Ferrocen in der Landwirtschaft: von Agrochemikalien und Bodensanierung bis zu selektiven Chemosensoren

Ferrocenhaltige Agrochemikalien

Der Pflanzenschutz ist ein wichtiges Thema in der Landwirtschaft, das zum Teil durch den Einsatz von Chemikalien zur Schädlingsbekämpfung oder als Herbizide ermöglicht wird. Andererseits hat die zunehmende Besorgnis über die schädlichen Auswirkungen von Pestiziden auf Gesundheit und Umwelt, die sich in der Einführung neuer Zulassungsverfahren für Pestizide niederschlägt (siehe z. B. den Food Quality Protection Act in den Vereinigten Staaten), dazu geführt, dass neue Pestizide erforscht wurden, darunter auch solche auf der Basis von Naturprodukten, um die Verbindungen zu ersetzen, die aufgrund der neuen Zulassungsvorschriften nicht mehr verwendet werden konnten. Beispiele hierfür finden sich in einer Reihe von Berichten. Bei dem Versuch, effizientere Verbindungen zu erhalten, wurde die Ferrocenylgruppe als Substituent in Verbindungen eingeführt, die als aktiv bekannt sind.

Wichtige systemische Wirkstoffe mit einem breiten Spektrum an fungizider Aktivität gegen Pflanzenpathogene sind Derivate von 1H-1,2,4-Triazol, wie die in Abbildung 2 gezeigten.

Deshalb ist es nicht überraschend, dass die meisten Agrochemikalien auf Ferrocenbasis (Fungizide, Herbizide) denselben Heterozyklus enthalten. Darüber hinaus zeigten dieselben Verbindungen häufig eine vielversprechende und etwas unerwartete pflanzenwachstumsregulierende Wirkung. Die Synthese ist recht einfach, ausgehend von Acetylferrocen (1) oder Ferrocencarbaldehyd (2) und unter Verwendung klassischer organischer Reaktionen, wie in den Abbildungen 3 und 4 dargestellt.

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). Die E-Isomere zeigten eine bessere fungizide Wirkung als die Z-Isomere, was wahrscheinlich auf eine günstige sterische Eigenschaft zurückzuführen ist. Darüber hinaus wurde bei der Besprühung von Apfelblättern von aus Samen gezogenen Pflanzen eine wachstumsregulierende Wirkung festgestellt. Durch Reaktion beider Isomere mit Phenylhydrazin (Abbildung 3) wurden 5-Aryl-3-ferrocenyl-1-phenyl-4-triazolyldihydropyrazole, 4, erhalten, die gegen einige Bakterienstämme getestet wurden, wobei die Ergebnisse nicht sehr zufriedenstellend waren.

Der Triazolylring wurde durch Einfügen eines weiteren Kohlenstoffatoms vom Ferrocen entfernt, und die resultierenden (E)-3-Aryl-1-ferrocenyl-2-triazolylmethyl-Derivate, 5, (Abbildung 3) wurden gegen einige Pilze (Pratylenchus zeae, Alternaria solani, Cladosporium fulvum, Physalospora piricola und Cercospora arachidicola) getestet, mit unterschiedlichen Aktivitäten, generell besser gegen A. solani (Tabelle 1, Eintrag 2). Die Derivate aus der Reaktion mit Phenylhydrazin, 6, zeigten diesmal eine bessere Leistung (Tabelle 1, Eintrag 3).

Ferrocenyl-Analoga von Triadimefon, 7, wurden auf ihre antimykotische Aktivität gegen Mehltau und Rost an intravitalen Weizenpflanzen (Isariopsis clavispora, Bremia lactucae, C. fulvum, Erysiphe graminis und Alternaria mali) getestet, aber enttäuschend ist, dass alle getesteten Verbindungen eine geringere antimykotische Aktivität (siehe Beispiele in Tabelle 1, Eintrag 4) gegen alle Pilze zeigten als das Stammtriadimefon (92,8 % bzw. 96,6 %). Die pflanzenregulatorische Aktivität, die mit der Methode der Gurken-Kotyledonen-Rhizogenese getestet wurde, war dagegen ausgezeichnet.

Durch Reduktion der Analoga von Triadimefon wurden die entsprechenden Ferrocenyl-Analoga von Triadimenol, 8, erhalten. Sie wurden wie oben für die Triadimefon-Analoga angegeben getestet und zeigten im Allgemeinen keine antimykotische Aktivität (Tabelle 1, Eintrag 5); sie zeigten jedoch alle eine ausgezeichnete Fähigkeit zur Regulierung des Pflanzenwachstums, die sogar größer war als die der Keto-Vorläufer.

