Защищенные антимикробные соединения, предназначенные для применения при высокой температуре

Защищенные антимикробные соединения, предназначенные для применения при высокой температуре

Реферат

Перекрестная ссылка на родственные заявки

Настоящая заявка претендует на приоритет предварительной заявки с серийным номером 61/424192, зарегистрированной 17 декабря 2010 г., содержание которой полностью включено в настоящее описание в качестве ссылки.

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к защищенным антимикробным соединениям и способам их применения для контроля микроорганизмов в водных или содержащих воду системах.

Предпосылки создания изобретения

Защита водных систем от микробного загрязнения имеет решающее значение для успешного осуществления многих промышленных процессов, включая операции по добыче нефти или природного газа. При операциях, связанных с нефтью и газом, загрязнение микроорганизмами, в том числе как аэробными, так и анаэробными бактериями, может создавать серьезные проблемы, такие как «закисание» резервуаров (в основном вызываемое анаэробными сульфатредуцирующими бактериями (SRB)), вызываемая микроорганизмами коррозия (MIC) на металлических поверхностях оборудования и трубопроводов и расщепление полимерных добавок.

Известными антимикробными средствами, которые применяют для контроля роста микроорганизмов в водных системах и жидкостях, включая те, которые встречаются при операциях с нефтью и газом, являются различные альдегиды, в том числе формальдегид, глутаровый альдегид и глиоксал. Однако указанные соединения обладают многими недостатками. Например, они могут расщепляться с течением времени при повышенных температурах, которые часто встречаются в условиях добычи нефти и газа. Указанные соединения могут также инактивироваться под действием других обычно присутствующих в нефтяных месторождениях химических соединений, таких как бисульфиты и амины. Эти условия могут приводить к тому, что инфраструктура (скважины, трубопроводы и т.д.) и пласты нефтяного месторождения станут восприимчивыми к загрязнению микроорганизмами.

Разработка новых антимикробных систем, обладающих более высокой термостабильностью и химической стабильностью, представляла бы собой прогресс в данной области.

Краткое изложение сущности изобретения

В изобретении предложены способы контроля микроорганизмов в водных или содержащих воду системах, имеющих температуру по меньшей мере 40°C. Способ заключается в том, что приводят в контакт водную или содержащую воду систему с защищенным антимикробным соединением, представленным в настоящем описании.

В изобретении предложены также защищенные антимикробные соединения, которые можно применять для контроля микроорганизмов в водных или содержащих воду системах, которые имеют температуру по меньшей мере 40°C.

Подробное описание изобретения

Как указано выше, в изобретении предложены соединения и способы их применения для контроля микроорганизмов в водных или содержащих воду системах, включая те, которые присутствуют при операциях с нефтью и газом. Согласно изобретению применяют защищенные антимикробные соединения, которые при активации под действием тепла высвобождают формальдегид, глиоксал или глутаровый альдегид. При этом в отличие от свободных альдегидов защищенные соединения являются более стабильными при повышенных температурах, что обеспечивает более продолжительный контроль загрязняющих микроорганизмов. Кроме того, защищенные соединения могут обладать более высокой стабильностью в присутствии других химических соединений, которые в противном случае могли бы расщеплять свободные альдегиды, таких как бисульфиты и амины.

Защищенные антимикробные соединения, предназначенные для применения в способах, изложенных в настоящем описании, могут быть представлены формулой I:

в которой R³ обозначает C₁-C₆алкил; и R⁴ обозначает H или группу формулы:

в которой L обозначает связь или н-пропилен.

Защищенные антимикробные соединения формулы I можно применять для высвобождения формальдегида, глиоксала или глутарового альдегида согласно способам, предлагаемым в изобретении.

Предпочтительные соединения формулы I включают соединения формулы I-1, представляющие собой соединения формулы I, в которой R⁴ обозначает H.

Предпочтительные соединения формулы I включают соединения формулы I-2, представляющие собой соединения формулы I, в которой R⁴ обозначает:

где L обозначает связь или н-пропилен.

