Ferrocen v zemědělství: od agrochemikálií a sanace půdy k selektivním chemosenzorům

Agrochemikálie obsahující ferrocen

Ochrana plodin je v zemědělství důležitým tématem, které je částečně umožněno využíváním chemických látek k hubení škůdců nebo jako herbicidů. Na druhé straně rostoucí obavy z nepříznivých účinků pesticidů na zdraví a životní prostředí, o nichž svědčí zavedení nových postupů registrace pesticidů (viz např. zákon o ochraně kvality potravin ve Spojených státech ), podnítily zkoumání nových pesticidů, včetně pesticidů na bázi přírodních produktů , které by nahradily sloučeniny, jež již nemohou být v důsledku nových registračních požadavků používány. Příklady lze nalézt v řadě přehledů . Ve snaze získat účinnější sloučeniny byla ve sloučeninách, o nichž je známo, že jsou účinné, zavedena jako substituent ferocenylová skupina.

Důležitými systémovými látkami se širokým spektrem fungicidní účinnosti proti rostlinným patogenům jsou deriváty 1H-1,2,4-triazolu, například ty, které jsou znázorněny na obrázku 2 .

Není proto překvapivé, že většina agrochemikálií na bázi ferrocenů (fungicidy, herbicidy) obsahuje stejný heterocyklus. Navíc poměrně často tytéž sloučeniny odhalily slibnou a poněkud neočekávanou regulační aktivitu růstu rostlin. Syntéza je poměrně jednoduchá, začíná se acetylferrocenem, 1, nebo ferrocenkarbaldehydem, 2, a používá se klasických organických reakcí, jak je znázorněno na obrázcích3a4.

E and Z isomers of 3-aryl-1-ferrocenyl-2-triazolyl derivatives, 3, were tested for preventive fungicidal activity against powdery mildew on barley (foliar and soil drench applications) and for curative fungicidal activity against brown rust on wheat (foliar application). Selected results from foliar applications are reported in Table 1 (entry 1). Izomery E vykazovaly lepší fungicidní aktivitu než izomery Z, pravděpodobně v důsledku příznivé sterické vlastnosti. Dále byla zjištěna regulační aktivita růstu rostlin, postřikem listů jabloní rostlin vypěstovaných ze semen. Reakcí obou isomerů s fenylhydrazinem (obr. 3) byly získány 5-aryl-3-ferrocenyl-1-fenyl-4-triazolyldihydropyrazoly 4, které byly testovány proti některým bakteriálním kmenům, přičemž výsledky nebyly příliš uspokojivé.

Triazolylový kruh byl vzdálen od ferrocenu vložením dalšího atomu uhlíku , a vzniklé (E)-3-aryl-1-ferrocenyl-2-triazolylmethyl deriváty, 5, (obr. 3) byly testovány proti některým houbám (Pratylenchus zeae, Alternaria solani, Cladosporium fulvum, Physalospora piricola a Cercospora arachidicola) s různou aktivitou, obecně lepší proti A. solani (tabulka 1, položka 2). Deriváty z reakce s fenylhydrazinem, 6, tentokrát vykazovaly lepší účinnost (tab. 1, položka 3).

Ferrocenylové analogy triadimefonu, 7, byly testovány na antifungální účinnost proti plísním a rzi na intravitálních rostlinách pšenice (Isariopsis clavispora, Bremia lactucae, C. fulvum, Erysiphe graminis a Alternaria mali), ale zklamáním bylo, že všechny testované sloučeniny vykazovaly nižší antifungální aktivitu (viz příklady v tabulce 1, položka 4) proti všem houbám než mateřský triadimefon (92,8 %, resp. 96,6 %). Naopak regulační aktivita rostlin, testovaná metodou rhizogeneze listenu okurky, dopadla výborně.

Redukcí analogů triadimefonu byly získány odpovídající ferrocenylové analogy triadimenolu, 8 . Byly testovány, jak je uvedeno výše u analogů triadimefonu, a obecně nevykazovaly žádnou antifungální aktivitu (tabulka 1, položka 5); všechny však vykazovaly vynikající schopnost regulovat růst rostlin, dokonce větší než keto prekurzory.

Mírnou strukturní změnou byla změna OH na OMe, 9 . Bylo použito pět hub (P. zeae, A. solani, C. fulvum, P. piricola a C. ara) se skromnými výsledky (viz vybrané příklady v tabulce 1, položka 6). Zajímavé výsledky přinesla růstová regulační aktivita rostlin, stanovená metodami prodlužování gem pšenice a zakořeňování listenu okurky.

Jiný přístup k syntéze ferrocenových derivátů obsahujících triazol spočíval v tom, že se vycházelo z ferrocenekarbaldehydu a α-bromo arylketonů, které umožňovaly strukturní variace (obr. 4) .

