Ferroceen in de landbouw: van landbouwchemicaliën en bodemsanering tot selectieve chemosensoren

Ferroceenhoudende landbouwchemicaliën

De bescherming van gewassen is een belangrijk onderwerp in de landbouw, mede mogelijk gemaakt door het gebruik van chemicaliën voor ongediertebestrijding of als onkruidverdelger. Anderzijds heeft de toenemende bezorgdheid over de schadelijke gevolgen van bestrijdingsmiddelen voor de gezondheid en het milieu, die tot uiting komt in de invoering van nieuwe registratieprocedures voor bestrijdingsmiddelen (zie bij voorbeeld de Food Quality Protection Act in de Verenigde Staten ), geleid tot het onderzoek naar nieuwe bestrijdingsmiddelen, met inbegrip van bestrijdingsmiddelen op basis van natuurlijke produkten , ter vervanging van de verbindingen die als gevolg van de nieuwe registratie-eisen niet langer konden worden gebruikt. Voorbeelden hiervan zijn te vinden in een aantal overzichtswerken . In een poging om efficiëntere verbindingen te verkrijgen, werd de ferrocenylgroep als substituent geïntroduceerd in verbindingen waarvan bekend was dat ze werkzaam waren.

Belangrijke systemische middelen met een breed spectrum van schimmeldodende activiteit tegen plantpathogenen zijn derivaten van 1H-1,2,4-triazolen, zoals die welke zijn afgebeeld in figuur 2.

Het is dan ook niet verwonderlijk dat de meeste op ferroceen gebaseerde agrochemicaliën (fungiciden, herbiciden) dezelfde heterocyclus bevatten. Bovendien vertonen dezelfde verbindingen vaak veelbelovende en enigszins onverwachte plantengroeiregulerende activiteiten. De synthese is vrij eenvoudig, uitgaande van acetylferroceen, 1, of ferrocenecarbaldehyde, 2, en met behulp van klassieke organische reacties, zoals geïllustreerd in de figuren 3 en 4.

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). E-isomeren vertoonden een betere schimmeldodende activiteit dan Z-isomeren, waarschijnlijk als gevolg van een gunstige sterische eigenschap. Bovendien werd plantengroeiregulerende activiteit gedetecteerd bij bespuiting van appelbladeren van uit zaad gekweekte planten. Door reactie van beide isomeren met fenylhydrazine (figuur 3) werden 5-aryl-3-ferrocenyl-1-fenyl-4-triazolyldihydropyrazolen, 4, verkregen, die werden getest tegen enkele bacteriestammen, waarbij de resultaten niet erg bevredigend waren.

De triazolylring werd van ferroceen verwijderd door er een ander koolstofatoom aan toe te voegen , en de resulterende (E)-3-aryl-1-ferrocenyl-2-triazolylmethylderivaten, 5, (Figuur 3) werden getest tegen enkele schimmels (Pratylenchus zeae, Alternaria solani, Cladosporium fulvum, Physalospora piricola, en Cercospora arachidicola), met variabele activiteit, in het algemeen beter tegen A. solani (tabel 1, item 2). De derivaten van de reactie met fenylhydrazine, 6, vertoonden deze keer een betere prestatie (tabel 1, item 3).

Ferrocenyl-analogen van triadimefon, 7, werden getest op antischimmelwerking tegen meeldauw en roest op intravital tarweplanten (Isariopsis clavispora, Bremia lactucae, C. fulvum, Erysiphe graminis en Alternaria mali), maar teleurstellend genoeg vertoonden alle geteste verbindingen een lagere antischimmelactiviteit (zie voorbeelden in tabel 1, item 4) tegen alle schimmels dan oudertriadimefon (respectievelijk 92,8% en 96,6%). De plantregulerende activiteit, bepaald met behulp van de rhizogenese-methode voor komkommerkotyledon, was daarentegen uitstekend.

Door de reductie van de analogen van triadimefon werden de overeenkomstige ferrocenyl-analogen van triadimenol, 8, verkregen. Ze werden getest zoals hierboven aangegeven voor de triadimefon-analogen en vertoonden in het algemeen geen schimmelwerende activiteit (tabel 1, item 5); ze vertoonden echter allemaal een uitstekend plantengroeiregulerend vermogen, zelfs groter dan de keto-precursors.

