Produse agrochimice care conțin ferocen
Protecția culturilor este o problemă importantă în agricultură, fiind posibilă, în parte, prin utilizarea de produse chimice pentru combaterea dăunătorilor sau ca erbicide. Pe de altă parte, îngrijorarea crescândă cu privire la efectele adverse ale pesticidelor asupra sănătății și mediului, evidențiată de introducerea unor noi proceduri de înregistrare a pesticidelor (a se vedea, de exemplu, Food Quality Protection Act din Statele Unite ), a determinat investigarea unor noi pesticide, inclusiv a pesticidelor pe bază de produse naturale , pentru a înlocui compușii care nu au mai putut fi utilizați, din cauza noilor cerințe de înregistrare. Exemple pot fi găsite într-o serie de reviste . În încercarea de a obține compuși mai eficienți, gruparea ferocenil a fost introdusă ca substituent în compușii cunoscuți ca fiind activi.
Importanți agenți sistemici cu un spectru larg de activitate fungicidă împotriva agenților patogeni ai plantelor sunt derivații de 1H-1,2,4-triazol, cum ar fi cei prezentați în figura 2.
Exemple de agenți agrochimici pe bază de 1H-1,2,4-triazol.
De aceea, nu este surprinzător faptul că majoritatea produselor agrochimice pe bază de ferocen (fungicide, erbicide) conțin același heterociclu. Mai mult, destul de des, aceiași compuși au dezvăluit o activitate promițătoare și oarecum neașteptată de reglementare a creșterii plantelor. Sinteza este destul de simplă, pornind de la acetilferocen, 1, sau ferocenecarbaldehidă, 2, și utilizând reacții organice clasice, așa cum este ilustrat în figurile 3 și 4.
Strategies for the synthesis of 1H-1,2,4-triazole based ferrocenyl agrochemicals, starting from acetylferrocene.
Strategies for the synthesis of 1H-1,2,4-triazole based ferrocenyl agrochemicals, starting from ferrocenecarbaldehyde.
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). Izomerii E au prezentat o activitate fungicidă mai bună decât cei Z, probabil datorită unei caracteristici sterice favorabile. În plus, a fost detectată o activitate de reglare a creșterii plantelor, prin pulverizarea frunzelor de măr ale plantelor cultivate din semințe. Reacționând ambii izomeri cu fenilhidrazina (figura 3), s-au obținut 5-aril-3-ferrocenil-1-fenil-4-triazolildihidrotirazoli, 4, care au fost testați împotriva unor tulpini bacteriene, cu rezultate nu foarte satisfăcătoare.
Inelul triazolil a fost distanțat de ferocen inserând un alt atom de carbon , iar derivații (E)-3-aril-1-ferrocenil-2-triazolilmetil rezultați, 5, (figura 3) au fost testați împotriva unor ciuperci (Pratylenchus zeae, Alternaria solani, Cladosporium fulvum, Physalospora piricola și Cercospora arachidicola), cu activități variabile, în general mai bune împotriva A. solani (tabelul 1, rubrica 2). Derivații rezultați din reacția cu fenilhidrazina, 6, au prezentat, de această dată, o performanță mai bună (tabelul 1, intrarea 3).
Analogi ferocenilici ai triadimefonului, 7, au fost testați pentru activități antifungice împotriva mucegaiului și ruginiilor pe plante de grâu intravitale (Isariopsis clavispora, Bremia lactucae, C. fulvum, Erysiphe graminis și Alternaria mali), dar, în mod dezamăgitor, toți compușii testați au prezentat o activitate antifungică mai scăzută (a se vedea exemplele din tabelul 1, poziția 4) împotriva tuturor ciupercilor decât triadimefonul părinte (92,8 % și, respectiv, 96,6 %). În schimb, activitatea de reglare a plantelor, testată prin metoda rizogenezei cotiledonului de castravete, a rezultat excelentă.
Prin reducerea analogilor triadimefonului, s-au obținut analogii ferocenilici corespunzători ai triadimenolului, 8, . Aceștia au fost testați așa cum s-a indicat mai sus pentru analogii triadimefonului și, în general, nu au prezentat nicio activitate antifungică (tabelul 1, poziția 5); cu toate acestea, toți au prezentat o capacitate excelentă de reglare a creșterii plantelor, chiar mai mare decât cea a precursorilor ceto.
