Ferrocene in agricoltura: dai prodotti agrochimici e la bonifica del suolo ai chemosensori selettivi

L’anello triazolico è stato distanziato dal ferrocene inserendo un altro atomo di carbonio, e i derivati (E)-3-aryl-1-ferrocenyl-2-triazolylmethyl risultanti, 5, (Figura 3) sono stati testati contro alcuni funghi (Pratylenchus zeae, Alternaria solani, Cladosporium fulvum, Physalospora piricola, e Cercospora arachidicola), con attività variabili, generalmente migliori contro A. solani (Tabella 1, voce 2). I derivati dalla reazione con fenilidrazina, 6, questa volta, hanno presentato una performance migliore (Tabella 1, voce 3).

Gli analoghi ferrocenilici del triadimefon, 7, sono stati testati per attività antifungine contro muffe e ruggini su piante di grano intravitali (Isariopsis clavispora, Bremia lactucae, C. fulvum, Erysiphe graminis, e Alternaria mali), ma, purtroppo, tutti i composti testati hanno mostrato una minore attività antifungina (vedi esempi nella tabella 1, voce 4) contro tutti i funghi rispetto al triadimefon genitore (92,8% e 96,6%, rispettivamente). Invece, l’attività regolatrice delle piante, valutata con il metodo della rizogenesi del cotiledone di cetriolo, è risultata eccellente.

Riducendo gli analoghi del triadimefon, sono stati ottenuti i corrispondenti analoghi ferrocenilici del triadimenolo, 8. Sono stati testati come indicato sopra per gli analoghi del triadimefon e generalmente non hanno mostrato alcuna attività antifungina (Tabella 1, voce 5); tuttavia, tutti hanno mostrato un’eccellente capacità di regolazione della crescita delle piante, anche maggiore rispetto ai precursori cheto.

Una leggera variazione strutturale è stato il passaggio da OH a OMe, 9 . Sono stati utilizzati cinque funghi (P. zeae, A. solani, C. fulvum, P. piricola, e C. ara), con risultati modesti (vedi, per esempi selezionati, Tabella 1, voce 6). Risultati interessanti sono stati ottenuti dall’attività di regolazione della crescita delle piante, determinata dall’allungamento delle gemme di grano e dai metodi di radicazione dei cotiledoni di cetriolo.

Un approccio diverso per sintetizzare i derivati del ferrocene contenenti triazolo è stato quello di partire dalla ferrocenecarbaldeide e dagli α-bromo arilchetoni che hanno permesso variazioni strutturali (Figura 4).

Le tre famiglie di composti (con funzionalità CO, 11, OH, 12, e OMe, 13, rispettivamente) sono state testate per le attività biologiche. È stata osservata una scarsa attività di regolazione della crescita delle piante (test del coleottile di grano e del cotiledone di cetriolo), un po’ meno con i chetoni. Una certa attività antifungina in vitro è stata registrata (contro Gibberella zeae, A. solani, Cercospora arachidicola, P. piricola, Phomopsis asparagi, Cladosporium cucumerinum, Sclerotinia sclerotiorum, e Pyricularia oryzae), ma non era significativa, secondo gli autori, se confrontata con agenti commerciali conosciuti. Alcuni dati selezionati sono mostrati nella tabella 1 (voci da 8 a 10).

Sono stati studiati anche derivati ferrocenili con diverse funzionalità. È degno di nota che uno dei primi tentativi di avere ferroceni biologicamente attivi introdusse le aroilidrazine come sostituenti (Figura 5): più di un decennio dopo, fu riconosciuta l’importanza dei composti naturali contenenti idrazina, anche per quanto riguarda le attività biologiche.

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. Lo stesso vale per il trifluorometilsulfanilferrocene, 21, (trifluorometilsulfanil)etinilferrocene, 22, e (N-ferrocenilmetil)benzenecarbammide, 23, mostrato nella Figura 10.

Ferroceni come catalizzatori nella sintesi degli agrochimici

L’importanza degli agrochimici è evidente, anche se non bisogna sottovalutare le conseguenze ambientali del loro utilizzo. Pertanto, è importante limitare la quantità di prodotti chimici introdotti nell’ambiente. Inoltre, è diventato sempre più evidente che le proprietà biologiche degli agrochimici chirali sono legate alla configurazione assoluta. L’enantiomero non attivo è inutile o addirittura nocivo, così che la sintesi enantioselettiva è diventata un must. Il problema è ben illustrato dal caso del (S)-metolachlor (Figura 11, IUPAC: (S)-N-(2-etil-6-metil)fenil-N-(1-metil-2-metossi)etil-2-cloroetanammide), il più importante erbicida della Novartis Crop Protection Division (>20.000 ton/anno).