Предпочтительные соединения формулы I-2 включают соединения формулы I-3, представляющие собой соединения формулы I-2, в которой L обозначает связь.

Предпочтительные соединения формулы I-2 включают также соединения формулы I-4, представляющие собой соединения формулы I-2, в которой L обозначает н-пропилен (-CH₂CH₂CH₂-).

Предпочтительные соединения формул I, I-1, I-2, I-3 и I-4 включают соединения формулы I-5, представляющие собой соединения формулы I, I-1, I-2, I-3 или I-4, в которой R³ в каждом случае обозначает C₁-C₄алкил. В некоторых вариантах осуществления изобретения R³ в каждом случае обозначает метил. В некоторых вариантах осуществления изобретения R³ в каждом случае обозначает этил. В некоторых вариантах осуществления изобретения R³ в каждом случае обозначает изопропил. В некоторых вариантах осуществления изобретения R³ в каждом случае обозначает н-пропил. В некоторых вариантах осуществления изобретения R³ в каждом случае обозначает трет-бутил.

Примерами соединений формулы I являются следующие соединения:

Название	Структура
N-метиленметанаминоксид
N-метиленэтанаминоксид
N-метиленпропиламиноксид
N-метиленизопропиламиноксид
N-метилен-трет-бутиламиноксид
N,N′-(пентан-1,5-диилиден)бис(метанаминоксид)

Название	Структура
N,N′-(пентан-1,5-диилиден)бис(этанаминоксид)
N,N′-(пентан-1,5-диилиден)бис(пропиламиноксид)
N,N′-(пентан-1,5-диилиден)бис(пропан-2-аминоксид)
N,N′-(пентан-1,5-диилиден)бис(2-метилпропан-2-аминоксид)
N,N′-(этан-1,2-диилиден)бис(метанаминоксид)
N,N′-(этан-1,2-диилиден)бис(этанаминоксид)
N,N′-(этан-1,2-диилиден)бис(пропан-2-аминоксид)
N,N′-(этан-1,2-диилиден)бис(2-метилпропан-2-аминоксид)

В некоторых вариантах осуществления изобретения защищенное антимикробное соединение формулы I представляет собой N,N′-(пентан-1,5-диилиден)бис(пропан-2-аминоксид).

Соединения формулы I можно получать, например, согласно схеме I. Как правило, представляющий интерес антимикробный альдегид (формальдегид, глиоксал или глутаровый альдегид) смешивают с гидроксиламиновым производным B в пригодном растворителе, таком как вода. Смесь следует перемешивать и продолжать этот процесс в течение периода времени, достаточного для того, чтобы могла осуществиться реакция и образоваться требуемое соединение формулы I. Продукт можно применять в том виде, в котором он получен, или необязательно подвергать дополнительной очистке с помощью методов, хорошо известных специалистам в данной области, таких как кристаллизация, хроматография, дистилляция и т.д.

Схема I

формальдегид, глиоксал или глутаровый альдегид

Примерами гидроксиламиновых производных B, которые можно применять согласно изобретению, являются (но не ограничиваясь только ими) N-метилгидроксиламин, N-этилгидроксиламин, N-пропилгидроксиламин, N-изопропилгидроксиламин и N-трет-бутилгидроксиламин.

