die vorstehend beschrieben wurde.
- Für eine antibakterielle Wirksamkeit bei kurzem Kontakt wurden Suspensions- Screenings in entionisiertem Wasser mit einem gemischten Bakterienimpfmaterial durchgeführt, welche aus einer gleichmäßigen Mischung von Pseudomonas aeruginosa, ATCC 15442, Siaphylococcus aureus, ATCC 6538 und Enterobacter aerogenes, ATCC 13048 bestand. Jeder einzelne Stamm wurde bei 37ºC in Trypton-Glucose-Extrakt Agar (TGEA) gehalten und wachsen gelassen. Bei den Tests mit kurzem Kontakt wurden 24 Stunden-Kulturen eingesetzt. Am Tag des Tests wurde Bakterienmaterial von den Platten mit einer sterilen Baumwollspitze entnommen und in steriler Salzlösung resus pendiert. Jede Kultur wurde turbidimetrisch (650 nm) auf annähernd 4,0 · 10&sup7; cfu/ml eingestellt. Nach der Einstellung wurden gleiche Anteile vermischt und innerhalb von 2 Stunden verwendet.
- Biozid-Stammlösungen wurden als 0,1%-Produkt in sterilem entionisiertem Wasser hergestellt und in entionisiertem Wasser auf die Prüfkonzentrationen eingestellt. Screenings mit kurzem Kontakt (5-10 Minuten) erfolgten in Reagenzgläsern, die mit 10,0 ml der Prüfkonzentration befüllt waren, die in entionisiertem sterilen Wasser hergestellt war. Pro Reagenzglas wurden vierzig (40) Mikroliter der gemischten Suspension zugegeben. Nach bestimmten Kontaktzeiten wurden die Reagenzgläser geschüttelt und 1,0 ml der Suspension wurde in 9 ml einer "universellen" Bioziddesaktivator-Blindlösung überführt, welche 3,0 g Lecithin, 30 ml Polysorbat 80, 5,0 g Natriumthiosulfat, 1,0 g Natriumbisulfit, 1,0 g Natriummetabisulfit, 1,0 g Pepton, 1,0 g Monokaliumphosphat, 1,0 g Dikaliumphosphat, 1 Liter destilliertes Wasser enthält und einen pH-Endwert von 7,0 aufweist. Von diesem Punkt an wurden zehnfache Verdünnungsreihen mit den gleichen Desaktivator-Blindlösungen hergestellt. Überlebende Bakterien wurden durch Standardplattengussmethoden in TGEA ausgezählt und lebensfähige Bakterien als koloniebildende Einheiten pro ml berechnet. Der Prozentsatz der überlebenden Bakterien wurde anhand der folgenden Formel berechnet:
- Um die Fähigkeit der Ionen-Polymere der Erfindung im Hinblick auf das Aushalten einer schweren organischen Belastung festzustellen, wurde die vorstehende Arbeitsweise eingesetzt mit der Ausnahme, dass die Moleküle vor der Zugabe des. Prüfmaterials in 5%igem Rinderserumalbumin (Sigma Chem Co., Fraction V) bereitgestellt wurden. Für Tests mit wiederholter Zugabe des Prüfmaterials sind die Arbeitsweisen wie vorstehend angegeben mit der Ausnahme, dass mehrere 40 ul-Portionen eines gemischten Bakterienimpfmaterials in die gleiche Biozidlösung eingebracht wurden und nach 5-minütigem Kontakt ausgezählt wurden. Schließlich wurden für individuelle Bakterien-Wirksamkeits- Screenings alle geprüften Streptococcus-Arten in 5%igem Schafblut-Agar wachsen gelassen und ausgezählt, während alle anderen in TGEA (Trypton-Glucose-Extrakt-Agar) wachsen gelassen wurden, mit der Ausnahme von Candida albicans, welches in nicht angesäuertem Kartoffeldextrose-Agar wachsen gelassen und ausgezählt wurde.