Een kleine structurele variatie was de verandering van OH naar OMe, 9 . Vijf schimmels (P. zeae, A. solani, C. fulvum, P. piricola, en C. ara) werden gebruikt, met bescheiden resultaten (zie, voor geselecteerde voorbeelden, tabel 1, item 6). Interessante resultaten werden verkregen uit plant groeiregulerende activiteit, bepaald door tarwe gemmae elongatie en komkommer cotyledon rootage methoden.

Een andere benadering om ferroceenderivaten te synthetiseren die triazool bevatten, was om uit te gaan van ferrocenecarbaldehyde en α-broom arylketonen die structurele variaties toelieten (figuur 4).

De drie families van verbindingen (met respectievelijk CO, 11, OH, 12, en OMe, 13, functionaliteiten) werden getest op biologische activiteiten. Schaarse plantengroeiregulerende activiteit (tarwe coleoptiel en komkommer cotyledon tests) werd waargenomen, iets minder met ketonen. Er werd enige in vitro schimmelwerende activiteit geregistreerd (tegen Gibberella zeae, A. solani, Cercospora arachidicola, P. piricola, Phomopsis asparagi, Cladosporium cucumerinum, Sclerotinia sclerotiorum, en Pyricularia oryzae), maar deze was volgens de auteurs niet significant bij vergelijking met bekende commerciële middelen. Enkele geselecteerde gegevens zijn te vinden in tabel 1 (items 8 tot 10).

Ferrocenylderivaten met verschillende functionaliteiten werden ook onderzocht. Het is opmerkelijk dat een van de eerste pogingen om biologisch actieve ferrocenen introduceerde aroylhydrazines als substituenten (figuur 5 ): meer dan een decennium later werd erkend het belang van natuurlijke hydrazine-bevattende verbindingen, ook met betrekking tot biologische activiteiten .

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. Hetzelfde geldt voor trifluormethylsulfanylferroceen, 21, (trifluormethylsulfanyl)ethynylferroceen, 22 , en (N-ferrocenylmethyl)benzeencarbamide, 23 , die in figuur 10 zijn afgebeeld.

Ferrocenen als katalysatoren in de synthese van agrochemicaliën

Het belang van agrochemicaliën is evident, hoewel de gevolgen van het gebruik ervan voor het milieu niet mogen worden onderschat. Daarom is het belangrijk de hoeveelheid chemicaliën die in het milieu terechtkomt, te beperken. Bovendien werd het steeds duidelijker dat de biologische eigenschappen van chirale agrochemicaliën gerelateerd zijn aan de absolute configuratie. Het niet actieve enantiomeer is overbodig of zelfs schadelijk, zodat enantioselectieve synthese een must werd. Het probleem wordt goed geïllustreerd door het geval van (S)-metolachloor (figuur 11, IUPAC: (S)-N-(2-ethyl-6-methyl)fenyl-N-(1-methyl-2-methoxy)ethyl-2-chloorethanammide), het belangrijkste herbicide van Novartis Crop Protection Division (>20.000 ton/jaar).

Het wordt sinds 1978 geproduceerd, eerst als racemisch mengsel, daarna (vanaf 1997) als enantiomerisch verrijkte vorm, die een vermindering van 40% van de milieubelasting mogelijk maakte. Een van de belangrijkste strategieën van asymmetrische synthese is het gebruik van chirale katalysatoren. Het keerpunt in de asymmetrische synthese van metolachloor was het gebruik van een iridiumkatalysator, chiraal gemaakt door een chiraal ferrocenylposfaanligand, Josiphos. De katalysator was robuust genoeg om een zeer hoog turnover number (TON) en turnover frequency (TOF) te garanderen.

Voor de lezer die niet vertrouwd is met ferrocenen, is het voldoende te zeggen dat twee verschillende substituenten in dezelfde cyclopentadienylring aanleiding geven tot twee enantiomeren, die een vlakke chiraliteit vertonen (figuur 12). Elk enantiomeer wordt aangeduid als R p of S p (waarbij p staat voor planair), volgens de regels van Schlögl: de waarnemer kijkt langs de C 5-as van ferroceen vanaf de kant van de sterker gesubstitueerde Cp-ring, en de absolute configuratie wordt gegeven afhankelijk van de kortste boog die in de voorrang moet worden afgelegd, hetzij met de klok mee, hetzij tegen de klok in.