Tři rodiny sloučenin (s funkčními vlastnostmi CO, 11, OH, 12, a OMe, 13) byly testovány na biologickou aktivitu. Byla zjištěna řídká aktivita regulující růst rostlin (testy s koleoptile pšenice a kotyledonem okurky), o něco menší u ketonů. Byla zaznamenána určitá antifungální aktivita in vitro (proti Gibberella zeae, A. solani, Cercospora arachidicola, P. piricola, Phomopsis asparagi, Cladosporium cucumerinum, Sclerotinia sclerotiorum a Pyricularia oryzae), ale podle autorů nebyla významná, pokud se porovnávala se známými komerčními látkami. Několik vybraných údajů je uvedeno v tabulce 1 (položky 8 až 10).

Zkoumány byly také deriváty ferrocenylu s různými funkčními vlastnostmi. Je pozoruhodné, že jeden z prvních pokusů o biologicky aktivní feroceny zavedl jako substituenty aroylhydraziny (obr. 5 ): o více než deset let později byl uznán význam přírodních sloučenin obsahujících hydrazin, a to i s ohledem na biologickou aktivitu .

N-tert-butyl-N,N′-diacylhydrazines, mimicking the action of 20-hydroxyecdysone to activate the ecdysone receptor, lead to lethal premature molting, thus constituting a class of insect growth regulators useful in crop protection. The larvicidal activities were tested against Southern armyworm by foliar application. Results (Figure 6) indicate a good larvicidal activity, in comparison with the reference RH5849 (N-tert-butyl-N,N′-dibenzoylhydrazine) only when the tert-butyl group was far from ferrocenyl moiety.

1,1′-Disubstitued ferrocenes with different keto-ester, hydroxy-ester, and dihydroxy functionalities on both cyclopentadienyl rings were prepared (Figure 7 ) and assayed in vitro for antifungal activity against G. zeae, A. solani, C. arachidicola, P. piricola, and Fusarium oxysporum. The compounds showed relatively low fungicidal activity.

Instead, ferrocenyl ethers , much easier to prepare (Figure 8) than previous diferrocenyl derivatives, showed moderate activity against two plant fungi, Botrytis cinerea and Penicillium species (Table 2).

Among herbicides, it is important to mention a series of cyanoacrylates containing ferrocene (Figure 9 ), that exhibited, according to the authors, excellent herbicidal activities against rape weeds.

More recently, a series of ferrocenes substituted with pyrimidines (17 to 20, Figure 10) were prepared , because of their potentialities as herbicides and plant growth regulators, but the biological activities have not been tested yet. Totéž platí pro trifluormethylsulfanylferrocen, 21 , (trifluormethylsulfanyl)ethynylferrocen, 22 , a (N-ferrocenylmethyl)benzenkarbamid, 23 , znázorněné na obrázku 10 .

Ferroceny jako katalyzátory při syntéze agrochemikálií

Důležitost agrochemikálií je zřejmá, avšak důsledky jejich používání pro životní prostředí nelze podceňovat. Proto je důležité omezit množství chemických látek vnášených do životního prostředí. Navíc se stále více ukazuje, že biologické vlastnosti chirálních agrochemikálií souvisejí s absolutní konfigurací. Neaktivní enantiomer je zbytečný nebo dokonce škodlivý, takže enantioselektivní syntéza se stala nutností. Tento problém dobře ilustruje případ (S)-metolachloru (obrázek 11, IUPAC: (S)-N-(2-ethyl-6-methyl)fenyl-N-(1-methyl-2-methoxy)ethyl-2-chlorethanamid), nejdůležitějšího herbicidu divize ochrany rostlin společnosti Novartis (>20 000 tun/rok).

Vyrábí se od roku 1978, nejprve jako racemická směs, poté (od roku 1997) jako enantiomerně obohacená forma, která umožnila snížit zatížení životního prostředí o 40 %. Jednou z nejdůležitějších strategií asymetrické syntézy je použití chirálních katalyzátorů. Zlomem v asymetrické syntéze metolachloru bylo použití iridiového katalyzátoru , který se stal chirálním pomocí chirálního ferrocenylfosfanového ligandu Josiphos. Katalyzátor byl dostatečně robustní, aby zajistil velmi vysoké číslo obratu (TON) a frekvenci obratu (TOF).

Pro čtenáře, který není obeznámen s feroceny, stačí říci, že dva různé substituenty ve stejném cyklopentadienylovém kruhu dávají vzniknout dvěma enantiomerům, které představují planární chiralitu (obr. 12). Každý enantiomer je označen jako R p nebo S p (kde p znamená planární) podle Schlöglových pravidel: pozorovatel se dívá podél osy C 5 ferrocenu ze strany silněji substituovaného kruhu Cp a absolutní konfigurace je uvedena v závislosti na nejkratším oblouku, který má prioritně klesat, buď ve směru, nebo proti směru hodinových ručiček.

