Противомикробное средство для придания полимерам бактерицидных свойств

Изобретение относится к различным областям техники, в которых требуется придание полимерам бактерицидных свойств на основе биоцидов. Противомикробное средство для придания полимерам бактерицидных свойств включает биоциды, молекулы которых содержат, по меньшей мере, один атом азота с парой свободных электронов, причем биоцид координационно связан с металлическим комплексом через пару свободных электронов атома азота. Металлическим комплексом являются фталоцианин с содержанием меди, цинка, олова, железа или кобальта в качестве центрального атома, порфирин с содержанием магния, меди или железа в качестве центрального атома или коррол с содержанием меди, цинка, железа, золота, серебра, ванадия, молибдена или кобальта в качестве центрального атома. Предлагаемое средство для придания полимерам бактерицидных свойств на основе биоцида обеспечивает значительную нерастворимость биоцида без потери бактерицидного действия. 2 н.п. и 5 з.п. ф-лы, 1 табл., 11 пр.

 

1710535

ПРОТИВОМИКРОБНОЕ СРЕДСТВО ДЛЯ ПРИДАНИЯ

ПОЛИМЕРАМ БАКТЕРИЦИДНЫХ СВОЙСТВ

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к противомикробному средству для придания полимерам бактерицидных свойств на основе биоцидов, молекулы которых содержат, по меньшей мере, один атом азота с парой свободных электронов.

Уровень техники

При наделении полимеров бактерицидными свойствами, в частности, пенопласта из полиуретана или применяемых в текстильной промышленности полимерных волокон на основе полиэтилентерефталата , полиакрилнитрила, полипропилена и пр., отмечено стремление, во-первых, проникнуть в механизм обмена веществ и, во-вторых, лишить микроорганизмы питательной основы. Наиболее эффективные при этом биоциды имеют относительную молекулярную массу, составляющую значительно меньше 1000, что, как правило, способствует летучести, растворимости и способности к активной миграции таких активных веществ. С целью снижения загрязнения окружающей среды подобными биоцидами, как известно (ЕР 2 420 521 А1, ЕР 2 505 059 А1), повышают молекулярную массу путём полимеризации активных веществ или их присоединения к полимерам и стараются обеспечить ковалентную связь активных веществ с полимерной матрицей. Так, например, ряд биоцидов с содержанием эффективных первичных и вторичных аминов или реактивных гидроксильных групп в молекуле могут успешно вводиться в матрицу из полиуретана или эпоксидной смолы. Однако часто в наиболее эффективных биоцидах содержится лишь третично связанный азот и не содержатся (достаточно реактивные) гидроксильные группы или же вторичные аминогруппы, являющиеся настолько реактивно инертными, что вступают в реакцию с реагентами полиприсоединения лишь с задержкой, вследствие чего полиприсоединение обладает преимуществом перед ковалентной связью.

Кроме того часто наиболее эффективные базовые молекулы теряют в ковалентно связанной форме своё превосходное действие, так как для проявления такого биологического действия они должны обладать определённой подвижностью (растворимостью).

Раскрытие изобретения

Следовательно в основу изобретения положена задача создания противомикробного средства, исключающего в значительной степени загрязнение окружающей среды несмотря на хорошую растворимость своих бактерицидных молекул в воде также в процессе пролонгированного действия без необходимости ограничений этого бактерицидного действия.

На основе противомикробного средства описанного выше типа поставленная задача решается изобретением в результате того, что биоцид координационно связывают с металлическим комплексом через пару свободных электронов атома азота.

Неожиданно выяснилось, что противомикробные средства, у которых биоцид координационно связан с металлическим комплексом, не являются, как правило, водорастворимыми, но обладают противомикробным действием биоцида, хотя бактерицидные молекулы и не считаются летучими. Это объясняется координационной связью, обеспечивающей достаточную подвижность бактерицидных молекул, связанных длительное время с металлическим комплексом, что необходимо для взаимодействия с поверхностью подавляемых микроорганизмов.

