Tetraalkiloamoniowe i azoliowe ciecze jonowe PRACA DOKTORSKA POLITECHNIKA POZNAŃSKA

INSTYTUT TECHNOLOGII I INŻYNIERII CHEMICZNEJ

Zakład Technologii Chemicznej

PRACA DOKTORSKA

Tetraalkiloamoniowe i azoliowe ciecze jonowe

Bartosz Markiewicz

Praca doktorska

została wykonana pod kierunkiem prof. dr hab. inż. Juliusza Pernaka

POZNAŃ 2014

Promotorowi niniejszej pracy,

prof. dr hab. inż. Juliuszowi Pernakowi,

składam serdeczne podziękowania

za nieocenioną pomoc, wsparcie i cenne rady

okazane w trakcie realizacji niniejszej pracy

Mojej Żonie, mojej Rodzinie, wszystkim Przyjaciołom.

Dziękuję za wiarę i wsparcie w dążeniu do celu.

SPIS TREŚCI

4

SPIS TREŚCI

1. WSTĘP ... 7

2.1. Metyloksantyny ... 8

2.1.1. Otrzymywanie metyloksantyn ... 9

2.1.2. Synteza metyloksantyn ... 11

2.1.3. Zastosowanie metyloksantyn ... 14

2.2. Fungicydy ... 16

2.2.1. Historia fungicydów ... 16

2.2.2. Synteza triazolowych fungicydów... 21

2.2.3. Wpływ fungicydów na środowisko ... 26

2.3. Ciecze jonowe... 31

2.3.1. Podział cieczy jonowych i ich generacje ... 33

2.3.2. Zastosowanie cieczy jonowych ... 37

3. CEL PRACY ... 44

4. CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA ... 45

4.1. Synteza ... 45

4.1.1. Synteza protonowych soli tebukonazolu i propikonazolu ... 45

4.1.2. Synteza czwartorzędowych soli ... 45

4.1.3. Synteza soli aprotonowych ... 46

4.1.4. Synteza tetrafluoroboranu kofeiny ... 48

4.1.5. Synteza dipodstawionego tebukonazolu. ... 48

4.2. Metody analityczne... 49

4.2.1. Zawartość substancji kationowo czynnej ... 49

4.2.2. Chromatografia cienkowarstwowa ... 50

4.2.3. Analiza elementarna ... 50

5

4.2.4. Analiza spektroskopowa ... 50

4.2.5. Rozpuszczalność w wodzie i rozpuszczalnikach organicznych ... 50

4.2.6. Temperatura topnienia ... 51

4.2.7. Aktywność powierzchniowa roztworów wodnych... 51

4.2.8. Gęstość ... 51

4.2.9. Lepkość ... 51

4.2.10. Współczynnik załamania światła... 53

4.2.11. Stabilność termiczna i przemiany fazowe ... 53

4.2.12. Współczynnik podziału oktanol-woda ... 53

4.3. Określenie aktywności biologicznej ... 54

4.3.1. Oznaczenie aktywności biologicznej wobec grzybów ... 54

4.3.2. Biodegradowalność ... 54

4.3.3. Aktywność chwastobójcza - badania szklarniowe ... 56

4.3.4. Aktywność chwastobójcza - badania polowe ... 57

4.3.5. Aktywność deterentna ... 57

4.4. Zastosowanie cieczy jonowych ... 59

4.4.1. Sieciowanie żywic epoksydowych cieczami jonowymi ... 59

4.4.2. Otrzymywanie heterogenizowanego katalizatora ... 59

4.4.3. Badanie własności katalitycznych otrzymanych katalizatorów ... 59

5. OMÓWIENIE WYNIKÓW ... 61

5.1. Przeprowadzone syntezy i analiza związków ... 61

5.1.1. Synteza protonowych soli ... 61

5.1.2. Synteza czwartorzędowych soli ... 66

5.1.3. Synteza aprotonowych soli ... 69

5.1.4. Synteza tetrafluoroboranu kofeiny ... 75

5.1.5. Synteza dipodstawionego tebukonazolu ... 76

5.2. Właściwości fizykochemiczne ... 78

SPIS TREŚCI

6

5.2.1. Gęstość cieczy jonowych ... 78

5.2.2. Lepkość cieczy jonowych ... 80

5.2.3. Współczynnik załamania światła cieczy jonowych ... 86

5.2.4. Stabilność termiczna i przemiany fazowe ... 88

5.2.4. Aktywność powierzchniowa roztworów wodnych... 91

5.2.5. Współczynnik podziału oktanol-woda ... 92

5.3. Aktywność biologiczna ... 93

5.3.1. Aktywność biologiczna wobec grzybów ... 93

5.3.2. Biodegradowalność ... 100

5.3.3. Aktywność herbicydowa - testy szklarniowe ... 104

5.3.4. Aktywność herbicydowa - testy polowe ... 106

5.3.5. Aktywność deterentna ... 108

5.4. Zastosowanie cieczy jonowych ... 110

5.4.1. Sieciowanie żywic epoksydowych, synteza nośników katalizatorów ... 110

5.4.2. Wykorzystanie heterogenizowanych katalizatorów ... 111

6. PODSUMOWANIE I WNIOSKI ... 117

7. STRESZCZENIE ... 120

8. LITERATURA ... 123

9. ANEKS ... 131

Wykaz odczynników stosowanych w pracy doktorskiej ... 131

Opis widm

H,

C i

F NMR oraz analiza elementarna ... 134

AKTYWNOŚĆ NAUKOWA ... 150

7

1. WSTĘP

Ciecze jonowe są solami organicznymi, które już od ponad 20 lat są niezmiernie popularne w wielu ośrodkach naukowych i technologicznych na całym świecie. Wzrost zainteresowania tymi związkami spowodował rozwój potencjalnych możliwości ich zastosowania w różnych gałęziach przemysłu. Wykorzystanie ich jako rozpuszczalniki, a zarazem katalizatory reakcji, pozwala na zmniejszenie ilości odpadów w syntezach chemicznych, a bardzo dobre właściwości ekstrakcyjne pozwalają na wyodrębnienie pożądanego produktu, na co wcześniej potrzebny był duży nakład energetyczny. Ilość potencjalnych połączeń kation-anion oceniana jest na poziomie 10

.

Należy pamiętać, że w tak obszernej grupie na pewno znajdą się ciecze jonowe, które z powodzeniem zastąpić będą mogły rozpuszczalniki, ekstrahenty, nawozy, herbicydy, fungicydy, elektrolity, katalizatory reakcji, smary czy inne substancje stosowane w różnych dziedzinach, ale także takie, które nie znajdą swojego miejsca w zastosowaniu przemysłowym, lub będą „krokiem” w rozwoju zielonej chemii dostarczając kolejnych przykładów dla ustanowionych 12 zasad.

Natura bogata jest w ogromną ilość związków chemicznych o unikalnych właściwościach, które od wieków są wykorzystywane np. w medycynie naturalnej.

Aminokwasy, białka, cukry i wielocukry, lipidy, alkaloidy, steroidy czy terpenoidy coraz

częściej stają się bazą surowcową w syntezie chemicznej. Pozyskiwanie ich na drodze

ekstrakcji jest porównywalne, a często nawet tańsze niż koszt syntezy i rejestracji

związków o nowych strukturach. Modyfikacja istniejących i zarejestrowanych związków

chemicznych jest łatwiejsza i tańsza, a badania synergizmu przyczyniają się do uzyskania

pożądanych cech produktu.

CZĘŚĆ TEORETYCZNA

8

Metyloksantyny są metabolitami roślinnymi, które pochodzą z nukleotydów purynowych. Najbardziej znanymi przedstawicielami tej grupy związków są kofeina (1,3,7-trimetyloksantyna) i teobromina (3,7-dimetyloksantyna), które występują w kawie, herbacie, kakao, w nasionach koli błyszczącej, w liściach ostrokrzewu paragwajskiego (yerba mate) oraz guaranie.

Metyloksantyny są alkaloidami purynowymi. Puryny to heterocykliczne związki organiczne, zbudowane z pierścienia pirymidynowego i pierścienia imidazolu. Są składnikami nukleotydów, które z kolei są częścią kwasów nukleinowych RNA i DNA.

W przyrodzie, alkaloidy purynowe są reprezentowane przez metylowe pochodne ksantyny, z których najbardziej popularne są: kofeina, teobromina, teofilina i zostały przedstawione na rysunku 1.