Úspěch Josiphosu a jeho modifikace Xyliphosu podpořil jak průmyslové aplikace chirálních katalyzátorů a syntézu nových chirálních ferrocenů, tak jejich využití v asymetrické syntéze . První Josiphos se tak stal výchozí sloučeninou pro rodinu účinných chirálních ligandů, které našly uplatnění při enantioselektivní syntéze dalších sloučenin užitečných v zemědělství. Jako příklad lze uvést asymetrickou allylaci terciárních α-fluoroketonů, molekul užitečných pro aplikace směrem k léčivům, agrochemikáliím a funkčním materiálům, která byla mimo jiné provedena pomocí chirálních ferocenylových katalyzátorů (obr. 13, ). Bohužel e.e. jsou příliš nízké na to, aby byly použitelné.

Feroceny v remediaci půd

Nativní jíly se objevily jako aktivní složka půd, která ovlivňuje sorpci kationtů, aniontů a hydrofobních organických chemických látek. Jejich význam při odstraňování a zadržování znečišťujících látek proto roste , také proto, že ionty železa v mřížce jílu se účastní redoxních reakcí, které mohou být užitečné proti znečištění kovovými ionty ; například výzkumníci v lokalitě Hanford ve Washingtonu dokázali snížit množství Cr(VI) v dodávané vodě z 1 ppm na hodnotu pod detekčním limitem (7 až 8 ppb) jeho redukcí na méně toxický a méně rozpustný Cr(III), přičemž využili jílové strukturní železo, dříve redukované na Fe(II) .

Pro sanaci kontaminovaných půd nabývá na významu aplikace povrchově aktivních látek . Povrchově aktivní látky na bázi ferrocenů mají tu výhodu, že mohou působit jako povrchově aktivní látky i jako redoxně aktivní sloučeniny. Proto byla jako interkalanty použita řada ferrocenylových povrchově aktivních látek s různou délkou řetězce s cílem určit podmínky, kdy dochází k přenosu elektroniky v jílovém strukturním Fe. Tímto výzkumem bylo možné dosáhnout lepších obecných znalostí o aktivitě Fe v přírodních silikátech . Jako interkalanty byly použity ferrocenylové povrchově aktivní látky (25 a 26 na obr. 14a) s různou délkou řetězce, které zajistily jak rozsah potenciálů, tak rozsah možných konformací; jako jíl byl použit standardní wyomingský montmorillonit (SWy-1) o vzorci (Al2.88Fe0,68Mg0,47)(Si7,7Al0,29)O20(OH)4.

The results indicated that ferrocenyl trimethylammonium derivatives with C6 (25) and C11 (26) chains can be oxidized by structural Fe(III) in clay, whereas ferrocenylmethyl trimethylammonium (24) is not oxidized (Figure 15).

Later, other ferrocenyl surfactants (27 and 28 in Figure 14b) were used to verify the possibility to exploit them as reversible surfactants . In fact, although the surfactant washing of contaminated soils and groundwater may be an effective approach, operating costs result high and the surfactants need to be recycled, in order to optimize surfactant-enhanced remediation (SER). As discussed in ref. , the methods developed are not satisfactory. Z této studie vyplynulo, že solubilizace benzenu, toluenu a ethylbenzenu pomocí ferrocenylových povrchově aktivních látek byla lepší než pomocí běžně používaných kationtových (hexadecyltrimethylamonium bromid (CTABr)) nebo aniontových (dodecylsulfát sodný (SDS)) povrchově aktivních látek. Účinnost odstraňování byla navíc vyšší při nízkých koncentracích ferrocenových povrchově aktivních látek a konečně oxidace na ferrocenový kationt umožnila oddělení od organických sloučenin, a tedy recyklaci povrchově aktivní látky.

Je třeba zmínit, že ferroceny se ukázaly jako užitečné při dokazování redoxních vlastností Fe(II) adsorbovaného na minerální povrchy. Měření smysluplných klidových potenciálů v environmentálních a geochemických systémech bylo v minulosti velmi obtížné, mimo jiné kvůli pomalému přenosu elektronů mezi pevnou snímací elektrodou (obvykle Pt) a redoxně aktivním druhem. Místo toho se díky ferrocenem zprostředkovanému přenosu elektronů podařilo vytvořit mobilní roztokové sondy, které mohou reagovat s redoxně aktivními druhy dostatečně rychle na to, aby poskytly měřitelný proud, a umožnily tak přímé měření redoxní reaktivity (tj. rychlosti přenosu elektronů) adsorbovaných redoxně aktivních druhů.

