DE69129227T2

DE69129227T2 - N,n'-dihalogenimidazolidin-4-one

Info

Publication number: DE69129227T2
Application number: DE69129227T
Authority: DE
Inventors: Techen Auburn Al 36830 Tsao; Delbert E. Waverly Al 36879 Williams; Shelby D. Auburn Al 36830 Worley
Original assignee: Auburn University
Current assignee: Auburn University
Priority date: 1990-01-22
Filing date: 1991-01-22
Publication date: 1998-10-08
Anticipated expiration: 2011-01-23
Also published as: WO1991010623A1; AU645297B2; CA2073686C; DE69129227D1; EP0513239A1; EP0513239A4; ES2116289T3; ATE164725T1; EP0513239B1; US5057612A; JPH05506013A; AU7309491A; CA2073686A1; JP3072774B2

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft das Problem der Desinfektion von Wasser, welches in der Trinkwasserversorgung, Schwimmbädern, Heizrohren, Brauchwassersystemen, Kühltürmen, Abwasserbehandlungsanlagen, WC-Becken, Klimaanlagen, der Raumfahrt, militärischen Feldeinheiten und in anderen Desinfektionsanwendungen verwendet werden kann, sowie von organischen Flüssigkeiten wie Ölen, und von harten Oberflächen in Krankenhäusern, Lebensmittelverarbeitungsanlagen und anderen Einrichtungen, bei denen eine mikrobiologische Verunreinigung ein Problem darstellt.