Rys. 1. Pochodne ksantyny

9 2.1.1. Otrzymywanie metyloksantyn

W 1819 roku Runge, wyodrębnił z ziaren kawy substancję, którą nazwał kofeiną.

Następnie w 1827 roku Oudry wyekstrahował z liści herbaty teinę, która po 11 latach okazała się być tym samym co kofeina związkiem. W 1841 roku po raz pierwszy dostrzeżono teobrominę, która wyizolowana została z łusek kakao rok później przez Voskresenskiego.

Na rysunku 2 przedstawiono rośliny, z których wyekstrahowano metyloksantyny.

Rys. 2. A - Coffea Arabica (kawa), B - Camellia sinensi (herbata), C - Theobroma cacao (kakao)

Ekstrakcja stanowi główną metodę pozyskiwania kofeiny, teobrominy i teofiliny.

Najwyższa zawartość kofeiny, do 4,3%, występuje w nasionach guarany, następnie do 2,8% w liściach herbaty, 2,5% w ziarnach kakao, oraz do 1,9% w ziarnach kawy i 0,95%

w liściach herbaty paragwajskiej. Zawartość teobrominy wynosi od 1,5 do 3%

w kakao, w liściach herbaty natomiast jej zawartość mieści się w granicach od 0,8 do 5,9%. Zawartość teofiliny w roślinach jest niska: do 0,013% w liściach herbaty i do 0,02% w ziarnach kakao.

Kofeinę pozyskuje się z odpadów przemysłu herbacianego (pył herbaciany czy kawałki liści), z ziaren kawy, guarany oraz innych roślin, natomiast źródłem teobrominy są ziarna kakao. Wykorzystuje się kilka metod odzysku teobrominy i kofeiny z naturalnych surowców.

Jedną z metod jest przeciwprądowa ekstrakcja metyloksantyny wrzącą wodą.

Następnie wodny ekstrakt oczyszcza się przez strącenie zanieczyszczeń, które stanowią metale takie jak ołów, wapń czy magnez. Przesącz zatęża się, a pozostałość rekrystalizuje ze schłodzonego wodnego roztworu. Modyfikacją metody jest wykorzystanie rozpuszczalników organicznych takich jak chloroform czy dichlorometan, w których

A B C

CZĘŚĆ TEORETYCZNA

10 kofeina i teofilina dobrze się rozpuszczają.

Bardzo skuteczną metodą wydzielania kofeiny jest metoda opracowana w 1952 roku przez Izmailova. Kofeina z roztworu wodnego adsorbuje się na węglu aktywnym, a jej desorpcja przeprowadzana jest przy wykorzystaniu chloroformu i dichlorometanu. Dużą zaletą jest możliwość użycia roztworów o niskim stężeniu kofeiny.

W Szwajcarii i Francji opracowano procesy pozyskiwania kofeiny z nasion kawy i liści herbaty. Na rysunku 3 przedstawiono schemat ideaowy obu metod ekstrakcji kofeiny z udziałem wody.

Rys. 3. Ekstrakcja kofeiny z ziarna kawy i liści herbaty

Do ekstrakcji metyloksantyn wykorzystuje się również nadkrytyczny ditlenek węgla.

Rozpuszczalność w nim kofeiny jest dwukrotnie wyższa niż w etanolu i wynosi 10%.

Ekstrakcja za pomocą nadkrytycznego ditlenku węgla służy do produkcji kawy i herbaty bezkofeinowej.

Nowymi technikami w ekstrakcji metyloksantyn są między innymi techniki

ultradźwiękowe lub mikrofalowe. Te ostatnie pozwalają skrócić czas ekstrakcji do 2,5

11 godziny. Ekstrakcję prowadzi się przy obniżonym ciśnieniu i mocy mikrofalowej wynoszącej 350 W, ekstrahując 84% kofeiny i pozostawiając w liściach herbaty 64%

flawonoidów.

Oprócz ekstrakcji metyloksantyn wodą i nadkrytycznym CO

wykorzystuje się absorpcję materiałem lignocelulozowym

lub na różnych nośnikach polimerowych. Jako absorbenty wykorzystuje się m. in. kopolimer izocyjanianu triallilu z octanem winylu lub akryloamidu z dimetakrylanem glikolu etylenowego.

Użycie absorbentów pozwala na usunięcie z liści herbaty i ziaren kawy całości kofeiny, pozostawiając przy tym ponad 95% flawonoidów i katechinianów.

Oprócz pozyskiwania kofeiny i innych metyloksantyn z materiału organicznego, usuwa się je również za pomocą bakterii, które wykorzystują pochodne ksantyny jako źródło węgla i azotu. Liście herbaty i ziarna kawy są zraszane lub zanurzane w roztworze wodnym zawierającym odpowiednie szczepy bakterii. Mikroorganizmy rozkładają kofeinę na pierwiastki na powierzchni i wewnątrz liścia lub ziarna. W ten sposób otrzymuje się produkt pozbawiony metyloksantyn.

2.1.2. Synteza metyloksantyn

Około 74% całkowitej produkcji kofeiny wykorzystuje się do przygotowywania napojów, pozostałe 25% wykorzystuje się w przemyśle farmaceutycznym. Wzrost popytu na kofeinę wymusza poszukiwania nowych jej źródeł.

Pierwszą syntezę metyloksantyn wykonał noblista Fischer. W 1882 roku otrzymał syntetyczną teobrominę, a 6 lat później zidentyfikował teofilinę.

Pierwszą syntezę kofeiny przeprowadził w 1897 roku a w 1902 roku otrzymał nagrodę Nobla za badania nad cukrami i purynami.

Jest kilka metod otrzymywania syntetycznych metyloksantyn. Pierwsza a nich

polega na kondensacji dwóch cząsteczek mocznika z 2-chloro-3,3-dietoksyakrylanem

w wodnym alkalicznym środowisku w temperaturze 110

C, a produktem jest kwas

moczowy, który w następnym etapie ogrzewa się z formamidem. W wyniku ogrzewania

powstałego związku wydziela ditlenek węgla i amoniak, otrzymując odpowiednią

ksantynę.

Na rysunku 4 przedstawiono schemat reakcji otrzymywania ksantyny.

CZĘŚĆ TEORETYCZNA

12

W zależności od warunków reakcji, otrzymaną ksantynę w wyniku metylowania siarczanem(VI) dimetylu w środowisku alkalicznym przeprowadza się teobrominę.

W temperaturze wrzenia metanolu otrzymuję się kryształy o temperaturze topnienia 344- 350

C. Aby otrzymać teofilinę, ksantynę rozpuszcza się w wodnym alkalicznym roztworze wodorotlenku sodu i wkrapla się siarczan(VI) dimetylu. Otrzymuję się białe krystaliczne ciało stałe o temperaturze topnienia 270-274

C. Kofeinę otrzymuje się w reakcji metylowania siarczanem(VI) dimetylu w środowisku słabo alkalicznym w temperaturze 30-70

C. Otrzymana kofeina krystalizuje w postaci małych kryształów lub igieł topiąc się w temperaturze 238

C.

Inną metodą otrzymywania teofiliny i kofeiny jest wykorzystanie uracylu jako

substratu metyloksantyn. Uracyl rozpuszcza się w DMSO, po czym dodaje się wodorek

sodu, całość miesza się i wkrapla jodek metylu. Powstaje 1,3-dimetylouracyl, do którego

dodaje się kwas solny do pH=1÷2, powstały chlorowodorek ekstrahuje się

dichlorometanem. Otrzymaną sól przemywa się wodorowęglanem sodu i otrzymuje się

produkt z wydajnością 61%. Następnie dodaje się mieszaninę nitrującą. Reakcja przebiega

błyskawicznie i wyizolowany produkt (1,3-dimetylo-5-nitrouracyl) otrzymuje się

z wydajnością 64%. Powstałe żółte kryształy rozpuszcza się w THF. Grupę nitrową

redukuje się do grupy aminowej za pomocą żelaza w obecności kwasu solnego otrzymując,

z wydajnością 70%, 5-amino-1,3-dimetylouracyl. Otrzymaną pochodną aminouracylu

13 rozpuszcza się i gotuje z kwasem mrówkowym. Po zneutralizowaniu pozostałości kwasu wodorowęglanem sodu, powstały związek poddaje się reakcji nitrowania. Do zamknięcia pierścienia używa się żelaza w obecności kwasu octowego otrzymując teofilinę z wydajnością 75%. Reakcję metylowania 1,3-dimetyloksantyny wykonuje się identycznie jak dla 1,3-dimetylouracylu otrzymując, po oczyszczeniu, kofeinę z wydajnością 95%.