Het succes van Josiphos en zijn Xyliphos-modificatie stimuleerde zowel industriële toepassingen van chirale katalysatoren en de synthese van nieuwe chirale ferrocenen als het gebruik ervan in asymmetrische synthese . Zo was het eerste Josiphos de moederverbinding van een familie van effectieve chirale liganden die toepassing vonden in de enantioselectieve synthese van andere verbindingen die nuttig zijn in de landbouw. Om een voorbeeld te geven: de asymmetrische allylering van tertiaire α-fluoroketonen, moleculen die nuttig zijn voor toepassingen in de geneesmiddelen-, agrochemische en functionele materialen, werd onder meer uitgevoerd met chirale ferrocenylkatalysatoren (figuur 13, ). Helaas zijn de e.e.’s te laag om bruikbaar te zijn.

Ferrocenen in bodemsanering

Natieve klei is een actieve component van de bodem die de sorptie van kationen, anionen, en hydrofobe organische chemicaliën beïnvloedt. Daarom neemt hun belang bij het verwijderen en vasthouden van verontreinigende stoffen toe, ook omdat ijzerionen in het klei-rooster deelnemen aan redox-reacties, die nuttig kunnen zijn tegen verontreiniging door metaalionen; onderzoekers op de Hanford site in Washington konden bijvoorbeeld de hoeveelheid Cr(VI) in de watervoorziening verlagen van 1 ppm tot onder de detectiegrens (7 tot 8 ppb) door het te reduceren tot het minder giftige en minder oplosbare Cr(III), waarbij zij gebruik maakten van het structurele ijzer in de klei, dat eerder was gereduceerd tot Fe(II) .

Voor de sanering van verontreinigde bodems wordt de toepassing van oppervlakte-actieve stoffen steeds belangrijker. Oppervlakteactieve stoffen op basis van ferrocenen hebben het voordeel dat ze zowel als oppervlakteactieve stoffen en als redox-actieve verbindingen kunnen fungeren. Daarom werd een reeks ferrocenyl-oppervlakteactieve stoffen van verschillende ketenlengte gebruikt als intercalant, om de voorwaarden te bepalen waaronder elektronische overdracht plaatsvindt in klei-structuur Fe. Door dit onderzoek kon een betere algemene kennis van de Fe-activiteit in natuurlijke silicaten worden bereikt. Ferrocenyl surfactanten (25 en 26 in figuur 14a) gebruikt als intercalants, met verschillende ketenlengtes, zorgden voor zowel een scala van potentialen als een scala van mogelijke conformatie; als klei, standaard Wyoming montmorilloniet (SWy-1), met formule (Al2.88Fe0,68Mg0,47)(Si7,7Al0,29)O20(OH)4, gebruikt.

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. Uit deze studie bleek dat de oplosbaarheid van benzeen, tolueen en ethylbenzeen met ferrocenyl oppervlakte-actieve stoffen beter was dan met de gebruikelijke kationische (hexadecyltrimethylammoniumbromide (CTABr)) of anionische (natriumdodecylsulfaat (SDS)) oppervlakte-actieve stoffen. Bovendien was de verwijderingsefficiëntie hoger bij lage ferrocenyl oppervlakte-actieve stoffen concentraties, en tenslotte, oxidatie tot ferrocenium kation maakte afscheiding van organische verbindingen mogelijk, en daarom, recycling van de oppervlakte-actieve stof.

Het is vermeldenswaard dat ferrocenen nuttig bleken in het aantonen van de redox eigenschappen van Fe(II) geadsorbeerd aan minerale oppervlakken . De meting van zinvolle rustpotentiëlen in milieu- en geochemische systemen is in het verleden zeer moeilijk geweest, onder meer wegens de trage elektronenoverdracht tussen de vaste sensordetectie-elektrode (meestal Pt) en de redox-actieve species. In plaats daarvan, de ferroceen-gemedieerde elektronenoverdracht aanpak gegenereerd mobiele oplossing sondes die kunnen reageren met de redox actieve species voldoende snel om een meetbare stroom te leveren, waardoor een directe meting van redox reactiviteit (dat wil zeggen, elektronenoverdracht tarieven) van geadsorbeerde redox actieve species.