STAND DER TECHNIK

Desinfektionsmittel, die gegenwärtig für die oben genannten Zwecke im Einsatz sind, weisen alle erhebliche Einschränkungen auf. Die verbreitetsten kommerziellen Desinfektionsmittel sind Quellen für "freies Halogen" - Chlor, Brom oder Iod - wie z.B. Calcium- oder Natriumhypochlorit- oder Chlorgas. Obwohl freies Halogen bekanntermaßen ein effektives Desinfektionsmittel ist, besitzt es zahlreiche schädliche Eigenschaften. Es wirkt auf viele Materialien korrosiv und kann aus diesem Grund nicht für Langzeitanwendungen, wie z.B. die Desinfektion von Kühlwasser in geschlossenen Kreisläufen, wie z.B. großen Klimaanlagen, verwendet werden, was seine Verwendung als effektives Biozid für Legionella pneumophila, die Ursache der Legionärskrankheit, verhindert. Es bewirkt die rasche Verschlechterung der Filter in den vom Militär bei der Desinfektion von Wasser im Gelände verwendeten Umkehrosmose-Wasserbehandlungseinheiten. Des weiteren ist freies Halogen mit organischen Verunreinigungen in Wasser sehr reaktiv, was zu der Bildung toxischer Trihalogenmethane, wie z.B. Chloroform, führt, die bei Versuchstieren mit Krebs in Verbindung gebracht wurden. Chlor oder Brom in Schwimmbädern können eine beträchtliche Reizung der Haut oder Augen von Menschen, die für diese schädlichen Wirkungen anfällig sind, hervorrufen. Freies Halogen ist in Wasser, insbesondere in Wasser, das Sonnenlicht ausgesetzt ist, wie z.B. in Schwimmbädern, ziemlich instabil, was die Zugabe erheblicher Mengen an Stabilisatoren, wie z.B. Cyanursäure, erfordert, welche selbst in hoher Konzentration schädlich sein können.
Wesentlich stabilere Quellen für "gebundenes Halogen", wie z.B. die Oxazolidinone (Kaminski et al., US-A-4,000,293 und 3,931,213; S. D. Worley et al., US-A-4,659,484) und N,N'-Dihalogen-2-imidazolidinone (S. D. Worley, US-A-4,681,948 und 4,767,542), die nicht unter den oben genannten Einschränkungen leiden, setzen dagegen wenig oder kein freies Halogen frei und erfordern im allgemeinen lange Kontaktzeiten, um Mikroorganismen in Wasser abzutöten.
Es besteht großer Bedarf nach einem universellen Breitband-Desinfektionsmittel, welches über längere Zeiträume hinweg stabil ist, welches mit Materialien, die Korrosion oder die Bildung toxischer Trihalogenmethane verursachen, nicht nennenswert reagiert, und welches innerhalb vernünftiger Kontaktzeiten als Biozid wirkt. Mit anderen Worten ist eine Halogen-Quelle erforderlich, die in Desinfektionsanwendungen die wünschenswerten Merkmale von sowohl freiem Halogen als auch gebundenem Halogen besitzt. In einem umfassenden Aspekt der vorliegenden Erfindung erfüllen die N,N'-Dihalogenimidazolidin-4-one diesen Zweck. Diese sind stabile kristalline Feststoffe, die Wasser in bioziden Konzentrationen (1 bis 10 mg pro 1 gesamtem Halogen) ein Minimum an Färbung, Geruch oder Geschmack verleihen und hinsichtlich der Desinfektionszeit und -beständigkeit zwischen freiem Halogen und den oben genannten gebundenen Halogenaminen liegen. Sie sind auch viel einfacher zu synthetisieren als die bisherige Reihe von Oxazolidinonen oder Imidazolidinonen, wobei völlig andere Syntheseverfahren angewandt werden, welche sie kommerziell realisierbar machen sollten.
JP-A-47025178 offenbart Verbindungen mit therapeutischer Nützlichkeit der Formel
worin X ein Halogenatom ist, X' für H, Niederakyl oder Arakyl steht und R&sub1;, R&sub2;, R&sub3; und R&sub4; jeweils Niederalkyl oder Phenyl sein können, oder R&sub1;, R&sub2; und/oder R&sub3;, R&sub4; eine Spiro-Substitution einschließlich Pentamethylen und Tetramethylen darstellen können.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Gemäß der vorliegenden Erfindung sind N,N-Dihalogenimidazolidin-4-one und N- Halogenimidazolidin-4-one der Formel I (siehe oben) zur Bekämpfung unerwünschter Halogen-empfindlicher Mikroorganismen durch Kontaktieren der Mikroorganismen oder ihres Lebensraumes mit der Verbindung verwendbar. Gemäß dieser Erfindung steht in Formel I eines von X oder X' für H, Cl oder Br und das andere für Cl oder Br; und R&sub1;, R&sub2;, R&sub3; und R&sub4; sind jeweils aus H, C&sub1;-C&sub4;-Alkyl, C&sub1;-C&sub4;- Alkoxy, Hydroxy, Phenyl und substituiertem Phenyl ausgewählt, oder R&sub1;, R&sub2; und/oder R&sub3;, R&sub4; stellen eine Spiro-Substitution dar und bedeuten Pentamethylen oder Tetramethylen, mit der Maßgabe, daß nicht mehr als eines von R&sub1;, R&sub2;, R&sub3; und R&sub4; für H steht.
Diese Erfindung umfaßt neue Verbindungen der Formel I, d.h. jene, worin X' für Cl oder Br steht.
Die an den Ring der Imidazolidin-4-on-Verbindungen oder an den Phenyl- Substituenten oder an Sauerstoff als Alkoxygruppen gebundenen Alkyl- Substituenten können 1 bis 4 Kohenstoffatome enthalten, nämlich Methyl, Ethyl, Propyl, Isopropyl und die Butyle, z.B. n-Butyl, Isobutyl, sek.-Butyi und tert.-Butyl. Die Spiro-Substitution an dem R&sub1;, R&sub2;-substituierten Ringkohlenstoff oder an dem R&sub3;, R&sub4;- Kohlenstoff oder an beiden substituierten Ringkohlenstoffen besteht aus den Pentamethylen- oder Tetramethylen-Einheiten.
Beispiele für die oben beschriebenen Verbindungen umfassen 1,3-Dichlor-2,2,5,5- tetramethylimidazolidin-4-on; 1-Brom-3-chlor-2,2,5,5-tetramethylimidazolidin-4-on; 1,3-Dibrom-2,2,5,5-tetramethylimidazolidin-4-on; 1,3-Dichlor-2,5-bis(pentamethylen)imidazolidin-4-on; 1,3-Dichlor-2-pentamethylen-5,5-dimethylimidazolidin-4-on; 1,3- Dichlor-2,2-dimethyl-5-pentamethylenimidazolidin-4-on; 1,3-Dichlor-2,2,5-trimethyl-5- ethylimidazolidin-4-on; und 1,3-Dichlor-2-hydroxy-2,5,5-trimethylimidazolidin-4-on; sie sind jedoch nicht darauf beschränkt.
Durch Substitution eines oder mehrerer der oben genannten Derivate durch andere für R&sub1;-R&sub4; genannte Substituenten, z.B. Ethyl, Propyl, Butyl, Methoxy, Ethoxy, Propoxy, Hydroxy, p-Methylphenyl usw., können andere, entsprechend als N,N'- Dichlor-, Dibrom- oder Bromchlorimidazolidin-4-on bezeichnete Derivate genannt werden.
N,N'-Dihalogenimidazolidin-4-on-Derivate der vorliegenden Erfindung können durch Umsetzen des entsprechenden nicht-halogenierten Imidazolidin-4-ons oder Imidazolidin-4-thions mit einer Chlor- oder Brom-Quelle oder, im Fall der 1-Brom-3- chlor-Derivate, zunächst einer Chlor-Quelle und dann einer Brom-Quelle hergestellt werden. Obwohl Chlorgas oder flüssiges Brom verwendet werden kann, können auch mildere Halogenierungsmittel, wie z.B. N-Chlorsuccinimid, N-Bromsuccinimid, Natriumdichlorisocyanurat, Trichlorisocyanursäure, Calciumhypochlorit, Natriumhypochlorit, tert.-Butylhypochlorit, N-Chloracetamid, N-Chloramine, N-Bromamine usw., verwendet werden. Die Halogenierung der nicht-halogenierten Imidazolidin-4- one oder Imidazolidin-4-thione kann in wäßrigen Medien oder in Mischungen von Wasser mit herkömmlichen inerten organischen Lösungsmitteln, wie z.B. Methylenchlorid, Chloroform und Kohlenstofftetrachlorid, bei Raumtemperaturen erfolgen. Inerte organische Lösungsmittel können allein mit den N,N'- Dihalogenimidazolidin-4-on-Verbindungen verwendet werden.
Nicht-halogenierte Imidazolidin-4-thione können durch Umsetzen von 2 Mol disubstituiertem Keton, z.B. Aceton, mit 1 Mol Natriumcyanid, 1,3 Mol Ammoniumsulfid und 1 Mol Ammoniumchlorid unter Bildung von z.B. 2,2,5,5- Tetramethylimidazolidin-4-thion, ähnlich wie von J. D. Christian in dem Artikel "4-Imidazolidinthioneu, J. Org. Chem., 22, 396 (1957) beschrieben, hergestellt werden. Nicht-halogenierte Imidazolidin-4-one, z. B. 2,2,5,5-Tetramethylimidazolidin- 4-on, können durch Oxidation des entsprechenden nicht-halogenierten Imidazolidin-4-thions mit Wasserstoffperoxid unter alkalischen Bedingungen hergestellt werden, wie von P. G. Ferrini und A. Marxer in dem Artikel "Chemotherapeutic Studies in the Heterocyclic Series. XLI. Unexpected Reaction by Treatment of 2,2,5,5- Tetramethylimidazolidine-4-thione with Nitric Acid", Heiv. Chem. Acta, 46, 1207 (1963) beschrieben. Es wird erwartet, daß andere Imidazolidin-4-thion- oder Imidazolidin-4-on-Derivate aus dem entsprechenden Dialkylketon und anschließende Oxidation des letzteren oder durch andere organische Syntheseverfahren, die Fachleuten bekannt sind, synthetisiert werden können. Es wird z.B. erwartet, daß 1,3-Dichlor-2,5-bis(pentamethylen)imidazolidin-4-on durch Umsetzen von 2 Mol Cyclohexanon mit 1 Mol Natriumcyanid, 1,3 Mol Ammoniumsulfid und 1 Mol Ammoniumchlorid gefolgt von Chlorierung oder Oxidation mit Wasserstoffperoxid in basischer Lösung und anschließender Chlorierung hergestellt werden kann.
Halogenierte Derivate von substituiertem Imidazolidin-4-on können als Desinfektionsmittel gegen unerwünschte Mikroorganismen in wäßrigen sowie anderen Lösungsmedien verwendet werden, indem man die Medien mit einer biozid wirksamen Menge der Imidazolidin-4-on-Verbindung behandelt. Die für hierin ins Auge gefaßte Desinfektionsanwendungen nützlichen Imidazolidin-4-on- Verbindungen können durch folgende Strukturformel dargestellt werden:
worin X und X' jeweils für Halogen stehen, das aus der Gruppe bestehend aus Chlor und Brom ausgewählt ist, oder entweder X oder X' für Wasserstoff steht, während das andere für aus der Gruppe Chor und Brom ausgewähltes Halogen steht, und worin R&sub1;, R&sub2;, R&sub3; und R&sub4; jeweils aus der aus Wasserstoff, C&sub1;-C&sub4;-Alkoxy, Hydroxy, Phenyl und substituiertem Phenyl bestehenden Gruppe ausgewählt sind oder R&sub1;, R&sub2; undloder R&sub3;, R&sub4; eine aus der Gruppe bestehend aus Pentamethylen und Tetramethylen und Mischungen davon ausgewählte Spiro-Substitution darstellen kann; jedoch mit der Maßgabe, daß nicht mehr als einer der Substituenten R&sub1;-R&sub4; Wasserstoff ist. Die Verbindung 1 Chlor-2,2,5,5-tetramethylimidazolidin-4-on ist nicht neu, sie wurde von T. Toda, E. Non, H. Horiuchi und K. Murayama hergestellt und als Quelle für Aminoreste in einem Elektronenspin resonanz-Experiment, jedoch nicht als Desinfektionsmittel verwendet, wie in dem Artikel "Studies on Stable Free Radicals. X. Photolysis of Hindered N-Chloramines", Bull. Chem. Soc. Japan, 45, 1802 (1972) beschrieben.
Die hierin zur Verwendung als Desinfektionsmittel beschriebenen halogenierten Imidazolidin-4-on-Derivate können in Kombination mit anderen Quellen für aktives desinfizierendes Halogen, z.B. Chlor oder Brom, verwendet werden. Beispiele für andere Quellen für desinfizierendes Halogen umfassen Chlorgas, Bromflüssigkeit, Natriumhypochlorit, Calciumhypochlorit, tert.-Butylhypochlorit, N-Chlorsuccinimid, N- Bromsuccinimid, N,N'-Dihalogendimethylhydantoine, Trichlorisocyanursäure, Natrium- oder Kaliumsalze von N-Halogenhydantoinen oder N,N'- Dihalogencyanuraten, N-Halogen-2-oxazolidinone, N-Halogenglykolurile und N,N'- Dihalogen-2-imidazolidinone, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Derartige zusätzliche Quellen für aktives Halogen können vor, nach oder gleichzeitig mit der Verwendung der vorstehenden Imidazolidin-4-on-Derivate verwendet werden.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird erwartet, daß die wäßrigen oder anderen Lösungsmedien durch Einführen von (a) einem nichthalogenierten oder monohalogenierten Imidazolidin-4-on, das den Verbindungen der Strukturformel II entspricht, d.h. Verbindungen&sub1; die durch die Strukturformel III dargestellt werden:
worin X und X' aus der Gruppe Wasserstoff, Chlor und Brom ausgewählt sind; mit der Maßgabe, daß mindestens eines Wasserstoff sein muß; und worin R&sub1;, R&sub2;, R&sub3; und R&sub4; jeweils aus der Gruppe bestehend aus Wasserstoff, C&sub1;-C&sub4;-Alkyl, C&sub1;-C&sub4;-Alkoxy, Hydroxy, Phenyl und substituiertem Phenyl ausgewählt sind oder R&sub1;, R&sub2; und/oder R&sub3;, R&sub4; eine aus der Gruppe bestehend aus Pentamethylen und Tetramethylen und Mischungen davon ausgewählte Spiro-Substitution darstellen können, jedoch mit der Maßgabe, daß nicht mehr als einer der Substituenten R&sub1;-R&sub4; Wasserstoff ist, und (b) mindestens einer stöchiometrischen Menge einer aus der Gruppe bestehend aus Chlor und Brom ausgewählten Halogen-Quelle, um dadurch in situ eine biozide Menge des entsprechenden N,N'-Dihalogenimidazolidin-4-on- oder 1-Halogenimidazolidin-4-on- oder 3-Halogenimidazolidin-4-on-Derivats zu bilden, in die Medien desinfiziert werden können. Chlor- und Brom-Quellen, die verwendet werden können, umfassen Chlorgas, Bromflüssigkeit, Natriumhypochlorit, Calciumhypochlorit, tert.-Butylhypochlorit und N-halogenierte Verbindungen, die ihr Halogen in wäßrigen oder anderen Lösungsmedien freisetzen und unter den Desinfektionsbedingungen weniger stabil sind als das in situ gebildete N,N'- Dihalogenimidazolidin-4-on, z. B. N,N'-Dihalogenhydantoine und Trichlorisocyanursäure, sind jedoch nicht darauf beschränkt.
Allgemein wird eine ausreichende Menge an N,N'-Dihaldgenimidazolidin-4-on oder N-Halogenimidazolidin-4-on (vorgebildet oder in situ gebildet) der Strukturformel II oder III verwendet, um ein Potential von etwa 0,3 bis 10 mg positivem Halogen, z.B. Chlor, pro Liter Lösung bereitzustellen, um eine biozide Wirkung in der Lösung zu erzielen. Die Menge an von dem halogenierten Imidazolidin-4-on-Derivat geliefertem Potential an positivem Halogen, z.B. Chlor, entspricht der theoretischen Menge an Halogen, die aus dem verwendeten Derivat erhältlich ist, oder allgemein wird zwischen 1 und 60 mg/l Lösung des halogenierten Imidazolidin-4-ons verwendet, um eine biozide Menge bereitzustellen.
Alle Mikroorganismen in wäßrigen oder anderen Lösungen oder auf harten Oberflächen, die für eine Desinfektion durch freies Halogen, z.B. freies Chlor, empfänglich sind, sind auch für eine Desinfektion durch die halogenierten Imidazolidin-4-on-Derivate empfänglich, wie z.B. Bakterien, Protozoen, Pilze, Viren und Algen. Unter den bekannteren Mikroorganismen, die für eine Desinfektion durch die halogenierten Imidazolidin-4-on-Derivate empfänglich sind, können Bakterien, wie z.B. Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa, Shigella boydii, Salmonella enteritidis und Legionella pneumophila; Protozoen, wie z.B. Giardia lamblia; Pilze, wie z.B. Candida albicans; Viren, wie z.B. Herpesvirus und Rotavirus; und Algen, wie z.B. Anabaena cylindrica, Oscillatoria lutea und Chlorella pyrenoidosa, genannt werden. Die Menge an halogeniertem Imidazolidin-4-on- Derivat, die erforderlich ist, um ein Bakterium in seiner Umgebung zu inaktivieren, kann als bakterielle Menge beschrieben werden. Wenn es sich bei dem Organismus um ein Protozoon, einen Virus oder Pilz handelt, wird die erforderliche Menge an halogeniertem Imidazolidin-4-on-Derivat ähnlich als protozoide, viruzide oder fungizide Menge bezeichnet. Im Fall von Algen kann die Menge an halogeniertem Imidazolidin-4-on-Derivat statt als algizide Menge als algistatische Menge ausgedrückt werden, da die halogenierten Imidazolidin-4-on-Derivate dabei wirksam sind, das Wachstum von Algen in wäßriger Lösung zu verhindern. Eine biozide Menge, wie hierin verwendet, bezieht sich auf eine bakterielle, protozoide, viruzide, fungizide oder algistatische Menge.
Die hierin beschriebenen halogenierten Imidazolidin-4-on-Derivate können in einer Vielzahl von Bleich-, Desinfektions-, Sterilisier- und anderen bioziden Anwendungen eingesetzt werden. Es wird erwartet, daß sie bei der Bekämpfung mikrobiologischer Verunreinigung von Schwimmbädern und Heizrohren von besonderem Nutzen sind. Die Langzeitbeständigkeit der Verbindungen ermöglicht eine Desinfektion über längere Zeiträume ohne häufiges Auffrischen. Die nicht-halogenierten oder monohalogenierten Imidazolidin-4-on-Derivate sind insofern als "Stabilisatoren" für freies Halogen von Nutzen, als Mischungen von freiem Halogen und den Derivaten in situ in Form der halogenierten Derivate vorliegen. Somit verhindert eine Mischung von nicht-halogeniertem Imidazolidin-4-on-Derivat mit freiem Halogen bei gelegentlicher Zugabe von freiem Halogen in ein Schwimmbad über längere Zeiträume hinweg das Wachstum von Algen in dem Schwimmbad. Die halogenierten Imidazolidin-4-on-Derivate sind unter Einwirkung von direktem Sonnenlicht wesentlich stabiler als bekannte Quellen für freies Halogen, wie z.B. die N- Halogenhydantoine und N-Halogenisocyanurate, und können somit als Quellen für "stabilisiertes" Halogen erachtet werden. Die halogenierten Imidazolidin-4-on- Derivate verhindern das Wachstum von unerwünschten Organismen, wie z.B. Legionella pneumophila, Algen und Quellen für biologischen Bewuchs in geschlossenen Kühlwasserkreisläufen. Die außergewöhnliche Stabilität der Verbindungen bei erhöhten Temperaturen, z.B. 37ºC, macht sie zur Desinfektion von Heizrohren und Lebensmitteln geeignet. Des weiteren sind diese Verbindungen als Bakterizide gegen den Mikroorganismus Salmonella enteritidis von Nutzen, z.B. in der Geflügel-verarbeitenden Industrie. Die milde, nicht-korrosive Natur der Verbindungen sorgt dafür, daß sie als Desinfektionsmittel für harte Oberflächen, z.B. in Krankenhäusern und für WC-Becken, geeignet sind. Sie dürften als Desinfektionsmittel in der Lebensmittel-verarbeitenden Industrie und für sterile Reinigungsmittel zum Geschirrspülen in Restaurants weitverbreitet Verwendung finden.
Die hierin beschriebenen halogenierten und nicht-halogenierten Imidazolidin-4-on- Derivate können in diversen flüssigen und festen Formulierungen wie Pulvern, granulären Materialien, Lösungen, Konzentraten, Emulsionen und Aufschlämmungen verwendet werden Somit können die Imidazolidin-4-on-Derivate mit Trägern wie Verdünnungsmitteln, Streckmitteln, Füllstoffen, Konditionierungsmitteln, wäßrigem Lösungmittel, organischen Lösungsmitteln und dergleichen kombiniert werden. Ihre Verwendung in Formulierungen, die Netzmittel, Emulgatoren oder Dispergiermittel, wie z.B. Sulfonate, Alkanole, Alkohole oder andere ähnliche oberflächenaktive Materialien beinhalten, kann von besonderem Nutzen sein. Die Verbindungen sind auch mit Puffern und anderen Halogen-Quellen kompatibel. Der hierin verwendete Ausdruck "wirksame Menge eines Trägers" meint die Menge an Träger, die, in Verbindung mit dem Imidazolidin-4-on-Derivat, in der Lage ist, eine flüssige oder feste Formulierung, wie z.B. ein Pulver, ein granuläres Material, eine Lösung, ein Konzentrat, eine Emulsion oder eine Aufschlämmung zu bilden.
Die vorliegende Erfindung wird in den folgenden Beispielen, die nur der Veranschaulichung dienen sollen, da für Fachleute zahlreiche Abwandlungen und Änderungen darin offensichtlich sind, genauer beschrieben.