Na rysunku 5 przedstawiono schemat wieloetapowej syntezy teofiliny i kofeiny.

Rys. 5. Synteza teofiliny i kofeiny

Od połowy XX wieku pojawiło się kilka patentów i artykułów o otrzymywaniu

syntetycznych metyloksantyn, w których skupiono się przede wszystkim nad

poprawienieniem wydajności poszczególnych etapów syntezy opracowanych przez

Fischera i Traubego z końca XIX i początku XX wieku. Najczęściej substratem do

otrzymania ksantyny lub jej pochodnych jest mocznik lub kwas moczowy.

CZĘŚĆ TEORETYCZNA

14 Największym problemem podczas metylowania ksantyny jest powstająca mieszanina metyloksantyn.

Opracowana przez firmę BASF metoda metylowania opiera się na wykorzystaniu soli sodowych i potasowych metyloksantyn i metanolu. Reakcję przeprowadza się w atmosferze tlenku węgla w temperaturze 120-150

C, przy ciśnieniu 20-60 bar. Metoda ta pozwala na otrzymanie kofeiny z wydajnością 97,5% przy zawartości innych metyloksantyn na poziomie 0,6%.

Wykorzystanie różnic rozpuszczalności oraz selektywności absorbentów wobec danych metyloksantyn, pozwala na oczyszczenie produktu do poziomu 98-99%.

Obecnie otrzymywanie metyloksantyn nie jest możliwe z powodu drogich substratów wyjściowych, wieloetapowości syntezy, niskiej lub średniej wydajności pośrednich procesów, powstawania jednocześnie kilku produktów reakcji metylowania oraz braku możliwości użycia metod oczyszczania w większej skali.

Może to jednak stanowić alternatywę do ekstrakcji metyloksantyn, które w nasionach, liściach i ziarnach roślin występują w znikomych ilościach.

2.1.3. Zastosowanie metyloksantyn

Kawa, herbata i kakao od wieków wykorzystywane są w przemyśle spożywczym w różnych postaciach. Początkowo ziarna kawy żuto, a później mielono i mieszano z tłuszczem tworząc pasty, które pełniły rolę przekąski podczas długiej podróży. Około 1000 roku zaczęto zalewać ziarna kawy wrzącą wodą. Słowo „kawa” pochodzi od „qahva”

lub „qahwah” z języka arabskiego co określało napój z roślin. Obecnie uprawia się ją w 50 różnych krajach na świecie.

Herbata jest drugim po wodzie, najchętniej spożywanym napojem na świecie.

Roczna produkcja wynosi około 4,2 miliona ton suchych liści.

Właściwości parzonej herbaty pozwoliły na wykorzystanie jej w leczeniu nowotworów, wrzodów, czy innych schorzeń.

Wysokie stężenie kofeiny, jakie występuje w młodych liściach herbaty, chroni rośliny przez drobnoustrojami chorobotwórczymi

i insektami.

Opryskiwanie roślin 0,01 - 1% roztworem kofeiny zapewnia ochronę przed różnymi gatunkami ślimaków.

Właściwości neurotoksyczne kofeiny wykorzystano do stworzenia transgenicznego tytoniu

zdolnego do produkcji kofeiny oraz posiadającego większą stabilność przed wirusami

15 i bakteriami.

Posiada ona również alopatyczne właściwości co oznacza, że może opóźniać rozwój mikroorganizmów i roślin.

Według badań przeprowadzonych na myszach transgenicznych, kofeina w dawkach 0,75 - 1,5 mg/dzień podawana przez 8 tygodni poprawia pamięć dorosłych osobników i może opóźniać zapoczątkowanie lub rozwój choroby Alzheimera.

Głównym metabolitem kofeiny jest paraksantyna, która wpływa na stymulację aktywności ruchowej, pobudzenie termogenezy oraz wzrost ciśnienia krwi.

Wykorzystanie mieszanin metyloksantyn, witamin, węglowodanów i innych substancji odżywczych spotyka się w różnego typu napojach izotonicznych, mleku czy kremach.

Dodatek metyloksantyn do leków przeciwnowotworowych (daunorubicyna, doksorubicyna, mitoksantron), blokuje lub zmniejsza ich działanie mutagenne.

Teofilinę początkowo stosowano jako środek moczopędny. W 1936 roku opisano jej korzystny wpływ na leczenie astmy, jednak stosowanie jej w tym celu rozpoczęto dopiero kilkanaście lat później. Z kolei w roku 1992, Hirsch określił pozytywny wpływ teofiliny na skurcz oskrzeli oraz poprawne działanie mięśnia sercowego.

Czwartorzędowe sole kofeiny, teobrominy i teofiliny tworzą z metalami trwałe kompleksy.

Aby poprawić właściwości metyloksantyn wprowadza się do ich budowy w różnych pozycjach podstawniki alkilowe, arylowe, alkoksylowe lub inne grupy funkcyjne, a także łączy z solami nieorganicznymi w celu polepszenia ich rozpuszczalności w wodzie.

Metyloksantyny są dodatkami do zerumbonów, organicznych związków

wyekstrahowanych z imbiru cytwarowego (Zingiber zerumbet), które są stosowane

w leczeniu białaczki, nowotworów oraz przeciwko wirusowi HIV.

Kofeinę i teofilinę

stosuje się do modyfikacji powierzchni elektrod węglowych, które wykorzystuje się

do wykrywania metyloksantyn w surowicy krwi.

CZĘŚĆ TEORETYCZNA

16

2.2.1. Historia fungicydów

Choroby upraw, i ich konsekwencje – rujnowanie i głód, są zauważalne na przełomie historii ziemi. Początkowo rolnicy akceptowali ten stan jako naturalną katastrofę nieodłączną ich istnieniu. Wielu ludzi wierzyło jednak, że choroby upraw są nieodzownie powiązane z czarną magią czy przekleństwami, obwiniano za nie wiedźmy i gobliny, uważano również że jest to kara boska za brak wiary.

Wzrost liczby ludności na przełomie ostatnich kilku wieków spowodował dużo większe zapotrzebowanie na surowce naturalne czy żywność. Aby sprostać temu zadaniu należy efektywnie wykorzystywać planetę, w celu zabezpieczenia się przed błędami popełnianymi w przeszłości. W 1845 roku kiedy śnieć ziemniaka spowodowała dramatyczne skutki w zachodniej Europie, uznano to za największą znaną człowiekowi plagę w historii ziemi. W ciągu kilku lat przez tą chorobę zmarło z głodu ponad milion osób. Tak duże straty żywności i populacji zaowocowały intensywnymi badaniami dotyczącymi środków ochrony przed grzybami – fungicydami.

Pierwszym fungicydem, zastosowanym przez Schulthessa w roku 1761 był siarczan(VI) miedzi. Używano go do zaprawiania ziarna pszenicy, a następnie jako konserwant drewna.

W roku 1833, w Stanach Zjednoczonych, Kernick po raz pierwszy zastosował mieszaninę wapna palonego i siarki przeciwko pleśni winorośli, a od roku 1886 w Kalifornii stosowano jej roztwór jako preparat dezynfekcyjny w kąpielach bydła, a także do zabezpieczania drzew cytrusowych przeciwko czerwcom.

Millardet w 1882 roku użył ciecz bordoską (fr. – bouillie bordelaise) do zabezpieczenia winorośli przeciw mączniakowi rzekomemu (Plasmopara viticola), lecz dopiero w 1885 opisał, że jest ona mieszaniną wapna palonego i siarczanu(VI) miedzi.

Wykorzystanie nieorganicznych soli metali zapoczątkowało badania nad

odmianami skutecznych środków grzybobójczych. Jako związki bakteriobójcze,

a z czasem również jako środki stosowane do zaprawiania nasion zbóż, wykorzystywano

związki rtęci. Użycie ich od 1890 roku spowodowało, że formy przetrwalnikowe fuzariozy

nie powodowały ponownego zakażania nasion. Chlorek rtęci zastąpiono w 1915 roku

chlorofenolanem rtęci zaproponowanym przez koncern I. G. Farbenindustrie, jednak ich

pyliste formy użytkowe o nieprzyjemnym zapachu zastąpiono w 1924 roku

17 o-nitrofenolanem rtęci a następnie ok. roku 1930 – chlorkiem metoksyetylortęciowym w postaci zawiesiny.