Eine leichte strukturelle Veränderung war der Wechsel von OH zu OMe, 9 . Fünf Pilze (P. zeae, A. solani, C. fulvum, P. piricola und C. ara) wurden verwendet, mit bescheidenen Ergebnissen (siehe, für ausgewählte Beispiele, Tabelle 1, Eintrag 6). Interessante Ergebnisse lieferte die wachstumsregulierende Aktivität, die anhand der Streckung von Weizen-Gemmen und der Bewurzelung von Gurken-Kotyledonen bestimmt wurde.

Ein anderer Ansatz zur Synthese von Ferrocen-Derivaten, die Triazol enthalten, bestand darin, von Ferrocencarbaldehyd und α-Bromaryketonen auszugehen, was strukturelle Variationen ermöglichte (Abbildung 4).

Die drei Familien von Verbindungen (mit CO-, 11, OH-, 12, bzw. OMe-, 13, Funktionalitäten) wurden auf ihre biologische Aktivität getestet. Es wurde eine geringe pflanzenwachstumsregulierende Aktivität (Weizen-Koleoptile und Gurken-Kotyledonen-Tests) beobachtet, etwas weniger bei den Ketonen. Es wurde eine gewisse antimykotische In-vitro-Aktivität festgestellt (gegen Gibberella zeae, A. solani, Cercospora arachidicola, P. piricola, Phomopsis asparagi, Cladosporium cucumerinum, Sclerotinia sclerotiorum und Pyricularia oryzae), die jedoch nach Ansicht der Autoren im Vergleich zu bekannten kommerziellen Wirkstoffen nicht signifikant war. Einige ausgewählte Daten sind in Tabelle 1 (Einträge 8 bis 10) aufgeführt.

Untersucht wurden auch Ferrocenylderivate mit unterschiedlichen Funktionalitäten. Es ist bemerkenswert, dass bei einem der ersten Versuche, biologisch aktive Ferrocene zu erhalten, Aroylhydrazine als Substituenten eingesetzt wurden (Abbildung 5): Mehr als ein Jahrzehnt später wurde die Bedeutung natürlicher hydrazinhaltiger Verbindungen auch im Hinblick auf biologische Aktivitäten anerkannt.

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. Das Gleiche gilt für Trifluormethylsulfanylferrocen, 21, (Trifluormethylsulfanyl)ethinylferrocen, 22, und (N-Ferrocenylmethyl)benzolcarbamid, 23, die in Abbildung 10 dargestellt sind.

Ferrocene als Katalysatoren bei der Synthese von Agrochemikalien

Die Bedeutung von Agrochemikalien ist offensichtlich, doch dürfen die Umweltfolgen ihrer Verwendung nicht unterschätzt werden. Deshalb ist es wichtig, die Menge der in die Umwelt eingebrachten Chemikalien zu begrenzen. Außerdem wird immer deutlicher, dass die biologischen Eigenschaften von chiralen Agrochemikalien mit der absoluten Konfiguration zusammenhängen. Das nicht aktive Enantiomer ist unnötig oder sogar schädlich, so dass die enantioselektive Synthese ein Muss wurde. Das Problem lässt sich gut am Beispiel von (S)-Metolachlor (Abbildung 11, IUPAC: (S)-N-(2-ethyl-6-methyl)phenyl-N-(1-methyl-2-methoxy)ethyl-2-chlorethanammid), dem wichtigsten Herbizid der Novartis Crop Protection Division (>20.000 Tonnen/Jahr).

Seit 1978 wird das Herbizid hergestellt, zunächst als racemisches Gemisch, dann (ab 1997) in enantiomerenangereicherter Form, die eine 40%ige Reduktion der Umweltbelastung ermöglicht. Eine der wichtigsten Strategien der asymmetrischen Synthese ist die Verwendung von chiralen Katalysatoren. Der Wendepunkt zur asymmetrischen Synthese von Metolachlor war die Verwendung eines Iridiumkatalysators, der durch einen chiralen Ferrocenylposphan-Liganden, Josiphos, chiral gemacht wurde. Der Katalysator war robust genug, um eine sehr hohe Umsatzzahl (TON) und Umsatzhäufigkeit (TOF) zu gewährleisten.

Für den Leser, der mit Ferrocenen nicht vertraut ist, genügt es zu sagen, dass zwei verschiedene Substituenten im selben Cyclopentadienylring zwei Enantiomere ergeben, die eine planare Chiralität aufweisen (Abbildung 12). Jedes Enantiomer wird als R p oder S p bezeichnet (wobei p für planar steht), und zwar nach den Schlögl’schen Regeln: Der Betrachter blickt entlang der C 5-Achse des Ferrocen von der Seite des stärker substituierten Cp-Rings aus, und die absolute Konfiguration wird je nach dem kürzesten, vorrangig absteigenden Bogen angegeben, entweder im oder gegen den Uhrzeigersinn.