BEISPIEL 1

Herstellung von 2,2,5,5-Tetramethylimidazolidin-4-thion

In einem 1 I-Kolben wurde ein Lösung von 14,7 g (0,3 Mol) Natriumcyanid, 16,1 g (0,3 Mol) Ammoniumchlorid und 111,4 g 23,8% wäßrigem Ammoniumsulfid (0,39 Mol) in 80 ml Wasser hergestellt. 34,8 g (0,6 Mol) Aceton wurden über einen Zeitraum von 20-30 Minuten langsam unter R(ihren zugegeben. Dann wurde der Inhalt des Reaktionskolbens 6 Stunden lang bei einer mit Hilfe eines beheizten Wasserbades erzeugten Temperatur von 55-70ºC gerührt. Dann wurde der die Reaktionsprodukte enthaltende Kolben in einem Eisbad abgekühlt, was die Fällung des 2,2,5,5-Tetramethylimidazolidin-4-thions bewirkte. Das feste Produkt wurde durch Saugfitration gewonnen und weiteres Produkt wurde bei der Saugfiltration nach Konzentration der wäßrigen Lösung durch Evakuierung gewonnen. Der Feststoff wurde durch Umkristallisation aus einer Mischung von 20 Teilen Wasser zu 1 Teil Aceton gereinigt. Die Gesamt-Produktausbeute betrug 46,0 g oder 97% dessen, was theoretisch erwartet worden war. Es wurde festgestellt, daß das Produkt einen Schmelzbereich von 153-154ºC aufwies.

BEISPIEL 2

Herstellung von 2,2,5,5-Tetramethylimidazolidin-4-on

15,8 g (0,1 Mol) des Thion-Produkts von Beispiel 1 wurden zu 125 ml 2 N Natriumhydroxid-Lösung in einem 500 ml-Kolben gegeben. Dann wurden 57 ml 30% Wasserstoffperoxid über einen Zeitraum von 30-40 Minuten bei 5-10ºC zugegeben, während mit dem Kolben in einem Eisbad gerührt wurde. Dann ließ man die Reaktionsmischung bei Umgebungstemperatur 2 Stunden lang stehen. Die Lösung wurde zur Trockne eingedampft und das feste 2,2,5,5-Tetramethylimidazolidin-4-on Produkt wurde aus Isopropylalkohol umkristallisiert. Die Gesamt-Produktausbeute betrug 14,2 g oder 90% dessen, was theoretisch erwartet worden war. Es wurde festgestellt, daß das Produkt einen Schmelzbereich von 169-170ºC aufwies.

BEISPIEL 3

Herstellung von 1,3-Dichlor-2,2,5,5-tetramethylimidazolidin-4-on

Dieses Produkt wurde mit Hilfe von zwei Verfahren hergestellt: (a) Chlorierung des wie in Beispiel 1 hergestellten Thions mit als Oxidationsmittel und Halogenierungsmittel dienendem Chlor und (b) Chlorierung des wie in Beispiel 2 hergestellten Ketons.
In Verfahren (a) wurden 47,4 g (0,3 Mol) 2,2,5,5-Tetramethylimidazolidin-4-thion in 1,2 I 3 N Natriumhydroxid-Lösung (3,6 Mol) in einem 2 I-Kolben gelöst. Der Kolben und sein Inhalt wurden unter Verwendung eines Eisbades auf 5ºC abgekühlt und Chlorgas wurde unter Rühren in die Mischung eingeblasen, bis der pH der Lösung 7,0 erreichte. Während dieses Verfahrens ließ man die Temperatur der Mischung nicht über 10ºC steigen. Das N,N'-Dichlorimidazolidin-4-on-Produkt fiel als weißer Feststoff aus. Im Anschluß an die Zugabe von 800 ml Wasser zu dem Kolben wurde das feste Produkt durch Saugfiltration gewonnen. Dann wurde das Produkt durch Lösen desselben in Hexan, wobei man die Verunreinigungen und restliches Wasser absetzen ließ, und Rückgewinnung durch Eindampfen der flüchtigen Hexan-Schicht, die von der Verunreinigungs-/Wasser-Schicht abgetrennt wurde, gereinigt. Die Produktausbeute betrug 53,9 g oder 85% dessen, was theoretisch erwartet worden war. Eine Elementaranalyse des Produkts (1,3-Dichlor-2,2,5,5-tetramethylimidazolidin-4-on) ergab die folgenden Ergebnisse: (berechnet/vorgefunden) % Kohlenstoff 39,82/39,86, % Wasserstoff 5,73/5,50, % Stickstoff 13,27/13,24 und % Chlor 33,59/32,88. Es wurde festgestellt, daß das Produkt eine Löslichkeit in Wasser im Bereich von 0,138 g in 100 ml Wasser bei 3ºC bis 0,224 g in 100 ml Wasser bei 37ºC aufwies. Das Produkt wies einen Schmelzbereich von 69-71ºC auf. Eine Analyse des Produkts durch Protonen-NMR und Infrarotspektroskopie ergab die folgenden Ergebnisse:
¹H NMR (CCl&sub4;) δ = 1,36 (8, 6H), δ = 1,50 (S, 6H);
IR (KBr) 1720, 2950 cm&supmin;¹
In Verfahren (b) wurden 5,1 g (0,036 Mol) 2,2,5,5-Tetramethylimidazolidin-4-on in 88 mli N Natriumhydroxid (0,088 Mol) in einem 250 ml-Kolben gelöst. Der Kolben und sein Inhalt wurden in ein Eisbad gegeben und Chlorgas wurde unter Rühren und Halten der Temperatur unter 10ºC in die Mischung eingeblasen, bis ein pH von 7, erreicht war. Das N,N'-Dichlorimidazolidin-4-on-Produkt fiel als weißer Feststoff aus. Das Produkt wurde durch Saugfiltration gewonnen und durch Umkristallisation aus Hexan gereinigt. Es besaß die gleichen Eigenschaften wie jene, die für das in Verfahren (a) erhaltene Porudkt bestimmt worden waren. Die Ausbeute betrug 6,9 g oder 91% dessen, was theoretisch erwartet worden war.

BEISPIEL 4

Herstellung von 1,3-Dibrom-2,2,5,5-tetramethylimidazolidin-4-on

5,1 g (0,036 Mol) wie in Beispiel 2 hergestelltes 2,2,5,5-Tetramethylimidazolidin-4-on wurden in 88 mli N Natriumhydroxid-Lösung (0,088 Mol) in einem 250 ml-Kolben gelöst. Während diese Mischung unter Verwendung eines Eisbades bei 10ºC oder darunter gehalten und gerührt wurde, wurden 12,8 g (0,08 Mol) flüssiges Brom zugetropft. Das Produkt 1,3-Dibrom-2,2,5,5-tetramethylimidazolidin-4-on fiel als blaßgelber Feststoff aus der Mischung aus. Das Produkt wurde durch Saugfiltration gewonnen und durch Umkristallisation aus Hexan gewonnen. Die Produktausbeute betrug 9,2 g oder 85% dessen, was theoretisch erwartet worden war. Eine Elementaranalyse des Produkts (1,3-Dibrom-2,2,5,5-tetramethylimidazolidin-4-on) ergab die folgenden Ergebnisse: (berechnet/vorgefunden) % Kohlenstoff 28,00127,80, % Wasserstoff 4,00/4,07, % Stickstoff 9,33/9,39 und % Brom 53,33/52,09. Es wurde festgestellt, daß das Produkt eine Löslichkeit in Wasser im Bereich von 0,072 g in 100 ml Wasser bei 3ºC bis 0,120 g in 100 ml Wasser bei 37ºC aufwies. Das Produkt wies einen Schmelzbereich von 109-111ºC auf. Eine Analyse des Produkts durch Protonen-NMR und Infrarotspektroskopie ergab die folgenden Ergebnisse:
¹H NMR (CCl&sub4;) δ = 1,35 (S, 6H), δ = 1,51(S, 6H);
IR (KBr) 1725, 2965 cm-¹.

BEISPIEL 5

Herstellung von 1-Brom-3-chlor-2,2,5,5-tetramethylimidazolidin-4-on

6,4 g (0,045 Mol) wie in Beispiel 2 hergestelltes 2,2,5,5-Tetramethylimidazolidin-4-on wurden in 55 ml 1 N Natriumhydroxid-Lösung (0,055 Mol) in einem 250 ml-Kolben gelöst. Während die Reaktionsmischung unter Verwendung eines Eisbades bei einer Temperatur von 5-10ºC gehalten und gerührt wurde, wurden 4,0 g (0,025 Mol) flüssiges Brom zugetropft. Die Reaktionsmischung wurde eine weitere Stunde lang bei Eisbad-Temperatur und dann 1-2 Stunden bei Kaltwasserbad-Bedingungen (10- 20ºC) gerührt. Im Anschluß an das erneute Abkühlen der Mischung unter 10ºC wurden 50 mli N Natriumhydroxid-Lösung (0,05 Mol) zugegeben und Chlorgas wurde unter Rühren bei 5-10ºC eingeblasen, bis der pH 6-7 erreichte. Das 1-Brom-3- chlor-2,2,5,5-tetramethylimidazolidin-4-on-Produkt fiel als weißer Feststoff aus. Das Produkt wurde durch Saugfiltration gewonnen und durch Umkristallisation aus Hexan gereinigt. Die Produktausbeute betrug 11,2 g oder 97% dessen, was theoretisch erwartet worden war. Eine Elementaranalyse des Produkts ergab die folgenden Ergebnisse: (berechnet/vorgefunden) % Kohlenstoff 32,88/32,68, % Wasserstoff 4,70/4,74, % Stickstoff 10,96/10,83, % Brom 31,31133,37, % Chlor 13,89/12,67. Die im Vergleich zu den theoretischen Werten vorgefundenen relativ hohen bzw. niedrigen Werte für Brom und Chlor deuten darauf hin, daß das Produkt mit einer geringen Menge an 1,3-Dibrom-2,2,5,5-tetramethylimidazolidjn-4-on verunreinigt war. Es wurde festgestellt, daß das Produkt eine Löslichkeit in Wasser im Bereich von 0,102 g in 100 ml Wasser bei 3ºC bis 0,193 g in 100 ml Wasser bei 37ºC aufwies. Das Produkt wies einen Schmelzpunkt von 88ºC ± 2ºC auf. Eine Analyse des Produkts durch Protonen-NMR und Infrarotspektroskopie ergab die folgenden Ergebnisse:
¹H NMR (CCl&sub4;) δ = 1,34 (S, 6H), δ = 1,50 (S, 6H);
IR (KBr) 1700, 2950 cm&supmin;¹.

BEISPIEL 6

Herstellung von 1-Chlor-2,2,5,5-tetramethylimidazolidin-4-on

14,2 g (0,1 Mol) wie in Beispiel 2 hergestelltes 2,2,5,5-Tetramethylimidazolidin-4-on wurden in 100 ml 1 N Natriumhydroxid-Lösung (0,1 Mol) in einem 250 ml-Kolben gelöst. Der die Mischung enthaltende Kolben wurde in ein Eisbad gegeben und unter Rühren bei oder unter 10ºC gehalten, während Chlorgas eingeblasen wurde, bis der pH 7,0 erreichte. Das Produkt 1-Chlor-2,2,5,5-tetramethylimidazolidin-4-on, das als weißer Feststoff ausfiel, wurde durch Saugfiltration gewonnen und durch Umkristallisation aus einer Etherlhexan-Mischung gereinigt. Die Produktausbeute betrug 17,7 g oder 95% dessen, was theoretisch erwartet worden war. Das Produkt wies einen Schmelzbereich von 157,0-1 57,5ºC auf. Eine Analyse des Produkts durch Protonen-NMR und IR-Spektroskopie ergab die folgenden Ergebnisse:
¹H NMR (CDCl&sub3;) δ = 1,32 (S, 6H), δ = 1,46 (S, 6H), δ = 7,57 (breit, 1H); IR (KBr) 1670,1720, 3160 cm&supmin;¹.