- Die minimale fungistatische Konzentration (MFC) wurde bestimmt unter Verwendung eines Mineralsalzmediums, das aus 3,0 g Ammoniumnitrat, 1,0 g Kaliumphosphat, 0,25 g Kaliumchlorid, 0,25 g Magnesiumsulfat und 0,5 g Tween 80-Produkt pro Liter entionisiertem Wasser zusammengesetzt war (der pH wurde auf 6,0 eingestellt). Am Tag des Tests wurde eine (36 Stunden alte) Aspergillus niger Kultur eingesetzt und eine Konidien(Sporen)-Suspension wurde durch Entnehmen von Sporen mit einem sterilen angefeuchteten Baumwollspitzenapplikator erhalten. Die Sporensuspensionen wurden kräftig geschüttelt, um eine gleichmäßige Suspension zu erhalten und turbidimetrisch auf eine optische Dichte von 0,2 bei 650 nm eingestellt. Von dem Biozid wurde das zweifache der gewünschten Ausgangskonzentration hergestellt und in einem 1 : 1-Verhältnis zu dem ersten Reagenzglas zugegeben, welches ein zweifaches Mineralsalzmedium enthielt. Anschließend erfolgten zweifache Verdünnungen in einem einfachem Mineralsalzmedium. Nach den Biozidverdünnungen wurde jedes Reagenzglas mit 40 ul Pilzsporen beimpft und die Röhrchen bei 30ºC 7 Tage lang inkubiert. In den Kontrollröhrchen war kein Biozid vorhanden. Die minimale fungistatische Konzentration (MFC) wurde als die geringste Biozidkonzentration definiert, die kein Pilzwachstum aufwies.
- Die minimale algistatische Konzentration (MAC) wurde mit Material in Allen's Medium erhalten, das aus 1,0 g Natriumnitrat, 50 mg Ammoniumchlorid, 58 mg Calciumchlorid, 0,513 g Magnesiumsulfat, 0,25 g Dikaliumphosphat, 3 mg Eisen(III)-chlorid pro Liter entionisiertem Wasser zusammengesetzt war (der pH-Wert war auf 7,0 eingestellt). Der Test wurde mit zwei Wochen alten Algensuspensionen durchgeführt. Die minimale algistatische Konzentration (MAC) ist als die geringste Biozidkonzentration definiert worden, die kein Algenwachstum aufwies.
- Die folgenden Ionen-Polymere und andere Polymere wurden zum Vergleich in verschiedenen Beispielen verwendet. Jedes dieser Polymere ist von Buckman Laboratories, Memphis, Tennessee erhältlich. Andere Vergleichssubstanzen sind in dem jeweiligen Beispiel angegeben, in welchem sie verwendet wurden.
- Vergleichspolymere
- Busan®77-Produkt und WSCPTM-Produkt:
- - eine 60 Gew.-%ige wässrige Lösung von Poly(oxyethylen- (dimethyliminio)ethylen(dimethyliminio)ethylen-dichlorid]
- Bufloc 1090-Produkt und BL®1090-Produkt:
- - eine 50 Gew.-%ige wässrige Lösung des Ionen-Polymers, das durch die Reaktion von 1,3-Bis-dimethylaminopropylhamstoff und 1,3-Dichlor-2- isopropanol gebildet wird.
- Busan®1157-Produkt und BL®1157-Produkt:
- - eine 50 Gew.-%ige wässrige Lösung eines vernetzten Dimethylaminepichlorhydrinpolymers.
- PVP:
- - eine 10 Gew.-%ige Lösung eines Polyvinylpyrrolidonpolymers
- PVP-I (Betadine®, ein Produkt von Purdue Fredrick Co., Norwalk, Connecticut):
- - eine 10 Gew.-%ige Lösung eines Polyvinylpyrrolidonpolymers mit 1 Gew.-% aktivem Iod.
- Die mikrobiologische Aktivität von verschiedenen Ionen-Polymeren gemäß der Erfindung ist in den folgenden Tabellen 6-17 gezeigt. Die angegebenen Konzentrationen beziehen sich auf das Gewicht.
