CN107108484A - 经由加酸提高羧酸和尿素的反应产物生成速率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于提高具有化学式(I)的羧酸和尿素的反应产物生成速率的方法，其中R₁、R₂、R₃和R₄相同或不同且选自氢，具有一至六个碳原子的取代及未取代烷基、烯丙基、乙烯基及烷氧基，取代及未取代苯基和卤化物。通过添加酸到含有羧酸和尿素的溶液中来提高生成速率。优选地，本发明的反应产物是N,N’‑二甲酰基脲或N,N’‑二乙酰基脲。已经发现这些反应产物，例如二甲酰基脲，应用于种子、周围土壤或出苗植株的叶子会显著促进不同农产品的生长。

Description

经由加酸提高羧酸和尿素的反应产物生成速率的方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年12月30日提交的美国临时申请号62/098,180在35U.S.C.119(e)下的权益，这些内容在此以引用的方式并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及经由加酸提高羧酸和诸如取代脲的尿素的反应产物生成速率的方法。反应产物可以用作农产品以改善植物生长。更具体地，本发明涉及添加至少一种酸至包含羧酸和尿素的溶液。

背景技术

早已将含有约46％重量百分含量氮的尿素作为给土壤施肥以促进植物生长的氮源的首选。然而，当在潮湿环境下使用尿素时，尿素遭受高氨损失。实际上此缺点限制了尿素的使用许久。据信潮湿环境下的尿素和脲酶的水解作用导致高氨损失。已经建议将水溶性盐添加入尿素的水溶液作为减少氨挥发的手段。参见美国专利4,500,335。人们所认识的取代脲，例如二苯脲，很少具有农业用途。

二酰基脲是通过羧酸和尿素的反应生成的产物。举例来说，二甲酰基脲(DFU)是通过两个单位甲酸和一个单位尿素超过5-7天的反应生成的。反应的副产物是水。

当具有该制剂的活动顺利的时候，性能上的改善是令人满意的。正因为如此，以前的制剂已经包括在制剂使用之前将不同的化合物添加入二酰基脲。举例来说，氢氧化钾和甲酸盐可以添加入制剂。氢氧化钾的添加可以用来调整制剂的pH值，参见美国专利6,710,085、美国专利6,448,440和美国专利6,040,273，这些内容特此以引用的方式并入本文。可是，不要求类似化合物添加的制剂将是有利的。

发明内容

本发明涉及通过将至少一种酸添加入含有羧酸和尿素的溶液，提高羧酸和尿素的反应产物生成速率的方法，尿素包括单取代脲和二取代脲。“酸”可以指代单个酸或者包括无机酸和有机酸在内的酸的组合。“无机酸”可以包括但不限于质子酸和路易斯酸，诸如硫酸、氨基磺酸、盐酸、氢溴酸、氢氟酸、硝酸、磷酸、多磷酸和金属卤化物(即TiCl₄、BF₃、MgBr₂、SnCl₄、FeCl₃、AlCl₃、LiCO₄等)。“有机酸”可以包括但不限于烷基和芳基磺酸、氨基酸、三卤烷基酸和有机钛酸盐。在优选实施例中，本发明的反应产物包括N,N’-二-取代脲，其具有化学式：

其中R₁、R₂、R₃和R₄相同或不同且选自氢，具有一至六个碳原子的取代及未取代烷基、烯丙基、乙烯基及烷氧基，取代及未取代苯基和卤化物。

已经发现以多种方式使用本发明的反应产物来促进植物生长，反应产物最优选N,N’-二甲酰基脲。当反应产物应用于播种前的种子、应用于种植期间或种植后的植物周围土壤或者例如在生长的三叶期应用于植物叶子时，产生促进生长的功效，反应产物最优选二甲酰基脲。