BEISPIEL 7

in situ-Bildung von N-halogenierten Imidazolidin-4-onen

Eine 50,0 mg (3,52 x 10&supmin;&sup4; Mol) wie in Beispiel 2 synthetisiertes 2,2,5,5- Tetramethylimidazolidin-4-on enthaltende wäßrige Lösung in 50,0 ml 0,05 molarem Natriumphosphat-Puffer (pH 7,0) wurde hergestellt. Die Pufferlösung war durch Chiorierung mit 3 mg/l des gesamten Chlors aus Natriumhypochlor it gefolgt von 2- tägiger Bestrahlung mit direktem Sonnenlicht, bis kein titrierbares Chlor übrigblieb, Halogen-bedarfsfrei hergestellt worden. Eine auf pH 7,0 gepufferte Halogenbedarfsfreie Lösung von freiem Chlor wurde durch Einblasen von Chlorgas in einen das bedarfsfreie gepufferte Wasser enthaltenden Kolben hergestellt. Dann wurden 19 ml der 1,31 g pro Liter freies Chlor (7,02 x 10&supmin;&sup4; Mol positives Halogen) enthaltenden Lösung bei Umgebungstemperatur (24 ± 1ºC) unter Rühren zu der das 2,2,5,5-Tetramethylimidazolidin-4-on enthaltenden Lösung gegeben.
Dann wurde die Reaktionsgeschwindigkeit für die in situ-Bildung von 1,3-Dichlor- 2,2,5,5-tetramethylimidazolidin-4-on und/oder 1-Chlor-2,2,5,5-tetramethylimidazolidin-4-on kinetisch verfolgt, indem man die Abnahme der Konzentration an freiem Chlor aus der Reaktionsmischung in Abhängigkeit von der Zeit beobachtete. Die Konzentration an freiem Chlor wurde überwacht, indem man in regelmäßigen Abständen Aliquota aus der Mischung entnahm und diese mit Hilfe des DPD/FAS(N,N-Diethyl-p-phenylendiaminleisen(II)ammoniumsulfat)-Verfahrens titrierte, wie in "Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater", 16. Ausgabe, American Public Health Association, Washington, D. C., 1985, 5. 306-309 beschrieben. Die Mol an in der Reaktionsmischung vorhandenem freiem Chlor nahmen von 7,02 x 10&supmin;&sup5; zum Zeitpunkt des Mischens auf 4,45 x 10&supmin;&sup5; nach nur 48 Sekunden ab, was 94% der Reaktion darstellt. Nach 2,87 Minuten nahm der Gehalt an freiem Chlor dann weiter auf 3,63 x 10&supmin;&sup5; Mol, nach 6,07 Minuten auf 3,48 x 10&supmin;&sup5; Mol und nach 114, 6 Minuten auf 3,32 x 10&supmin;&sup5; Mol ab. Somit hatten nach 114,6 Minuten 96% der Reaktion stattgefunden. Zu diesem Zeitpunkt wurden zusätzliche 1,76 x 10&supmin;&sup5; Mol 2,2,5,5-Tetramethylimidazolidin-4-on zugegeben und die Konzentration an freiem Chlor nahm auf 0 ab, nachdem insgesamt 140 Minuten vergangen waren.
Die Daten deuten darauf hin, daß das 2,2,5,5-Tetramethylimidazolidin-4-on eine geringe Menge an inerten Verunreinigungen (weniger als oder gleich 5%) enthielt, und daß sich, obwohl der Anteil an Dichlor- und Monochlorimidazolidin-4-on nicht bestimmt wurde, die halogenierten Imidazolidin-4-one effizient und schnell (in weniger als 1 Minute) in situ bilden, wenn freies Chlor zu bedarfsfreiem Wasser bei pH 7,0, welches das nicht-halogenierte 2,2,5,5-Tetramethylimidazolidin-4-on enthält, gegeben wird.

BEISPIEL 8

Hydrolysegleichgewichtskonstante für 1,3-Dichlor-2,2,5,5-tetramethylimidazolidin-4-on

Die Gleichgewichtskonstante für die Hydrolysereaktion von 1,3-Dichlor-2,2,5,5- tetramethylimidazolidin-4-on unter Bildung von 1-Chlor-2,2,5,5-tetramethylimidazolidin-4-on und freiem Chlor (Cl&spplus;) wurde bei pH 7,0 und 24 ±ºC bestimmt. Dies erfolgte dadurch, daß man eine Lösung des 1,3-Dichlor-2,2,5,5-tetramethylimidazolidin-4-ons in bedarfsfreiem 0,05 molarem Natriumphosphat-Puffer (pH 7,0) herstellte und zuließ, daß sich bei der Lösung unter 1-stündigem Rühren ein Gleichgewicht einstellte. Dann wurde das DPD/FAS-Verfahren (wie in Beispiel 7) verwendet, um die Konzentrationen an freiem und gesamtem Chlor in der äquilibrierten Lösung zu bestimmen. Die Konzentration an gebundenem 13-Dichlor- 2,2,5,5-tetramethylimidazolidin-4-on wurde anhand der Differenz zwischen den gemessenen Konzentrationen an gesamtem und freiem Chlor berechnet. Die Hydrolysegleichgewichtskonstante wurde dann als das Quadrat der molaren Konzentration an freiem Chlor geteilt durch die molare Konzentration an gebundenem Chlor berechnet. Bei einer molaren Ausgangs-Konzentration an gesamtem Chlor von 4,441 x 10&supmin;³ Mol pro Liter betrug die Konzentration an gebundenem Chlor beim Gleichgewicht 4,428 x 10&supmin;³ Mol pro Liter und die Konzentration an freiem Chlor betrug 1,269 x 10&supmin;&sup5; Mol pro Liter. Diese Daten ergeben eine Hydrolysegleichgewichtskonstante für das Dichlorimidazolidin-4-on von 3,64 x 10&supmin;&sup8;. Bei einer molaren Ausgangs-Konzentration an gesamtem Chlor von 1,764 x 10&supmin;³ Mol pro Liter betrug die Konzentration an gebundenem Chlor beim Gleichgewicht 1,759 x 10&supmin;³ Mol pro Liter und die Konzentration an freiem Chlor betrug 5,360 x 10&supmin;&sup6; Mol pro Liter. Diese Daten ergeben eine Hydrolysegleichgewichtskonstante von 1,63 x 10&supmin;&sup8;. Die durchschnittliche Gleichgewichtskonstante für die beiden getrennten Bestimmungen betrug somit 2,6 ±,1,0 x 10&supmin;&sup8;.
Dieser Wert für die Hydrolysegleichgewichtskonstante für 1,3-Dichlor-2,2,5,5- tetramethylimidazolidin-4-on ist viel niedriger als jene, die für die handelsüblichen N- Halogenamine Dichlordimethylhydantoin (2,54 x 10&supmin;&sup4;) und Trichlorisocyanursäure (1,6 x 10&supmin;&sup4;) angegeben werden (G. D. Nelson, "Chloramines and Bromamines", Kirk- Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 3. Ausgabe, Band 5, Wiley Interscience, New York, 1979, S.565).
Dagegen ist der Wert etwas höher als jener, der von D. E. Williams, E. D. Elder und S. D. Worley in einem Artikel mit dem Titel "Is Free Halogen Necessary for Disinfection?", Appl. Environ. Microbiol., 54, 2583 (1988) für das handelsübliche N-Halogenamin 3-Chlor-4,4-dimethyl-2-oxazolidinon (2,3 x 10&supmin;&sup9;) angegeben wird.
Anhand dieser Ergebnisse wird erwartet, daß 1,3-Dichlor-2,2,5,5-tetramethylimidazolidinon in Wasser bei pH 7,0 erheblich stabiler als Dichlordimethylhydantoin und Trichlorisocyanursäure, jedoch etwas weniger stabil als 3-Chlor4,4-dimethyl-2- oxazolidinon sein dürfte. Dies dürfte sich auf seine Verwendung vorteilhaft auswirken, da Dichlordimethylhydantoin und Trichlorisocyanursäure in wäßriger Lösung begrenzte Stabilität besitzen, wodurch sie häufig aufgefrischt werden müssen, während 3-Chlor-4,4-dimethyl-2-oxazolidinon so stabil ist, daß es fast kein freies Chlor freisetzt, was es zu einem sehr langsam wirkenden Biozid macht. Das neue dihalogenierte Imidazolidin-4-on dürfte die Lücke zwischen diesen beiden Extremen schließen.

BEISPIEL 9

Laborstabilität von 1,3-Dichlor-2,2,5,5-tetramethylimidazolidin-4-on

Die Stabilität von 1,3-Dichlor-2,2,5,5-tetramethylimidazolidin-4-on (Verbindung 1) in Halogen-bedarfsfreiem Wasser wurde bei 22ºC und pH-Werten von 4,5, 7,0 und 9,5 bestimmt und die Ergebnisse wurden mit denen für freies Chlor, das von Calciumhypochlorit bereitgestellt wurde, verglichen. Das bedarfsfreie Wasser (DFW) wurde durch Chlorierung von auf den entsprechenden pH gepuffertem destilliertem, entionisiertem Wasser gefolgt von Entchlorung (des überschüssigen freien Chlors) durch Bestrahlung mit direktem Sonnenlicht, bis kein freies Chlor übrigblieb, hergestellt. Diese Behandlung gewährleistete, daß der gesamte Halogen-Bedarf in dem Wasser neutralisiert wurde. Dann wurden Verbindung 1 und Calciumhypochlorit getrennt in identischen (auf einen entsprechenden pH gepufferten) DFW-Lösungen gelöst, so daß die gleichen End konzentrationen an gesamtem Chlor (10 mg/l positives Chlor-Potential) erhalten wurden. Dann wurden die Lösungen in getrennten Kolben, die mit porösen, sterilen Wattepfropfen verschlossen waren, um einen freien Austausch mit Laborluft zu ermöglichen, mit Hilfe eines kontrollierten Wasserbades über einen Zeitraum von mehreren Wochen bei einer konstanten Temperatur von 22ºC gehalten. Aliquota wurden in regelmäßigen Abständen (mindestens wöchentlich) entnommen und das verbleibende gesamte positive Chlor wurde dreifach durch herkömmliche iodometrische Titration bestimmt. Die Ergebnisse sind tabellarisch in Tabelle 1 zusammengestellt. TABELLE I Prozentsatz an verbleibendem Chlor Temp. = 22ºC
a 0,05-molarer Acetat-Puffer
b 0,05-molarer Phosphat-Puffer
c 0,01-molarer Borat/NaOh-Puffer
d 6,14 Wochen
1 = 1,3-Dichlor-2,2,5,5-tetramethylimidazolidin-4-on
2 = freies Chlor aus Calciumhypochlorit
NB = nicht bestimmt
Die Daten von Tabelle I zeigen, daß Verbindung 1 in DFW bei pH 7,0 bei 22ºC erheblich stabiler ist als freies Chlor. Verbindung list auch in alkalischem DFW (pH 9,5) stabiler als freies Chlor. Verbindung 1 ist jedoch in saurem DFW (pH 4,5) ziemlich instabil, was darauf hindeutet, daß der Imidazolidin-4-on-Ring bei niedrigem pH sehr wahrscheinlich einer Zersetzung unterliegt. Für die meisten Desinfektionsanwendungen wird der pH bei 7,0 oder höher gehalten, unter welchen Bedingungen Verbindung 1 in DFW stabiler als freies Chlor ist.

BEISPIEL 10

Laborstabilität von 1-Chlor-2,2,5,5-tetramethylimidazolidin-4-on

Das Hydrolyse-Produkt von 1,3-Dichlor-2,2,5,5-tetramethylimidazolidin-4-on ist 1-Chlor-2,2,5,5-tetramethylimidazolidin-4-on (siehe Beispiel 8). Die Stabilität des Monochlorimidazolidin-4-on in bedarfsfreiem Wasser (DFW) bei pH 7,0 und 22ºC wurde in analoger Weise zu dem in Beispiel 9 beschriebenen Verfahren bestimmt. Somit wurde wie in Beispiel 6 hergestelltes 1-Chlor-2,2,5,54etramethylimidazolid in-4- on (Verbindung 3) in bei pH 7,0 gepuffertem DFW gelöst, um eine Ausgangskonzentration des Gesamt-Potentials an positivem Chlor von 10 mg/l zu erhalten. Die Lösung wurde, wie in Beispiel 9 beschrieben, wöchentlich analysiert. Die Ergebnisse zeigten, daß das Gesamt-Potential an positivem Chlorgehalt über einen Zeitraum von 7 Wochen sehr langsam abnahm, wobei nach dem Zeitraum von 7 Wochen 89,0% verblieben. Dieses Verhalten zeigt, daß Verbindung 3 in DFW bei pH 7,0 und 22ºC stabiler als Verbindung 1 und erheblich stabiler als freies Chlor (Verbindung 2) ist (siehe auch Daten in Beispiel 9).