Der Erfolg von Josiphos und seiner Xyliphos-Modifikation förderte sowohl die industrielle Anwendung chiraler Katalysatoren und die Synthese neuer chiraler Ferrocene als auch deren Einsatz in der asymmetrischen Synthese . So war das erste Josiphos die Ausgangsverbindung für eine Familie wirksamer chiraler Liganden, die bei der enantioselektiven Synthese anderer in der Landwirtschaft nützlicher Verbindungen Anwendung fanden. Um nur ein Beispiel zu nennen: Die asymmetrische Allylierung tertiärer α-Fluoroketone, Moleküle, die für Anwendungen im Bereich der Arzneimittel, Agrochemikalien und funktionellen Materialien nützlich sind, wurde unter anderem mit chiralen Ferrocenyl-Katalysatoren durchgeführt (Abbildung 13). Leider sind die E.E.s zu niedrig, um nützlich zu sein.

Ferrocene in der Bodensanierung

Native Tone haben sich als aktiver Bestandteil von Böden erwiesen, der die Sorption von Kationen, Anionen und hydrophoben organischen Chemikalien beeinflusst. Daher nimmt ihre Bedeutung bei der Entfernung und Rückhaltung von Schadstoffen zu, auch weil Eisenionen im Tongitter an Redoxreaktionen beteiligt sind, die sich gegen die Verschmutzung durch Metallionen als nützlich erweisen können. So konnten Forscher am Standort Hanford in Washington die Menge an Cr(VI) in der Wasserversorgung von 1 ppm auf unter die Nachweisgrenze (7 bis 8 ppb) senken, indem sie es zu dem weniger giftigen und schwer löslichen Cr(III) reduzierten, wobei sie das strukturelle Eisen des Tons nutzten, das zuvor zu Fe(II) reduziert wurde.

Für die Sanierung von kontaminierten Böden gewinnt der Einsatz von Tensiden zunehmend an Bedeutung. Tenside auf Ferrocenbasis haben den Vorteil, dass sie sowohl als Tenside als auch als redoxaktive Verbindungen wirken. Daher wurde eine Reihe von Ferrocenyl-Tensiden unterschiedlicher Kettenlänge als Interkalanten eingesetzt, um die Bedingungen zu bestimmen, unter denen der elektronische Transfer in der Fe-Tonstruktur stattfindet. Durch diese Untersuchung konnte eine bessere allgemeine Kenntnis der Fe-Aktivität in natürlichen Silikaten erreicht werden. Die als Interkalanten verwendeten Ferrocenyl-Tenside (25 und 26 in Abbildung 14a) mit unterschiedlichen Kettenlängen gewährleisteten sowohl eine Reihe von Potenzialen als auch eine Reihe möglicher Konformationen; als Ton wurde Standard Wyoming Montmorillonit (SWy-1) mit der Formel (Al2.88Fe0.68Mg0.47)(Si7.7Al0.29)O20(OH)4 verwendet.

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. Aus dieser Studie geht hervor, dass die Solubilisierung von Benzol, Toluol und Ethylbenzol mit Ferrocenyl-Tensiden besser war als mit den üblicherweise verwendeten kationischen (Hexadecyltrimethylammoniumbromid (CTABr)) oder anionischen (Natriumdodecylsulfat (SDS)) Tensiden. Darüber hinaus war die Entfernungseffizienz bei niedrigen Ferrocenyl-Tensid-Konzentrationen höher, und schließlich ermöglichte die Oxidation zum Ferrocenium-Kation die Trennung von organischen Verbindungen und damit das Recycling des Tensids.

Es ist erwähnenswert, dass sich Ferrocene als nützlich erwiesen haben, um die Redox-Eigenschaften von an mineralischen Oberflächen adsorbiertem Fe(II) nachzuweisen. Die Messung von aussagekräftigen Ruhepotentialen in Umwelt- und geochemischen Systemen war in der Vergangenheit sehr schwierig, unter anderem aufgrund des langsamen Elektronentransfers zwischen der festen Sensorelektrode (typischerweise Pt) und der redoxaktiven Spezies. Stattdessen wurden mit Hilfe des Ferrocen-vermittelten Elektronentransfers mobile Sonden in Lösung erzeugt, die mit der redoxaktiven Spezies ausreichend schnell reagieren können, um einen messbaren Strom zu liefern, und so ein direktes Maß für die Redoxreaktivität (d. h. die Elektronentransferraten) der adsorbierten redoxaktiven Spezies liefern.

