DE102006015705A1

DE102006015705A1 - 1,2-Bis-(azol-1-yl)-ethan-1,2-diol-Derivate, Verfahren zu ihrer Herstellung und ihre Verwendung als Nitrifikationsinhibitoren

Info

Publication number: DE102006015705A1
Application number: DE102006015705A
Authority: DE
Inventors: Ute Dr. Radics; Hans-Joachim Prof. Dr. Niclas; Carola Dr. Schuster
Original assignee: SKW Stickstoffwerke Piesteritz GmbH
Current assignee: SKW Stickstoffwerke Piesteritz GmbH
Priority date: 2006-04-04
Filing date: 2006-04-04
Publication date: 2007-10-11
Anticipated expiration: 2026-04-05
Also published as: DE102006015705B4

Abstract

Es werden 1,2-Bis-(azol-1-yl)-ethan-1,2-diol-Derivate der allgemeinen Formel I beschrieben, $F1 wobei A für N oder CR3, R1, R2 und R3 unabhängig voneinander für H, C1-C4-Alkyl oder C3-C8-Cycloalkyl, Halogen, C1-C4-Alkylsulfonyl, C1-C4-Alkoxy, C1-C4-Acyl, Cyano, Nitro, Carboxyl oder C1-C5-Carboxylalkyl und R4 für C1-C20-Alkyl, C3-C8-Cycloalkyl, C6-C10-Aryl oder Arylalkyl mit C1-C4-Alkyl- und C6-C10-Arylgruppen, wobei die Arylreste von R4 gegebenenfalls einfach oder mehrfach mit C1-C4-Alkylsulfonyl, C1-C4-Alkoxy, C1-C4-Acyl, Halogen, Hydroxyl, Cyano, Nitro, Carboxyl oder C1-C5-Carboxyalkyl substituiert sein können, stehen. Die erfindungsgemäßen Verbindungen (I) eignen sich zur Hemmung bzw. Steuerung der Nitrifikation, weil sie eine hervorragende nitrifikationshemmende Wirkung auch bei niedrigen Aufwandmengen besitzen, wobei sie durch eine einfache Synthese regioselektiv hergestellt werden können und aufgrund ihrer Strukturelemente von einer guten Umweltverträglichkeit ausgegangen werden kann.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft 1,2-Bis-(azol-1-yl)-ethan-1,2-diol-Derivate, Verfahren zu ihrer Herstellung, Düngemittelzusammensetzungen, die sie aufweisen, sowie ihre Verwendung zur Hemmung bzw. Steuerung der Nitrifikation.
Die Anwendung von Stickstoffdüngemitteln, die Nitrifikationsinhibitoren (im Folgenden auch als Nitrifikationshemmer bezeichnet) enthalten, ist dadurch besonders vorteilhaft, weil die im allgemeinen rasch ablaufende Nitrifikation, d. h. die mikrobielle Umwandlung von Amid- und Ammoniumstickstoff zu Nitratstickstoff, durch die Gegenwart derartig wirkender Substanzen auf diese Weise verzögert wird. Durch die so gesteuerte Nitratbildung im Boden wird eine zu intensive Nitratbildung und damit die Akkumulation von Nitrat vermieden. Eine so bewirkte Zurückdrängung des sonst entstehenden Nitratüberschusses im Boden konserviert den Düngerstickstoff in Form von Ammoniumionen, sorgt damit für eine höhere Düngereffizienz und führt gleichzeitig zu einer erheblich verringerten Umweltbelastung im Rahmen einer Stickstoffdüngung.
So ist bekannt, dass Nitrat im Gegensatz zum Ammonium im Boden nur äußerst schlecht sorbiert wird und demzufolge der Auswaschung bzw. der Verlagerung in tiefere Bodenschichten unterliegt. Andererseits führt die infolge einer Nitratanreicherung im Boden verstärkt einsetzende Denitrifikation zu gasförmigen Stickstoffverlusten, wobei neben molekularem Stickstoff auch solche Oxide wie Stickstoffmonoxid bzw. Lachgas emittiert werden, die zur Versauerung des Bodens beitragen bzw. als klimaverändernde Gase bekannt sind.
Durch die Hemmung bzw. Steuerung der Nitrifikation wird gleichzeitig einer Nitratanreicherung im Grundwasser entgegengewirkt.
Gerade in der Reduzierung der beschriebenen Verlustpotentiale liegt der wirtschaftliche Vorteil von mit Nitrifikationsinhibitoren versehenen Stickstoffdüngemitteln, der sich u. a. in der erhöhten Nährstoffeffizienz dieser Dünger niederschlägt Um das zu unterstreichen sei erwähnt, dass N-Verluste von konventionellen Stickstoffdüngern durchaus unter ungünstigen Bedingungen Größenordnungen von bis zu 40 % und mehr annehmen können.
Als wirksame Nitrifikationshemmer wurden unter anderem stickstoffhaltige heterocyclische Verbindungen, bevorzugt aus der Reihe der 1H-Pyrazole und der 1,2,4-Triazole, vorgeschlagen, z. B. in US 3,635,690 , US 4,969,946 , US 4,523,940 , EP-A 166 420, US 3,697,244 .