BEISPIEL 11

Laborstabilitäten von 1,3-Dibrom-2,2,5,5-tetramethylimidazolidin-4-on und 1-Brom-3-chlor-2,2,5,5-tetramethylimidazolidin-4-on

Die Stabilitäten von 1,3-Dibrom-2,2,5,5-tetramethylimidazolidin-4-on (Verbindung 4) und 1 -Brom-3-chlor-2,2,5,5-tetramethylimidazolidin-4-on (Verbindung 5) in Halogenbedarfsfreiem Wasser (DFW) wurden bei 22ºC und pH-Werten von 7,0 und 9,5 unter Verwendung der gleichen Verfahren wie unter Beispiel 9 erörtert bestimmt. Angesichts der Instabilität von Verbindung 1 bei pH 4,5 (Beispiel 9) wurde es als nicht notwendig erachtet, Verbindungen 4 und 5 bei diesem pH zu testen. Die beiden Verbindungen wurden in getrennten Kolben in auf den entsprechenden pH gepuffertem DFW gelöst und mit Hilfe eines thermostatisierten Bades bei einer Temperatur von 22ºC gehalten. Die Ausgangs-Konzentrationen des Gesamt- Potentials an positivem Halogen in den beiden Lösungen betrugen 22,6 mg/l für Verbindung 4 und 16,25 mg/l für Verbindung 5; diese Konzentrationen stellen die Moläquivalente des Gesamt-Potentials an positivem Halogen zu der für Verbindung 1 in Beispiel 9 verwendeten Konzentration dar. Die Lösungen wurden in der in Beispiel 9 beschriebenen Weise analysiert. Die Ergebnisse sind zum Vergleich zusammen mit denen für Verbindung 1 tabellarisch in Tabelle II zusammengestellt.
Die Daten von Tabelle II zeigen, daß Verbindung 1 in DFW bei pH-Werten von 7, und 9,5 und 22ºC erheblich stabiler ist als Verbindungen 4 und 5. Verbindung 5 ist nur bei pH 9,5 hinsichtlich der Stabilität mit freiem Chlor vergleichbar (siehe Daten in Beispiel 9).

TABELLE II Prozentsatz an verbleibendem Chlor

a 0,05-molarer Phosphat-Puffer
b 0,01-molarer Borat/NaOh-Puffer
c 0,43 Wochen
1 = 1,3-Dich lor-2,2,5,5-tetramethylimidazolidin-4-on
4 = 1,3-Dibrom-2,2,5,5-tetramethylimidazolidin-4-on
5 = 1-Brom-3-chlor-2,2,5,5-tetramethylimidazolidin-4-on
NB = nicht bestimmt

BEISPIEL 12

Stabilitäten von Halogenimidazolidin-4-on-Derivaten in starken Halogen-Bedarf enthaltendem Wasser

Ein Wasser mit synthetischem Halogen-Bedarf (SDW) wurde durch Mischen der folgenden Substanzen mit bedarfsfreiem Wasser (DFW) hergestellt: je 375 mg/l der anorganischen Salze Natriumchlorid, Kaliumchlorid, Calciumchlorid und Magnesiumchlorid; 50 mg/l Fullererde; 30 mg/l Huminsäure; 0,01% End- Konzentration an wärmebehandeltem Pferdeserum; und 5 x 10&sup5; Zellen pro ml durch Erhitzen abgetöteter Saccharomyces cerevisiae-Hefezellen. Die SDW-Lösung wurde mit 0,01-molarem Borat/Natriumhydroxid auf einen pH von 9,5 gepuffert und während der Experimente bei 4ºC gehalten. Die Bedingungen hoher lonenkonzentration, Trübung und organischen Materials und eines alkalischen pH bei niedriger Temperatur werden als Worst-Case-Szenario für Desinfektionsanwendungen erachtet und dürften somit die optimale Stabilitätsprüfung für die neuen Verbindungen bereitstellen.
Verbindungen 1, 2, 3 und 5 wurden in getrennten Kolben auf eine Ausgangs- Konzentration von 10 mg/l Gesamt-Potential an positivem Chlor bzw. ihr Moläquivalent (16,25 mg/l) des Gesamt-Potentials an positivem Halogen für Verbindung 5 gelöst. Aliquota wurden über einen Zeitraum von mehr als 90 Stunden häufig entnommen und der Prozentsatz an verbleibendem positivem Halogen wurde durch herkömmliche iodometrische Titration bestimmt. Die Ergebnisse sind tabellarisch in Tabelle III zusammengestellt.
Die Daten von Tabelle III zeigen, daß Verbindung 3 in Gegenwart von starkem Bedarf äußerst stabil ist, während Verbindung 1 unter diesen Bedingungen ebenfalls viel stabiler als freies Chlor ist. Verbindung 5 ist unter diesen Bedingungen hinsichtlich Stabilität mit freiem Chlor vergleichbar. TABELLE III Prozentsatz an verbleibendem Halogen in Wasser mit synthetischem Bedarf
1 = 1,3-Dichlor -2,2,5,5-tetramethylimidazolidin-4-on
2 = freies Chlor aus Calciumhypochlorit
3 = 1-Chlor-2,2,5,5-tetramethylimidazolidin-4-on
5 = 1-Brom-3-chlor-2,2,5,5-tetramethylimidazolidin-4-on

BEISPIEL 13

Stabilität von N,N'-Dihalogenimidazolidin-4-onen in direktem Sonnenlicht ausgesetztem Wasser

Die Stabilitäten der Verbindungen 1, 5 und von freiem Chlor aus Natriumhypochlorit (Verbindung 2) in direktem Sonnenlicht ausgesetztem Wasser wurden bestimmt. Jede Verbindung wurde bei der Konzentration von 10 mg/l gesamtem Chlor (bzw. bei dem Moläquivalent für das gesamte Halogen für Verbindung 5) in 85 ml bedarfsfreiem, bei pH 7,0 gepuffertem Wasser in getrennten 100 ml-Bechern, welche in ein temperierbares Wasserbad (22-24ºC) gegeben wurden, gelöst, und das die Lösungen enthaltende Bad wurde im August 1988 auf das direktem Sonnenlicht ausgesetzte Dach des Chemiegebäudes an der Auburn University gestellt. Analysen des Gesamt-Potentials an positivem Halogen wurden in regelmäßigen Abständen anhand von über einen Zeitraum von 10 Stunden entnommenen Aliquota unter Verwendung des herkömmlichen iodometrischen Titrationsverfahrens vorgenommen. Die Ergebnisse sind tabellarisch in Tabelle IV zusammengestellt. TABELLE IV Prozentsatz an verbleibendem Halogen in direktem Sonnenlicht ausgesetztem bedarfsfreiem Wasser
1 = 1,3-Dichlor-2,2,5,5-tetramethylimidazolidin-4-on
2 = freies Chlor aus Calciumhypochlorit
5 = 1-Brom-3-chlor-2,2,5,5-tetramethylimidazolidin-4-on
Die Daten von Tabelle IV zeigen, daß Verbindung 1 bei pH 7,0 und 22-24ºC unter Einwirkung von direktem Sonnenlicht viel stabiler als freies Chlor ist. Verbindung 5 ist unter diesen Bedingungen weniger stabil als Verbindung 1, jedoch wesentlich stabiler als freies Chlor.

BEISPIEL 14

Stabilität von 2,2,5,5-Tetramethylimidazolidin-4-on in direktem Sonnenlicht ausgesetztem Wasser

Eine 142 mg (1,00 x 10&supmin;³ Mol) 2,2,5,5-Tetramethylimidazolidin-4-on (Verbindung 6) enthaltende Lösung in 110 1 auf pH 7,0 gepuffertem, bedarfsfreiem Wasser wurde hergestellt. 100 ml-Proben (1,00 x 10&supmin;&sup4; Mol an Verbindung 6) dieser Lösung wurden in jeden von fünf 100 ml-Meßkolben gegeben. Die Kolben wurden mit Schliffstopfen verschlossen und im Zeitraum vom 6. Juli 1989 bis 2. August 1989 auf dem Dach des Chemiegebäudes an der Auburn University in direktes Sonnenlicht gelegt. Es wurde kein Versuch unternommen, die Temperatur in diesem Experiment zu steuern; sie betrug in diesem Zeitraum typischerweise 33ºC. Zum Zeitpunkt 0 und in darauffolgenden Abständen von 7 Tagen wurden Kolben aus dem direkten Sonnenlicht genommen und die Lösungen wurden mit einem leichten Überschuß an freiem Chlor (2,2 x 10&supmin;&sup4; Mol), der, wie in Beispiel 7 beschrieben, durch Einblasen von Chlorgas in gepuffertes bedarfsfreies Wasser hergestellt worden war, umgesetzt.
Nach dem Reagierenlassen von Verbindung 6 mit freiem Chlor unter Bildung einer Mischung von 1,3-Dichlor-2,2,5,5-tetramethylimidazolidin-4-on (Verbindung 1) und 1- Chlor-2,2,5,5-tetramethylimidazolidin-4-on (Verbindung 3), um über einen Zeitraum von 1 Stunde mit dem Rühren fortzufahren, wurden Aliquota unter Verwendung des in Beispiel 8 erwähnten DPD/FAS-Verfahrens auf ihren Gehalt an gesamtem und freiem Chlor analysiert. Es wurde davon ausgegangen, daß die Konzentration an gebundenem Chlor die Differenz zwischen den bestimmten Konzentrationen an gesamtem und freiem Chlor ist und die Mengen der Verbindungen 1 und 3 darstellt, die sich während der Reaktion bilden.
Es wurde festgestellt, daß die Konzentration an gebundenem Chlor im Laufe des 4- wöchigen Experiments um weniger als oder gleich 6% variierte. In der Tat wurde bestimmt, daß sie nach 4-wöchiger Bestrahlung mit direktem Sonnenlicht höher war als zum Zeitpunkt 0, was darauf hindeutete, daß Abweichungen einzig und allein auf Versuchsfehler in dem analytischen Verfahren und nicht auf die durch direktes Sonnenlicht verursachte Zersetzung von Verbindung 6 zurückzuführen waren. Diese Daten zeigen, daß die Verbindung 2,2,5,5-Tetramethylimidazolidin-4-on, bei der es sich um eine Vorstufe der chlorierten Imidazolidin-4-one handelt, in mindestens 4 Wochen lang direktem Sonnenlicht ausgesetzter bedarfsfreier wäßriger Lösung bei pH 7,0 stabil ist. Somit dürfte diese Verbindung für in situ-Langzeit- Halogenierungsanwendungen im Freien von Nutzen sein.