Ferrocenes als sensoren

Ferroceen derivaten kunnen zowel werken als optische en elektrochemische sensoren. Wanneer zij op de juiste wijze gesubstitueerd zijn, kunnen zij anionen of kationen coördineren, met als gevolg een potentiaalverschuiving of kleurverandering. Slechts enkele recente voorbeelden zullen hier worden gerapporteerd.

1. a)

   Neutrale verbindingen. Hydrazine en derivaten worden in de landbouw gebruikt als bestrijdingsmiddel, maar komen ook door industriële emissies in het milieu terecht. Wegens hun toxicologisch gevaar zijn gevoelige, betrouwbare en snelle analysemethoden vereist. Er zijn een aantal instrumentele technieken beschikbaar, maar elektro-analytische technieken zouden draagbare, goedkope en snelle procedures kunnen opleveren, niettegenstaande de enigszins kinetisch trage oxidatie van hydrazine. Door gebruik te maken van koolstofnanobuizen werd de elektrokatalytische bepaling van fenylhydrazine en hydrazine recentelijk uitgevoerd met een ferroceen-gemodificeerde koolstofnanobuispasta elektrode. Een dergelijke elektrode bleek stabiel en gemakkelijk te bereiden en aan het oppervlak te vernieuwen. Het toonde verbeterde selectiviteit en toegestaan detectie van hydrazine en fenylhydrazine in hetzelfde monster, gelijktijdig.

2. b)

   Anionen. Het belang van aspartaat valt niet te ontkennen: zoals vele chirale anionen komt het voor in biologische en chemische processen, om niet te spreken van het industrieel belangrijke aspartaam. Anderzijds is de enantioselectieve herkenning door kunstmatige gastmoleculen van toenemend belang. Een aantal 1,1′-gesubstitueerde ferrocenen, met een chiraal koolstofatoom en een thioureumgroep in de substituenten, werd bereid, en hun enantioselectieve herkenning werd getest. Ten minste twee daarvan vertoonden een goede chirale herkenning, zoals blijkt uit optische titratie met L- of D-N-acetylaspartaat in dimethylsulfoxide (DMSO) oplossing. De kleurveranderingen zijn significant, zoals geïllustreerd in figuur 16, waardoor deze ferrocenen ‘met het blote oog’ colorimetrische sensoren worden.

   

   Colorimetrische ferrocenen-gebaseerde sensor voor N-acetylaspartaat. Van links naar rechts: ferrocenylderivaat boven, idem + L-N-acetylaspartaat, idem + D-N-acetylaspartaat; ferrocenylderivaat onder, idem + L-N-acetylaspartaat, idem + D-N-acetylaspartaat. Aangepast uit Ref. , Eur J Org Chem 841-849. Overgenomen met toestemming. Copyright (2009) Wiley.

3. c)

   Kationen. De opsporing van kationen van zware metalen in het milieu is van groot belang vanwege hun verspreiding uit industriële bronnen en hun traktatie op de gezondheid. Met name loodvergiftiging is nog steeds een van de meest voorkomende door het milieu veroorzaakte ziekten en detectie van Pb(II)-ionen is absoluut noodzakelijk, vooral in drinkwater . Na er in geslaagd te zijn fosfaat-gerelateerde anionen te herkennen door een ferrocenylimidazofenanthroline, dat zowel als colorimetrische en elektrochemische sensor werkte, hebben dezelfde auteurs ferrocenen bereid die gesubstitueerd zijn met imidazopyridine (ImPy) of imidazofenazine (ImPhen) (figuur 17), die als selectieve receptoren voor Pb(II) kationen fungeerden.

   

   Selectieve meerkanaalssondes voor Pb(II)-kationen; kleurveranderingen geassocieerd met kationcomplexatie (boven, absorptie, onder, emissie). Aangepast van Ref. , J Org Chem 74:4787-4796, herdrukt met toestemming. 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.

Andere chemosensoren op basis van ferroceen, de ene selectief voor het kation Hg(II) en de andere selectief voor het kation Cu(II), werden ontwikkeld met 1,4-benzeendiamine 31, 4,4′-bifenyldiamine 32, of 4,4′-diaminobenzeendisulfide, 33 . De verbindingen resulteerden in zeer gevoelige colorometrische chemosensoren voor Cu(II) en Hg(II), met veranderingen die detectie ‘met het blote oog’ mogelijk maakten, zoals te zien is in figuur 19.