附图说明

下面结合本发明的附图对于其中优选实施例的详细描述将使本发明的特征和优点变得明显，其中：

图1为示出根据本发明在30℃不同浓度的硫酸下生成DFU的图表；

图2为示出根据本发明在50℃不同浓度的硫酸下生成DFU的图表；

图3为示出根据本发明在50℃6％浓度的不同酸下生成DFU的图表；

图4为示出根据本发明经由浮叶圆盘试验光合速率提高的示例的图表；

图5为示出根据本发明在2盎司/英担下大豆产量提高的示例的图表；

图6为示出根据本发明在2盎司/英担下玉米产量提高的示例的图表；以及

图7为示出根据本发明，在草甘膦压力后活性氧降低的示例的图表。

具体实施方式

本发明涉及利用提升的生成速率制备反应产物的方法，包括：1)提供包含羧酸和尿素的溶液以及2)将至少一种酸添加入所述溶液以生成反应产物。在优选实施例中，所述方法包括仅含有所述羧酸、所述尿素和所述至少一种酸的溶液。在一个实施例中，添加至少一种酸以提供包含0.1-20重量％酸的溶液。或者，添加至少一种酸以提供包含0.1-10重量％酸的溶液。此外，替代实施例包括添加至少一种酸以提供包含1-20重量％酸、1-10重量％酸或1-6重量％酸的溶液。至少一种酸的添加提高了反应产物的生成速率。并且，已经发现受到反应产物影响的植物光合速率可以显著提升。另外，还观测到活性氧，一种压力测量，降低更多。此外，用于促进植物生长的制剂可以包括至少一溶剂和反应产物，其中所述制剂不含有任何pH调整剂。可以将反应产物溶入至少一有机溶剂以制备制剂，将该制剂应用于单子叶植物和双子叶植物均可以获得更大的产量，所述有机溶剂诸如但不限于二甲基亚砜(DMSO)和N-甲基吡咯烷酮(NMP)。这些反应产物容易制备并且由于它们的感观生物活性而具有重大的农业用途。事实上，人们相信将这些反应产物，特别是N,N’-二甲酰基脲(DFU)，应用于种子、周围土壤或叶子会促进不同农作物的生长。

本发明的反应产物具有通用化学式：

其中R₁、R₂、R₃和R₄相同或不同且选自氢，具有一至六个碳原子的取代及未取代烷基、烯丙基、乙烯基及烷氧基，取代及未取代苯基和卤化物。通过使具有化学式RCOOH的羧酸发生化学反应来制备这些反应产物，其中R选自氢，具有一至六个碳原子的取代及未取代烷基、烯丙基、乙烯基及烷氧基，取代及未取代苯基和卤化物。优选地，R选自氢和具有一至三个碳原子的未取代烷基。示范性的酸包括甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸、庚酸和柠檬酸。最优选的酸是甲酸或乙酸。这些羧酸与具有化学式(NHR’)₂CO的取代或未取代脲发生化学反应，其中每个R’相同或不同且选自氢、具有一至六个碳原子的取代及未取代烷基、具有一至六个碳原子的取代及未取代烷氧基、取代及未取代苯基和卤化物。优选的反应物是未取代的。将羧酸和尿素溶解以后，添加酸到溶液中。在本发明的一个实施例中，溶液可以包含0.1-20重量％的酸。在本发明的替代实施例中，溶液可以包含0.1-10重量％的酸。

在最优选实施例中，本发明包括尿素与甲酸的反应产物，即N,N’-二甲酰基脲，其具有下述化学式：

在该反应中，甲酸与尿素的每个氮上的一个氢发生反应而生成N,N’-二甲酰基脲。相应地，优选反应混合物包含用于每摩尔尿素的约两摩尔羧酸。本发明的反应将在大的温度范围内发生，例如约10℃到约140℃，温度仅受限于反应物和产物的沸点。当可以通过任何传统手段加热以加速这些反应的速率时，实践证明可以在约15℃到约70℃的温度范围内便利地实施本发明的方法，该温度范围优选约20℃到约50℃。优选搅拌反应混合物直至清澈透明而后保持静止直至已经形成反应产物的晶体。

相信这些反应产物会是具有生物活性的，这是因为它们的骨架结构即氮-碳-氧骨架结构与各种合成及自然出现的生物分子中的这些相同元素的可供替换的双键结构的类似性。因此，相信这些反应产物，例如N,N’-二甲酰基脲，会找到不同的生物用途。不仅可以使用这些反应产物来实现本文提到的促进植物生长，而且可以用合适的官能团或大取代基进行取代来生产各种有效的除藻剂、除草剂、杀菌剂或者杀虫剂。

相信基于与各种生物活性化合物的骨架结构的类似性，本文请求保护的反应产物，特别是N,N’-二甲酰基脲，可以模拟植物生长激素和/或植物生长调节剂。所有生物活性分子的共同点是具有同时包含可供替换的双键和可供替换的碳氮键的核心结构。这些结构在所有合成制造和自然出现的生物活性分子中是普遍存在的，生物活性分子例如细胞因子、取代尿嘧啶、甲基鸟嘌呤等。腺嘌呤和鸟嘌呤具有稠环结构的同时，胞嘧啶、胸腺嘧啶和尿嘧啶展示与嘧啶一致的结构。由于本发明的N,N’-二-取代脲诸如二甲酰基脲是线型的，它们可以与这些生物分子的形状一致。虽然这种一致并非精确，还是相信这一特征会促进这些分子的生物活性度。