Некоторые из защищенных антимикробных производных формулы I являются новыми. Таким образом, следующий вариант осуществления изобретения относится к новым соединения формулы I. В некоторых вариантах осуществления изобретения соединение представляет собой N-метиленметанаминоксид. В некоторых вариантах осуществления изобретения соединение представляет собой N,N′-(пентан-1,5-диилиден)бис(метанаминоксид). В некоторых вариантах осуществления изобретения соединение представляет собой N,N′-(пентан-1,5-диилиден)бис(этанаминоксид). В некоторых вариантах осуществления изобретения соединение представляет собой N,N′-(пентан-1,5-диилиден)бис(пропиламиноксид). В некоторых вариантах осуществления изобретения соединение представляет собой N,N′-(пентан-1,5-диилиден)бис(пропан-2-аминоксид). В некоторых вариантах осуществления изобретения соединение представляет собой N,N′-(пентан-1,5-диилиден)бис(2-метилпропан-2-аминоксид). В некоторых вариантах осуществления изобретения соединение представляет собой N,N′-(этан-1,2-диилиден)бис(этанаминоксид). В некоторых вариантах осуществления изобретения соединение представляет собой N,N′-(этан-1,2-диилиден)бис(пропан-2-аминоксид). В некоторых вариантах осуществления изобретения соединение представляет собой N,N′-(этан-1,2-диилиден)бис(2-метилпропан-2-аминоксид).

Защищенные антимикробные соединения, представленные в настоящем описании, высвобождают обладающие антимикробным действием альдегиды (формальдегид, глиоксал или глутаровый альдегид) при активации под действием тепла. Однако, в отличие от свободных альдегидов, защищенные соединения являются более стабильными при повышенных температурах, что обеспечивает более продолжительный контроль загрязняющих микроорганизмов. Кроме того, защищенные соединения могут обладать более высокой стабильностью в присутствии других химических соединений, которые в противном случае могли бы расщеплять свободные альдегиды, таких как бисульфиты и амины.

Благодаря своей стабильности и способности активироваться под действием тепла защищенные антимикробные соединения, предлагаемые в изобретении, можно применять для контроля микроорганизмов в течение пролонгированных периодов времени в водных или содержащих воду системах, которые находятся при повышенных температурах, включая те, которые могут присутствовать или использоваться в областях применения, связанных с нефтью и природным газом, в аэрированной воде для бумагоделательных машин, промышленной оборотной воде, крахмальных растворах, латексных эмульсиях, жидкостях для машин горячей прокатки или жидкостях для промышленного мытья посуды или стирки. В некоторых вариантах осуществления изобретения водная или содержащая воду система может присутствовать или использоваться в областях применения, связанных с нефтью или природным газом. Примеры таких систем включают (но не ограничиваясь только ими) жидкости для гидравлического разрыва пластов, буровые растворы, системы водного затопления и воду, присутствующую в нефтяных месторождениях.

В некоторых вариантах осуществления изобретения водная или содержащая воду система может иметь температуру 40°C или выше, в другом варианте 55°C или выше, в другом варианте 60°C или выше, в другом варианте 70°C или выше, или в другом варианте 80°C или выше.

Помимо своей термостабильности соединения могут обладать также эффективностью, когда в системе присутствует дезактивирующий агент, такой как источник бисульфитного иона или аминов.

Обычный специалист в данной области легко может определить без излишних экспериментов концентрацию защищенного антимикробного соединения, которую следует использовать в любой конкретной области применения. Например, пригодная концентрация в пересчете на эквивалентное количество антимикробного альдегида, которое потенциально высвобождается (в предположении 100%-ного высвобождения) из защищенного соединения, как правило, составляет в пересчете на массу по меньшей мере примерно 1 част./млн, в другом варианте по меньшей мере примерно 5 част./млн, в другом варианте по меньшей мере примерно 50 част./млн или в другом варианте по меньшей мере примерно 100 мас. част./млн. В некоторых вариантах осуществления изобретения концентрация составляет 2500 част./млн или менее, в другом варианте 1500 част./млн или менее или в другом варианте 1000 част./млн или менее. В некоторых вариантах осуществления изобретения эквивалентная концентрация альдегида составляет примерно 100 част./млн.

Защищенные антимикробные соединения можно применять в системе в сочетании с другими добавками, такими как (но не ограничиваясь только ими) поверхностно-активные вещества, ионные/неионные полимеры и ингибиторы образования накипи и коррозии, акцепторы кислорода, соли в форме нитратов или нитритов и/или дополнительные антимикробные соединения.