È stato prodotto dal 1978, prima come miscela racemica, poi (dal 1997) in forma enantiomericamente arricchita, che ha permesso una riduzione del 40% del carico ambientale. Una delle strategie più importanti della sintesi asimmetrica è l’uso di catalizzatori chirali. La svolta alla sintesi asimmetrica del metolaclor fu l’uso di un catalizzatore all’iridio, reso chirale da un ligando ferrocenilposfano chirale, Josiphos. Il catalizzatore era abbastanza robusto da garantire un numero di turnover (TON) e una frequenza di turnover (TOF) molto alti.

Per il lettore che non ha familiarità con i ferroceni, è sufficiente dire che due diversi sostituenti nello stesso anello ciclopentadienile danno origine a due enantiomeri, che presentano una chiralità planare (Figura 12). Ogni enantiomero è indicato come R p o S p (dove p sta per planare), secondo le regole di Schlögl: l’osservatore guarda lungo l’asse C 5 del ferrocene dal lato dell’anello Cp più altamente sostituito, e la configurazione assoluta è data a seconda dell’arco più breve per scendere in priorità, in senso orario o antiorario.

Il successo di Josiphos e della sua modifica Xyliphos ha dato impulso sia alle applicazioni industriali dei catalizzatori chirali sia alla sintesi di nuovi ferroceni chirali e al loro utilizzo nella sintesi asimmetrica. Così, il primo Josiphos è stato il composto padre di una famiglia di efficaci ligandi chirali che hanno trovato applicazione nella sintesi enantioselettiva di altri composti utili in agricoltura. Per fare solo un esempio, l’allilazione asimmetrica di α-fluoroketoni terziari, molecole utili per applicazioni verso farmaci, agrochimici e materiali funzionali, è stata eseguita, tra l’altro, con catalizzatori ferrocenilici chirali (Figura 13, ). Sfortunatamente, gli e.e. sono troppo bassi per essere utili.

Ferroceni nella bonifica del suolo

Le argille native sono emerse come un componente attivo dei suoli che influenza l’assorbimento di cationi, anioni e prodotti chimici organici idrofobici. Pertanto, la loro importanza nella rimozione e ritenzione degli inquinanti sta aumentando, anche perché gli ioni di ferro all’interno del reticolo argilloso partecipano a reazioni redox, che possono essere utili contro l’inquinamento da ioni metallici; per esempio, i ricercatori del sito Hanford a Washington potrebbero diminuire la quantità di Cr(VI) nella fornitura di acqua da 1 ppm a sotto i limiti di rilevamento (7 a 8 ppb) riducendolo al meno tossico e meno solubile Cr(III), sfruttando il ferro strutturale dell’argilla, precedentemente ridotto a Fe(II) .

Per la bonifica dei suoli contaminati, l’applicazione di tensioattivi sta acquistando importanza. I tensioattivi a base di ferrocene hanno il vantaggio di agire sia come tensioattivi che come composti redox-attivi. Pertanto, una serie di tensioattivi ferrocenilici di varia lunghezza della catena è stata impiegata come intercalanti, al fine di determinare le condizioni in cui avviene il trasferimento elettronico nel Fe strutturale dell’argilla. Con questa indagine, una migliore conoscenza generale dell’attività del Fe nei silicati naturali potrebbe essere raggiunta. I tensioattivi ferrocenilici (25 e 26 in Figura 14a) utilizzati come intercalanti, avendo diverse lunghezze di catena, hanno garantito sia una gamma di potenziali che una gamma di possibili conformazioni; come argilla, la montmorillonite Wyoming standard (SWy-1), di formula (Al2.88Fe0.68Mg0.47)(Si7.7Al0.29)O20(OH)4, è stata utilizzata.

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. Da questo studio, è risultato che la solubilizzazione di benzene, toluene ed etilbenzene con tensioattivi ferrocenilici era migliore di quella dei tensioattivi cationici (esadeciltrimetilammonio bromuro (CTABr)) o anionici (sodio dodecil solfato (SDS)) comunemente usati. Inoltre, l’efficienza di rimozione era più alta a basse concentrazioni di tensioattivi ferrocenilici e, infine, l’ossidazione al catione ferrocenico permetteva la separazione dai composti organici e, quindi, il riciclaggio del tensioattivo.