Badania przeprowadzone w 1950 przez Kerka i współpracowników nad zastosowaniem w ochronie przeciw grzybom związków cyny wykazały, że sole nieorganiczne są nieaktywne, natomiast niektóre sole organiczne z trzema grupami alkilowymi lub arylowymi wykazują znakomitą aktywność grzybobójczą, czego przykładem mogą być wodorotlenek tributylocynowy, czy chlorek oraz octan trifenylocynowy.

Pierwszym skutecznym antybiotykiem była odkryta w 1929 roku przez Fleminga penicylina, która od 1940 roku wykorzystywana jest w medycynie. Początkowo próbowano zastosować jej właściwości do zwalczania Agrobacterium tumafaciens – guzowatości korzeni, jednak próby te okazały się nieskuteczne. Innymi opisanymi antybiotykami, które w przeciwieństwie do penicyliny charakteryzowały się aktywnością fungistatyczną są: gliotoksyna, gryzeofulwina, streptomycyna, cykloheksimid, blastomycyna i blastocydyna S.

Od lat trzydziestych ubiegłego wieku rozpoczął się okres syntezy nowych, organicznych fungicydów do których należą: pochodne fenoli, chinonu, ditiokarbaminianu, kaptanu, chloronitrobenzenu, triazyny i chinolinolu. Od lat sześćdziesiątych dwudziestego wieku, naukowcy skupili się na otrzymaniu związków, które w swojej budowie posiadały w pierścieniu atom azotu, odpowiedzialny za działanie grzybobójcze. Do tej grupy związków należą: morfolina, piperazyna, imidazol i ich pochodne, a także triazole, które od lat dziewięćdziesiątych zdominowały rynek fungicydów. Jest to spowodowane nie tylko ich bardzo wysoką skutecznością, ale również niską toksycznością dla środowiska i mniejszą akumulacją się w glebie.

Do grupy fungicydów organicznych zaliczyć

należy również związki pochodzenia naturalnego – strobiluriny. Najbardziej popularne

fungicydy wykorzystywane do ochrony roślin przed grzybami przedstawiono

na rysunku 6.

CZĘŚĆ TEORETYCZNA

18

Fungicydy można podzielić na następujące grupy:

– nieorganiczne:

zawierające miedź: CuOCl, Cu(OH)

, CuSO

, 3Cu(OH)

∙CuSO

∙CaSO

, Cu

O, 3Cu(OH)

∙CuCl

,

zawierające siarkę: S, CaO + S,

zawierające rtęć: HgCl

, HgO,

19 – organiczne:

CZĘŚĆ TEORETYCZNA

20

21 Fungicydy stanowią fundamentalne środki ochrony roślin. Ich ewolucja na przestrzeni lat obrazuje jak ważne jest zapobieganie chorób, zwiększenie plonów upraw do poprawy warunków życia ludzi. Związki te powinny charakteryzować się, niskimi dawkami w zabiegach chemicznych, selektywnością do gromad grzybów niepowodującym jednocześnie nabywania odporności na działaniem wyniszczające, lecznicze oraz interwencyjne, znikomą akumulacją w środowisku oraz nie mogą negatywnie wpływać na organizmy stałocieplne. Fungicydami, które spełniają większość z tych wymagań są triazole.

2.2.2. Synteza triazolowych fungicydów

Fungicydy azolowe otrzymuje się głównie w reakcjach substytucji nukleofilowej z solą sodową 1,2,4-triazolu. W wyniku syntezy tworzy się wiązanie węgiel-azot w pozycji N-1 lub N-4 pierścieniu triazolu.

Jeżeli substytucja przebiega do pozycji N-4, fungicydy triazolowe charakteryzują się mniejszą aktywnością biologiczną.

Jednym z pierwszych fungicydów triazolowych był triadimefon. W pierwszym etapie przeprowadza się reakcje chlorowania pinakolonu (3,3-dimetylobutan-2-on), a następnie substytucji 1,2,4-triazolu i p-chlorofenolanu sodu, w ten sposób otrzymuje się mieszaninę racemiczną triadimefonu. Wykorzystywano go do oprysków przeciw mączniakowi (Blumeria graminis) oraz rdzy roślinnej występujących na owocach, zbożach i warzywach.

Z czasem okazało się, że wewnątrz komórek roślinnych zachodzi reakcja uwodornienia triadimefonu do triadimenolu. Triadimenol skutecznie hamuje choroby powodowane przez mączniaka, rdzę roślinną oraz wzrost grzybni Rhynchosporium secalis, wywołującej rynchosporiozę na winogronach, warzywach, burakach cukrowych czy tytoniu.

Syntezę obu fungicydów według patentów firmy Bayer przedstawia rysunek

7.

CZĘŚĆ TEORETYCZNA

22

W 1979 roku w reakcji ketonizacji 2-bromo-1-(2,4-dichlorofenylo)etanonu z pentadi-1,2-olem, a następnie substytucji nukleofilowej z 1,2,4-triazolem otrzymano propikonazol. Reakcję podstawienia prowadzi się w obecności zasady, w temperaturze 160

C w DMF. Syntezy prowadzące do otrzymania propikonazolu przedstawiono na rysunku 8.

Rys. 8. Synteza propikonazolu

23 Propikonazol okazał się jednym z najlepiej działających fungicydów triazolowych, wykorzystywanych w ochronie upraw ryżu, orzechów, kukurydzy, owoców pestkowych i zbóż.

W Polsce dostępny jest w preparacie Bumper 250 EC. Poza działaniem grzybobójczym, wykorzystuje się jego zdolność do kompleksowania metali.

Propikonazol posiada dwa centra chiralności, dlatego istnieją cztery stereoizomery, składające się z dwóch par diastereoizomerów, które przedstawiono na rysunku 9.

Wyższą aktywność biologiczną wykazują izomety 2S.

Rys. 9. Stereoizomery propikonazolu

Kolejnym fungicydem z grupy triazoli jest tebukonazol, który podobnie jak propikonazol jest jednym z bardziej rozpowszechnionych fungicydów. Otrzymano go po raz pierwszy w roku 1981 roku w reakcji 2-t-butylo-2-(4-chlorofenyloetylo)oksiranu z 1,2,4-triazolem w DMSO w obecności zasady (wodorotlenku sodu lub potasu).

Syntezę tebukonazolu przedstawia rysunek 10.

CZĘŚĆ TEORETYCZNA

24

Tebukonazol stosuje się zapobiegawczo i interwencyjnie w ochronie rzepaku ozimego, pszenicy ozimej, jęczmienia jarego, buraków cukrowych oraz wiśni przed chorobami grzybowymi. Występuje w dwóch popularnych preparatach handlowych – Tebu 250 EW oraz Horizon 250 EW. Poza zastosowaniem jako fungicyd, tebukonazol wykazuje szereg atrakcyjnych właściwości pozwalających na wykorzystanie go m.in.

w procesie ekstrakcji metali tj. pallad, miedź, nikiel, kobalt czy żelazo.

W preparatach zawierających tebukonazol czy propikonazol z czwartorzędowymi solami amoniowymi, adiuwantami, difenzokwatem, imidaklopridem i

-tagatozem mamy do czynienia z synergią, dzięki czemu poprawiają się właściwości grzybobójcze, zmniejszona może zostać dawka triazoli, a dodatkowo następuje zwiększenie plonów.

Oprócz tebukonazolu, propikonazolu, triadimenolu czy triadimefonu

do fungicydów triazolowych zaliczyć można m. in. azakonazol, bromukonazol,

cyprokonazol, diklobutrazol, difenokonazol, dinikonazol, epoksykonazol, etakonazol,

fenbukonazol, heksakonazol, imibenkonazol, ipkonazol, simekonazol, tetrakonazol,

tritikonazol oraz unikonazol. Wzory wymienionych aktywnych związków zestawiono

na rysunku 11.

25

Tebukonazol, propikonazol oraz triadimefon są najpopularniejszymi fungicydami

triazolowymi. Wykorzystuje się je w zabezpieczeniu upraw przed negatywnym działaniem

grzybów. Dzięki bardzo dobrej aktywności grzybobójczej są często stosowane oraz

dodawane do innych środków ochrony roślin. Wysoka popularność tych związków może

spowodować, że niektóre szczepy grzybów uodpornią się na ich działanie.

