Ferrocen i jordbruket: från jordbrukskemikalier och marksanering till selektiva kemosensorer

Ferroceninnehållande jordbrukskemikalier

Växtskydd är en viktig fråga inom jordbruket, som delvis möjliggörs av användningen av kemikalier för skadedjursbekämpning eller som herbicider. Å andra sidan har den ökande oron för bekämpningsmedlens negativa effekter på hälsa och miljö, som framgår av införandet av nya förfaranden för registrering av bekämpningsmedel (se t.ex. Food Quality Protection Act i Förenta staterna ), lett till att man har undersökt nya bekämpningsmedel, inklusive naturproduktbaserade bekämpningsmedel , för att ersätta de föreningar som inte längre kunde användas, på grund av de nya registreringskraven. Exempel kan hittas i ett antal översikter . I försöket att få fram effektivare föreningar infördes ferrocenylgruppen som substituent i föreningar som man visste var aktiva.

Viktiga systemiska medel med ett brett spektrum av fungicid aktivitet mot växtpatogener är derivat av 1H-1,2,4-triazol, till exempel de som visas i figur 2 .

Det är därför inte förvånande att de flesta ferrocenbaserade jordbrukskemikalier (fungicider, herbicider) innehåller samma heterocykel. Dessutom har samma föreningar ofta visat sig ha en lovande och något oväntad växttillväxtreglerande aktivitet. Syntesen är ganska enkel, med utgångspunkt från acetylferrocen 1 eller ferrocenkarbaldehyd 2 och med hjälp av klassiska organiska reaktioner, som illustreras i figurerna 3 och 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-isomerer uppvisade bättre fungicid aktivitet än Z-isomerer, förmodligen på grund av en gynnsam sterisk egenskap. Dessutom upptäcktes växttillväxtreglerande aktivitet vid besprutning av äppelblad på plantor som odlats från frön. Genom att låta båda isomererna reagera med fenylhydrazin (figur 3) erhölls 5-aryl-3-ferrocenyl-1-fenyl-4-triazolyldihydropyrazoler, 4, som testades mot vissa bakteriestammar, med resultat som inte var särskilt tillfredsställande.

Triazolylringen avlägsnades från ferrocen genom att en annan kolatom sattes in, och de resulterande (E)-3-aryl-1-ferrocenyl-2-triazolylmetylderivaten 5 (figur 3) testades mot vissa svampar (Pratylenchus zeae, Alternaria solani, Cladosporium fulvum, Physalospora piricola och Cercospora arachidicola), med varierande aktivitet, i allmänhet bättre mot A. solani (tabell 1, post 2). Derivaten från reaktion med fenylhydrazin, 6, uppvisade denna gång en bättre prestanda (tabell 1, post 3).

Ferrocenylanaloger av triadimefon, 7, testades för svampdödande aktiviteter mot mjöldagg och rost på intravitala veteplantor (Isariopsis clavispora, Bremia lactucae, C. fulvum, Erysiphe graminis och Alternaria mali), men besviket nog visade alla testade föreningar en lägre svampdödande aktivitet (se exempel i tabell 1, post 4) mot alla svampar än modertriadimefon (92,8 % respektive 96,6 %). Den växtreglerande aktiviteten, som undersöktes med hjälp av rhizogenesemetoden för gurkekotyledon, var i stället utmärkt.

Där man reducerade analoger av triadimefon erhölls motsvarande ferrocenylanaloger av triadimenol (8). De testades som anges ovan för triadimefonanalogerna och uppvisade i allmänhet ingen svampdödande aktivitet (tabell 1, post 5); alla uppvisade dock utmärkt växttillväxtreglerande förmåga, till och med större än keto-prekursorerna.

En liten strukturell variation var ändringen från OH till OMe, 9 . Fem svampar (P. zeae, A. solani, C. fulvum, P. piricola och C. ara) användes, med blygsamma resultat (se, för utvalda exempel, tabell 1, post 6). Intressanta resultat erhölls från växttillväxtreglerande aktivitet, bestämd med metoderna för vete gemmae elongation och gurka cotyledon rootage.

En annan metod för att syntetisera ferrocenderivat som innehåller triazol var att utgå från ferrocenkarbaldehyd och α-bromoarylketoner som tillät strukturella variationer (figur 4) .

De tre familjerna av föreningar (med funktionaliteterna CO, 11, OH, 12, respektive OMe, 13,) testades för biologiska aktiviteter. Knappt växttillväxtreglerande aktivitet (tester av vete coleoptil och gurka cotyledon) observerades, lite mindre med ketoner. En viss svampdödande aktivitet in vitro registrerades (mot Gibberella zeae, A. solani, Cercospora arachidicola, P. piricola, Phomopsis asparagi, Cladosporium cucumerinum, Sclerotinia sclerotiorum och Pyricularia oryzae), men den var enligt författarna inte signifikant om den jämfördes med kända kommersiella medel. Några utvalda data visas i tabell 1 (posterna 8-10).