Ein wesentlicher Nachteil der meistens sehr gut nitrifikationshemmend wirkenden Pyrazolderivate besteht in ihrer relativ hohen Flüchtigkeit bzw. besonders bei am N-1-Stickstoffatom substituierten Verbindungen in ihrer Hydrolyseempfindlichkeit, in deren Folge zwar noch wirksame, aber wieder flüchtige Derivate gebildet werden. Aus diesen Gründen lässt sich eine Anwendung bei festen Düngemitteln, insbesondere in Kombinationen mit Harnstoff, nicht ohne weiteres realisieren. Zur Beseitigung dieses Mangels sind Vorschläge zur chemischen Abwandlung der 1-N-unsubstituierten Basispyrazole bekannt (DE-OS 27 45 833, EP-A 508 191, DD 292 232 , DE-OS 40 18 395, EP-A 160 804, DE-OS 37 04 359, SU 1 470 737 , DE-OS 44 46 194, EP-A 808 297). Mit dem Rückgang der Flüchtigkeit durch Derivatisierung ist jedoch in der Regel zugleich auch ein Abfall in der Wirkung als Nitrifikationsinhibitor verbunden. Außerdem sind solche Herangehensweisen mit einem Mehraufwand an Syntheseschritten gekoppelt, die fast durchgängig zu einer Kostenbelastung führen, so dass ihre Anwendung ökonomisch nicht mehr sinnvoll ist.
Andere Lösungen zur Reduzierung der Flüchtigkeit von nitrifikationshemmend wirkenden Pyrazolen bestehen in der Ausnutzung des eigentlich bekannten Prinzips der Salzbildung mit Säuren (EP-A 529 473, WO 98/05 607, DE-OS 4018 395).
Sowohl die mineralsauren Salze der nitrifiziden Basispyrazole als auch nitrifizid wirkende Pyrazole, die am 1-N-Stickstoff hydrophile Gruppen tragen, können als Nitrifikationsinhibitoren noch nicht voll befriedigen, da sie eine zu geringe Hydrolysestabilität besitzen, wodurch die Wirkungsdauer im Boden und die Lagerstabilität herabgesetzt ist. Dies betrifft z. B. N-Glyoxylpyrazole (DE-A 37 04 359) oder N-Hydroxymethylpyrazole (SU-A 1 470 737). Mit der Einführung von verschiedenartigen lipophilen Gruppen in 1-N-Position (DE-OS 101 17 821 A1, DE-OS 101 35 423 A1) konnte zwar die Hydrolyseanfälligkeit dieser Pyrazolderivate beseitigt werden, jedoch sind diese Nitrifikationsinhibitoren bei niedrigen Konzentrationen nicht mehr ausreichend lang leistungsfähig.
In der DE-OS 102 24 823 A1 werden Pyrazol-Derivate beschrieben, die acylierte Methylol-Gruppen enthalten. Da bei einer Anwendung auch dieser Verbindungen als Nitrifikationsinhibitoren eine Freisetzung von Formaldehyd im Zuge des Abbaus durch die Bodenorganismen nicht vollständig ausgeschlossen werden kann, besteht ein Bedarf an Verbindungen, von denen ein verbessertes ökotoxikologisches Verhalten erwartet werden kann.
Ein weiterer Mangel besteht in den Herstellungsverfahren für diese Wirkstoffe. So werden beispielsweise bei der Herstellung von N-(1H-Azolyl-methyl)amiden (DE-OS 103 43 277 A1) als Produkte Isomerengemische in Bezug auf die Stellung der Substituenten am Azolring erhalten. Die sich anschließende Trennung der einzelnen Isomeren erhöht den Syntheseaufwand erheblich.
Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, Wirkstoffe zur Hemmung bzw. Steuerung der Nitrifikation von Ammoniumstickstoff zu entwickeln, die aufgrund ihrer geringen Flüchtigkeit und ihrer Hydrolysestabilität alle Applikationsverfahren, aber auch alle Möglichkeiten zur Einarbeitung in oder Aufbringung auf mineralische stickstoffhaltige Dünger und unabhängig davon auch eine Anwendung zu organischen Düngern zulassen. Gleichzeitig sollten die Strukturelemente der Wirkstoffe so gewählt werden, dass von einer möglichst großen Umweltverträglichkeit ausgegangen werden kann. Die Wirkstoffe sollten durch eine ökonomisch sinnvolle Synthese auf einfachem Weg herstellbar sein.
Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäß durch die Synthese von 1,2-Bis-(azol-1-yl)-ethan-1,2-diol-Derivate entsprechend Formel 1 gelöst.