Va detto che i ferroceni si sono dimostrati utili per evidenziare le proprietà redox del Fe(II) adsorbito sulle superfici minerali. La misura di potenziali di riposo significativi in sistemi ambientali e geochimici è stata molto difficile in passato, a causa, tra l’altro, del lento trasferimento di elettroni tra l’elettrodo di rilevamento solido (tipicamente Pt) e la specie attiva redox. Invece, l’approccio al trasferimento di elettroni mediato dal ferrocene ha generato sonde mobili in soluzione che possono reagire con le specie attive redox sufficientemente velocemente per fornire una corrente misurabile, fornendo così una misura diretta della reattività redox (cioè, i tassi di trasferimento di elettroni) delle specie attive redox adsorbite.

Ferroceni come sensori

I derivati del ferrocene possono funzionare sia come sensori ottici che elettrochimici. Quando opportunamente sostituiti, possono coordinare anioni o cationi, con un conseguente spostamento di potenziale o cambiamento di colore. Solo alcuni esempi recenti saranno riportati qui.

1. a)

   Composti neutri. L’idrazina e i suoi derivati sono usati in agricoltura come pesticidi, ma entrano nell’ambiente anche attraverso le emissioni industriali. A causa del loro pericolo tossicologico, sono richiesti metodi analitici sensibili, affidabili e veloci. Sono disponibili diverse tecniche strumentali, ma quelle elettroanalitiche potrebbero fornire procedure portatili, economiche e rapide, nonostante l’ossidazione dell’idrazina sia un po’ lenta dal punto di vista cinetico. Sfruttando i nanotubi di carbonio, la determinazione elettrocatalitica della fenilidrazina e dell’idrazina è stata realizzata contemporaneamente, con un elettrodo in pasta di nanotubi di carbonio modificato con ferrocene. Tale elettrodo è risultato stabile e facile da preparare e da rinnovare in superficie. Ha mostrato una migliore selettività e ha permesso di rilevare contemporaneamente l’idrazina e la fenilidrazina nello stesso campione.

2. b)

   Anioni. L’importanza dell’aspartato è innegabile: come molti anioni chirali, entra nei processi biologici e chimici, per non parlare dell’aspartame, importante a livello industriale. D’altra parte, il riconoscimento enantioselettivo da parte di molecole ospiti artificiali è di crescente interesse. Un certo numero di ferroceni 1,1′-disostituiti, con un atomo di carbonio chirale e una tiourea nei sostituenti, sono stati preparati e il loro riconoscimento enantioselettivo è stato testato. Almeno due di loro hanno mostrato un buon riconoscimento chirale, come dimostrato dalla titolazione ottica con L- o D-N-acetylaspartate in soluzione di dimetilsolfossido (DMSO). I cambiamenti di colore sono significativi, come illustrato nella Figura 16, rendendo così questi ferroceni sensori colorimetrici a “occhio nudo”.

   

   Sensore colorimetrico a base di ferrocene per N-acetilaspartato. Da sinistra a destra: derivato ferrocenilico sopra, lo stesso + L-N-acetilaspartato, lo stesso + D-N-acetilaspartato; derivato ferrocenilico sotto, lo stesso + L-N-acetilaspartato, lo stesso + D-N-acetilaspartato. Adattato da Ref. , Eur J Org Chem 841-849. Ristampato con il permesso. Copyright (2009) Wiley.

   c)

   Cationi. Il rilevamento di cationi di metalli pesanti nell’ambiente è di grande importanza, a causa della loro diffusione da fonti industriali e il loro trattamento per la salute. In particolare, l’avvelenamento da piombo è ancora una delle malattie più comuni causate dall’ambiente e il rilevamento di ioni Pb(II) è assolutamente necessario, soprattutto nell’acqua potabile. Dopo essere riusciti a riconoscere gli anioni fosfato-correlati da una ferrocenilimidazofenantrolina, che funzionava sia come sensore colorimetrico che elettrochimico, gli stessi autori hanno preparato ferroceni sostituiti con imidazopiridina (ImPy) o imidazofenazina (ImPhen) (Figura 17), che hanno agito come recettori selettivi verso i cationi Pb(II).

   

   Sonde multicanale selettive per cationi Pb(II); cambiamenti di colore associati alla complessazione del catione (sopra, assorbimento, sotto, emissione). Adattato da Ref. J Org Chem 74:4787-4796, ristampato con permesso. 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.

   

   Ferrocenyl thiourea as electrochemical chemodosimeter for Hg(II) cation .

   Altri chemosensori a base di ferrocene, uno selettivo per Hg (II) catione e l’altro selettivo per Cu (II) catione, sono stati sviluppati introducendo 1,4-benzendiammina 31, 4,4′-bifenildiammina 32, o 4,4′-diaminobenzenedisulfide, 33 . I composti sono risultati chemosensori colorometrici altamente sensibili per Cu(II) e Hg(II), con cambiamenti che hanno permesso la rilevazione a ‘occhio nudo’, come si può vedere nella Figura 19.