- Die antibakterielle Wirksamkeit von Ionen-Polymeren mit organischen biologisch aktiven Ionen ist in Tabelle 6 gezeigt. Die Wirksamkeit von erfindungsgemäßen Ionen-Polymeren wurde geprüft unter Verwendung einer 5-minütigen Mindestkontaktzeit, wie sie von dem ASTM-Verfahren als angemessene Kontaktzeit empfohlen wird. Tabelle 6: Antibakterielle Wirksamkeit von organischen biologisch aktiven Ionen 5 Minuten Kontaktzeit
- eingebrachtes biologisches Material 5,0 · 10&sup6; cfu/ml
- Auf der Grundlage der in Tabelle 6 gezeigten Ergebnisse wies das Phenol-substituierte Harnstoffdiamin-Ionen-Polymer von Beispiel 28 die wirksamste Wirkung bei kurzem Kontakt gegen das gemischte Bakterienimpfmaterial auf (> fünf log, > 99,9997,-Verringerung in 5-minütigem Kontakt mit 0,1% Produkt). Das substituierte Phenolharnstoffdiamin-Ionen-Polymer von Beispiel 28 ist geeignet als Oberflächen-Desinfektionsmittel mit einer Konzentration von 400 ppm des Produkts (ASTM empfiehlt das Erhalten einer drei 10 g, 99,9%,-Verringerung innerhalb von 5 Minuten). Wie aus Tabelle 6 ersichtlich ist wurde mit den anderen Ionen-Polymeren dieser Erfindung ebenfalls eine vier log (99,99%)-Verringerung mit einem 0,1% (1000 ppm) Produkt in 5 Minuten wirksam erhalten, wie es bei dem Harnstoffdiamin-2,4-D-Polymer der Fall ist.
- Die Tabelle 6 zeigt auch die Verstärkungswirkung, welche durch das Einbauen des biologisch aktiven Anions in ein Ionen erreicht werden kann. Das substituierte Phenolharnstoffdiamin-Ionen-Polymer von Beispiel 28 weist eine > fünf 109 (> 99,999%> - Verringerung des Bakterienwachstums auf dem 1000 ppm-Niveau auf. Im Vergleich dazu ergab das unsubstituierte unmodifizierte Harnstoffdiamin-Ionen-Kontrollpolymer, Bufloc®1090, nur eine zwei log (97,34%)-Verringerung bei der gleichen Konzentration. Diese Verstärkungswirkung kann vorteilhafterweise eine raschere Abtötung des Bakterienbewuchses sowie ein breiteres Spektrum der bioziden Anwendung ergeben.
- Die Phytohormon-substituierten Ionen-Polymere wiesen andererseits keine Verstärkungswirkung gegen dieses gemischte Bakterienimpfmaterial auf Nichtsdestoweniger beeinträchtigte die Substitution nicht die eigene antibakterielle Aktivität des Ionen- Polymers und kombinierte diese Aktivität mit der anti-Legionella-Aktivität des Phytohormons. Diese zusätzliche Aktivität war zum Teil der Grund für den Einbau dieser Phytohormone als biologisch aktive Anionen. Neueste Veröffentlichungen haben bestimmte Phytohormone (d. h. Indol-3-propionsäure) einbezogen, die Wirkungen gegen das Atempathogen Legionella pneumophila aufweisen (Maldelbaum et al., 1991 Susceptibility of Legionella pneumophila Grown Extracellularly and in Human Monocytes to Indole-3- propionic Acid, "Antimicrobial, Agents and Chemotherapy 35: 2526-2530), das bekanntlich die Legionärskrankheit verursacht.
- Zu den wirksamsten geprüften anorganischen Anionen gehörten die triiodierten Ionene. Die Wirksamkeiten bei kurzem Kontakt wurden auch mit dem Suspensions-Screening erhalten, das in dem Abschnitt Material und Methoden vorstehend beschrieben ist. Die Ergebnisse sind in Tabellen 7-9 gezeigt. Tabelle 7. Kontakt-Suspensions-Screening gegen ein gemischtes Bakterienimpfmaterial
- nd = nicht bestimmt
- a = 10 Minuten Kontaktzeit, eingebrachtes biologisches Material 2,9 · 10&sup6; cfu/ml.