Es hat sich gezeigt, dass die 1,2-Bis-(azol-1-yl)-ethan-1,2-diole (II) hervorragend zur Herstellung von Nitrifikationsinhibitoren durch Veresterung mit Carbonsäurederivaten geeignet sind. Durch den Einsatz von Carbonsäure-Derivaten mit unterschiedlichen hydrophilen und lipophilen Eigenschaften sowie verschiedenen Molekülgrößen kann die biologische Aktivität der neuen Nitrifikationsinhibitoren entscheidend beeinflusst werden.
So gelingt es, durch Umsetzung mit entsprechenden Carbonsäure-Derivaten die nitrifikationshemmende Wirkung der 1,2-Bis-(azol-1-yl)-ethan-1,2-diol-Derivate (I) von sehr schwach bis auf ausgezeichnet bei den anwendungsrelevanten Konzentrationen zu steigern.
Überraschenderweise kommt die nitrifizide Wirkung der erfindungsgemäßen 1,2-Bis-(azol-1-yl)-ethan-1,2-diol-Derivate (I) auch bei sehr geringen Wirkstoffkonzentrationen zur vollen Entfaltung, was nicht vorhersehbar war.
So müssen beispielsweise Azolhalbaminal-Derivate ( EP 0 278 445 ) A1, die durch Umsetzung von Azolen mit Glyoxylsäure-, Glyoxylsäureester oder Alkyl- bzw. Arylglyoxalen gewonnen werden, in der Regel mit der doppelten Aufwandmenge eingesetzt werden, um die gleiche nitrifikationshemmende Wirkung wie die erfindungsgemäßen 1,2-Bis-(azol-1-yl)-ethan-1,2-diol-Derivate (I) zu erzielen.
Offensichtlich führt das Vorhandensein der 1,2-Diol-Struktur und das Einbinden von zwei Molekülen Azol zu der beobachteten Wirkungssteigerung.
Durch ihre molekulare Struktur besitzen die 1,2-Bis-(azol-1-yl)-ethan-1,2-diol-Derivate (I) gegenüber Nitrifikationsinhibitoren aus DE-OS 103 43 277 A1 den Vorteil, dass beim Abbau im Boden lediglich Glyoxal als Spaltprodukt gebildet werden kann, von dem keine umweltschädigenden Wirkungen erwartet werden sollten („Glyoxal" (Concise international chemical assessment document 57; WHO 2004).
Die erfindungsgemäß verwenden 1,2-Bis-(azol-1-yl)ethan-1,2-diol-Derivate entsprechen der allgemeinen Formel (I)
wobei A für N oder CR³
R¹, R² und R³ unabhängig voneinander für N, C₁-C₄-Alkyl oder C₃-C₈-Cycloalkyl, Halogen, C₁-C₄-Alkylsulfonyl, C₁-C₄-Alkoxy, C₁-C₄-Acyl, Cyano, Nitro, Carboxyl oder C₁-C₅-Carboxyalkyl und
R⁴ für C₁-C₂₀-Alkyl, C₃-C₈-Cycloalkyl, C₆-C₁₀-Aryl oder Arylalkyl mit C₁-C₄-Alkyl- und C₆-C₁₀-Arylgruppen, wobei die Arylreste von R⁴ gegebenenfalls einfach oder mehrfach mit C₁-C₄-Alkylsulfonyl, C₁-C₄-Alkoxy, C₁-C₄-Acyl, Halogen, Hydroxyl, Cyano, Nitro, Carboxyl oder C₁-C₅-Carboxyalkyl substituiert sein können, steht.
Vorzugsweise stellen A = CR³, R¹ und R³ einen Methylrest oder R¹ Methyl und R³ = H oder Cl dar und außerdem ist unabhängig davon bei einer weiteren Ausführungsform R² vorzugsweise H.
Weitere vorteilhafte und/oder bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der Begriff »Alkyl« bezieht sich hier, und zwar in jeder Kombination mit beliebigen anderen Gruppen, insbesondere (sofern nicht anders definiert) auf eine Alkyl-Gruppe, die 1 bis 20 Kohlenstoffatome aufweist, z. B. eine Methyl-, Ethyl-, n-Propyl-, Isopropyl-, n-Butyl-, Isobutyl-, tert-Butyl, Amyl, Isoamyl, n-Hexyl-, 2,2-Dimethylbutyl- oder n-Octyl-Gruppe. Im Folgenden wird zwar zur Vermeidung unnötiger Redundanz und der Einfachheit halber nur der Begriff »Alkyl-Gruppe« oder »Cycloalkyl-Gruppe« etc. verwendet, jedoch sollen jeweils die entsprechenden ungesättigten Gruppen umfasst sein. Dem Fachmann ist klar, dass cyclische Kohlenwasserstoff-Gruppen mindestens 3 Kohlenstoffatome aufweisen müssen. Die Alkyl-Gruppen mit der entsprechenden Kohlenstoffanzahl können geradkettig oder verzweigt und einfach oder mehrfach ungesättigt sein.
Der Begriff »Heteroalkyl« bezieht sich bzgl. des Alkylteils auf eine oben definierte Alkyl-Gruppe, soll aber auch eine entsprechende Heteroalkenyl- oder Heteroalkinyl-Gruppe umfassen, in der ein oder mehrere Kohlenstoffatome durch mindestens ein Sauerstoff-, Stickstoff-, Phosphor- oder Schwefelatom ersetzt sind.