本发明的反应产物，特别是N,N’-二甲酰基脲，已经用于促进植物生长。事实上，已经发现将二甲酰基脲应用于种子或植物周围土壤或植物叶子可以实现生长的促进。二甲酰基脲的单独施用可以显著促进各种农作物的生长，包括小麦、玉米、花生、大豆、稻米和棉花。

在本发明的一个方法中，用包括含有诸如N,N’-二-取代脲的反应产物的水溶液和/或有机溶液的制剂处理种子，反应产物来源于至少一种酸存在下的羧酸和尿素。种子可以便利地浸泡于含有反应产物的水溶液大约2-24小时。可以立刻播种经过浸泡处理的种子或者使其干燥以生产已经用反应产物处理过的种子。

虽然本领域技术人员能够制备用于这些农业用途的包含反应产物及具有所需浓度无任何pH调整剂的水溶液和/或有机溶剂的制剂，但已经发现含有约0.001-1.0M反应产物的制剂通常是合宜的。目前优选从含有约0.001-0.050M反应产物的水溶液和/或有机溶剂制备制剂。尽管本领域技术人员可以任意所需比例施用这些溶液，但已经发现当以大约每100lbs种子15-750ml溶液的比例施用含有前述浓度水溶液和/或有机溶剂的制剂取得良好的效果。或者，相信本发明的反应产物可以添加到处于播种期或植物出苗后的种子周围的土壤，包含前述浓度水溶液和/或有机溶剂的制剂通常含有该反应产物。在另一可替代的方法中，可以通过一次性喷洒出苗植株叶子的方式施用制剂，优选在三叶期施用含有水溶液和反应产物的制剂。本领域技术人员会意识到将少量油和/或表面活性剂添加入用于喷洒叶子的含有所述水溶液的制剂将会改善叶片对反应产物的附着度以及植物对反应产物的摄取。适宜的油包括饱和及不饱和油、醇、酯和其它具有疏水及亲水官能团的化合物。示范性的油包含植物油且包括葵花油和大豆油。示范性的生物上可接受的表面活性剂包括有机多磷酸盐、硅氧烷和醇乙氧基化物。另外，本领域技术人员可以为每个所需用途确定适宜的浓度。不管怎样，相信包含前述浓度水溶液和/或有机溶剂的制剂通常是合适的。应当以足够为每英亩土地供给约1-100克反应产物的比例施用这些制剂。

正如先前指出的，优选通过使用不含有pH调整剂的制剂将本发明的反应产物有益地应用于植物。这类pH调整剂可以包括含有氢氧化物的化合物，例如氢氧化钾。

实施例

在美国专利6,710,085中可以找到N,N’-二甲酰基脲的样品制备，在此以引用的方式并入本文。根据本发明可以改变反应混合物使其包含0.1-20重量％的酸。

不同温度下速率提高的示例

实施例1(无催化剂)

3.62g尿素(60.3mmol)和5.78g甲酸的组合在30℃下加热3h。间隔5-15min取出等分试样用于分析。在50℃下用新的原料重复测试。

实施例2(1％硫酸)

3.62g尿素(60.3mmol)、5.78g甲酸和0.10g 99％硫酸的组合在30℃下加热3h。间隔5-15min取出等分试样用于分析。在50℃下用新的原料重复测试。

实施例3(2％硫酸)

3.62g尿素(60.3mmol)、5.78g甲酸和0.19g 99％硫酸的组合在30℃下加热3h。间隔5-15min取出等分试样用于分析。在50℃下用新的原料重复测试。

测试结果显示于图1和图2。图1示出将30℃下DFU的生成与硫酸的不同浓度相比较的图表。图2示出将50℃下DFU的生成与硫酸的不同浓度相比较的图表。

实施例4-8(6％硫酸)