O ușoară variație structurală a fost trecerea de la OH la OMe, 9 . Au fost utilizate cinci ciuperci (P. zeae, A. solani, C. fulvum, P. piricola și C. ara), cu rezultate modeste (a se vedea, pentru exemple selectate, tabelul 1, intrarea 6). Rezultate interesante au fost obținute în ceea ce privește activitatea de reglare a creșterii plantelor, determinată prin metodele de alungire a gemei de grâu și de înrădăcinare a cotiledonului de castravete.
O abordare diferită pentru sintetizarea derivaților de ferocenă care conțin triazol a fost aceea de a porni de la ferocenecarbaldehidă și α-bromoarilcetone care au permis variații structurale (Figura 4) .
Cele trei familii de compuși (cu funcționalități CO, 11, OH, 12 și, respectiv, OMe, 13) au fost testate pentru activități biologice. A fost observată o activitate de reglare a creșterii plantelor (testele pe coleoptilul de grâu și pe cotiledonul de castravete), ceva mai puțin în cazul cetonelor. S-a înregistrat o oarecare activitate antifungică in vitro (față de Gibberella zeae, A. solani, Cercospora arachidicola, P. piricola, Phomopsis asparagi, Cladosporium cucumerinum, Sclerotinia sclerotiorum și Pyricularia oryzae), dar aceasta nu a fost semnificativă, potrivit autorilor, dacă este comparată cu agenți comerciali cunoscuți. Câteva date selectate sunt prezentate în tabelul 1 (intrările 8-10).
Au fost investigați, de asemenea, derivați ferocenilici cu diferite funcționalități. Este demn de remarcat faptul că una dintre primele încercări de a avea ferocenuri biologic active a introdus aroilhidrazine ca substituenți (Figura 5 ): mai mult de un deceniu mai târziu, a fost recunoscută importanța compușilor naturali care conțin hidrazină, de asemenea, în ceea ce privește activitățile biologice .
Synthesis of N-tert-butyl-N,N’-diacylhydrazines .
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.
Larvicidal activities (%) of N-tert-butyl-N,N’-diacylhydrazines with ferrocenoyl as one of the acyl groups .
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.
Example of synthesis of aroyl 1,1′-disubstituted ferrocenes .
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).
Synthesis of ferrocenyl ethers 17-19.
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.
Synthesis of ferrocenyl cyanoacrylates .
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. Același lucru este valabil și pentru trifluorometilsulfanilferrocena, 21, (trifluorometilsulfanil)etilferrocena, 22 , și (N-ferrocenilmetil)benzenecarbamida, 23 , prezentate în figura 10.
Structuri de derivați de ferocenil care conțin pirimidină sau SCF3 , cu posibilă activitate biologică.
Ferocenii ca catalizatori în sinteza produselor agrochimice
Importanța produselor agrochimice este evidentă, deși consecințele utilizării lor asupra mediului nu trebuie subestimate. Prin urmare, este important să se limiteze cantitatea de substanțe chimice introduse în mediu. În plus, a devenit din ce în ce mai evident faptul că proprietățile biologice ale produselor agrochimice chirale sunt legate de configurația absolută. Enantiomerul neactiv este inutil sau chiar nociv, astfel încât sinteza enantioselectivă a devenit o necesitate. Problema este bine ilustrată de cazul (S)-metolaclorului (figura 11, IUPAC: (S)-N-(2-etil-6-metil)fenil-N-(1-metil-2-metoxi)etil-2-cloroetanamidă), cel mai important erbicid al diviziei Novartis Crop Protection (>20.000 tone/an).
Ligani ferocenilici chirali ca catalizatori în sinteza enantioselectivă a erbicidului (S)-metolaclor.
Se produce din 1978, mai întâi ca amestec racemic, apoi (din 1997) ca formă îmbogățită enantiomeric, care a permis o reducere cu 40% a încărcăturii de mediu. Una dintre cele mai importante strategii de sinteză asimetrică este utilizarea catalizatorilor chirali. Punctul de cotitură pentru sinteza asimetrică a metolaclorului a fost utilizarea unui catalizator de iridiu , făcut chiral cu ajutorul unui ligand ferocenilfosfan chiral, Josiphos. Catalizatorul a fost suficient de robust pentru a asigura un număr de rotație (TON) și o frecvență de rotație (TOF) foarte ridicate.
Pentru cititorul care nu este familiarizat cu ferocenii, este suficient să spunem că doi substituenți diferiți în același inel ciclopentadienil dau naștere la doi enantiomeri, care prezintă o chiralitate plană (figura 12). Fiecare enantiomer este indicat ca R p sau S p (unde p înseamnă planar), conform regulilor lui Schlögl: observatorul privește de-a lungul axei C 5 a ferocenului din partea inelului Cp mai puternic substituit, iar configurația absolută este dată în funcție de cel mai scurt arc care coboară cu prioritate, fie în sensul acelor de ceasornic, fie în sens invers.