Der Begriff »Cycloalkyl« bezieht sich auf eine gesättigte cyclische, ggf. verzweigte Gruppe, die einen oder mehrere Ringe aufweist, die ein Gerüst bilden, welches 3 bis 8 Kohlenstoffatome enthält, z.B. eine Cyclopropyl-, Cyclobutyl-, Cyclopentyl-, Cyclohexyl-Gruppe.
Der Begriff »Aryl« bezieht sich auf eine aromatische cyclische Gruppe, die einen oder mehrere Ringe aufweist, und durch ein Gerüst gebildet wird, das 6 bis 10 Ringkohlenstoffatome enthält. Selbstverständlich kann im Falle von mehreren Ringen einer oder auch mehrere Ringe ganz oder teilweise hydriert sein (ein Beispiel dafür ist die 1,2,3,4,-Tetrahydro-naphthalen-1-yl-Gruppe). Außerdem kann eine Aryl-Gruppe durch Alkyl- oder Heteroalkyl-Gruppen (jeweils wie oben definiert) substituiert sein. Beispiele sind eine Phenyl-, Naphthyl-, Inden-, 2-, 3- oder 4-Methoxyphenyl-, 2-, 3- oder 4-Ethoxyphenyl-, 4-Carboxyphenylalkyl- oder 4-Hydroxyphenyl-Gruppe.
Der Begriff »Halogen« umfasst stets Fluor, Chlor, Brom und Iod.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung der erfindungsgemäßen 1,2-Bis-(azol-1-yl)-ethan-1,2-diol-Derivate (I) zur Hemmung bzw. Regelung der Nitrifikation, wobei die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verbindungen in bekannter Weise als Nitrifikationsinhibitoren mit festen ammonium- und/oder amidhaltigen Düngemitteln kombinierbar sind. Als Stickstoffdüngemittel werden vorzugsweise Ammoniumsalze, wie z. B. Kalkammonsalpeter, Ammonsulfatsalpeter, Ammoniumnitrat, Ammoniumsulfat oder Harnstoff eingesetzt. Möglich ist auch der Einsatz der erfindungsgemäßen 1,2-Bis-(azol-1-yl)-ethan-1,2-diol-Derivate in Kombination mit organischen und flüssigen Düngemitteln. Aufwandmengen von 0,01 bis 10,0 Gew.-%, z. B. 0,01 bis 5,0 Gewichtsprozent, insbesondere 0,01 bis 3,0 Gewichtsprozent, berechnet auf den reduzierten Stickstoffgehalt des Düngers, d. h. auf Ammonium- und Carbamid-Stickstoff, genügen für den prakti schen Einsatz. Selbstverständlich können die erfindungsgemäßen 1,2-Bis-(azol-1-yl)-ethan-1,2-diol-Derivate (I) gegebenenfalls mit weiteren üblichen Nitrifikationsinhibitoren und/oder Ureaseinhibitoren in Kombination verwendet werden. Wirkstoffformulierungen, Lösungen und Konzentrate, welche die erfindungsgemäßen 1,2-Bis-(azol-1-yl)-ethan-1,2-diol-Derivate (I) aufweisen, sind ein weiterer Gegenstand der Erfindung.
Die Art und Weise, wie die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Nitrifikationsinhibitoren mit dem Düngemittel kombiniert werden, unterliegt keinen besonderen Beschränkungen. Es eignen sich sämtliche im Stand der Technik bekannten Verfahren. So können die 1,2-Bis-(azol-1-yl)-ethan-1,2-diol-Derivate (I) bevorzugt allein oder im Gemisch mit anderen Zusatzstoffen als Lösung oder gemeinsam mit einem geeigneten Konditionierungsmittel, beispielsweise mit einem hydrophobierend wirksamen paraffinischen Konditionierungsmittel, auf die Oberfläche der Düngemittelgranulate aufgebracht werden, wobei das Lösemittel (vorzugsweise aprotische Lösemittel wie z. B. Ester, Öle, Ketone, Ether etc.) z. B. durch Trocknung entfernt wird.
Alternativ hierzu können die 1,2-Bis-(azol-1-yl)-ethan-1,2-diol-Derivate (I) allein oder im Gemisch mit anderen Zusatzstoffen zur homogenen Verteilung im Dünger in die Düngemittelschmelze oder -slurry während des Formgebungsprozesses, z. B. zur Herstellung von Granulat, eingebracht werden. Flüssigen und organischen Düngern werden die erfindungsgemäßen Verbindungen vorzugsweise in Form einer geeigneten Formulierung zugegeben.
Es ist klar, dass zur Formulierung übliche und dem Fachmann bekannte Hilfs-, Träger- und Streckstoffe oder eine Kombination dieser Mittel, oder auch oberflächenaktive Mittel, z. B. ein Benetzungs-, Dispersions-, Emulgierungs- oder Suspensionsmittel, verwendet werden können. Die jeweiligen Formulierungsverfahren entsprechen dem Stand der Technik und sind dem Fachmann bekannt.
Die erfindungsgemäßen Verbindungen zeichnen sich durch ihren lipophilen Charakter und durch ausgezeichnete nitrifizide Eigenschaften auch bei geringen Aufwandmengen aus.