Предпочтительными боцидами в этом отношении проявили себя имидазолы, бензимидазолы, оксазолы, изоксазолы, оксадиазолы, бигуаниды, тиазолы, изотиазолы, пиримидины и пиридины. В качестве металлических комплексов могут применяться, в частности, фталоцианины с содержанием меди, цинка, олова, железа или кобальта в качестве центрального атома, порфирины с содержанием магния, меди или железа в качестве центрального атома или корролы с содержанием меди, цинка, железа, золота, серебра, ванадия, молибдена или кобальта в качестве центрального атома. Вследствие разности координационных чисел 2, 4 и 6 центральных атомов и в зависимости от типа центрального атома металла в металлических комплексах могут неоднократно связываться несколько содержащих азот бактерицидных молекул или несколько бактерицидных молекул, вследствие чего создаются разные в отношении количества и стойкости возможности связи.

При использовании фталоцианина с содержанием меди в качестве центрального атома может эффективно применяться благодаря координационному числу 4 меди возможное планарное расположение лигандов для координационной привязки также более крупных бактерицидных молекул с достаточной степенью подвижности. Для этого пригодны, в частности, бигуаниды, причём атом меди может быть связан с одним атомом азота двух молекул бигуанида, однако для использования особо стойких отношений с центральным атомом меди координационно связывается, как правило, только одна молекула бигуанида.

В качестве бигуанида предпочтительно применяется полиаминопропилбигуанид (с относительной молекулярной массой M_r = 800 – 10000) следующей структурной формулы :

,

где: n = 5 – 50,

полигексаметиленбигуанид (M_r = 800 – 10000) следующей структурной формулы :

где: n = 5 – 50_

и полиоксиалкиленбигуанид (M_r = 1000 – 15000) следующей структурной формулы :

где: m = 2 – 10 и n = 5 – 50.

Порфирины, такие, как хлорофиллы, с содержанием магния или меди в качестве центрального атома обладают по стерическим причинам ярко выраженным сродством к имидазолам, бензимидазолам и азотисто-сернистым соединениям.

В качестве примера можно указать в этом отношении на имидазол структурной формулы:

где: R – атом водорода, алкил или галоген,

или на бензимидазол структурной формулы:

.

Сравнительно то же самое относится и к корролам, в частности, кобаламину с содержанием кобальта в качестве центрального атома.

Порфирины с содержанием железа в качестве центрального атома, например, гемины, могут координационно связываться с низкомолекулярным бигуанидом, предпочтительно с гексаметилен-бис(р-хлорфинил)бигуанидом структурной формулы :

,

а также с кислородно-азотистыми гетероциклами, такими, как изотиазол структурной формулы:

,

с изоксазолом структурной формулы:

,

где: R – атом водорода, алкил или галоген,

или с оксадиазолом структурной формулы:

В этой связи может предпочтительно применяться также биоцид на основе кислорода, азота и серы, в частности, 2-меркатопиридин-N-оксид структурной формулы:

Приводимые ниже примеры служат для пояснения изобретения, показывают бактерицидное действие, его стойкость к миграции и вымыванию, но не ограничивают объём притязаний изобретения.

Пример 1

Фталоцианин с содержанием меди в качестве центрального атома (CuPhthC) встречается в целом в 11 стереоспецифических конфигурациях, из которых технически применимыми являются варианты α, β, ε. Чисто оптически они различаются разными оттенками голубого цвета:

α	голубой цвет с красным оттенком, термически слабо стойкий,
β	голубой цвет с зелёным оттенком, термически высокостойкий,
ε	голубой цвет с сильно выраженным красным оттенком, химически менее стойкий, т.е. более химически активный, чем α и β, вследствие чего согласно изобретению применяться может только вариант ε.

57,6 г (0,1 моля) CuPhthC превращают в суспензию в 200 мл диметилформамида, примешивают при подогреве (до 60⁰С) 1300 г (0,1 моля) полигексаметиленбигуанида (полигексанида) при относительной молекулярной массе M_r = 1298, при растворении в 1800 мл воды, и размешивают в течение 2 часов. Окраска очень быстро теряет красный оттенок, суспензия становится заметно более вязкой.

После фильтрации и сушки произведённого продукта было получено 1216 г координационного соединения, 1 моль CuPhthC + 1 моль полигексанида в виде ярко синего вещества.

Пример 2

73 г (0,1 моля) медьсодержащего хлорфиллина (CuChloroph), имеющегося в продаже под обозначением Е141 (natural green) (краситель для пищевых продуктов), в 250 мл воды частично растворили и частично перевели в суспензию, затем примешали 20,3 г (0,1 моля) 2-(4-тиазолил)бензимидазола (тиобендазола), сукспензию зелёного цвета перемешивали в течение 30 минут при комнатной температуре. Оттенок краски стал заметно более выраженным и более жёлтым. После некоторой выдержки получили 85,4 г координационного соединения, 1 моль CuChloroph + 1 моль тиобендазола в виде зелёно-желтого красителя.