BEISPIEL 15

Bakterizide Wirksamkeiten der halogenierten Imidazolidin-4-one

Die wie in den Beispielen 3, 5 und 6 hergestellten halogenierten Imidazolidin-4-on- Derivate (Verbindungen 1, 5 bzw. 3) wurden als Bakterizide gegen die Mikroorganismen Staphylococcus aureus (ATCC 25923) und Pseudomonas aeruginosa (ATCC 27853) in bedarfsfreiem Wasser (DFW) in Abhängigkeit von dem pH und der Temperatur und in einem Wasser mit synthetischem Bedarf (SDW) bei pH 9,5 und 4ºC getestet. Das bedarfsfreie Wasser wurde wie in Beispiel 7 beschrieben hergestellt und das Wasser mit synthetischem Bedarf wurde wie in Beispiel 12 beschrieben hergestellt.
Für die Tests auf bakterizide Wirksamkeit wurden 50 ml gepuffertes DFW bzw. SDW in einen 125 ml-Kolben gegeben, der dann derart mit dem zu testenden Organismus beimpft wurde, daß die End-Dichte des Organismus etwa 1 x 10&sup6; cfu/ml (Kolonienbildende Einheiten pro ml) betrug. Man ließ zu, daß sich bei der beimpften Lösung durch 15-minütiges Eintauchen in ein thermostatisiertes Wasserbad unter ständigem Rühren ein Gleichgewicht einstellte. Dann wurde eine angemessene Menge einer wäßrigen Lösung, welche die bei der gleichen Testtemperatur gehaltene zu testende halogenierte Imidazolidin-4-on-Verbindung enthielt, zu der beimpften Lösung gegeben, um die Gesamt-Konzentration des Potentials an positivem Halogen (Cl&spplus; oder Cl&spplus;/Br&spplus;) in der Mischung auf eine vorher festgelegte Konzentration zu bringen (10 ppm Cl&spplus; aus Verbindung 1 und 5 ppm Cl&spplus; aus Verbindung 3; das Moläquivalent an Cl&spplus;/Br&spplus; aus Verbindung 5). 1 ml-Aliquota wurden zu verschiedenen vorher festgelegten Zeiten aus der Testmischung entnommen und das aktive Halogen wurde durch 1 ml-Portionen an sterilem 0,02 N Natriumthiosulfat gelöscht. Es wurden fortlaufend Verdünnungen in steriler Salzlösung vorgenommen und drei 25 ul-Aliquota jeder der resultierenden Verdünnungen wurden auf die getrocknete Oberfläche einer Petri-Schale, die trypisches Soja und Nähragar als Boden für S. aureus bw. P. aeruginosa enthielt, aufgebracht. Nach 48 Stunden bei 37ºC wurden die drei Wiederholungsversuche für jede Verdünnung gezählt und gemittelt. Dieses Mittel wurde verwendet, um die cfu/ml für diese spezielle Aliquote zu berechnen. Wenn keine Kolonien in den mit Thiosulfat gelöschten Aliquota nachgewiesen wurden, wurde davon ausgegangen, daß die Desaktivierung des Organismus mindestens 99,9999% betrug.
Die Ergebnisse dieser Experimente sind tabellarisch in Tabelle V zusammengestellt, welche zeigt, daß die drei halogenierten Imidazolidin-4-on-Derivate in unterschiedlichem Maße bakterizid sind. Verbindung 5 bewirkte unter allen Bedingungen selbst in Gegenwart eines starken Halogen-Bedarfs (SDW) in einer Kontaktzeit von ≤ 5 Minuten einen > 99,9999-%igen Rückgang von Bakterien. Verbindung 1 war als Bakterizid ebenfalls recht wirksam. Verbindung 3 war am wenigsten wirksam, aber bei ausreichender Kontaktzeit bewirkte sie unter allen getesteten Bedingungen ebenfalls eine > 99,9999-%ige Desaktivierung. TABELLE V PROZENTUALE DESAKTIVIERUNG VON BAKTERIEN
a Es wurde das Moläquivalent zu 5 bzw. 10 ppm Gesamt-Potential an Cl&spplus; im gesamten Cl&spplus;/Br&spplus; verwendet.
bA Nach 60-minütigem Kontakt wurde eine > 99,9999-%ige Desaktiverung erhalten.
cA Nach 30-minütigem Kontakt wurde eine > 99,9999-%ige Desaktiverung erhalten.
dA Nach 588-minütigem Kontakt wurde eine > 99,9999-%ige Desaktiverung erhalten.
eA Nach 454-minütigem Kontakt wurde eine > 99,9999-%ige Desaktiverung erhalten. TABELLE V (Fortsetzung)
fA Nach 30-minütigem Kontakt wurde eine > 99,9999-%ige Desaktiverung erhalten.
gA Nach 240-minütigem Kontakt wurde eine > 99,9999-%ige Desaktiverung erhalten.
hA Nach 2857-minütigem Kontakt wurde eine > 99,9999-%ige Desaktiverung erhalten.
*= Bei der angegebenen Kontaktzeit wurde eine > 99,9999-%ige Desaktiverung erhalten.
NB = nicht bestimmt
1 = 1,3-Dichlor-4,4,5,5-tetramethylimidazolidin-4-on
3 = 1-Chlor-4,4,5,5-tetramethylimidazolidin-4-on
5 = 1 Brom-3-chlor-4,4,5,5-tetramethylimidazolidin-4-on

BEISPIEL 16

Algistatische Eigenschaften von chlorierten Imidazolidin-4-onen

Zwei 10 Gallonen-Aquarien, die je 35 1 Bristol'sche Lösung (von R. C. Starr in dem Artikel" "The Culture Collection of Algae at the University of Texas", J. Phycology, 14, 47 (1978) beschrieben) bei pH 6,8 enthielten, wurden mit einer Mischung von drei Arten von Algen, Oscillatoria lutea, Anabaena cylindrica und Chlorella pyrenoidosa, beimpft. Die beiden Aquarien wurden ununterbrochen belüftet und jedes mit einer 15 cm von der Seite des Aquariums beabstandeten 20 W Gro-lux-Lampe bestrahlt. Das Experiment wurde bei Umgebungstemperatur durchgeführt, welche zwischen 21 und 24ºC lag.
Nach einer Wachstumsperiode von 34 Tagen wurde die stark algenhaltige Zelldichte durch direkte Zählungen unter Verwendung eines Hämazytometers gemessen. Die Zelldichte in Aquarium A betrug zu diesem Zeitpunkt 2,2 x 10&sup7; Zellen pro ml, während die in Aquarium B 6,6 x 10&sup6; Zellen pro ml betrug. Die Extinktionen der beiden Lösungen bei 750 nm wurden zu diesem Zeitpunkt ebenfalls gemessen und es wurde festgestellt, daß sie 0,273 für Aquanuma und 0,112 für Aquarium B betrugen. Die Extinktion bei 750 nm wurde als Index für die durch Algen verursachte Chlorophyll-Konzentration verwendet ("Standard methods for the Examination of Water and Wastewater", 16. Ausgabe, American Public Health Association, Washington, D. C., 1985, 8.1070). Dann wurde eine Lösung von 1,042 g wie in Beispiel 3 hergestelltem 1,3-Dichlor-2,2,5-tetramethylimidazolidin-4-on (Verbindung 1) in 500 ml bedarfsfreiem Wasser (DFW) zu Aquarium A gegeben, was eine anfängliche Konzentration des Potentials an positivem Chlor von 9,9 mg/l in diesem Aquarium zur Folge hafte. Ähnlich wurde eine Lösung von 0,872 g wie in Beispiel 6 hergestelltem 1-Chlor-2,2,5,5-tetramethylimidazolidin-4-on (Verbindung 3) in 500 ml DFW zu Aquarium B gegeben, was eine anfängliche Konzentration des Potentials an positivem Chlor von 4,9 mg/l in diesem Aquarium zur Folge hatte. Aus den Aquarien wurden in regelmäßigen Abständen Proben entnommen und mit Hilfe von Extinktionsmessungen bei 750 nm unter Verwendung eines Milton Roy Spectronic 301-Spektralphotometers auf Algenwachstum und unter Verwendung herkömmlicher iodometrischer Titration auf ihre Gesamt-Konzentration des Potentials an positivem Chlor analysiert. Im Laufe des Experiments wurde beobachtet, daß Verbindung 1 innerhalb von 4 Stunden nach ihrer Zugabe eine beträchtliche Abnahme der Grünfärbung bewirkte, und innerhalb von 2 Tagen zeigte Aquarium A nur eine weiße Trübung, welche aus der Bleichung der Algen resultierte. Ähnliche pHänomene wurden für Aquarium B beobachtet, obwohl ein längerer Zeitraum für die durch Verbindung 3 verursachte Enffärbung festgestellt wurde. Im Anschluß an den Verlust des ganzen Gesamt-Potentials an positivem Chlor aus den Aquarien wurden dem Aquarium B nochmals 0,87 g Verbindung 3 und dem Aquarium A nochmals 1,042 g Verbindung 1 zugegeben. Als nach einem Zeitraum von insgesamt 19 Tagen das gesamte titrierbare Potential an positivem Chlor aus beiden Aquarien verschwunden war, begannen die Algen wieder zu wachsen, was sich anhand einer beträchtlichen Grünfärbung und einer Zunahme der Extinktion bei 750 nm belegen ließ. Die quantitativen Daten sind in Tabelle VI aufgeführt.
Die Daten in Tabelle VI plus oben angeführte qualitative Beobachtungen zeigen, daß die Verbindungen 1 und 3 beide für starkes Algenwachstum enthaltendes Wasser über längere Zeiträume hinweg algistatisch, jedoch nicht algizid sind. TABELLE VI Algistatische Wirkung von halogenierten Imidazolidin-4-onen Verbindung
a Extinktion bei 750 nm
b Prozentsatz des verbleibenden Gesamt-Potentials an positivem Chlor
c zusätzliche 0,87 g Verbindung 3 wurden zugegeben
d zusätzliche 1,042 g Verbindung 1 wurden zugegeben
1 = 1,3-Dichlor-2,2,5,5-tetramethylimidazolidin-4-on
3 = 1-Chlor-2,2,5,5-tetramethylimidazolidin-4-on
NB = nicht bestimmt

BEISPIEL 17

Verhinderung des Wachstums von Algen in Wasser durch 1,3-Dichlor-2,2,5,5- tetramethylimidazolidin-4-on

Zwei 10 Gallonen-Aquarien wurden mit je 35 I Bristol'scher Lösung bei pH 6,8 gefüllt, wie in Beispiel 16 beschrieben. Zu Aquarium A wurden 6,14 mg/l Gesamt-Potential an positivem Chlor aus wie in Beispiel 3 hergestelltem 1,3-Dichlor-2,2,5,5- tetramethylimidazolidin-4-on (Verbindung 1) gegeben. Aquarium B wurde als Kontrolle verwendet, der keine halogenierte Verbindung zugegeben wurde. Dann wurden zu jedem Aquarium 5 ml einer die Algen Oscillatoria lutea, Anabaena cylindrica und Chlorella pyrenoidosa enthaltenden lmpfkultur mit einer Extinktion von 0,14 bei 750 nm gegeben. Während des gesamten Experiments wurden ununterbrochene Belüftung und Bestrahlung bereitgestellt, wie in Beispiel 16 beschrieben. Im Laufe des Experiments schwankte die Labortemperatur zwischen 21 und 24ºC. Aus beiden Aquarien wurden in regelmäßigen Abständen Proben entnommen, so daß die Extinktion bei 750 nm mit einem Milton Roy Spectronic 301- Spektralphotometer gemessen werden konnte. Aus Aquarium A wurden auch Proben entnommen, um es unter Verwendung herkömmlicher iodometrischer Titration auf sein Gesamt-Potential an positivem Chlor zu untersuchen. Das Kontroll- Aquarium B entwickelte nach 7 Tagen einen merklichen grünen trüben Farbton; Aquarium A entwickelte zu keinem Zeitpunkt während des 18-tägigen Experiments eine derartige Farbe. Quantitative Daten sind tabellarisch in Tabelle VII zusammengestellt.
Die Daten in Tabelle VII plus oben angeführte qualitative Beobachtungen zeigen, daß Verbindung 1 bei der Verhinderng des Wachstums von Algen in Wasser wirksam ist, solange eine meßbare Menge der Verbindung vorhanden ist. TABELLE VII Verhinderung von Algenwachstum durch halogeniertes Imidazolidin-4-on
a Extinktion bei 750 nm
b Prozentsatz des verbleibenden Gesamt-Potentials an positivem Chlor
1 = 1,3-Dichlor-2,2,5,5-tetramethylimidazolidin-4-on
NB = nicht bestimmt

BEISPIEL 18

Verhinderung des Wachstums von Algen in Wasser durch stöchiometrische Mengen an 2,2,5,5-Tetramethylimidazolidin-4-on und freiem Chlor