Aufgrund ihrer lipophilen Eigenschaften sind die 1,2-Bis-(azol-1-yl)-ethan-1,2-diol-Derivate bevorzugt für eine Oberflächenapplikation auf den Düngemittelgranulaten geeignet.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind 1,2-Bis-(azol-1-yl)-ethan-1,2-diol-Derivate der allgemeinen Formel (I)
wobei A für N oder CR³
R¹, R² und R³ unabhängig voneinander für H, C₁-C₄-Alkyl oder C₃-C₈-Cycloalkyl, Halogen, C₁-C₄-Alkylsulfonyl, C₁-C₄-Alkoxy, C₁-C₄-Acyl, Cyano, Nitro, Carboxyl oder C₁-C₅-Carboxyalkyl und
R⁴ für C₁-C₂₀-Alkyl, C₃-C₈-Cycloalkyl, C₆-C₁₀-Aryl oder Arylalkyl mit C₁-C₄-Alkyl- und C₆-C₁₀-Arylgruppen, wobei die Arylreste von R⁴ gegebenenfalls einfach oder mehrfach mit C₁-C₄-Alkylsulfonyl, C₁-C₄-Alkoxy, C₁-C₄-Acyl, Halogen, Hydroxyl, Cyano, Nitro, Carboxyl oder C₁-C₅-Carboxyalkyl substituiert sein können, steht.
Die C₁- bis C₄-Alkylreste R¹ R², R³ und R⁴ können linear oder verzweigt sein oder z. B. einen Cyclopropyl- oder Cyclobutylrest darstellen. Vorzugsweise stellen A = CR³, R¹ und R³ einen Methylrest oder R¹ Methyl und R³ = N oder Cl dar.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagenen 1,2-Bis-(azol-1-yl)-ethan-1,2-diol-Derivate (I), wobei A, R¹, R², R³, und R⁴ die oben genannte Bedeutung besitzen, sind durch eine einfache Acylierung gemäß der allgemeinen Gleichung (1) zugänglich.
Dazu werden die 1,2-Bis-(azol-1-yl)-ethan-1,2-diole (II) (wobei A, R¹, R², R³, und R⁴ die oben genannte Bedeutung besitzen), mit dem Carbonsäurechlorid III im bevorzugten Molverhältnis von 1:2,0 bis 3,0 gegebenenfalls unter Zusatz von 1 bis 100 Mol % eines Acylierungskatalysators, wie beispielsweise 4-Dimethylamino-pyridin (DMAP) oder Pyridin, unter Zusatz von 2 bis 4 mol Base, wie z. B. Pyrydin, Triethylamin oder Kaliumcarbonat, in einem organischen Lösungsmittel ausgewählt aus der Gruppe der Halogenkohlenwasserstoffe (wie z. B. Methylenchlorid), Kohlenwasserstoffe (beispielsweise Toluol) oder in trockenem Pyridin bei Temperaturen von –15 bis 100°C, vorzugsweise bei –10 bis +10°C, umgesetzt.
1,2-Bis-(azol-1-yl)-ethan-1,2-diol-Derivate (I) (wobei A, R¹, R², R³, und R⁴ die oben genannte Bedeutung besitzen) können auch erhalten werden, indem man die 1,2-Bis-(azol-1-yl)-ethan-1,2-diole II (wobei A, R¹, R² und R³ die oben genannte Bedeutung besitzen) mit Carbonsäureanhydriden (IV), wobei R⁴ die oben genannte Bedeutung besitzt, gemäß der allgemeinen Gleichung (2) umsetzt, wobei das entsprechende 1,2-Bis-(azol-1-yl)-ethan-1,2-diol (II) mit dem Carbonsäureanhydrid (IV) im Molverhältnis 1:2,0 bis 4,0 gegebenenfalls unter Zusatz von 0,2 bis 10 Mol % 4-Dimethylamino-pyridin (DMAP) oder unter Zusatz von molaren Mengen Triethylamin in einem organischen Lösungsmittel ausgewählt aus der Gruppe der Halogenkohlenwasserstoffe (wie z. B. Methylenchlorid), aliphatischen Ether (wie z. B. Diethylether) oder unter Einsatz der entsprechenden Carbonsäure als Lösungsmittel bei Temperaturen von –5 bis 80°C zur Reaktion gebracht wird.
Die Reaktionsprodukte fallen je nach Substituentenmuster als destillierbare Flüssigkeiten oder kristalline Substanzen an.
Überraschenderweise sind die Synthesen der erfindungsgemäßen Verbindungen entsprechend den Gleichungen (1) und (2) in Bezug auf die Stellung des R¹- und R²-Substituenten regioselektiv. Das Auftreten von Isomerengemischen wird nicht beobachtet Die isolierten Verbindungen liefern im ¹³C-NMR-Spektrum jeweils nur einen Signalsatz. Dies war nicht vorherzusehen, da die bei den Synthesen verwendeten Ausgangsverbindungen, die 1,2-Bis-(azol-1-yl)-ethan-1,2-diole (II), als Isomerengemisch anfallen und ohne vorherige Isomerentrennung eingesetzt worden sind.
Die nachfolgenden Beispiele sollen die Erfindung ohne Beschränkung näher veranschaulichen.
Beispiele
1,2-Bis-(azol-1-yl)-ethan-1,2-diol-Derivate (I)
Variante A:
Allgemeine Synthesevorschrift:
0,25 mol 1,2-Bis-(azol-1-yl)-ethan-1,2-diol (II) und 0,06 mol 4-Dimethylamino-pyridin (DMAP) werden in 500 ml trockenem Pyridin gelöst oder suspendiert und auf –10°C abgekühlt. Unter Rühren und Eiskühlung werden 0,6 mol Carbonsäurechlorid (II) so zugetropft, dass die Temperatur nicht über –5°C steigt. Man lässt 1 h bei –10 bis –5°C nachrühren, entfernt die Kühlung und rührt anschließend bei Raumtemperatur eine wertere Stunde. Die Reaktionsmischung wird auf Eis gegeben und mit Diethylether extrahiert. Man wäscht die organische Phase mit 10 %iger Salzsäure, mit gesättigter Natriumchloridlösung, mit 10 %iger Soda- und nochmals mit Kochsalzlösung. Die organische Phase wird getrocknet und das Lösungsmittel unter Vakuum verdampft. Das Rohprodukt wird durch Umkristallisieren oder durch Säulenchromatographie gereinigt.
Variante B:
Allgemeine Synthesevorschrift:
Analog Variante A, jedoch verbleibt nach dem Versetzen des Reaktionsgemisches mit Eiswasser und Auftauen ein unlöslicher Niederschlag. Dieser wird abgesaugt, gründlich mit Wasser gewaschen und das Produkt umkristallisiert
Variante C:
Allgemeine Synthesevorschrift:
0,2 mol 1,2-Bis-(azol-1-yl)-ethan-1,2-diol (II) in 100 ml Essigsäure und 0,4 mol Acetanhydrid werden 24 Stunden lang auf 60°C erhitzt. Die Reaktionsmischung wird in Eiswasser gegeben und mit 5 %iger Natronlauge auf pH 8 gebracht. Es wird mit Chloroform extrahiert, die organische Phase wird mit Wasser gewaschen, getrocknet und einrotiert. Das Rohprodukt wird durch Säulenchromatographie gereinigt.
Die in Tabelle 1 aufgeführten Substanzen wurden nach obigen Synthesevarianten erhalten. Die Strukturen wurden durch IR-, NMR-Spektroskopie und Elementaranalyse gesichert.
Ermittlung der nitrifikationshemmenden Wirkung
Die Prüfung der erfindungsgemäßen 1,2-Bis-(azol-1-yl)-ethan-1,2-diol-Derivate (I) erfolgte in den in Tabelle 2 ausgewiesenen Konzentrationen. Dabei wurde die nitrifikationshemmende Wirkung in der Weise ermittelt, dass 100 g lufttrockener Boden auf 50 % der maximalen Wasserkapazität eingestellt wurden. Hierzu wurden jeweils 10 mg Harnstoff-N und die ausgewiesene Wirkstoffmenge unter möglichst homogener Verteilung zugesetzt. Danach werden die so präparierten Gefäße unter standardisierten Bedingungen bei 20°C im dunklen Klimaraum aufbewahrt. Aus der zeitabhängigen Bestimmung des Umsatzes von Ammonium-N zu Nitratstickstoff im Vergleich zur Variante ohne Inhibitor wird die prozentuale Hemmung zum Tag X ermittelt. Der nachfolgend verwendete K-Wert verkörpert einen von den biologischen Schwankungen der Bodenaktivität unabhängigen Wert, da er auf die Wirkung eines Standards, in diesem Fall 3-Methylpyrazol mit einer Inhibitorkonzentration von 0,2 % N-bezogen, durch Quotientenbildung relativiert wird. Der Ermittlung des K-Wertes ist die Berechnung des t₅₀-Wertes vorangestellt. Dieser Wert drückt den Zeitpunkt in Tagen aus, an dem die Nitrifikationshemmung für eine einzelne Substanz auf 50 % zurückgegangen ist. Daraus leitet sich der K-Wert wie folgt ab: K = t50-Wert der Testsubstanz/t50-Wert Standard
Tabelle 2: Nitrifikationshemmende Wirkung ausgewählter Verbindungen bei einer Wirkstoffkonzentration von 0,5 ppm
Tabelle 3: Nitrifikationshemmende Wirkung ausgewählter Verbindungen bei einer Wirkstoffkonzentration von 0,2 ppm
K-Werte um den Faktor 1 entsprechen dabei der Wirkung der Standardsubstanz.
Die Tabellen 2 und 3 zeigen den entscheidenden Einfluss des Substituenten R⁴ auf die Konzentrationsabhängigkeit der nitrifikationsinhibierenden Wirkung von 1,2-Bis-(azol-1-yl)-ethan-1,2-diol-Derivaten (I).
Bei der Auswahl von geeigneten Carbonsäurederivaten verfügen die erfindungsgemäßen Verbindungen über eine ausgezeichnete nitrifikationshemmende Wirkung, ohne die für eine praktische Anwendung entgegenstehenden Nachteile des Standards 3-Methylpyrazol wie Flüchtigkeit und Formulierungsunverträglichkeit mit speziell Feststoffdüngern aufzuweisen.