Ferrocenylderivat med olika funktionaliteter undersöktes också. Det är anmärkningsvärt att ett av de första försöken att få biologiskt aktiva ferrocener introducerade aroylhydraziner som substituenter (figur 5 ): mer än ett decennium senare erkändes betydelsen av naturliga hydrazininnehållande föreningar, även med avseende på biologiska aktiviteter .

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. Detsamma gäller för trifluormetylsulfanylferrocen 21, (trifluormetylsulfanyl)etinylferrocen 22 och (N-ferrocenylmetyl)bensenkarbamid 23 , som visas i figur 10.

Ferrocener som katalysatorer i syntesen av jordbrukskemikalier

Avvikelsen av jordbrukskemikalier är uppenbar, även om miljökonsekvenserna av deras användning inte får underskattas. Därför är det viktigt att begränsa mängden kemikalier som förs in i miljön. Dessutom blev det alltmer uppenbart att de biologiska egenskaperna hos chirala agrokemikalier är relaterade till den absoluta konfigurationen. Den icke aktiva enantiomeren är onödig eller till och med skadlig, så enantioselektiv syntes blev ett måste. Problemet illustreras väl av (S)-metolaklor (figur 11, IUPAC: (S)-N-(2-etyl-6-metyl)fenyl-N-(1-metyl-2-metoxi)etyl-2-chloretanammid), Novartis Crop Protection-divisionens viktigaste herbicid (>20 000 ton/år).

Framgången med Josiphos och dess Xyliphos-modifiering gav ett uppsving för både industriella tillämpningar av kirala katalysatorer och syntesen av nya kirala ferrocener samt användningen av dem i asymmetrisk syntes . Den första Josiphos var således grundföreningen för en familj av effektiva kirala ligander som användes för enantioselektiv syntes av andra föreningar som är användbara inom jordbruket. För att bara ge ett exempel, den asymmetriska allyleringen av tertiära α-fluoroketoner, molekyler som är användbara för tillämpningar mot läkemedel, jordbrukskemikalier och funktionella material, utfördes bland annat med chirala ferrocenylkatalysatorer (figur 13, ). Tyvärr är e.e.s för låga för att vara användbara.

Ferrocenes in soil remediation

Naturlig lera framstod som en aktiv komponent i marken som påverkar sorptionen av katjoner, anjoner och hydrofoba organiska kemikalier. Därför ökar deras betydelse när det gäller att avlägsna och hålla kvar föroreningar, även på grund av att järnjoner i lergitteret deltar i redoxreaktioner som kan vara användbara mot metalljonföroreningar. Forskare vid Hanford-anläggningen i Washington kunde t.ex. minska mängden Cr(VI) i vattenförsörjningen från 1 ppm till under detektionsgränserna (7-8 ppb) genom att reducera det till det mindre giftiga och svårlösliga Cr(III), genom att dra nytta av lerans strukturella järn, som tidigare reducerats till Fe(II) .

För sanering av förorenade jordar blir tillämpningen av ytaktiva ämnen allt viktigare. Ferrocenbaserade ytaktiva ämnen har fördelen att fungera både som ytaktiva ämnen och som redoxaktiva föreningar. Därför användes en serie ferrocenyltensider med varierande kedjelängder som interkalanter för att fastställa under vilka förhållanden elektronöverföring sker i lerstrukturell Fe. Genom denna undersökning kan en bättre allmän kunskap om Fe-aktivitet i naturliga silikater uppnås. Ferrocenyltensider (25 och 26 i figur 14a) som användes som interkalanter, med olika kedjelängder, säkerställde både ett intervall av potentialer och ett intervall av möjliga konformationer; som lera användes standard Wyoming montmorillonit (SWy-1), med formeln (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. Denna studie visade att lösningen av bensen, toluen och etylbensen med ferrocenyltensider var bättre än med vanligt förekommande katjoniska (hexadecyltrimetylammoniumbromid (CTABr)) eller anjoniska (natriumdodecylsulfat (SDS)) tensider. Dessutom var avskiljningseffektiviteten högre vid låga koncentrationer av ferrocenyltensider, och slutligen möjliggjorde oxidation till ferroceniumkatjonen separation från organiska föreningar och därmed återvinning av tensiden.