CZĘŚĆ TEORETYCZNA

26 2.2.3. Wpływ fungicydów na środowisko

Fungicydy blokują wzrost grzybów lub grzybni. Nowoczesne fungicydy nie zabijają grzybów tylko hamują ich wzrost na kilka dni lub tygodni. Grzyby powodują poważne szkody w rolnictwie, obniżają wydajność i jakość upraw oraz zmniejszają zyski.

Środki grzybobójcze wykorzystywane są zarówno w rolnictwie jak i w walce z grzybicą u zwierząt. Stosowane są one również do kontrolowania lęgniowców (Oomycetes), ponieważ odpowiadają za zakażanie roślin.

Środki grzybobójcze powinny charakteryzować się ważnymi cechami, spośród których wymienić należy przede wszystkim niską toksyczność dla organizmów stałocieplnych, niską eko- i fitotoksyczność, ograniczoną biodegradacją na powierzchni rośliny oraz wysokie wskaźniki penetracji dla zarodników i grzybni.

Często środki grzybobójcze wykrywa się w żywności przeznaczonej do spożycia przez ludzi, a ponieważ niektóre z nich mogą być niebezpieczne dla zdrowia ludzkiego należy je wycofywać z użytku powszechnego. Przykładami mogą być winklozolina, diflubenzuron czy flucykloksuron, które powodują wiele skutków ubocznych dla organizmów innych niż docelowe.

W zależności od wykorzystanych środków grzybobójczych, wykazują one różny sposób penetracji rośliny:

 fungicydy kontaktowe – zabezpieczają powierzchnię rośliny, nie są absorbowane

przez liście, korzeń czy łodygę, ani nie blokują rozwoju grzyba wewnątrz rośliny;

fungicydami o działaniu kontaktowym są: ditiokarbaminiany, nitryle, węglowodory aromatyczne, fenylopirole czy cyjanoimidazole,

 fungicydy o penetracji miejscowej – środki grzybobójcze wchłaniane są przez liście

i transportowane w ich obrębie, związki nie są wchłaniane przez korzenie;

przykładami tego rodzaju związków są dikarboksyimidy i strobiluriny (z wyjątkiem azoksystrobiny i fluoksastrobiny),

 fungicydy o penetracji akropetalnej – związek penetruje roślinę od korzenia, przez

pęd aż do liści, jest również absorbowany przez drewno i transportowany do całej

rośliny zabezpieczając ją przed negatywnym działaniem grzyba; do grupy

fungicydów o penetracji akropetalnej należą benzimidazole, triazole, strobiluriny –

azoksystrobina i fluoksyastrobina,

27

 fungicydy systemowe – środki grzybobójcze wchłaniane są przez drewno i łyko,

po czym przemieszczają się w całej objętości rośliny, hamują wzrost grzybów na powierzchni i wewnątrz niej; przykładem fungicydów o takim działaniu są fosforany.

Związki miedzi

Związki miedzi powodują liczne zatrucia wśród zwierząt szczególnie owiec i bydła ze względu na zanieczyszczenia paszy. Objawami klinicznymi są m. in. anemia, brak apetytu, sporadyczne drgawki, obrzęk głowy i szyi. Na zatrucia związkami miedzi nie ma określonego antidotum. Związki miedzi negatywnie wpływają na ryby i inne bezkręgowce wodne, takie jak kraby, krewetki i ostrygi, a także dżdżownice znajdujące się w glebie. Opryski związkami miedzi negatywnie wpływają na pszczoły.

Związki rtęci

Stosowanie związków rtęci jako fungicydów, podobnie jak w przypadku innych zastosowań, jest ograniczone do minimum lub zupełnie wycofane z użytku. Z powodu ich wcześniejszego wykorzystywania w nadmiernych ilościach w środowisku naturalnym nadal występuje zbyt duża ich ilość. Niekorzystny wpływ rtęci szczególnie odczuwalny jest przez ludzi i zwierzęta. Nieorganiczna rtęć jest przekształcana do formy organicznej – metylo- i etylortęci. Gromadzi się ona głównie w organizmach morskich np. w małżach, dlatego owoce morza i ryby są monitorowane pod kątem tych zanieczyszczeń. Związki rtęci są wchłaniane poprzez drogi oddechowe i akumulują się głownie w mózgu, ale do pewnego stopnia również w nerkach i mięśniach. Arylowe związki rtęci (np. octan fenylortęciowy) są nieco mniej toksyczne i ulegające mniejszej bioakumulacji. Mechanizm działania fungicydów, które zawierają rtęć, polega na przyłączeniu się do ich grupy tiolowej w enzymach, przez co blokowane jest przenoszenie aminokwasów, co skutkuje blokowaniem biosyntezy białka.

Pochodne chlorobenzenu

Chlorotalonil jest szeroko stosowany zarówno w rolnictwie jak i gospodarstwie

domowym. Toksyczność ostra dla chlorotalonilu przy spożyciu jest niska, bardziej

toksyczny jest przy wdychaniu. Powoduje uszkodzenia nerek, łagodną niedokrwistość,

uszkodzenia wątroby, poronienia, uszkodzenia materiału genetycznego czy nowotwory

CZĘŚĆ TEORETYCZNA

28 nerek. Absorpcja chlorotalonilu z przewodu pokarmowego wynosi 30-32% podanej dawki, przy czym 80% środka grzybobójczego wydalane jest z organizmu w ciągu 96 godzin.

Chlorotalonil jest bardzo toksyczny szczególnie dla ryb, stężenie wynoszące nawet 2 ppb, może spowodować uszkodzenia skrzeli i niedokrwistość.

Dicloran (2,4-dichloro-4-nitroanilina) charakteryzuje się niską toksycznością dla ssaków po wchłonięciu doustnym. Zaburza działanie nerek, wątroby, śledziony i układu krwionośnego. Wykazuje wysoką toksyczność wobec ptaków i niską dla ryb i bezkręgowców wodnych.

Heksachlorobenzen powoduje zmniejszony przyrost wagi, immunosupresje, jest czynnikiem teratogennym i rakotwórczym. Jest bardzo stabilny, przez co długo utrzymuje się w środowisku naturalnym, w organizmach kumuluje się w tkance tłuszczowej oraz w błonach lipidowych.

Ditiokarbaminiany

Tiuram wykorzystuje się jako środek grzybobójczy, przyspieszacz wulkanizacji, dodatek do mydeł bakteriobójczych, w aerozolach antyseptycznych, stosowany jest w leczeniu świerzbu, oraz jako repelent przeciwko ptakom, królikom, gryzoniom i jeleniom.

Tiuram jest umiarkowanie toksyczny po spożyciu, ale wysoce toksyczny w przypadku wdychania. Powoduje uszkodzenie wątroby m.in. jej powiększenia i zaburzenia, zapalenie, zmiany zwyrodnieniowe i ogniskową martwicę.

Objawami klinicznymi zatruciem tiuramem są anoreksja, apatyczne zachowanie, duszność, drgawki i śmierć z powodu zatrzymania akcji serca.

Metabolizowany jest w organizmie do disiarczku węgla i dimetyloditiokarbaminianu, które hamują enzymy mikrosomalne w wątrobie.

Ftalimidy

Grupa ftalimidów zawiera szerokie spektrum środków grzybobójczych , takich jak kaptan, kaptafol i folpet. Zazwyczaj są one nietoksyczne dla ssaków.

Kaptan jeszcze przed dotarciem do dwunastnicy, w zołądku jest szybko rozkładany do

1,2,3,6-tetrahydroftalimidu i tiofosgenu, które odkładają się m.in. w wątrobie.

29

Zastosowanie triazoli jako środków grzybobójczych rozpoczęto w roku 1980.

Grupa ta składa się z wielu związków, spośród których wymienić można difenokonazol, fenbukonazol, myklobutanil, propikonazol, tebukonazol, tetrakonazol, triadimefon i tritikonazol. Toksyczność środków grzybobójczych z grupy triazoli przedstawiono w tabelach 1 i 2.

Tabela 1. Toksyczność wobec ssaków (mg/kg masy ciała)

Tabela 2. Toksyczność wobec ptaków (mg/kg masy ciała), ryb (ppm) i pszczół (

μg/pszczołę

Związki triazolowe zaklasyfikowane są jako szkodliwe lub nieklasyfikowane w toksyczności ostrej dla szczurów i ptaków. Ich wartości wahają się dla od 569 (triadimefon) do >2,000 mg/kg (fenbukonazol oraz trikonazol) dla szczurów. LD

wynosi powyżej 2,000 mg/kg masy ciała królików dla wszystkich fungicydów triazolowych.