Ferroceny jako senzory

Deriváty ferrocenu mohou fungovat jako optické i elektrochemické senzory. Při vhodné substituci mohou koordinovat anionty nebo kationty s následným posunem potenciálu nebo změnou barvy . Zde budou uvedeny pouze vybrané příklady z poslední doby.

1. a)

   Neutrální sloučeniny. Hydrazin a jeho deriváty se používají v zemědělství jako pesticidy, ale do životního prostředí se dostávají také průmyslovými emisemi. Vzhledem k jejich toxikologické nebezpečnosti jsou zapotřebí citlivé, spolehlivé a rychlé analytické metody. K dispozici je řada instrumentálních technik , ale elektroanalytické techniky by mohly poskytnout přenosné, levné a rychlé postupy, nehledě na poněkud kineticky pomalou oxidaci hydrazinu. S využitím uhlíkových nanotrubiček bylo souběžně provedeno elektrokatalytické stanovení fenylhydrazinu a hydrazinu pomocí pastové elektrody z uhlíkových nanotrubiček modifikované ferrocenem . Taková elektroda byla stabilní, snadno se připravovala a její povrch se obnovoval. Vykazovala zvýšenou selektivitu a umožňovala současnou detekci hydrazinu a fenylhydrazinu ve stejném vzorku.

2. b)

   Anionty. Význam aspartátu je nepopiratelný: stejně jako mnoho chirálních aniontů vstupuje do biologických a chemických procesů, nemluvě o průmyslově významném aspartamu. Na druhé straně je stále zajímavější enantioselektivní rozpoznávání umělými hostitelskými molekulami . Byla připravena řada 1,1′-disubstituovaných ferrocenů s chirálním atomem uhlíku a thiomočovinou v substituentech a bylo testováno jejich enantioselektivní rozpoznávání. Nejméně dva z nich vykazovaly dobré chirální rozpoznávání, jak ukázala optická titrace s L- nebo D-N-acetylaspartátem v roztoku dimethyl sulfoxidu (DMSO). Změny barvy jsou výrazné, jak je znázorněno na obrázku 16, čímž se tyto feroceny stávají kolorimetrickými senzory „pouhým okem“.

   

   Kolorimetrický senzor na bázi ferocenů pro N-acetylaspartát. Zleva doprava: ferrocenylderivát nahoře, totéž + L-N-acetylaspartát, totéž + D-N-acetylaspartát; ferrocenylderivát dole, totéž + L-N-acetylaspartát, totéž + D-N-acetylaspartát. Převzato z Ref. , Eur J Org Chem 841-849. Přetištěno se svolením. Copyright (2009) Wiley.

3. c)

   Kationty. Detekce kationtů těžkých kovů v životním prostředí má velký význam vzhledem k jejich šíření z průmyslových zdrojů a jejich léčbě na zdraví. Zejména otravy olovem jsou stále jedním z nejčastějších onemocnění způsobených životním prostředím a detekce iontů Pb(II) je naprosto nezbytná, zejména v pitné vodě . Poté, co se podařilo rozpoznat fosfátové anionty pomocí ferocenylimidazofenantrolinu, který fungoval jako kolorimetrický i elektrochemický senzor , připravili titíž autoři feroceny substituované imidazopyridinem (ImPy) nebo imidazofenazinem (ImPhen) (obr. 17), které působily jako selektivní receptory vůči kationtům Pb(II) .

   

   Selektivní vícekanálové sondy pro kationty Pb(II); barevné změny spojené s komplexací kationtu (nahoře absorpce, dole emise). Převzato z Ref. , J Org Chem 74:4787-4796, přetištěno se svolením. Copyright (2009) American Chemical Society.

The compounds, reported in Figure 17, show highly selective affinity for Pb(II) ions over a range of other metal ions, through different channels, i.e., as redox, chromogenic, and fluorescent chemosensors. For example, compound ImP2 showed, upon complexation with Pb(II) cation, an oxidation redox peak anodically shifted (ΔE 1/2 = 150 mV), a red-shifted absorption maximum (Δλ = 44 nm) and an emission with an important chelation-enhanced fluorescence effect.

Další chemosenzory na bázi ferrocenu, jeden selektivní pro kationt Hg(II) a druhý selektivní pro kationt Cu(II), byly vyvinuty zavedením 1,4-benzendiaminu 31, 4,4′-bifenyldiaminu 32 nebo 4,4′-diaminobenzendisulfidu, 33 . Výsledkem těchto sloučenin byly vysoce citlivé kolorimetrické chemosenzory pro Cu(II) a Hg(II) se změnami umožňujícími detekci „pouhým okem“, jak je vidět na obrázku 19.