- b = 5 Minuten Kontaktzeit, eingebrachtes biologisches Material 4,9 · 10&sup6; cfu/ml
- Auf der Grundlage der Ergebnisse in Tabelle 7 wiesen beide iodierten Ionene eine größere prozentuale Abtötung gegenüber einer gemischten Bakterienpopulation auf als das unsubstituierte Ionen. Bei einer 1000 ppm (Produkt) Konzentration ergaben die iodierten Ionene eine mindestens 4-5 log-Verringerung bei 5 Minuten Kontakt, wodurch sie sich als gute Desinfektionsmittelmoleküle qualifizieren. Wie in Tabelle 8 nachstehend gezeigt ist, wurde die Kontaktzeit auch auf 10 Minuten ausgedehnt und Konzentrationen unter 50 ppm geprüft. Ungefähr 1 log (90%)-Unterschiede wurden bei niedrigeren Konzentrationen im Vergleich zu WSCP gegen ein gemischtes Bakterienimpfmaterial festgestellt. Tabelle 8. Suspensions-Screening mit 0,1% (1000 ppm) Produkt gegen ein gemischtes Bakterienimpfmaterial Prozentuale Verringerung bei verschiedenen Kontaktzeiten
- eingebrachtes biologisches Material: 1,0 · 10&sup6; cfu/ml.
- ¹ nichtpolymere quaternäre Verbindung (Kontrolle),
- Oxydiethylenbis(alkyldimethylammoniumchlorid), 36% aktiv, erhältlich von Buckman Laboratory, Memphis, Tennessee.
- ² Betadine®-Produkt (Kontrolle) Purdue Frederick Company, Norwalk, Connecticut, 10%ige Lösung Polyvinylpyrrolidin-iod.
- ³ unsubstituiertes Ionen, geprüft bei 0,5% (5000 ppm) Produkt
- Ein drittes Suspensions-Screening wurde durchgeführt; diesmal bei 1000 ppm mit kürzeren Kontaktzeiten. Die Ergebnisse sind in Tabelle 9 nachstehend gezeigt. Auf der Grundlage der erhaltenen Ergebnisse wies das biologisch aktive Ionen-Polymer von Beispiel 10 eine mindestens 5 log (99,999%)-Verringerung innerhalb von zwei Minuten Kontakt bei 1000 ppm auf. Im Vergleich ergab das wirksamste geprüfte unsubstituierte Ionen nur eine 4 log (99,99%)-Verringerung in 10 Minuten bei einer höheren Konzentration von 5000 ppm.
- Um die Fähigkeit dieser Moleküle im Hinblick auf das Aushalten einer organischen Belastung zu bestimmen, wurden verschiedene Wirksamkeitsversuche in Gegenwart einer organischen Belastung wie etwa der Zugabe von Rinderserumalbumin zu dem System durchgeführt. Die Fähigkeit des Biozids, eine organische Belastung auszuhalten, ist er forderlich, wenn diese als Mehrzweck-Desinfektionsmittel (zu Hause oder in der Industrie) verwendet werden. Die Tabelle 9 zeigt, dass Triiodid-Ionen-Polymere gemäß dieser Erfindung, die beispielhaft durch das Polymer von Beispiel 11A vertreten werden, mindestens eine 2 log (99%) Verringerung in Gegenwart von 5% Rinderserumalbumin erzielten. Tabelle 9. Wirkung einer organischen Belastung auf iodierte Ionene. Verbindung
- BSA = Rinderserumalbumin, Fraktion 5 (Sigma Chem. Co.).
- Es wurde ein Test durchgeführt, bei dem mehrfach Bakterienprüfmaterial in die gleiche Biozidlösung eingebracht wurde. Die Ergebnisse in Tabelle 10 zeigten eine beständige biozide Aktivität nach 5 Bakterienportionen. Mindestens eine 5 10 g (99,999%) Verringerung wurde nach 5 Minuten Kontakt erhalten, während wie erwartet die Kontrollzahlen pro Zusatz zunahmen. Tabelle 10. Wiederholte Zugabe von Bakterienprüfmaterial in eine 0,5%ige Lösung der iodierten Ionene der Beispiele 11A und 10 in entionisiertem Wasser - Prozentuale Verringerung (5 Minuten Kontakt)
- Die Zugaben von Prüfmaterial erfolgten alle 6 Minuten.