Пример 3

67 г (1 моль) пиррола вместе с 92 г (1 молем) 4-метилбензальдегида подвергли ректификации в 400 мл метанола + 20 мл концентрированной соляной кислоты в атмосфере азота в течение 1 часа, при этом самопроизвольно образовался тёмносиний раствор тетратолилпорфирина.

После добавки 136 г ( 1 моля) хлорида цинка образовалась суспензия из порфирина цинкового комплекса. После этого добавили 282 г 4,5-дихлор-2-октилизотиазолона (DCOIT) и через 1 час перемешивания отсосали образовавшееся координационное соединение тёмносинего цвета. После сушки получили 310 г координационного соединения тетратолилпорфиина / Zn/DCOIT.

Пример 4

6,52 г (0,01 моля) гемина растворили в 250 мл дистиллированной воды и примешали 1,5 г (0,01 моля) 2-пиридинтиол-1-оксида (пиритиона), соль натрия, после чего образовался красно-коричневый осадок предполагавшегося координационного соединения, 1 моль гемина + 1 моль пиритиона. После обычной выдержки получили 7,4 г требуемого продукта.

В приведённых ниже примерах показано бактерицидное действие при использовании в пенопласте из полиуретана.

Пример 5

95 г трифункционального полипропиленгликоля (число ОН: 46), 3,4 г воды, 2,0 г силиконового стабилизатора на основе сополимера полисилоксанполиэтиленгликоль и 1,5 г 1,4-диазабицикло[2.2.2]октана (DABCO) в качестве пенного катализатора, растворённого в 3 г трипропиленгликоля, интенсивно перемешали с 65 г дифенилметан-диизоцианата (MDI) при изоцианатном индексе (NCO) 29,5% в соответстви с изоцианатным идексом 103% и вспенивали в течение ок. 60 секунд для получения упругого пенопласта с объёмным весом 45 кг/м³. Часть этого пенопласта служила в качестве образца сравнения (нулевого образца).

Пример 6

Аналогичный примеру 5, но с добавкой полигексанида (0,85 г), M_r = 1300, в количестве 5% от общего веса 170 г. Полученный пенопласт имел объёмный вес 46 кг/м³.

Пример 7

Аналогичный примеру 5, но с добавкой тиабендазола в количестве 0,3% = 0,50 г от общего веса. Полученный пенопласт имел объёмный вес 45 кг/м³.

Пример 8

Аналогичный примеру 5, но с добавкой CuPhthC/комплекс полигексанида в количестве 0,45% (соответственно 0,5% полигексанида) из примера 1.

Пример 9

Аналогичный примеру 5, но с добавкой координационного комплекса в количестве 1,8% из примера 2 (соответственно 0,4% тиабендазола).

Пример 10

105 г смеси полиола согласно примеру 5 интенсивно перемешали с 0,05 г медного ε-фталоцианина и 0,6 г полигексанид-хлористого водорода и после 15 минут выдержки смешали с 65 г метилендифенилдиизоцианата аналогично примеру 5 и вспенили. Полученный пенопласт имел объёмный вес 46 кг/м.

Пример 11

95 г смеси из полиола согласно примеру 5 равномерно размешали с 5,03 г тонкодисперной смеси из 0,03 г медного фталоцианина в 5,0 г трифункционального основного полипропиленгликоля (с числом ОН: 46) и 5,3 г тонкодисперной смеси из 0,3 г цинкового пиритиона в 5,0 г того же полипропиленгликоля и затем вспенили известным образом с применением 62,0 г толуолдиизоцианата. Образовался мелкопористый, содержащий открытые ячейки пенопласт с объёмным весом 42 кг/м³, обладавший бактерицидными свойствами в соответствии с примером 10, при этом даже после 30-кратной промывки водой с температурой 30⁰С бактерицидные свойства полностью сохранились. При аналогичном сравнительном вспенивании без применения медного фталоцианина бактерицидное действие упало до нуля уже после 6 промывок.