Originea chiralității plane în ferocenuri (sus) (Retipărită cu permisiunea din Organometallics 32:5668-5704. Copyright (2013) American Chemical Society) și regula lui Schlögl pentru identificarea enantiomerilor (jos).
Succesul lui Josiphos și al modificării sale Xylifos a impulsionat atât aplicațiile industriale ale catalizatorilor chirali, cât și sinteza de noi ferocenuri chirale, precum și utilizarea lor în sinteza asimetrică . Astfel, primul Josiphos a fost compusul părinte pentru o familie de liganzi chirali eficienți care și-au găsit aplicații în sinteza enantioselectivă a altor compuși utili în agricultură. Pentru a da doar un exemplu, alilarea asimetrică a α-fluorocetonelor terțiare, molecule utile pentru aplicații în domeniul medicamentelor, al produselor agrochimice și al materialelor funcționale, a fost realizată, printre altele, cu catalizatori chirali de ferocenil (Figura 13, ). Din nefericire, e.e. sunt prea mici pentru a fi utile.
Alilarea enantioselectivă a α-fluorocetonelor pentru produse agrochimice, cu catalizatori ferocenilici chirali .
Ferrocenii în remedierea solului
Argilele native au apărut ca o componentă activă a solurilor care influențează sorbția cationilor, anionilor și a substanțelor chimice organice hidrofobe. Prin urmare, importanța lor în eliminarea și reținerea poluanților este din ce în ce mai mare , de asemenea, pentru că ionii de fier din rețeaua de argilă participă la reacții redox, care pot fi utile împotriva poluării cu ioni metalici; de exemplu, cercetătorii de la situl Hanford din Washington au putut reduce cantitatea de Cr(VI) din rezervele de apă de la 1 ppm până sub limitele de detecție (7-8 ppb), reducându-l la Cr(III), mai puțin toxic și mai puțin solubil, profitând de fierul structural al argilei, redus anterior la Fe(II) .
Pentru remedierea solurilor contaminate, aplicarea agenților tensioactivi capătă tot mai multă importanță . Agenții tensioactivi pe bază de ferocen au avantajul de a acționa atât ca agenți tensioactivi, cât și ca compuși redox-active. Prin urmare, o serie de agenți tensioactivi ferocenilici cu diferite lungimi de lanț au fost utilizați ca intercalanți, pentru a determina condițiile în care are loc transferul electronic în Fe structural al argilei. Prin această investigație, ar putea fi obținută o mai bună cunoaștere generală a activității Fe în silicații naturali . Agenții tensioactivi ferocenilici (25 și 26 din figura 14a) utilizați ca intercalanți, având diferite lungimi de lanț, au asigurat atât o gamă de potențiale, cât și o gamă de conformații posibile; ca argilă, montmorilonita standard Wyoming (SWy-1), de formula (Al2.88Fe0,68Mg0,47)(Si7,7Al0,29)O20(OH)4, a fost utilizat.
Sărurile de ferocenilamoniu utilizate în studiile referitoare la remedierea solului (a) ref. 52 , (b) ref. 53.
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).
Energy scheme for redox reactions of ferrocenyl surfactants with structural Fe(III) in clay .
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. Din acest studiu a reieșit că solubilizarea benzenului, toluenului și etilbenzenului cu agenți tensioactivi de ferocenil a fost mai bună decât cea cu agenți tensioactivi cationici (bromură de hexadeciltrimetilamoniu (CTABr)) sau anionici (sulfat de dodecil sodiu (SDS)) utilizați în mod obișnuit. Mai mult decât atât, eficiența de îndepărtare a fost mai mare la concentrații scăzute de surfactanți ferocenici și, în cele din urmă, oxidarea la cationul ferocenic a permis separarea de compușii organici și, prin urmare, reciclarea surfactantului.
Merită menționat faptul că ferocenii s-au dovedit a fi utili în evidențierea proprietăților redox ale Fe(II) adsorbit pe suprafețele minerale . Măsurarea potențialelor de repaus semnificative în sistemele de mediu și geochimice a fost foarte dificilă în trecut, din cauza, printre altele, a transferului lent de electroni între electrodul solid de detecție (de obicei Pt) și speciile active redox. În schimb, abordarea transferului de electroni mediată de ferocen a generat sonde mobile în soluție care pot reacționa cu speciile redox active suficient de rapid pentru a furniza un curent măsurabil, oferind astfel o măsură directă a reactivității redox (adică a ratelor de transfer de electroni) a speciilor redox active adsorbite.