- Die Fähigkeit, eine organische Belastung auszuhalten, ist von entscheidender Bedeutung beim Desinfizieren von schmutzigen Oberflächen wie etwa Oberflächen, die in der Milchindustrie oder Lebensmittelindustrie vorkommen. Nachdem festgestellt wurde, dass Triiodid-Ionen-Polymere gemäß der Erfindung eine hohe organische Belastung aushalten können, ohne ihre gesamte Aktivität zu verlieren, wurden anschließend die Wirksamkeiten dieser Polymere gegenüber bestimmten Pathogenen, die gewöhnlich als Verursacher einer Mastitis in Milchvieh angesehen werden, bestimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 11 gezeigt. Tabelle 11. Beispiel 11 A (0,1%ige Lösung) prozentuale Verringerung
- ¹ Die Konzentration betrug 0,5% Produkt für diese bestimmten Stämme.
- Auf der Grundlage der Daten in Tabelle 11 kann festgestellt werden, dass das iodierte Ionen-Polymer von Beispiel 11A sehr wirksam gegen (0,1%) Escherichia coli und Pseudomonas aeruginosa (0,5%) war. Eine 3 log (99,9%) oder größere Verringerung wurde gegen gewöhnliche Mastitispathogene mit Ausnahme von Candida albicans (0,5%) erhalten.
- Das Ionen-Polymer von Beispiel 11B hat, wie in Tabelle 12 nachstehend gezeigt ist, ebenfalls eine signifikante Wirksamkeit gegen diese ausgewählten Pathogene gezeigt. Wenn man die Ergebnisse in den Tabellen 11 und 12 vergleicht, wies das Ionen- Polymer von Beispiel 11B mit einem größeren Substitutionsgrad eine größere Wirksamkeit auf als das Ionen-Polymer von Beispiel 11A. Tabelle 12. Beispiel 11B (0,1%ige Lösung) prozentuale Verringerung
- ² Die Konzentration wurde für diesen speziellen Organismus auf 0,5% Produkt eingestellt.
- Tabelle 13 zeigt die Wirksamkeit von noch einem weiteren erfindungsgemäßen Ionen, nämlich dem iodierten Ionen-Polymer von Beispiel 10. In diesem Fall scheint dieses Ionen etwas wirksamer zu sein als das Ionen-Polymer von Beispiel 11B. Der Substitutionsgrad scheint eine direkte Beziehung zu dem beobachteten Maß an Aktivität aufzuweisen. Das Ionen-Polymer von Beispiel 11A war dasjenige mit der hellsten Farbe, gefolgt von dem von Beispiel 11B und das dunkelste war das Ionen-Polymer von Beispiel 10. Die gelbbraune Farbe korreliert mit dem Substitutionsgrad von Iod. Tabelle 13. Beispiel 11A (0,1%ige Lösung) prozentuale Verringerung
- Die fungistatische Wirksamkeit des iodierten Ionen-Polymers der Beispiele 10 und 11 wurde durch Bestimmen der minimalen fungistatischen Konzentration (MFC) gegen Aspergillus niger geprüft. Die Ergebnisse sind zusammen mit verschiedenen Kontrollen in Tabelle 14 gezeigt. Tabelle 14. Minimale fungistatische Konzentration (MFC) von ausgewählten substituierten triiodierten Ionenen und anderen Molekülen gegen Aspergillus niger
- Die algistatische Wirksamkeit der iodierten Ionen-Polymere der Beispiele 10 und 11 wurde geprüft durch Bestimmen der minimalen Hemmkonzentration (MIC) gegen drei Algenarten. Die Ergebnisse sind in Tabelle 15 gezeigt. Tabelle 15. Algistatische Wirksamkeit von ausgewählten substituierten Ionen-Verbindungen Minimaie Hemmkonzentration (ppm)
- nd - nicht bestimmt.
- Aus dieser Offenbarung geht für den Fachmann hervor, dass verschiedene Veränderungen und Abwandlungen der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen. Somit schließt die vorliegende Erfindung bewusst solche Veränderungen und Abwandlungen dieser Erfindung ein, die innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche liegen.