3.62g尿素(60.3mmol)、5.78g甲酸和0.59g 99％不同酸的组合在50℃下加热3h。间隔30min取出等分试样用于分析。

图3将50℃下DFU的生成与6％浓度的不同酸相比较。

正如图1-3所示的，酸的添加提高了DFU的生成速率。

图4是展示经由浮叶圆盘试验光合速率提高的示例的图表。基于Brad Williamson的用于观察光合作用的浮叶圆盘试验，评估净光合作用。该试验利用叶圆盘通常漂浮的原理。当溶液渗入气室时，叶圆盘的总密度增加且圆盘下沉。当渗入的溶液包含少量碳酸氢钠(小苏打)时，碳酸氢根离子可以作为用于光合作用的碳源。随着光合作用的持续进行，氧释放入叶子内部而改变浮力--导致圆盘上升。从细胞的呼吸发生起，与此同时消耗氧，圆盘上升至溶液顶部的速率是光合作用净速率的量度。正如在图4中观察到的，相比包含没有酸加入反应溶液的N,N’-二甲酰基脲(B)的现有制剂和对照(A)，将本发明的在酸(C,D)存在下制备的N,N’-二甲酰基脲单独施用于光合植物分别提高光合速率大约三倍和五倍。N,N’-二甲酰基脲(B)制剂包含氢氧化钾。本发明的N,N’-二甲酰基脲(C,D)制剂含有酸且不包含氢氧化钾的添加。本发明的N,N’-二甲酰基脲(C,D)制剂包含作为溶剂的N-甲基吡咯烷酮(NMP)，优选没有水的添加。应当理解的是，可以在该制剂中使用的适合用于农业产业的其它溶剂包括但不限于二甲基亚砜(DMSO)。优选地，使用不含有pH调整剂的试剂将本发明的制剂C和D有益地施用于植物。

正如在图5和6中观察到的，2015 IPSA在美国11处地点使用2盎司/英担重复4次实施而做的种子促进试验展示了单子叶植物和双子叶植物中的显著产量增长。参见C，数据突出了光合速率的改善。图5是示出在2盎司/英担下大豆产量提高的示例的图表。图6是示出在2盎司/英担下玉米产量提高的示例的图表。正如以上所及，样品A是对照，样品B没有加酸，且样品C是含有酸的本发明的制剂。

图7是示出草甘膦压力后的活性氧降低的示例的图表。正如图7中示出的，没有加酸的N,N’-二甲酰基脲(B)降低来自草甘膦杀虫剂的压力。并且，本发明的含有酸的N,N’-二甲酰基脲(C)制剂显著降低压力。

前文提及的本发明的描述主要涉及根据专利法规的要求特别优选的实施例且出于解释和说明的目的。无论如何，对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的真实范围和精神的情形下，可在本发明的具体描绘中做出大量修改和变型。例如，虽然在此报告的大部分工作使用二甲酰基脲，但可以找到其它包含酸存在下的羧酸和尿素的反应产物的N,N’-二-取代脲来取得改善的结果。此外，本领域技术人员会意识到可以基于每个农作物或应用设备的性质的要求来调整水溶液和/或有机溶剂中的反应产物的浓度。因此，本发明并非局限于所描述和图示说明的优选实施例，而是覆盖落入下述权利要求范围内的所有修改。

Claims (15)

1.一种利用提高的生成速率制备反应产物的方法，其包括：

提供含有羧酸和尿素的溶液；

添加至少一种酸到所述溶液中以生成具有化学式

的反应产物，其中R₁、R₂、R₃和R₄相同或不同且选自氢，具有一至六个碳原子的取代及未取代烷基、烯丙基、乙烯基及烷氧基，取代及未取代苯基和卤化物。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述羧酸是甲酸。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述羧酸具有化学式RCOOH，其中R选自氢，具有一至六个碳原子的取代及未取代烷基、烯丙基、乙烯基及烷氧基，取代及未取代苯基和卤化物。

4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其中所述尿素具有化学式(NHR₁)₂CO，其中每个R₁相同或不同且选自氢、具有一至六个碳原子的取代及未取代烷基、具有一至六个碳原子的取代及未取代烷氧基、取代及未取代苯基和卤化物。

5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其中所述溶液含有0.1-20重量％的酸。

6.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其中所述溶液含有0.1-10重量％的酸。

7.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其中提供含有作为所述羧酸的甲酸和作为所述尿素的尿素的溶液来生成反应产物N,N’-二甲酰基脲。

8.一种用于促进植物生长的制剂，其包括：

至少一溶剂以及

如权利要求1-7中任一项所述的反应产物，其中所述制剂不含有任何pH调整剂。

9.如权利要求8所述的制剂，其中所述pH调整剂是含有氢氧化物的化合物。

10.如权利要求9所述的制剂，其中所述pH调整剂是氢氧化钾。

11.如权利要求8-10中任一项所述的制剂，其中所述制剂进一步包括植物油和表面活性剂。

12.如权利要求11所述的制剂，其中所述植物油选自葵花油和大豆油，以及所述表面活性剂选自有机多磷酸盐、硅氧烷和醇乙氧基化物。

13.如权利要求8-12中任一项所述的制剂，其中所述至少一溶剂是N-甲基吡咯烷酮(NMP)。

14.如权利要求8-13中任一项所述的制剂，其中所述制剂包括约0.001-1.0M的反应产物。

15.如权利要求8-13中任一项所述的制剂，其中所述制剂包括约0.001-0.050M的反应产物。