Claims

1,2-Bis-(azol-1-yl)-ethan-1,2-diol-Derivate (I), dadurch gekennzeichnet, dass

A für N oder CR³ R¹, R² und R³ unabhängig voneinander für H, C₁-C₄-Alkyl oder C₃-C₈-Cycloalkyl, Halogen, C₁-C₄-Alkylsulfonyl, C₁-C₄-Alkoxy, C₁-C₄-Acyl, Cyano, Nitro, Carboxyl oder C₁-C₅-Carboxyalkyl und R⁴ für C₁-C₂₀-Alkyl, C₃-C₈-Cycloalkyl, C₆-C₁₀-Aryl oder Arylalkyl mit C₁-C₄-Alkyl- und C₆-C₁₀-Arylgruppen, wobei die Arylreste von R⁴ gegebenenfalls einfach oder mehrfach mit C₁-C₄-Alkylsulfonyl, C₁-C₄-Alkoxy, C₁-C₄-Acyl, Halogen, Hydroxyl, Cyano, Nitro, Carboxyl oder C₁-C₅-Carboxyalkyl substituiert sein können, steht.

1,2-Bis-(azol-1-yl)-ethan-1,2-diol-Derivate (I) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass A = CR³ und R¹ und R³ einen Methylrest darstellen und R² H ist.

1,2-Bis-(azol-1-yl)-ethan-1,2-diol-Derivate (I) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass A = CR³ ist und R¹ einen Methylrest darstellt und R³ für Chlor oder H steht und R² H ist.

1,2-Bis-(azol-1-yl)-ethan-1,2-diol-Derivate (I) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass A = N ist und R¹ und R² H darstellen.