Ferocenii ca senzori
Derivații de ferocen pot funcționa atât ca senzori optici, cât și electrochimici. Atunci când sunt substituiți în mod oportun, ei pot coordona anioni sau cationi, cu o schimbare de potențial sau o schimbare de culoare consecventă . Aici vor fi raportate doar câteva exemple recente selectate.
- a)
Compuși neutri. Hidrazina și derivații sunt folosiți în agricultură ca pesticide, dar pătrund în mediu și prin emisii industriale. Din cauza pericolului lor toxicologic, sunt necesare metode analitice sensibile, fiabile și rapide. Sunt disponibile o serie de tehnici instrumentale , dar cele electroanalitice ar putea oferi proceduri portabile, ieftine și rapide, în pofida oxidării oarecum leneșe din punct de vedere cinetic a hidrazinei . Exploatând nanotuburile de carbon, determinarea electrocatalitică a fenilhidrazinei și a hidrazinei a fost realizată în mod contemporan, cu un electrod din pastă de nanotuburi de carbon modificat cu ferocen . Un astfel de electrod a rezultat stabil și ușor de preparat și de reînnoit la suprafață. Acesta a prezentat o selectivitate îmbunătățită și a permis detectarea hidrazinei și fenilhidrazinei în aceeași probă, în mod contemporan.
- b)
Anioni. Importanța aspartatului este de netăgăduit: ca mulți anioni chirali, acesta intră în procesele biologice și chimice, ca să nu mai vorbim de aspartamul, important din punct de vedere industrial. Pe de altă parte, recunoașterea enantioselectivă de către moleculele gazdă artificiale prezintă un interes crescând . S-au preparat o serie de ferocenuri 1,1′-disubstituite, cu un atom de carbon chiral și o fracțiune tiouree în substituenți, și s-a testat recunoașterea lor enantioselectivă. Cel puțin două dintre ele au prezentat o bună recunoaștere chirală, așa cum a fost demonstrat prin titrare optică cu L- sau D-N-acetillaspartat în soluție de dimetilsulfoxid (DMSO). Modificările de culoare sunt semnificative, așa cum este ilustrat în figura 16, făcând astfel din acești feroceni senzori colorimetrici „cu ochiul liber”.
Figura 16 
Senzor colorimetric pe bază de ferocen pentru N-acetilaspartat. De la stânga la dreapta: derivatul de ferocenil de sus, același + L-N-acetilaspartat, același + D-N-acetilaspartat; derivatul de ferocenil de jos, același + L-N-acetilaspartat, același + D-N-acetilaspartat. Adaptat din Ref. , Eur J Org Chem 841-849. Retipărit cu permisiune. Copyright (2009) Wiley.
- c)
Cationi. Detectarea cationilor de metale grele în mediul înconjurător este de mare importanță, datorită difuzării lor din surse industriale și a tratamentului lor pentru sănătate. În special, intoxicația cu plumb este încă una dintre cele mai frecvente boli cauzate de mediu și detectarea ionilor de Pb(II) este absolut necesară, în special în apa potabilă . După ce au reușit să recunoască anionii legați de fosfați prin intermediul unei ferocenilimidazofenantroline, care a funcționat atât ca senzor colorimetric, cât și electrochimic, aceiași autori au preparat ferocite substituite cu imidazopiridină (ImPy) sau imidazofenazină (ImPhen) (figura 17), care au acționat ca receptori selectivi față de cationii Pb(II) .
Figura 17 
Sonde selective multicanal pentru cationii Pb(II); modificări de culoare asociate cu complexarea cationilor (sus, absorbție, jos, emisie). Adaptat din Ref. , J Org Chem 74:4787-4796, reimprimat cu permisiune. 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.
Figure 18 
Ferrocenyl thiourea as electrochemical chemodosimeter for Hg(II) cation .
Alți chemosenzori pe bază de ferocen, unul selectiv pentru cationul Hg(II) și celălalt selectiv pentru cationul Cu(II), au fost dezvoltați introducând 1,4-benzendiamină 31, 4,4′-bifenildiamină 32 sau 4,4′-diaminobenzenedisulfură, 33 . Din acești compuși au rezultat chemosenzori colorimetrici foarte sensibili pentru Cu(II) și Hg(II), cu modificări care au permis detectarea „cu ochiul liber”, după cum se poate observa în figura 19.
.