Det är värt att nämna att ferrocenerna visade sig vara användbara för att påvisa redoxegenskaperna hos Fe(II) som adsorberats på mineraliska ytor. Det har tidigare varit mycket svårt att mäta meningsfulla vilopotentialer i miljö- och geokemiska system, bland annat på grund av den långsamma elektronöverföringen mellan den fasta sensorelektroden (vanligtvis Pt) och den redoxaktiva arten. I stället genererade den ferrocenmedierade elektronöverföringsmetoden mobila lösningssonder som kan reagera med den redoxaktiva arten tillräckligt snabbt för att ge en mätbar ström, vilket ger ett direkt mått på redoxreaktiviteten (dvs. elektronöverföringshastigheten) hos adsorberade redoxaktiva arter.

Ferrocener som sensorer

Ferrocenderivat kan fungera både som optiska och elektrokemiska sensorer. När de är lämpligt substituerade kan de samordna anjoner eller katjoner, med en följdriktig potentialförskjutning eller färgförändring . Endast utvalda aktuella exempel kommer att redovisas här.

1. a)

   Neutrala föreningar. Hydrazin och derivat används inom jordbruket som bekämpningsmedel, men hamnar också i miljön genom industriutsläpp. På grund av deras toxikologiska risker krävs känsliga, tillförlitliga och snabba analysmetoder. Det finns ett antal instrumentella tekniker, men elektroanalytiska tekniker kan ge bärbara, billiga och snabba förfaranden, trots den något kinetiskt tröga hydrazinoxidationen. Genom att utnyttja kolnanorör har den elektrokatalytiska bestämningen av fenylhydrazin och hydrazin genomförts samtidigt med en ferrocenmodifierad kolnanorörspastelektrod . En sådan elektrod är stabil och lätt att förbereda och att genomgå ytförnyelse. Den uppvisade förbättrad selektivitet och möjliggjorde detektion av hydrazin och fenylhydrazin i samma prov samtidigt.

3. b)

   Anjoner. Aspartatets betydelse är obestridlig: liksom många chirala anjoner ingår det i biologiska och kemiska processer, för att inte tala om det industriellt viktiga aspartam. Å andra sidan är det enantioselektiva erkännandet av konstgjorda värdmolekyler av ökande intresse . Ett antal 1,1′-disubstituerade ferrocener, med en kiral kolatom och en tioureaenhet i substituenterna, har framställts och deras enantioselektiva igenkänning har testats. Minst två av dem uppvisade god chiral igenkänning, vilket visades genom optisk titrering med antingen L- eller D-N-acetylaspartat i dimetylsulfoxid (DMSO)-lösning. Förändringarna i färg är betydande, vilket illustreras i figur 16, vilket gör dessa ferrocener till kolorimetriska sensorer med ”blotta ögat”.

   

   Kolorimetrisk ferrocenbaserad sensor för N-acetylaspartat. Från vänster till höger: ferrocenylderivat ovan, samma + L-N-acetylaspartat, samma + D-N-acetylaspartat; ferrocenylderivat nedan, samma + L-N-acetylaspartat, samma + D-N-acetylaspartat. Anpassat från Ref. , Eur J Org Chem 841-849. Återges med tillstånd. Copyright (2009) Wiley.

4. c)

   Kationer. Detektion av tungmetallkatjoner i miljön är av stor betydelse på grund av att de sprids från industriella källor och är skadliga för hälsan. Särskilt blyförgiftning är fortfarande en av de vanligaste miljörelaterade sjukdomarna och det är absolut nödvändigt att detektera Pb(II)-joner, särskilt i dricksvatten . Efter att ha lyckats känna igen fosfatrelaterade anjoner genom ett ferrocenylimidazofenantrolin, som fungerade både som kolorimetrisk och elektrokemisk sensor, framställde samma författare ferrocener substituerade med imidazopyridin (ImPy) eller imidazofenazin (ImPhen) (figur 17), som fungerade som selektiva receptorer för Pb(II)-katjoner .

   

   Selektiva flerkanalsonder för Pb(II)-katjoner; färgförändringar som är förknippade med katjonkomplexering (ovanför, absorption, under, emission). Anpassad från Ref. , J Org Chem 74:4787-4796, omtryckt med tillstånd. 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.

Andra ferrocenbaserade kemosensorer, en selektiv för Hg(II)-katjonen och en selektiv för Cu(II)-katjonen, utvecklades genom att introducera 1,4-benzendiamin 31, 4,4′-biphenyldiamin 32 eller 4,4′-diaminobensendisulfid 33 . Föreningarna resulterade i mycket känsliga kolorometriska kemosensorer för Cu(II) och Hg(II), med förändringar som möjliggjorde detektion med blotta ögat, vilket framgår av figur 19.