Claims (19)
1. Wasserlösliches Ionen-Polymer
der Formel I:
worin
n eine ganze Zahl von 4 bis 400 ist, die dem Polymerisationsgrad des Polymers
entspricht;
R&sub1;, R&sub2;, R&sub3; und R&sub4; bedeuten den gleichen oder unterschiedlichen Substituenten,
ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Wasserstoff, einer C&sub1; bis C&sub1;&sub6;-
Alkylgruppe, einer C&sub1; bis C&sub1;&sub6;-Alkylgruppe, substituiert mit einer oder mehreren
Hydroxylgruppen, einer Benzylgruppe und einer Benzylgruppe, substituiert mit
einer oder mehreren C&sub1; bis C&sub1;&sub6;-Alkylgruppen;
B bedeutet einen zweiwertigen aliphatischen C&sub2; bis C&sub1;&sub6;-Kohlenwasserstoffrest,
welcher substituiert sein kann durch Hydroxyl, einen zweiwertigen cyclischen C&sub5;
bis C&sub9;-Kohlenwasserstoffrest, einen Di-(C&sub2; bis C&sub6;)-alkylenether, einen Phenylen-
oder alkylsubstituierten Phenylenrest, oder die zweiwertige Gruppe
R&sub1;R&sub2;NBNR&sub3;R&sub4; bedeutet einen zweiwertigen Rest mit der Struktur:
R&sub1;R&sub2;N-(CH&sub2;)p-NR&sub5;-C(O)NR&sub6;-(CH&sub2;)p-NR&sub3;R&sub4;
worin p eine ganze Zahl von 2 bis 6 ist, R&sub1;, R&sub2;, R&sub3; und R&sub4; die gleichen wie vor
stehend definiert sind und R&sub5; und R&sub6; gleich oder verschieden sind und
ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Wasserstoff und einer C&sub1; bis C&sub1;&sub6;-
Alkylgruppe, oder der zweiwertige Rest R&sub1;R&sub2;NBNR&sub3;R&sub4; bildet eine
heterocyclische Gruppe ausgewählt aus 1,2-Pyrazolidinyl, 1,3-Imidazolindiyl,
1,4-Piperazindiyl, Aminopyrrolidinyl und Aminopiperidiyl, worin die
heterocyclische Gruppe mit einer oder mehreren Gruppen, ausgewählt aus einer C&sub1; bis
C&sub6;-Alkylgruppe, einer Hydroxylgruppe, einem Halogenid und einer Phenylgruppe
substituiert sein kann;
A&supmin; ist ein Anion, das abgeleitet ist von einer biologisch aktiven Verbindung mit
mindestens einer Säurefunktionalität;
X&supmin; ist ein Anion, das abgeleitet ist von einer anorganischen oder organischen
Säure; und der Substitutionsgrad des Polymers beträgt ungefähr 0,005 bis 0,5.
2. Wasserlösliches Ionen-Polymer der Formel II:
worin n, R&sub1;, R&sub2;, R&sub3;, R&sub4;, B, A&supmin; und X wie in Anspruch 1 definiert sind und der
Substitutionsgrad des Polymers ungefähr 0,005 bis 0,333 beträgt.
3. Ionen-Polymer nach Anspruch 1 oder 2, worin das Anion A&supmin; von einer
pharmazeutischen Verbindung abgeleitet ist und das Anion X ausgewählt ist aus der
Gruppe bestehend aus Halogenidionen.
4. Ionen-Polymer nach Anspruch 1 oder 2, worin das Anion A&supmin; von einem Herbizid
abgeleitet ist.
5. Ionen-Polymer nach Anspruch 4, worin das Herbizid
2,4-Dichlorphenoxyessigsäure ist.
6. Ionen-Polymer nach Anspruch 1 oder 2, worin das Anion A&supmin; von einem
desinfizierenden Mittel abgeleitet ist und das Anion X&supmin; ausgewählt ist aus der Gruppe
bestehend aus Halogenidionen.
7. Ionen-Polymer nach Anspruch 6, worin das desinfizierende Mittel ausgewählt ist
aus der Gruppe bestehend aus Phenol und Phenolderivaten.
8. Ionen-Polymer nach Anspruch 1 oder 2, worin das Anion A&supmin; I&sub3;&supmin; ist.
9. Verbindung der Formel VI:
worin
R&sub1;, R&sub2;, R&sub3;, R&sub4;, B und A&supmin; wie in Anspruch 1 definiert sind, Z F, Cl, Br oder I ist
und X&supmin; ein Anion ist, das von einer anorganischen Säure abgeleitet ist.