Для целей настоящего описания понятие «микроорганизм» включает (но не ограничиваясь только ими) бактерии, грибы, водоросли и вирусы. Слова «контроль» и «контролировать» следует рассматривать в их широком смысле, они включают (но не ограничиваясь только ими) ингибирование роста или размножения микроорганизмов, уничтожение микроорганизмов, дезинфекцию и/или предупреждение повторного роста микроорганизмов. В некоторых вариантах осуществления изобретения микроорганизмы представляют собой бактерии. В некоторых вариантах осуществления изобретения микроорганизмы представляют собой аэробные бактерии. В некоторых вариантах осуществления изобретения микроорганизмы представляют собой анаэробные бактерии. В некоторых вариантах осуществления изобретения микроорганизмы представляют собой сульфатредуцирующие бактерии (SRB).

В контексте настоящего описания под понятие «алкил» подпадают прямоцепочечные и имеющие разветвленную цепь алифатические группы, которые содержат указанное количество атомов углерода. Примеры алкильных групп включают (но не ограничиваясь только ими) метил, этил, пропил, изопропил, бутил, изобутил, втор-бутил, трет-бутил, пентил и гексил.

Представленные ниже примеры служат для иллюстрации изобретения, но не предназначены для ограничения его объема. Если не указано иное, то используемые в настоящем описании соотношения, проценты, части и т.п. представляют собой массовые соотношения, проценты, части и т.п.

Примеры

Пример 1

Получение N,N′-(пентан-1,5-диилиден)бис(пропан-2-аминоксида) («IPHA аддукт»)

В круглодонную колбу (RBF) вместимостью 250 мл, снабженную впускным отверстием для азота, магнитной мешалкой и делительной воронкой, добавляли водный раствор (19,6 мас.%) изопропилгидроксиламина (IPHA, 56,1 г, 11,0 г действующего вещества, 0,147 моля). Этот раствор охлаждали (3°C) в бане с сухим льдом, получая суспензию белого цвета. С помощью делительной воронки добавляли 50%-ный водный раствор глутарового альдегида (Glut) (13,3 г, 6,66 г действующего вещества, 0,066 моля, 0,45 эквивалентов). Вскоре после завершения добавления глутарового альдегида брали образец и анализировали с помощью ГХ для подтверждения того, что произошло полное поглощение глутарового альдегида.

При необходимости неочищенный водный раствор аддукта IPHA-Glut можно очищать, например, путем экстракции с EtOAc (соотношение 1:1) для уменьшения концентрации остаточного IPHA. Затем добавляли EtOAc (соотношение 1:1) и нагревали до температуры дефлегмации, после чего сливали с водной фазы. EtOAc-фазу охлаждали и концентрировали в вакууме, получая гигроскопический липкий твердый продукт желтого цвета (14,2 г, выход 99,5%). Этот продукт растворяли в горячем простом эфире (150 мл) и подвергали вакуумной фильтрации, получая раствор оранжевого цвета (75 мл), который разводили небольшим количеством пентана и вносили затравку в виде липкого твердого продукта желтого цвета. Поскольку это приводило к замасливанию продукта, то раствор в простом эфире/пентане охлаждали до -78°C (в бане с сухим льдом) для отверждения. Эта процедура отверждения приводила к получению двух различных твердых продуктов (светло-желтого и оранжевого цвета), из которых после осуществления вакуумной фильтрации в атмосфере азота при комнатной температуре получали только один твердый продукт светло-желтого цвета.