W przypadku ryb, triazole wykazują przeważnie znikomą lub umiarkowaną toksyczność, poza difenokonazolem, który charaktryzuje wysoka toksyczność. Dla dorosłych osobników pszczół charakteryzują się one znikomą toksycznością.

Nazwa triazolu LD50 (szczury) LD50 (króliki)

difenokonazol 1 453 2 010

fenbukonazol >2 000 >5 000 (szczur) myklobutanil 1 600 >5 000 (szczur) propikonazol 1 517 >4 000

tebukonazol 1 700 >2 000

triadimefon 569 2 000

tritikonazol >2 000 >2 000

Nazwa triazolu LD50 (ptaki) LC50 (ryby) LD50 (pszczoły) difenokonazol >2 000 0,1–1 >100

fenbukonazol 501–2 000 >100 >100 myklobutanil >2 000 1–10 >100 propikonazol >2 000 1–10 >100 tebukonazol >2 000 1–10 >100 triadimefon 501–2 000 10–100 >100 tritikonazol >2 000 10–100 >100

CZĘŚĆ TEORETYCZNA

30 Fungicydy triazolowe mają niską toksyczność po wchłonięciu ich drogą doustną.

Wdychanie pyłu może powodować podrażnienie nosa, płuc i gardła. Propikonazol i tebukonazol w dużych dawkach mogą powodować nowotwór wątroby. Tebukonazol nie jest mutagenny ani genotoksyczny jednak przez Agencję Ochrony Środowiska jest klasyfikowany jako rakotwórczy.

Pomimo tak obszernej grupy fungicydów nie ma uniwersalnego środka, który

hamowałby oraz zabezpieczał przed wszystkimi rodzajami grzybów. Jednocześnie trzeba

mieć na uwadze, że powstające metabolity degradacji mogą stanowić potencjalne

zagrożenie dla ekosystemu. Przy planowaniu syntezy nowych fungicydów, należy brać pod

uwagę selektywne działanie grzybobójcze dla wybranych szczepów grzybów, a także

możliwość nabywania przez nie odporności na środki ochrony roślin.

31

Ciecze jonowe są związkami chemicznymi składającymi się z jonów – organicznego kationu i organicznego lub nieorganicznego anionu, których temperatura topnienia nie przekracza 100

C. Nie są stopionymi solami, mieszaninami eutektycznymi, nie są również roztworem jonów w konwencjonalnych rozpuszczalnikach. Z fizycznego punktu widzenia, ciecze jonowe są podobne do zwykłych soli organicznych, jednak posiadając duży, często niesymetryczny kation. Ich struktura jest dużo bardziej nieuporządkowana, przyczynia się do posiadania przez nie niższej temperatury topnienia, często nawet niższej niż temperatura pokojowa.

Na rysunku 12 porównano budowę soli nieorganicznej – chlorku sodu i cieczy jonowych w temperaturze otoczenia.

Rys. 12. Porównanie budowy krystalicznego chlorku sodu z cieczą jonową

Istnieją doniesienia literaturowe, że już na przełomie XIX i XX wieku, przeważnie w wyniku przypadkowych eksperymentów naukowcy otrzymali pierwsze ciecze jonowe.

W 1887 roku niemiecki chemik Gabriel w swojej reakcji otrzymywania pierwszorzędowych amin z chlorkiem alkilowym i ftalimidu, jako produkt przejściowy otrzymał czwartorzędowy chlorek amoniowy o wzorze ogólnym [H

N

CH

R][Cl

].

Następnie wymienia się reakcję czwartorzędowania opisaną przez Menschutkina

, w której otrzymuje się czwartorzędowe chlorki i bromki amoniowe, czy azotany alkiloamoniowe, nad których syntezą pracowali Ray

i Rakshit

oraz Walden.

Pierwsza połowa XX wieku obfituje w doniesienia dotyczące czwartorzędowych

halogenków amoniowych i ich zastosowania. Na szczególną jednak uwagę zasługują

CZĘŚĆ TEORETYCZNA

32 badania wykonane przez naukowców Akademii Sił Powietrznych Stanów Zjednoczonych, których przedstawiono na rysunku 13. Ich prace w sposób znaczący wpłynęły na rozwój cieczy jonowych. Opisali oni chlorogliniany pirydyniowe, amoniowe i imidazoliowe, które z powodzeniem zastępowały elektrolity w bateriach termicznych.

Rys. 13. Naukowcy Z Akademii Sił Powietrznych Stanów Zjednoczonych, którzy w swojej pracy naukowej skupili się nad cieczami jonowymi

W 1992 Zaworotko i Wilkes zwrócili uwagę na nowe, stabilne w kontakcie z wodą i powietrzem ciecze jonowe z kationem 1,3-dialkiloimidazoliowym.

Opisano wtedy imidazoliowe ciecze jonowe z anionami azotanowym(V), tetrafluoroboranowym oraz octanowym. Historia tych związków w takiej formie, w jakiej dziś są popularne, rozpoczęła się jednak pod koniec XX wieku. Skupiono się głównie na wykorzystaniu ich hydrofobowego charakteru i niskiej temperatury topnienia w procesie ekstrakcji. W 1998 roku ciecze jonowe przedstawiono jako wyjątkowe materiały o praktycznie bezgranicznej ilości zastosowań, mogące wspomóc stworzenie nowych, czystych technologii.

Pierwsza, całkowicie poświęcona cieczom jonowym konferencja odbyła się w roku 2000.

Omawiano wówczas ich zastosowanie w kontekście nowych, zielonych technologii.

Ogromne zainteresowanie cieczami jonowymi spowodowane jest posiadanymi

przez nie właściwościami. Wśród nich należy wymienić przede wszystkim niską prężność

par, wysoką stabilność termiczną i chemiczną, wysokie przewodnictwo, szeroki zakres

temperatur, w jakim pozostają w stanie ciekłym, czy zdolność do rozpuszczania związków

organicznych i nieorganicznych.

33 2.3.1. Podział cieczy jonowych i ich generacje

Biorąc pod uwagę ogromną ilość możliwych kombinacji kation-anion (szacuje się, że ich ilość może wynosić nawet 10

), oraz fakt, że zainteresowanie cieczami jonowymi ciągle rośnie, ciężko jest dokonać ich podziału, który jednocześnie obejmowałby wszystkie dotyczące ich aspekty.

Ich klasyfikację przeprowadzić można biorąc pod uwagę ich budowę, właściwości lub zastosowanie.

Podział obejmujący budowę cieczy jonowych jest najprostszy i bierze się w nim pod uwagę zarówno budowę kationu jak i anionu. Podział ze względu na rodzaj kationu umieszczono na rysunku 14.

Rys. 14. Podział cieczy jonowych ze względu na budowę kationu

Podstawniki przy czwartorzędowym atomie azotu lub fosforu, czy trzeciorzędowym atomie siarki mogą składać się z grup alkilowych, arylowych, alkoksymetylowych, zawierających dodatkowe grupy funkcyjne (karbonylowa, hydroksyetylowa), a w niektórych przypadkach z protonu (wtedy do czynienia mamy z protonowymi cieczami jonowymi). Najszerzej opisaną z grup wymienionych na wyżej przedstawionym rysunku, jest grupa amoniowych cieczy jonowych.

Podziału ze względu na budowę anionu dokonuje się głównie ze względu

na charakter anionu – organiczny i nieorganiczny. W przypadku anionów organicznych

CZĘŚĆ TEORETYCZNA

34 można wyodrębnić dodatkowo aniony, w których ładunek ujemny zlokalizowany jest na atomie tlenu grupy karboksylowej (octany, mrówczany, cytryniany, mleczany) czy sulfonowej (metylosiarczany(VI), benzenometylosulfoniany, cyklaminiany), lub na atomie azotu (azolany, acesulfamy). Aniony nieorganiczne to m. in.

wodorosiarczany(VI), azotany(V), tetrafluoroborany, heksafluorofosforany, chloroborany czy chlorogliniany.

Dużo ważniejszą klasyfikacją cieczy jonowych jest zaproponowany w 2007 roku ich podział na trzy generacje, które rozróżniają ich właściwości i zastosowanie.