Ferrocene als Sensoren

Ferrocenderivate können sowohl als optische als auch als elektrochemische Sensoren arbeiten. Bei geeigneter Substitution können sie Anionen oder Kationen koordinieren, was zu einer Potentialverschiebung oder Farbänderung führt. Hier werden nur ausgewählte Beispiele aus jüngster Zeit aufgeführt.

1. a)

   Neutrale Verbindungen. Hydrazin und Derivate werden in der Landwirtschaft als Pestizide eingesetzt, gelangen aber auch durch Industrieemissionen in die Umwelt. Wegen ihrer toxikologischen Gefährlichkeit sind empfindliche, zuverlässige und schnelle Analysemethoden erforderlich. Es gibt eine Reihe von Instrumentaltechniken, aber elektroanalytische Methoden könnten tragbare, billige und schnelle Verfahren bieten, ungeachtet der etwas trägen Hydrazin-Oxidation. Unter Verwendung von Kohlenstoffnanoröhrchen wurde die elektrokatalytische Bestimmung von Phenylhydrazin und Hydrazin mit einer mit Ferrocen modifizierten Kohlenstoffnanoröhrchen-Pastelektrode durchgeführt. Eine solche Elektrode erwies sich als stabil und einfach herzustellen und die Oberfläche zu erneuern. Sie zeigte eine verbesserte Selektivität und ermöglichte den gleichzeitigen Nachweis von Hydrazin und Phenylhydrazin in derselben Probe.

2. b)

   Anionen. Die Bedeutung von Aspartat ist unbestreitbar: Wie viele chirale Anionen geht es in biologische und chemische Prozesse ein, ganz zu schweigen von dem industriell wichtigen Aspartam. Andererseits ist die enantioselektive Erkennung durch künstliche Wirtsmoleküle von zunehmendem Interesse. Eine Reihe von 1,1′-disubstituierten Ferrocenen mit einem chiralen Kohlenstoffatom und einer Thioharnstoffeinheit in den Substituenten wurden hergestellt und ihre enantioselektive Erkennung wurde getestet. Mindestens zwei von ihnen wiesen eine gute chirale Erkennung auf, wie die optische Titration mit L- oder D-N-Acetylaspartat in Dimethylsulfoxid (DMSO)-Lösung zeigte. Die Farbveränderungen sind signifikant, wie in Abbildung 16 dargestellt, wodurch diese Ferrocene zu kolorimetrischen Sensoren für das bloße Auge werden.

   

   Kolorimetrischer Sensor auf Ferrocenbasis für N-Acetylaspartat. Von links nach rechts: Ferrocenylderivat oben, dasselbe + L-N-Acetylaspartat, dasselbe + D-N-Acetylaspartat; Ferrocenylderivat unten, dasselbe + L-N-Acetylaspartat, dasselbe + D-N-Acetylaspartat. Angepasst aus Ref. Eur J Org Chem 841-849. Nachgedruckt mit Genehmigung. Copyright (2009) Wiley.

3. c)

   Kationen. Der Nachweis von Schwermetallkationen in der Umwelt ist aufgrund ihrer Verbreitung aus industriellen Quellen und ihrer Gesundheitsgefährdung von großer Bedeutung. Insbesondere die Bleivergiftung ist nach wie vor eine der häufigsten umweltbedingten Krankheiten, und der Nachweis von Pb(II)-Ionen ist absolut notwendig, vor allem im Trinkwasser. Nachdem es gelungen war, phosphatverwandte Anionen durch ein Ferrocenylimidazophenanthrolin zu erkennen, das sowohl als kolorimetrischer als auch als elektrochemischer Sensor funktionierte, stellten dieselben Autoren mit Imidazopyridin (ImPy) oder Imidazophenazin (ImPhen) substituierte Ferrocene her (Abbildung 17), die als selektive Rezeptoren für Pb(II)-Kationen fungierten.

   

   Selektive Mehrkanalsonden für Pb(II)-Kationen; Farbveränderungen im Zusammenhang mit der Kationenkomplexierung (oben, Absorption, unten, Emission). Angepasst aus Ref. J Org Chem 74:4787-4796, nachgedruckt mit Genehmigung. 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.

Weitere Chemosensoren auf Ferrocenbasis, von denen einer selektiv für das Hg(II)-Kation und der andere selektiv für das Cu(II)-Kation ist, wurden durch Einführung von 1,4-Benzoldiamin 31, 4,4′-Biphenyldiamin 32 oder 4,4′-Diaminobenzoldisulfid 33 entwickelt. Die Verbindungen ergaben hochempfindliche kolorometrische Chemosensoren für Cu(II) und Hg(II), mit Veränderungen, die einen Nachweis mit bloßem Auge ermöglichten, wie in Abbildung 19 zu sehen ist.