Verfahren zur Herstellung der 1,2-Bis-(azol-1-yl)-ethan-1,2-diol-Derivate (I) nach den Ansprüchen 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass man 1,2-Bis-(azol-1-yl)-ethan-1,2-diole (II), wobei A, R¹, R² und R³ die oben genannte Bedeutung besitzen, mit dem Carbonsäurechlorid (III), wobei R⁴ die oben genannte Bedeutung besitzt, gemäß Gleichung (1) reagieren lässt:

Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass man die Reaktion bei Temperaturen von –15 bis 100°C in einem organischen Lösungsmittel ausgewählt aus der Gruppe der Halogenkohlenwasserstoffe (wie z. B. Methylenchlorid), Kohlenwasserstoffe (beispielsweise Toluol) oder in trockenem Pyridin, gegebenenfalls unter Zusatz von 1 bis 100 Mol % eines Acylierungskatalysators, wie beispielsweise 4-Dimethylamino-pyridin (DMAP) oder Pyridin, unter Zusatz 2 bis 4 mol Base, wie z. B. Pyridin, Triethylamin oder Kaliumcarbonat, und mit einem Molverhältnis 1,2-Bis-(azol-1-yl)-ethan-1,2-diole (II) zu Carbonsäurechlorid III von 1:2,0 bis 3,0 durchführt.

Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass man die Reaktion bei –10 bis +10°C durchführt.

Verfahren zur Herstellung der 1,2-Bis-(azol-1-yl)-ethan-1,2-diol-Derivate (I) nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass man die 1,2-Bis-(azol-1-yl)-ethan-1,2-diole (II), wobei A, R¹, R² und R³ die oben genannte Bedeutung besitzen, mit dem Carbonsäureanhydrid (IV), wobei R⁴ die oben genannte Bedeutung besitzt, gemäß Gleichung (2) reagieren lässt:

Verfahren nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass man die Reaktion in einem organischen Lösemittel ausgewählt aus der Gruppe der Halogenkohlenwasserstoffe oder aliphatischen Ether unter Zusatz von 0,2 bis 100 Mol % organischer Base mit einem Molverhältnis von 1,2-Bis-(azol-1-yl)-ethan-1,2-diol (II) zu Carbonsäureanhydrid (IV) von 1 2,0 bis 4,0 und bei Temperaturen von –5 bis 80°C durchführt.

Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass 1,2-Bis-(azol-1-yl)-ethan-1,2-diol (II) und Carbonsäureanhydrid (IV) in einem Molverhältnis 1:2,0 bis 2,5 unter Einsatz der entsprechenden Carbonsäure als Lösungsmittel bei Temperaturen von 50 bis 100°C zur Reaktion gebracht werden.

Zusammensetzung, aufweisend die 1,2-Bis-(azol-1-yl)-ethan-1,2-diol-Derivate (I) nach den Ansprüchen 1 bis 4 sowie gegebenenfalls weitere Nitrifikationsinhibitoren und/oder Ureaseinhibitoren in Kombination mit festen und flüssigen ammonium- und/oder amidhaltigen Düngemitteln.

Verwendung der 1,2-Bis-(azol-1-yl)-ethan-1,2-diol-Derivate (I) nach den Ansprüchen 1 bis 4

als Mittel zur Hemmung bzw. Steuerung der Nitrifikation.

Verwendung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die 1,2-Bis-(azol-1-yl)-ethan-1,2-diol-Derivate (I), gegebenenfalls in Kombination mit weiteren Nitrifikationsinhibitoren und/oder Ureaseinhibitoren, in einer Gesamtaufwandmenge von 0,01 bis 10,0 Gewichtsprozent, berechnet auf den reduzierten Stickstoffanteil des amid- und/oder ammoniumhaltigen Düngemittels, eingesetzt werden.

Verwendung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die 1,2-Bis-(azol-1-yl)-ethan-1,2-diole (I) in einer Aufwandmenge von 0,01 bis 3,0 Gewichtsprozent eingesetzt werden.

Verwendung nach den Ansprüchen 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die 1,2-Bis-(azol-1-yl)-ethan-1,2-diole (I) allein oder im Gemisch mit weiteren Zusatzstoffen in die Düngemittelschmelze oder -slurry während des Formgebungsprozesses eingebracht worden sind und auf diese Weise homogen im Dünger verteilt vorliegen.

Verwendung nach den Ansprüchen 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die 1,2-Bis-(azol-1-yl)-ethan-1,2-diole (I) ggf. mit weiteren Zusatzstoffen in Form einer Lösung oder gemeinsam mit einem geeigneten Konditionierungsmittel auf die Oberfläche der Düngemittelgranulate aufgebracht worden sind und gegebenenfalls anschließend das Lösungsmittel durch Trocknung entfernt worden ist.