Pierwsza generacja cieczy jonowych

Pierwsze badania dotyczące wykorzystanie organicznych soli, skupiały się na ich właściwościach fizycznych, za które odpowiadać mogą zarówno kation jak i anion, takich jak temperatura topnienia, gęstość, lepkość, współczynnik załamania światła, stabilność termiczna, przewodnictwo czy powinowactwo do wody. Na rysunku 15 przedstawiono przykłady kationów i anionów wraz z funkcją, jaką miały spełniać w celu zapewnienia odpowiednich właściwości.

Rys. 15. Przykłady kationów i anionów pierwszej generacji cieczy jonowych

Dzięki znajomości właściwości, jakie zapewniają kation i anion, już na etapie ich

projektowania można przewidzieć prawdopodobne właściwości fizyczne jakimi

charakteryzować będzie się odpowiednia ciecz jonowa.

35

Rozwijający się postęp dotyczący cieczy jonowych zwrócił uwagę na ich właściwości chemiczne, którymi oprócz odpowiednich właściwości fizycznych mogą się charakteryzować. Mogą one zapewniać ich zastosowanie nie tylko jako rozpuszczalniki czy elektrolity, ale również materiały energetyczne czy katalizatory w reakcjach chemicznych. Właściwości chemiczne, na jakie zwraca się szczególną uwagę to zdolność solwatacji, reaktywność chemiczna, szerokie okno elektrochemiczne, palność, chiralność, czy blokowanie promieni UV. Przykłady właściwości chemicznych, które zapewniają poszczególne kationy i aniony przedstawia rysunek 16.

Rys. 16. Przykłady kationów i anionów drugiej generacji cieczy jonowych

Dobierając odpowiedni kation i anion cieczy jonowej drugiej generacji, można

zaprojektować taki związek, aby charakteryzował się odpowiednimi właściwościami

chemicznymi, które zapewnią jego zastosowanie w reakcjach chemicznych, nadal mając

na uwadze odpowiednie właściwości fizyczne jak gęstość czy lepkość.

CZĘŚĆ TEORETYCZNA

36

Bardzo często podejmowane są obecnie badania dotyczące toksyczności oraz właściwości biologicznych otrzymanych cieczy jonowych. Dzięki temu wyodrębniono kolejną generację tych związków, które charakteryzują się odpowiednimi właściwościami biologicznymi, połączonymi z odpowiednimi właściwościami fizykochemicznymi.

Do biologicznych własności, na które szczególnie zwraca się uwagę należy zaliczyć aktywność przeciwdrobnoustrojową (bakterie i grzyby), zastosowanie jako związki znieczulające, przeciwzapalne, emolienty. Funkcje biologiczne spełniane przez wybrane kationy przedstawia rysunek 17.

Rys. 17. Przykłady kationów i anionów trzeciej generacji

Do trzeciej generacji zaliczyć należy również herbicydowe ciecze jonowe, w których

kation lub/i anion charakteryzują się aktywnością chwastobójczą.

37 2.3.2. Zastosowanie cieczy jonowych

Ciecze jonowe charakteryzuje szeroka gama właściwości, dzięki którym zastosować je można w wielu dziedzinach chemii, biochemii, medycyny czy farmacji.

Początkowo badania nad tą grupą związków skupione były na zastosowaniu jako elektrolity w bateriach termicznych, ale ich zastosowanie w elektrochemii nie ogranicza się tylko do tego celu.

Ciecze jonowe wykorzystać można jako elektrolity w bateriach litowo-jonowych, ogniwach słonecznych i paliwowych, kondensatorach i superkondensatorach.

W ciągu ostatnich kilku lat znalazły one zastosowanie również we wszelkiego rodzaju czujnikach elektrochemicznych.

W cieczach jonowych z kationem imidazoliowym przeprowadzić można prądowe wydzielanie metali.

Ciekawe jest również zastosowanie materiałów hybrydowych składających się z nanorurek węglowych oraz heksafluorofosforanów lub bis(trifluorometylosulfonylo)imidków imidazoliowych. Takie materiały wykorzystać można w urządzeniach elektrochemicznych, sensorach, akumulatorach, elektrodach lub jako nośniki enzymów.

Ciecze te stosuje się również w ekstrakcji jonów metali z roztworów wodnych.

Ekstrahować cieczami jonowymi można metale alkaliczne – sód, potas czy lit, metale ziem alkalicznych – magnez, wapń czy stront, oraz metale ciężkie i radioaktywne – ołów, srebro, złoto, miedź, cynk oraz lantanowce i aktynowce.

Ponadto, bada się je w ekstrakcji związków organicznych – fenoli, chlorobenzenów, fosforoorganicznych pestycydów, czy alifatycznych i aromatycznych węglowodorów, oraz bioaktywnych – polifenoli, barwników oraz olejków eterycznych.

Ciecze jonowe wykorzystuje się również jako dodatki do membran oczyszczających wodę lub powietrze.

Niezwykle interesujące jest również wykorzystanie ich jako związków ekstrahujących siarkę z paliw lub substancji pomocniczych w separacji mieszanin azeotropowych.

Dość szerokie zastosowanie ciecze jonowe znajdują jako katalizatory i rozpuszczalniki reakcji chemicznych. Przykładem mogą być reakcje Dielsa-Aldera, Hecka, hydrosillilowania, kondensacji aldolowej, uwodornienia, czy reakcje enzymatyczne.

Szeroko opisanym zastosowaniem jest również wykorzystanie cieczy jonowych w reakcji otrzymywania biodiesla, w której pełnić mogą różne funkcje:

katalizatory lub ich nośniki, związki ekstrahujące pozostałości nieprzereagowanych

tłuszczy lub rozpuszczalniki w reakcji transestryfikacji.

CZĘŚĆ TEORETYCZNA

38 Bardzo dużym zainteresowaniem cieszą się ciecze jonowe, które wykorzystać można w procesie przetwórstwa biomasy. Związki te z powodzeniem zastosowano jako ropuszczalniki celulozy, chityny, skrobii czy ligniny, jak również innych rodzajów biomasy – tłuszczy roślinnych i zwierzęcych, np. alg morskich.

Ciecze jonowe wykorzystuje się również jako przyspieszacze wulkanizacji elastomerów

, zamiennik cieczy w termometrach

, utrwalacze tkanek miękkich

, utwardzacze żywic epoksydowych czy środki smarujące.

Na rysunku 18 przedstawiono przykładowy termometr cieczowy, w którym wykorzystano zabarwiony metylosiarczan(VI) trihydroksyetylometyloamoniowy, oraz sposób jego kalibracji.

Rys. 18. Termometr cieczowy zawierający metylosiarczan(VI) amoniowy

Na zainteresowanie zasługuje również grupa polimerowych cieczy jonowych,

w których ładunek dodatni lub ujemny powtarza się w każdym monomerze łańcucha

polimerowego. Przykłady polimerowych cieczy jonowych, w których ładunki

zlokalizowane są w kationie lub anionie, przedstawiono na rysunku 19. Polimerowe ciecze

jonowe wykorzystuje się jak przewodniki w bateriach litowo-jonowych i ogniwach

słonecznych, sorbenty, stabilizatory emulsji czy katalizatory.

39

Istotnym obszarem zainteresowania w dziedzinie omawianych związków są ciecze jonowe, które w kationie lub anionie posiadają centrum asymetryczne – chiralne ciecze jonowe. Ciecze te mogą mieć zastosowanie w asymetrycznej syntezie organicznej, spektroskopii i chromatografii.

Na rysunku 20 przedstawiono jeden z komponentów chiralnych cieczy jonowych – mentol.

Rys. 21. Mentol – jeden ze składników chiralnych cieczy jonowych

W przyrodzie występują tylko dwie formy mentolu, mianowicie (+)-mentol oraz

(-)-mentol.

CZĘŚĆ TEORETYCZNA

40

Prekursory cieczy jonowych, za które uważa się czwartorzędowe halogenki amoniowe, wykazują aktywność bakteriobójczą rozpoznaną w XX wieku. Początkowo uważano, że halogenki te są aktywne wobec bakterii gram-dodatnich. Po zbadaniu aktywności biologicznej chlorku benzalkoniowego w roku 1935 uznano, że czwartorzędowe halogenki amoniowe są aktywne wobec szerszego spektrum mikroorganizmów. Za aktywność mikrobiologiczną jest odpowiedzialny kation.

Aktywność została zachowana w cieczach jonowych.