10. Ionen-Polymer nach Anspruch 1 oder 2 oder eine Verbindung nach Anspruch 9,
worin n 5-50 beträgt;
R&sub1;, R&sub2;, R&sub3;, R&sub4; jeweils Methyl, Ethyl oder Benzyl sind;
B Methylen, Ethylen, Propylen, 2-Hydroxypropylen, Butylen, Isobutylen,
Diethylenether oder Phenylen ist;
X&supmin; ein Halogenid ist.
11. Ionen-Polymer nach Anspruch 1 oder 2 oder eine Verbindung nach Anspruch 9,
worin
R&sub1;, R&sub2;, R&sub3; und R&sub4; jeweils Methyl sind,
B Ethylen ist, und
X&supmin; Chlorid ist.
12. Ionen-Polymer nach Anspruch 1 oder 2 oder eine Verbindung nach Anspruch 9,
worin die Gruppe R&sub1;R&sub2;NBNR&sub3;R&sub4; ein Rest mit der Struktur ist:
R&sub1;R&sub2;N-(CH&sub2;)p-NR&sub5;-C(O)-NR&sub6;-(CH&sub2;)p-NR&sub3;R&sub4;.
13. Ionen-Polymer nach Anspruch 12, worin
n 5-50 beträgt;
R&sub1;, R&sub2;, R&sub3; und R&sub4; jeweils Methyl, Ethyl oder Benzyl sind;
R&sub5; und R&sub6; jeweils Wasserstoff, Methyl oder Ethyl sind;
p 2 oder 3 ist; und
X&supmin; ein Halogenid ist.
14. Verbindung nach Anspruch 12, worin
R&sub1;, R&sub2;, R&sub3; und R&sub4; jeweils Methyl, Ethyl oder Benzyl sind;
R&sub5; und R&sub6; jeweils Wasserstoff, Methyl oder Ethyl sind;
p 2 oder 3 ist; und
X&supmin; ein Halogenid ist.
15. Ionen-Polymer nach Anspruch 13 oder eine Verbindung nach Anspruch 14, worin
R&sub1;, R&sub2;, R&sub3; und R&sub4; Methyl sind, R&sub5; und R&sub6; Wasserstoff sind, p 3 ist und X&supmin; ein
Halogenid ist.
16. Verfahren zum Herstellen eines Ionen-Polymers der Formel I nach Anspruch 1,
wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:
Umsetzen eines protonierten Diamins der Formel IV
mit einem Epihalohydrin unter Bedingungen, die ausreichen, um ein
Zwischenprodukt der Formel VI zu bilden
und Polymerisieren des Zwischenprodukt mit einem Diamin der Formel III
unter Bedingungen, die ausreichen, um das Polymer zu bilden.
17. Verfahren zum Herstellen eines Ionen-Polymers der Formel II nach Anspruch 2,
wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:
Umsetzen eines protonierten Diamins der Formel IV
mit einem Epihalohydrin unter Bedingungen, die ausreichen, um ein
Zwischenprodukt der Formel VI zu bilden
und Polymerisieren des Zwischenprodukts mit einem sekundären Amin der Formel
VII
unter Bedingungen, die ausreichen, um das Polymer zu bilden.
18. Verfahren nach Anspruch 16 oder Anspruch 17, außerdem umfassend, vor dem
Reaktionsschritt, die Schritte
Neutralisieren eines Diamins der Formel III mit bis zu einem Äquivalent einer
biologisch aktiven Säure, HA, pro Amingruppe; und
Zugeben von ausreichend Säure, HX, so daß die Gesamtmenge der verwendeten
Säure annähernd äquivalent zu den vorhandenen Amingruppen ist, wodurch das
protonierte Diamin der Formel IV gebildet wird.
19. Düngemittel, Pestizid, Heilmittel, Dispergiermittel, mikrobizides Mittel,
Konservierungsmittel, desinfizierendes Mittel, Pflanzenwachstumsregulator, Schlichtemittel
bzw. Leim, oberflächenaktiver Stoff, Herbizid, Desinfektionsmittel,
Kesselsteinbekämpfungsmittel, Fluoreszenzstoff, Termiten-Bekämpfungsmittel,
Algen-Bekämpfungsmittel oder topisches Antiseptikum umfassend ein Polymer nach einem
der Ansprüche 1 bis 8, Ansprüche 10 bis 13 oder Anspruch 15.
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