Твердый продукт светло-желтого цвета выделяли и сушили в глубоком вакууме (0,3 Topp) в течение нескольких часов для удаления растворителей и избытка IPHA. Образовавшийся в результате аморфный твердый продукт светло-желтого цвета (4,0 г, выход 28%, чистота 98,6%) хранили в атмосфере азота, он имел температуру плавления 78,5°C (увлажнение), расплавлялся при 81,0-85,0°C. Маточные растворы объединяли и концентрировали, получая масло оранжевого цвета (10,3 г, выход 72%, чистота 92,4%). Спектральный анализ подтвердил присутствие требуемого соединения. По данным ГХ/МС-анализа (режим CI (химическая ионизация)) [MH]⁺ m/z 158. ¹H-ЯМР (CD₃OD, част./млн): 1,357-1,390 (m), 1,797 (m), 2,484 (m), 4,184 (m), 7,258 (t). ¹³C-ЯМР (CD₃OD, част./млн): 30,808, 32,266, 37,251, 77,179, 152,282.

Пример 2

Анализ высвобождения глутарового альдегида

Образцы аддукта IPHA анализировали для определения содержания глутарового альдегида. Образцы приготавливали в стерильной деионизированной воде в молярной концентрации, эквивалентной 2000 част./млн глутарового альдегида. Приготавливали также стандарт с концентрацией глутарового альдегида 500 част./млн. Первую оценку осуществляли сразу после приготовления образца. Затем образцы подвергали тепловому старению при 55°C в течение 2 или 24 ч и снова анализировали. Концентрацию глутарового альдегида измеряли непосредственно с помощью ГХ и после осуществления доколоночной дериватизации с помощью ЖХВР. Методом ГХ не обнаружено присутствие глутарового альдегида. С помощью ЖХВР выявлены низкие уровни глутарового альдегида. Эти результаты служат подтверждением того, что продукты реакции сохраняют стабильность при повышенной температуре, но имеет место небольшое расщепление в кислых условиях, необходимых для осуществления дериватизации и ЖХВР-анализа.

Пример 3

Анализ биоцидной эффективности

Тестировали очищенный аддукт, полученный в примере 1, аддукты реакционных смесей («неочищенные аддукты») и только один защитный компонент (IPHA) для оценки биоцидной активности в отношении пула аэробных организмов при комнатной температуре и в отношении сульфатредуцирующих бактерий (SRB) при 40°C. Тесты осуществляли следующим образом:

а. Аэробные бактерии. Смешанный пул 6 видов бактерий из расчета примерно 5×10⁶ КОЕ/мл в забуференном фосфатом физиологическом растворе вносили в 96-луночный планшет (по 1 мл/лунку). Каждую лунку независимо подвергали химической обработке (т.е. вносили в различных концентрациях аддукт, защитный компонент, глутаровый альдегид и т.д.). Затем в определенные моменты времени измеряли плотность сохранившихся клеток в каждой лунке, осуществляя разведения для построения кривой экстинкции в среде, содержащей краситель резазурин в качестве индикатора.

Было установлено, что ни один/одна из аддуктов или защитных групп не обладал/обладала биоцидным действием при массовых концентрациях вплоть до концентраций, эквивалентных 300 част./млн глутарового альдегида.

б. Термофильные бактерии. Выращенную в течение 48-72 ч культуру T. thermophilus пеллетировали путем центрифугирования при 2000 g и дебрис ресуспендировали в 10-кратном по отношению к культуре объеме буфера (ЗФР или забуференная карбонатом синтетическая пресная вода). Суспензию разделяли на аликвоты по 10 мл и вносили в стеклянные пробирки с завинчивающимися крышками. Затем каждую пробирку обрабатывали глутаровым альдегидом или аддуктом и инкубировали при 70°C. В определенные моменты времени в каждой пробирке измеряли плотность клеток с использованием разведений для построения кривой экстинкции, для чего осуществляли серийные разведения образца и высевали разведения на твердые среды.

Результаты: (1) В образцах, обработанных тестируемым соединением в концентрации, эквивалентной 100 част./млн глутарового альдегида, выявлено уменьшение более чем на 5 log-единиц КОЕ/мл, по сравнению с необработанными образцами, после экспозиции в течение 24 ч аддуктов или глутарового альдегида. При повторном заражении биоцидов посредством добавления дополнительного количества бактерий также имело место снижение более чем на 5 log-единиц КОЕ/мл после экспозиции в течение 24 ч. Через 5 дней глутаровый альдегид не обеспечивал контроль уровней бактерий. В противоположность этому аддукт IPHA сохранял способность снижать более чем на 5 log-единиц КОЕ/мл в течение 18 дней и на 2-3 log-единицы в течение более чем 5 недель.