Działanie bakterio- i grzybobójcze omawianych związków zależy przede wszystkim od budowy kationu, a szczególnie długości podstawników alkilowych lub alkoksymetylowych. Aktywność przeciwdrobnoustrojowa rozpoczyna się w momencie, w którym łańcuch alkilowy zawiera 8 i więcej atomów węgla. Wydłużenie łańcucha o kolejne atomy węgla powoduje wzrost aktywności w obszarze 12-18 atomów węgla, obserwuje się maksimum aktywności, wypadające najczęściej na 16 atomów węgla. Zmiana anionu w przypadku tych samych kationów przeważnie nie wpływa na aktywność biologiczną, co zauważyć można na rysunku 22.

Rys. 22. Średnie wartości minimalnego stężenia hamującego (MIC) wobec bakterii i grzybów w zależności od długości łańcucha alkilowego

dla bromków i octanów alkilocykloheksylodimetyloamoniowych w porównaniu z popularnie stosowanym chlorkiem benzalkoniowym

41 Właściwości biobójcze cieczy jonowych pozwalają na ich zastosowanie jako środków dezynfekujących, antybakteryjnych i grzybobójczych w ochronie różnych powierzchni. Jako przykład wymienić można zabezpieczanie powierzchni drewnianych przed atakiem grzybów.

Aktywność deterentna cieczy jonowych

Prowadzono badania na temat właściwości deterentnych cieczy jonowych w celu znalezienia zamiennika drogiego, lecz bardzo skutecznego antyfidanta zwanego azadirachtyną.

Azadirachtyna jest związkiem z grupy limonoidów, który działa przeciwko ponad 200 różnym rodzajom owadów. W środowisku naturalnym występuje w miodli indyjskiej (łac. Azadirachta indica), a jej struktura jest bardzo skomplikowana i trudna do otrzymania (rysunek 23). Azadirachtyna wykazuje bardzo dobre działanie przeciwko insektom, i jest uznawana za odnośnik w badaniach właściwości deterentnych.

Rys. 23. Drzewo Azadirachta indica,

oraz struktura wyekstrahowanej z niego azadirachtyny

Badania deterentne w przypadku cieczy jonowych przeprowadza się

na szkodnikach zbóż takich jak trojszyk ulec, wołek zbożowy oraz skórek zbożowych, tak

w przypadku dorosłych osobników jak i ich larw (rysunek 24). Te larwy i chrząszcze

należą do różnych gatunków o różnej biologii i różnym sposobie odżywania.

CZĘŚĆ TEORETYCZNA

42

W przypadku cieczy jonowych, wykazano, że amoniowe, pirydyniowe i imidazoliowe ciecze jonowe posiadające długi podstawnik alkilowy i anion mleczanowy lub słodki (sacharynian, cyklaminian czy acesulfam) są równie dobrymi deterentami pokarmowymi owadów jak azadirachtyna.

Aktywność herbicydowa cieczy jonowych

W 2011 roku w literaturze po raz pierwszy ukazało się sformułowanie herbicydowe

ciecze jonowe. Jest to grupa związków, które w swojej budowie zawierają anion lub kation

charakteryzujący się działaniem herbicydowym. Do tej pory opisano związki z kationem

amoniowym, imidazoliowym czy pirydyniowym oraz z anionami 4-chloro-

2-meylofenoksyoctanowym (MCPA), 4-chloro-2-metylofenoksypropionowym (MCPP),

2,4-dichlorofenoksyoctanowym (2,4-D) lub 3,6-dichloro-2-metoksybenzoesowym

(dikamba).

Na rysunku 25 przedstawiono struktury anionów będących składnikiem

herbicydowych cieczy jonowych.

43

Te nowe fitofarmaceutyki należą do trzeciej generacji aktywnych biologicznie cieczy jonowych posiadających odpowiednie właściwości fizykochemiczne.

Charakteryzują się lepszą aktywnością herbicydową obecnie stosowane obecnie stosowane

herbicydy z grupy fenoksykwasów. Jednocześnie przez dobór kationu można regulować

ich toksyczność (wychodząc z toksycznego MCPA otrzymuje się nietoksyczną ciecz

jonową zawierającą MCPA).

Herbicydowe ciecze jonowe jako związki jonowe nie

parują; ich prężność par w temperaturze pokojowej jest praktycznie niemierzalna. Z tego

powodu są bezpieczne w transporcie i magazynowaniu, a operator nie jest nastawiony

na opary podczas oprysku. Herbicydowe ciecze jonowe to bezpieczne środki ochrony

roślin spełniające ostre wymogi stawiane przez Unię Europejską wobec herbicydów.

CEL PRACY

44

3. CEL PRACY

Celem niniejszej pracy była synteza nowych tetraalkiloamoniowych i azoliowych cieczy jonowych, określenie ich właściwości oraz zastosowanie jako środki ochrony roślin, deterenty pokarmowe i utwardzacze żywic epoksydowych, które następnie wykorzystać można jako nośniki katalizatorów.

W pierwszym etapie zaplanowano reakcje protonowania kwasami nieorganicznymi i organicznymi dwóch fungicydów – tebukonazolu i propikonazolu. Następnie postanowiono przeprowadzić reakcję czwartorzędowania tebukonazolu, propikonazolu i benzylodimetyloaminy odpowiednimi halogenkami alkilowymi, bromkiem allilu, jodkiem metylu i chlorkiem oraz bromkiem benzylu. W kolejnym etapie zaplanowano reakcję wymiany jonowej zarówno otrzymanych czwartorzędowych halogenków jak i handlowych czwartorzędowych chlorków amoniowych w celu otrzymania tetraalkiloamoniowych cieczy jonowych.

Struktury otrzymanych związków postanowiono sprawdzić za pomocą magnetycznego rezonansu jądrowego, a ich czystość za pomocą chromatografii cienkowarstwowej, analizy elementarnej oraz zawartości substancji kationowo czynnej.

Zaplanowano również określenie właściwości fizykochemicznych otrzymanych cieczy jonowych. Spośród nich wymienić należy lepkość, gęstość, współczynnik załamania światła, stabilność termiczną i przemiany fazowe oraz aktywność powierzchniową roztworów wodnych. Dla wybranych związków zamierzano zbadać aktywność chwastobójczą, grzybobójczą, deterentną oraz zdolność do biodegradacji.

W końcowym etapie związki z anionem teofilinianowym, tetrafluoroboranowym

oraz z kationem zawierającym kofeinę, postanowiono wykorzystać w procesie sieciowania

żywic epoksydowych i wykorzystanie ich jako nośniki katalizatorów oraz w reakcjach

Hecka, uwodornienia i hydrosililowania.

45

4. CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA

4.1. Synteza

4.1.1. Synteza protonowych soli tebukonazolu i propikonazolu

W kolbie okrągłodennej rozpuszczono w 20 cm

metanolu 0,1 mola tebukonazolu lub propikonazolu, po czym do mieszaniny reakcyjnej wkraplano 0,15 molowy metanolowy roztwór kwasu organicznego lub nieorganicznego. Reakcję prowadzono przez 6 godzin w temperaturze otoczenia przy intensywnym mieszaniu. Następnie odparowano rozpuszczalnik, a suchą mieszaninę poreakcyjną przemyto w przypadku kwasów organicznych trzykrotnie 20 cm

heksanu, w przypadku kwasów nieorganicznych natomiast trzykrotnie 20 cm

wody demineralizowanej. Produkt suszono przez 24 godziny w warunkach obniżonego ciśnienia w temperaturze 45

C.

Czystość otrzymanych soli sprawdzono wykorzystując technikę przy pomocy chromatografii cienkowarstwowej stosując jako substancje odniesienia wyjściowe substraty. Dla soli otrzymanych w postaci ciała stałego określono temperaturę topnienia.

4.1.2. Synteza czwartorzędowych soli

Syntezę czwartorzędowych chlorków i bromków amoniowych oraz bromków i jodków tebukonazolu i propikonazolu wykonano dwoma metodami.

Metoda I:

W kolbie okrągłodennej zaopatrzonej w mieszadło magnetyczne dodano 0,05 mola benzylodimetyloaminy rozpuszczonej w acetonitrylu, a następnie do mieszaniny wkraplano czynnik czwartorzędujący jakim był chlorek benzylu lub bromek allilu z 5%

nadmiarem. Reakcje prowadzono przy ciągłym mieszaniu w temperaturze otoczenia przez

24 godziny. Z mieszaniny reakcyjnej odparowano acetonitryl, a pozostały osad przemyto

dwukrotnie 30 cm

octanu etylu. Otrzymane białe krystaliczne ciała stałe suszono

w warunkach obniżonego ciśnienia w temperaturze 40

C, przez 12 godzin.