Тест на бактерицидное действие

Из пенопласта согласно примерам 5 – 10 при соблюдении в целом одинаковых условий были изготовлены образцы и определяли противомикробную активность в соответствии с промышленным стандартом Японии JIS Z 2801:2000 путём определения коэффициента уменьшения IR для escherichia coli (грамположительные бактерии) и staphylococcus aureus (грамотрицательные бактерии) по истечении недели. Результаты приведены в нижеследующей таблице. При этом показатели оригинального образца сравнили с показателями образцов после трёхкратной промывки в воде с температурой 60⁰С (не илюированные/элюированные).

Образец №	Коэффициент уменьшения бактерий Escherichia coli	Коэффициент уменьшения бактерий Staphylococcus aureus
не элюированы	элюированы	не элюированы	элюированы
5	0,3	-0,2	0,2	0,1
6	3,8	2,2	3,6	1,8
7	3,2	2,3	2,9	1,9
8	4,4	4,3	4,7	4,5
9	4,0	3,4	3,9	3,2
10	4,8	4,8	5,0	4,8

Низкое бактрицидное действие нулевого образца (№ 5) объясняется содержанием используемых в качестве катализатора трет. аминов перед элюированием.

Сравнение коэффициента уменьшения IR, отмеченного для образцов № 8 – 10 согласно изобретению, с тем же коэффициентом сравнительных образцов из уровня техники показало, с одной стороны, превосходное бактерицидное действие и, с другой стороны, хорошую стойкость и нерастворимость координационных соединений, что частично объясняется вероятно химической связью с матрицей полиуретана.

Примеры приведены для мягких сортов пенопласта из полиуретана, но естественно они не ограничиваются ни ячеистыми изделями, ни полиуретаном. На эпоксидных композициях для нанесения покрытия на металлы были получены схожие результаты.

В случае использования в термопластах естественно не может применяться in situ синтез (согласно примеру 10) из-за отсутствия временного растворителя. В таком случае могут применяться отдельные координационные соединения (согласно примерам 1 – 4), причём предварительно необходимо проверить на температурную стойкость (температура обработки составляет, как правило, > 150 – 250⁰С). В соответствии с этим умеренная температура обработки для упомянутых полимеров с полиприсоединением составляет 25 – 80⁰С.

1. Противомикробное средство для придания полимерам бактерицидных свойств на основе биоцидов, молекулы которых содержат, по меньшей мере, один атом азота с парой свободных электронов, отличающееся тем, что биоцид координационно связан с металлическим комплексом через пару свободных электронов атома азота, причем металлическим комплексом являются фталоцианин с содержанием меди, цинка, олова, железа или кобальта в качестве центрального атома, порфирин с содержанием магния, меди или железа в качестве центрального атома или коррол с содержанием меди, цинка, железа, золота, серебра, ванадия, молибдена или кобальта в качестве центрального атома.

2. Противомикробное средство по п. 1, отличающееся тем, что биоцид представляет собой имидазол, бензимидазол, оксазол, изоксазол, оксадиазол, бигуанид, тиазол, изотиазол, пиримидин или пиридин.

3. Противомикробное средство по п. 2, отличающееся тем, что металлическим комплексом являются фталоцианин с содержанием меди, цинка, олова, железа или кобальта в качестве центрального атома, порфирин с содержанием магния, меди или железа в качестве центрального атома или коррол с содержанием меди, цинка, железа, золота, серебра, ванадия, молибдена или кобальта в качестве центрального атома.

4. Противомикробное средство по пп. 2 и 3, отличающееся тем, что фталоцианин с содержанием меди в качестве центрального атома координационно связан с полиаминпропилбигуанидом, полигексаметиленбигуанидом или полиоксиалкиленбигуанидом.

5. Противомикробное средство по пп. 2 и 3, отличающееся тем, что порфилин координационно связан с магнием или медью в качестве центрального атома, имидазолом или бензимидазолом.

6. Противомикробное средство по пп. 2 и 3, отличющееся тем, что порфирин с содержанием железа в качестве центрального атома координационно связан с гексаметилен-бис(р-хлорфенил)бигуанидом, оксазолом, изоксазолом или оксадиазолом или оксидом 2-меркаптопиридиназота.

7. Заготовка из полимера, в частности из пенопласта, отличающаяся тем, что она содержит противомикробное средство по любому из пп. 1-5.