Несмотря на то что изобретение было описано выше на примере его предпочтительных вариантов осуществления, его можно модифицировать без отклонения от сущности и объема настоящего изобретения. Таким образом, следует иметь в виду, что под объем настоящего изобретения подпадают любые варианты, применения или адаптации изобретения, соответствующие общим принципам, представленным в настоящем описании. Кроме того, следует иметь в виду, что под объем изобретения подпадают и такие отклонения от настоящего описания, которые соответствуют известной или общепринятой практике в области, к которой относится настоящее изобретение, и которые подпадают под объем приведенной ниже формулы изобретения.

1. Способ контроля микроорганизмов в водной или содержащей воду системе, которая имеет температуру по меньшей мере 40°C, заключающийся в том, что приводят в контакт водную или содержащую воду систему с защищенным антимикробным соединением формулы I: ,в которой R³ обозначает C₁-C₆алкил; иR⁴ обозначает H или группу формулы: ,в которой L обозначает связь или н-пропилен.

2. Способ по п.1, в котором R⁴ обозначает: .

3. Способ по п.2, в котором L обозначает н-пропилен (-CH₂CH₂CH₂-).

4. Способ по п.1, в котором R³ в каждом случае обозначает C₁-C₄алкил.

5. Способ по п.1, в котором соединение формулы I представляет собой: N-метиленметанаминоксид; N-метиленэтанаминоксид; N-метиленпропиламиноксид; N-метиленизопропиламиноксид; N-метилен-трет-бутиламиноксид; N,N′-(пентан-1,5-диилиден)бис(метанаминоксид); N,N′-(пентан-1,5-диилиден)бис(этанаминоксид); N,N′-(пентан-1,5-диилиден)бис(пропиламиноксид); N,N′-(пентан-1,5-диилиден)бис(пропан-2-аминоксид); N,N′-(пентан-1,5-диилиден)бис(2-метилпропан-2-аминоксид); N,N′-(этан-1,2-диилиден)бис(метанаминоксид); N,N′-(этан-1,2-диилиден)бис(этанаминоксид); N,N′-(этан-1,2-диилиден)бис(пропан-2-аминоксид); N,N′-(этан-1,2-диилиден)бис(2-метилпропан-2-аминоксид) или смеси двух или большего количества указанных соединений.

6. Способ по п.1, в котором водная или содержащая воду система представляет собой жидкость, присутствующую в месторождениях нефти или газа, аэрированную воду для бумагоделательных машин, промышленную оборотную воду, крахмальный раствор, латексную эмульсию, жидкость для машин горячей прокатки или жидкость для промышленного мытья посуды или стирки.

7. Способ по п.1, в котором водная или содержащая воду система представляет собой жидкость для гидравлического разрыва пластов, буровой раствор, систему водного затопления или воду, присутствующую в нефтяных месторождениях.

8. Соединение, представляющее собой: N-метиленметанаминоксид; N,N′-(пентан-1,5-диилиден)бис(метанаминоксид); N,N′-(пентан-1,5-диилиден)бис(этанаминоксид); N,N′-(пентан-1,5-диилиден)бис(пропиламиноксид); N,N′-(пентан-1,5-диилиден)бис(пропан-2-аминоксид); N,N′-(пентан-1,5-диилиден)бис(2-метилпропан-2-аминоксид); N,N′-(этан-1,2-диилиден)бис(этанаминоксид); N,N′-(этан-1,2-диилиден)бис(пропан-2-аминоксид) или N,N′-(этан-1,2-диилиден)бис(2-метилпропан-2-аминоксид).