Zwei 10 Gallonen-Aquarien wurden mit je 35 I Bristol'scher Lösung bei pH 6,8 gefüllt, wie in den Beispielen 16 und 17 beschrieben. Zu Aquarium A wurden 0,702 g (4,94 x 10&supmin;³ Mol) wie in Beispiel 2 hergestelltes 2,2,5,5-Tetramethylimidazolidin-4-on (Verbindung 6) in 500 ml bedarfsfreiem Wasser (DFW) mit pH 7,0 gegeben, um eine Konzentration von 1,39 x 10&supmin;&sup4; Mol pro Liter der Vorstufe der Verbindungen 1,3,4 und 5 in Aquarium A zu erzielen. Dann wurden 326 ml einer durch Einblasen von Chlorgas in gepuffertes DFW, wie in Beispiel 7 beschrieben, hergestellten Lösung mit pH 7,0, die 9,88 x 10&supmin;&sup4; Mol Gesamt-Potential an positivem Chlor aus freiem Chlor enthielt, zu Aquarium A gegeben und die Mischung unter in situ-Bildung der Verbindungen 1 und 3 60 Minuten lang reagieren gelassen. Dann wurde eine 10 ml- Aliquote von Algen-Impfkulturen (Oscillatoria lutea, Anabaena cylindrica und Chlorella pyrenoidosa, wie in den Beispielen 16 und 17) mit einer Extinktion von 0,010 bei 750 nm zu jedem Aquarium gegeben. Während des gesamten Experiments, welches im Temperaturbereich von 21-24ºC durchgeführt wurde, wurden ununterbrochene Belüftung und Bestrahlung bereitgestellt, wie in den Beispielen 16 und 17 beschrieben. Zur Messung der Extinktion bei 750 nm unter Verwendung eines Milton Roy Spectronic 301-Spektralphotometers wurden aus beiden Aquarien und zur Bestimmung der Konzentration des Gesamt-Potentials an positivem Chlor aus Aquarium A in regelmäßigen Abständen Proben entnommen. Nach der anfänglichen 60-minütigen Reaktionszeit von Verbindung 6 und freiem Chlor wurde auch die Menge an freiem Chlor gemessen und es wurde festgestellt, daß sie 1,08 mg/l betrug; zu diesem Zeitpunkt mußte eine geringe Menge (5,33 x 10&supmin;&sup4; Mol) an Verbindung 6 zugegeben werden, um eine vollständige Umsetzung mit dem gesamten Überschuß an freiem Chlor zu erzielen. Als die Algen-Impfkultur zugegeben wurde, war keine meßbare Menge an freiem Chlor vorhanden. In dem Kontroll-Aquarium B war nach 7 Tagen ein deutlicher grüner trüber Farbton zu beobachten. Aquarium A entwickelte zu keinem Zeitpunkt während des 27-tägigen Experiments eine derartige Farbe. Quantitative Daten sind tabellarisch in Tabelle VIII zusammengestellt. TABELLE VIII Verhinderung von Algenwachstum durch nicht-halogeniertes Imidazolidin-4-on in Mischung mit einer stöchiometrischen Menge an freiem Chlor
a Extinktion bei 750 nm
b Prozentsatz des verbleibenden Gesamt-Potentials an positivem Chlor
6 = 2,2,5,5-Tetramethylimidazolidin-4-on
NB = nicht bestimmt
Die Daten in Tabelle VIII plus oben angeführte qualitative Beobachtungen zeigen, daß Verbindung 6 in Mischung mit einer stöchiometrischen Menge an freiem Chlor unter Bildung der Verbindung 1 und 3 bei der Verhinderung des Wachstums von Algen in Wasser wirksam ist, solange eine meßbare Menge eines Gesamt-Potentials an positivem Halogen vorhanden ist.

BEISPIEL 19

Desinfektion harter Oberflächen durch halogenierte Imidazolidin-4-one

Die Wirksamkeiten der Verbindungen 1 und 5 als Desinfektionsmittel für harte Oberflächen wurden unter Verwendung einer Abwandlung des wie in "Official Methods of Analysis of the Association of Official Analytical Chemists", Hsg. W. Horwitz, A.O.A.C., Washington, D. C., 1989, S. 58-59 beschriebenen, von der AOAC verwendeten Verdünnungsverfahrens beurteilt. Kleine Edelstahlzylinder (Penizylinder von Fisher Scientific) wurden mit 1 N Natriumhydroxid-Lösung gereinigt, in 0,1% Asparagin in einem Autoklaven sterilisiert und auf Umgebungstemperatur abgekühlt. Dann wurden die Zylinder mit Staphylococcus aureus (ATCC 25923) beimpft, indem man sie 15 Minuten lang in eine 24 Stunden alte Nährlösung des Organismus legte. Die Zylinder wurden aseptisch aus der Nährlösung entnommen, zum Abtropfen auf Filterpapier in eine sterile Petri-Schale gestellt und bei 37ºC 60 Minuten lang in einem Inkubator getrocknet.
Die halogenierten Imidazolidin-4-one wurden in bei pH 7,0 gepuffertem bedarfsfreiem Wasser in Konzentrationen von 25, 50, 100 und 200 ppm des Potentials an ionisierbarem positivem Chlor für Verbindung 1 (bzw. Moläquivalenten des Gesamt-Potentials an ionisierbarem positivem Halogen für Verbindung 5) gelöst und 2 ml-Aliquota der Lösungen wurden in je eines einer Reihe steriler Kulturröhrchen gegeben. Kontroll-Lösugen aus bedarfsfreiem Wasser mit pH 7, wurden ebenfalls in eine Reihe von Röhrchen gegeben. Es wurden mindestens 10 Röhrchen für jede Konzentration an Desinfektionsmittel verwendet. Dann wurde ein beimpfter Metallzylinder in Abständen von genau 30 Sekunden in jedes Desinfektionsmittel enthaltende Röhrchen und jedes Kontroll-Röhrchen gegeben. Nach genau 10-minütiger Kontaktzeit wurden die Zylinder in Abständen von 30 Sekunden in der gleichen Reihenfolge, die für ihre Zugabe verwendet worden war, aus den Röhrchen entnommen, d.h. die Kontaktzeit betrug für alle Zylinder 10 Minuten. Jeder Metallzylinder wurde in ein Kulturröhrchen gegeben, das 3 ml Nährlösung und 0,01 N Natriumsulfat enthielt, um die Desinfektionswirkung zu unterdrücken. Alle Röhrchen wurden 48 Stunden nach der Beimpfung bei 37ºC auf bakterielles Wachstum untersucht (auf das Vorhandensein oder das Fehlen von Trübung überprüft).
Die Ergebnisse dieses Experiments waren, daß keines der Röhrchen, die die Verbindungen 1 oder 5 in irgendeiner der Konzentrationen enthielten, bakterielles Wachstum aufwies, während alle Kontroll-Röhrchen bakterielles Wachstum aufwiesen. Aus diesen Ergebnissen läßt sich der Schluß ziehen, daß 1,3-Dichlor-2,2,5,5-tetramethylimidazolidin-4-on (Verbindung 1) und 1-Brom-3-chlor-2,2,5,5- tetramethylimidazolidin-4-on (Verbindung 5) in Konzentrationen von mindestens 25 ppm des Potentials an ionisierbarem positivem Chlor für Verbindung 1 und ihrem Moläquivalent (40,7 ppm) des Gesamt-Potentials an positivem Halogen für Verbindung 5 wirksame Desinfektionsmittel für harte Oberflächen sind.

BEISPIEL 20

Wirksamkeiten der halogenierten Imidazolidin-4-one gegen Salmonella enteritidis in Abhängigkeit von der Wasserqualität

Die wie in den Beispielen 3 und 5 hergestellten halogenierten Imidazolidin-4-on- Derivate (Verbindung 1 bzw. 5) wurden in drei Arten von Wasser als Bakterizide gegen den Mikroorganismus Salmonella enteritidis (ATCC 13076) getestet: bedarfsfreies Wasser (DFW), durch Sonnenlicht entchlortes Leitungswasser (TW) und aus einem ländlichen Brunnen erhaltenes Wasser (WW). Alle Wasserproben wurden unter Verwendung von 0,05 M Natriumphosphat auf pH 6,5 gepuffert und während der Untersuchung bei einer Temperatur von 25ºC gehalten. Bei der Untersuchung wurden Konzentrationen in mg/Liter gesamtem Chlor von 1,2,5,5 und 10 für Verbindung 1 und die Moläquivalente an gesamtem Halogen für Verbindung 5 verwendet. Das bakterielle Untersuchungsprotokoll war das gleiche wie das in Beispiel 15 erörterte, wobei Nähragar als Boden für S. enteritidis verwendet wurde. Die Kontaktzeit in Minuten, die erforderlich war, um eine 6-log-Abnahme an lebensfähigen cfu/ml des den Desinfektionsmitteln ausgesetzten Organismus zu erzielen, wurde anhand der Regressionsgleichung Log (cfu/ml + 1) = Zeit berechnet. TABELLE IX ZUR DESAKTIVIERUNG VON SALMONELLA ENTERITIDIS ERFORDERLICHE KONTAKTZEIT
a für eine 6-log-Desaktivierung erforderliche, anhand der Regressionsgleichung Log&sub1;&sub0; (cfu/ml +1) = Zeit vorhergesagte Kontaktzeit
b CDF = bedarfsfreies Wasser; TW = entchlortes Leitungswasser; WW = Brunnenwasser: alle auf pH 6,5 gepuffert und während der Untersuchung bei 25ºC gehalten.
c mg/l gesamtem Cl&spplus; für Verbindung 1; Moläquivalent an gesamtem Cl&spplus; + Br&spplus; für Verbindung 5.
d der tatsächliche Wert kann niedriger sein; eine vollständige Desaktivierung wurde zum Zeitpunkt der ersten Probenahme nach 15 Sekunden erhalten.
1 = 1,3-Dichlor-2,2,5,5-tetramethylimidazolidin-4-on.
5 = 1-Brom-3-chlor-2,2,5,5-tetramethylimidazolidin-4-on.
Die Ergebnisse dieser Experimente sind tabellarisch in Tabelle IX zusammengestellt. Die Daten von Tabelle IX zeigen, daß Verbindung 5 bei allen Testbedingungen gegenüber 5. enteritidis äußerst bakterizid ist. Verbindung 1 war in allen Wasserproben bei Konzentrationen von 5 und 10 mgii gesamtem Chlor angemessen bakterizid und lieferte bei ausreichender Kontaktzeit selbst bei einer Konzentration von 1 mg/l gesamtem Chlor eine vollständige Desaktivierung. Für beide Desinfektionsmittel waren die erforderlichen Kontaktzeiten aufgrund von Halogen- Bedarf verursachenden Verunreinigungen in Brunnenwasser-Proben am längsten. Dieses Beispiel zeigt, daß diese Verbindungen als Desinfektionsmittel bei der Geflügel-Verarbeitung von Nutzen sein können, da S. enteritidis ein wesentlicher besorgniserregender Krankheitserreger in der Geflügel-Industrie ist.

BEISPIEL 21

Wirksamkeiten der halogenierten Imidazolidin-4-one gegen Salmonella enteritidis auf der Oberflläche von Frischeiern

Die wie in den Beispielen 3 und 5 hergestellten halogenierten Imidazolidin-4-on- Derivate (Verbindung 1 bzw. 5) wurden auf den Oberflächen vün Frischeiern als Bakterizide gegen den Mikroorganismus Salmonella enteritidis (ATCC 13076) getestet. Ganze Eier wurden in eine Salzlösung getaucht, die ca. 10&sup8; cfu/ml 5. enteritidis bei 10ºC enthielt. Jedes Ei wurde aus der lmpfkultur entnommen und auf einem sterilen Ständer in einem biologischen Sicherheitsschrank trocknen gelassen. Dann wurden die Eier über einen Zeitraum von 10 Sekunden gleichmäßig mit wäßrigem Desinfektionsmittel oder sterilen Salzlösungs-Kontrollen besprüht und dann schnell in einem von einem Heizgebläse bereitgestellten Heißluftstrom getrocknet. Jedes Ei wurden in einen sterilen Polyethylen-Beutel überführt, der 10 ml steriles 0,02 N Natriumthiosulfat enthielt, um die Desinfektionswirkung zu unterdrücken, und 7 Minuten lang stehengelassen, wovon 2 Minuten von sanftem Massieren begleitet waren. Proben wurden aus den Beuteln entnommen und auf Nähragar aufgebracht.
Die Konzentrationen der beiden Desinfektionsmittel schwankten von 190 bis 210 mg/l gesamtem Chlor für Verbindung 1 bzw. ihrem Moläquivalent an gesamtem Oxidationsmittel für Verbindung 5. Für Verbindung 1 betrug die mittlere Dichte an überlebenden Organismen ausgedrückt als cfu/cm² Frischeier-Oberfläche 6,82 x 102 mit einem Standardfehler von 2,12 x 10² für 16 Bestimmungen. Für Verbindung 5 betrug die mittlere Dichte an überlebenden Organismen 1,34 x 10³ mit einem Standardfehler von 1,28 x 10² für 10 Bestimmungen. Für beimpfte Kontroll-Eier betrug die mittlere Dichte an Überlebenden 1,50 x 10&sup4; mit einem Standardfehler von 5,38 x 10³ für 14 Bestimmungen. Nicht-beimpfte Kontroll-Eier enthielten 2,57 x 10¹ lebensfähige nicht-identifizierte Organismen mit einem Standardfehler von 1,01 x 10¹ für 7 Bestimmungen. Diese Daten zeigen deutlich, daß sowohl Verbindung 1 als auch Verbindung 5 nach 10-sekündiger Sprühzeit bei der Verringerung der Anzahl lebensfähiger S. enteritidis-Organismen auf den Oberflächen der Frischeier wirksam waren.
Die Diffusionsraten der Verbindungen 1 und 5 durch membranfreie Eierschalen wurden ebenfalls gemessen. Bei diesen Experimenten wurde das obere Drittel der Schalen unter Verwendung einer Schere entfernt. Der Dotter und das Eiweiß wurden weggeworfen und die Membran wurde aus dem Inneren der Schale entnommen. Dann wurden 30 ml auf pH 6,5 gepufferte DPD-Lösung in das Innere der Schale gegeben und die Schale wurde bei einer Konzentration von ca. 200 mg/l gesamtem Chlor für Verbindung 1 bzw. ihrem Moläquivalent an gesamtem Oxidationsmittel für Verbindung 5 in Desinfektionsmittel-Lösung suspendiert. Stickstoffgas wurde ununterbrochen über die DPD-Lösung geleitet, um Luftoxidation zu verhindern. Nach 5 bis 6 Stunden wurde der Inhalt der Eierschalen entnommen und unter Verwendung des DPD/FAS-Verfahrens (siehe Beispiel 7) auffreies und gebundenes Halogen analysiert. In einigen Experimenten wurden zwischen den Desinfektionsmittel- Lösungen und dem Eierschalen-Inhalt ein Temperaturunterschied von ± 15ºC hergestellt. Es wurde festgestellt, daß die Diffusion der Verbindungen 1 und 5 über die Eierschalen-Grenzen hinweg über einen Zeitraum von 5-6 Stunden weniger als 0,12 mg/l gesamtes Halogen betrug. Diese Daten zeigen, daß es bei der hohen Konzentration der getesteten Desinfektionsmittel während eines 10-sekündigen Sprühens zu keinem nennenswerten Eindringen der Desinfektionsmittel- Verbindungen durch Eierschalen kommen würde.
Die in diesem Beispiel vorgestellten Ergebnisse veranschaulichen, daß die Desaktivierung von S. enteritidis auf Frischeiern unter Verwendung der Verbindungen 1 und 5 möglich sein müßte.

BEISPIEL 22

Wirksamkeit von 1-Chlor-2,2,5,5-tetramethyiimidazolidin-4-on als Desinfektionsmittel bei hoher Konzentration

In Beispiel 15 wurde gezeigt, daß 1-Chlor-2,2,5,5-tetramethylimidazolidin-4-on (Verbindung 3) bei geringer Konzentration (5 mg/l) in der Lage war, S. aureus bei sehr langen Kontaktzeiten zu desaktivieren. Es wurde ein Experiment durchgeführt, um die Wirksamkeit einer konzentrierten Lösung von Verbindung 3 gegen diesen Organismus zu beurteilen. Eine in DFW auf pH 7,0 gepufferte wäßrige Lösung von Verbindung 3 wurde so präpariert, daß sie 1,740 g/l (350 mg/l gesamtes Chlor) bei 22ºC enthielt. Wenn sie in ähnlicher Weise wie in Beispiel 15 erörtert einer 10&sup6; cfu/ml enthaltenden Lösung von S. aureus ausgesetzt wurde, wurde eine 6-log- Verringerung an lebensfähigen Organismen in weniger als 1 Minute erzielt, wobei es sich um die kürzeste getestete Kontaktzeit handelte.
Verbindung 3 verliert in absoluter Ethanol-Lösung innerhalb eines Zeitraums von 5 Wochen nur 1,5% ihres gesamten Chlor-Gehalts und besitzt sogar bessere Löslichkeit in Ethanol als in Wasser. Somit dürfte sie sich bei hohen Konzentrationen als Desinfektionsmittel in organischen Lösungsmitteln, wie z.B. Alkoholen, als nützlich erweisen.

Claims

1.Verfahren zur Bekämpfung nicht wünschenswerter Halogen-empfindlicher Mikroorganismen, umfassend das Kontaktieren der Mikroorganismen oder deren Fundort mit einer bioziden Verbindung der Formel

worin eines von X oder X' für H, Cl oder Br steht und das andere Cl oder Br darstellt; und

R&sub1;, R&sub2;, R&sub3; und R&sub4; jeweils ausgewählt sind aus H, C&sub1;-C&sub4;-Alkyl, C&sub1;-C&sub4;-Alkoxy, Hydroxy, Phenyl und substituiertem Phenyl oder R&sub1;, R&sub2; und/oder R&sub3;&sub1; R&sub4; Spiro- Substitution darstellen und Pentamethylen oder Tetramethylen bedeuten, mit der Maßgabe, daß nicht mehr als eines von R&sub1;, R&sub2;, R&sub3; und R&sub4; für H steht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, in welchem die Gruppen R&sub1; - R&sub4; jeweils ausgewählt sind aus C&sub1;-C&sub3;-Alkyl, C&sub1;-C&sub3;-Alkoxy, Hydroxy, Phenyl und parasubstituiertem Phenyl oder R&sub1;, R&sub2; und/oder R&sub3;, R&sub4; Spiro-Substitution wie in Anspruch 1 definiert darstellen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, in welchem entweder die Gruppen R&sub1; - R&sub4; jeweils aus Methyl und Ethyl ausgewählt sind oder R&sub1;, R&sub2; und/oder R&sub3;, R&sub4; Pentamethylen darstellen.

4. Verfahren nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, in welchem X für Cl oder Br steht und X' H darstellt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, in welchem es sich bei der Verbindung handelt

1-Chlor-2,2,5,5-tetramethylimidazolidin-4-on;

1-Chlor-2,5-bis(pentamethylen)imidazolidin-4-on;

1-Brom-2,2,5,5-tetramethylimidazolidin-4-on; oder

1-Brom-2,5-bis(pentamethylen)imidazolidin-4-on.

6. Verbindung wie in irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3 definiert, mit der zusätzlichen Maßgabe, daß X' für Cl oder Br steht.

7. Verbindung nach Anspruch 6, in welcher X und X' Cl darstellen.

8. Verbindung nach Anspruch 7, bei der es sich handelt um:

1,3-Dichlor-2,2,5,5-tetramethylimidazolidin-4-on;

1,3-Dichlor-2,5-bis(pentamethylen)imidazolidin-4-on;

1,3-Dichlor-2-pentamethylen-5,5-dimethylimidazolidin-4-on;

1,3-Dichlor-2,2-dimethyl-5-pentamethylenimidazolidin-4-on;

1,3-Dichlor-2,2-dimethyl-5,5-diethylimidazolidin-4-on;

1,3-Dichlor-2-pentamethylen-5,5-diethylimidazolidin-4-on; oder

1,3-Dichlor-2-pentamethylen-5-ethyl-5-methylimidazolidin-4-on.

9. Verbindung nach Anspruch 7, in welcher X und X' jeweils Br bedeuten.

10. Verbindung nach Anspruch 9, in bei der es sich handelt um:

1,3-Dibrom-2,2,5,5-tetramethylimidazolidin-4-on; oder

1,3-Dibrom-2, 5-bis(pentamethylen)imidazolidin-4-on.

11. Verbindung nach Anspruch 7, in welcher eines von X und X' für Cl steht und das andere Br darstellt.

12. Verbindung nach Anspruch 11, bei der es sich handelt um:

1-Brom-3-chlor-2,2,5,5-tetramethylimidazolidin-4-on;

1-Brom-3-chlor-2,5-bis(pentamethylen)imidazolidin-4-on;

1-Chlor-3-brom-2,2,5,5-tetramethylimidazolidin-4-on; oder

1-Chlor-3-brom-2,5-bis(pentamethylen)imidazolidin-4-on.

13. Verbindung nach Anspruch 7, in welcher X' für Cl oder Br steht und X für H steht.

14. Verbindung nach Anspruch 13, bei der es sich handelt um:

3-Chlor-2,2,5,5-tetramethylimidazolidin-4-on;

3-Chlor-2,5-bis(pentamethylen)imidazolidin-4-on;

3-Brom-2,2,5,5-tetramethylimidazolidin-4-on; oder

3-Brom-2,5-bis(pentamethylen)imidazolidin-4-on.

15. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, in welchem die Verbindung wie in irgendeinem der Ansprüche 6 bis 14 definiert ist.

16. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5 und 15 zur Desinfektion eines flüssigen Mediums oder einer harten Oberfläche, das bzw. die Mikroorganismen enthält, umfassend die Behandlung des flüssigen Mediums oder der harten Oberfläche mit der Verbindung.

17. Verfahren nach Anspruch 16, weiter umfassend das Anwenden auf das wäßrige Medium oder die harte Oberfläche einer Verbindung mit freiem aktivem Halogen, ausgewählt aus Chlorgas, flüssigem Brom, Alkakmetallhypochlorit, Calciumhypochlorit, tert-Butylhypochlorit und N-halogenierten Verbindungen, die bei Kontakt mit Wasser freies Halogen freisetzen.

18. Verfahren nach Anspruch 17, in welchem die N-halogenierte Verbindung ausgewählt ist aus N-Halogensuccinimiden, N,N'-Dihalogenmethylhydantoinen, Natrium- oder Kalium-N,N'-dihalogencyanuraten, Trihalogenisocyanursäuren, N-Halogen-2-oxazolidinen, N,N'-Dihalogen-2-imidazolidinonen und Halogenglycolurilen, in denen Halogen für Cl oder Br steht.

19. Verfahren nach Anspruch 16 oder Anspruch 17 zur Desinfektion eines flüssigen Mediums, umfassend das Bilden der bioziden Verbindung in situ durch die folgenden Schritte:

(a) Zugabe zu dem flüssigen Medium einer bioziden Verbindung wie in irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5,13 und 14 definiert, wenn eines von X und X' für H steht, oder einer entsprechenden Verbindung, in welcher X und X' beide H bedeuten; und

(b) Einführen einer Halogenquelle, z.B. wie in Anspruch 17 oder Anspruch 18 definiert, in das flüssige Medium, um die biozide Verbindung in situ zu bilden.

20. Verfahren nach Anspruch 19, in welchem mindestens eine stöchiometrische Menge der Halogenquelle eingesetzt wird.

21. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5 und 15 bis 20, in welchem die Mikroorganismen ausgewählt sind aus Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa, Salmonella enteritidis, Shigella boydii, Legionella pneumophila) Giardia lamblia, Anabaena cylinddca, Oscillatoria lutea) Chlorella pyrenoidosa und Candida albicans.

22. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5 und 15 bis 18, in welchem die biozide Verbindung in Form einer Zusammensetzung mit, als Träger, Ethanol oder einem anderen Alkohol vorliegt.

23. Verfahren nach Anspruch 22, in welchem die Zusammensetzung 0,05 bis 2 g/l der bioziden Verbindung umfaßt.

24. Biozide Zusammensetzung, umfassend 1-Chlor-2,2,5,5-tetramethylimidazolidin- 4-on und, als Träger, Ethanol oder einen anderen Alkohol.