专利名称：螯合试剂以及它们的锰螯合物的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及螯合试剂，特别是对三价的锰离子表现出选择性的螯合试剂，还涉及相应的三价螯合物以及它们在植物栽培中处理锰缺乏症方面的应用。
锰缺乏症是农业、田间作物、果园、园艺以及其它形式的植物栽培中普遍存在的问题。作为一种治疗方法，可以用锰盐通常是硫酸锰来处理土壤，但是，锰很快就形成不再被植物利用的不溶性氧化物。鉴于普遍施用和撒施施用是无效的，因此建议“带状”(Banded)施用。大多数情况下是通过硫酸锰的叶面施用来处理或者防止锰缺乏症。
对于其它微量元素，如铁等的缺乏，经常可以更加方便地通过土壤施用来处理，比如撒施和滴灌。金属能以合适的螯合物的形态来保持可溶。人们长期以来一直希望找到具有这种用途的锰螯合物。已经证明使用象EDTA和DTPA等已知敖合试剂的普通锰(Mn2+)螯合物的尝试是适得其反的。它的问题在于螯合剂会被土壤中的三价铁离子夺走，并且释放出来的锰很快就被氧化成不溶性的氧化物。
本发明的目标是提供一种对存在于土壤中的三价铁离子和其它金属离子以及水解分解具有高稳定性的锰螯合物，特别是提供一种能够在有效时间段内保持不变进而能够通过对土壤和其它生长基质普遍施用来处理锰缺乏的锰螯合物。
依据本发明的螯合试剂(螯合剂)具有以下通式所示的结构
其中n＝2～4，X＝-CR1R2-，或
由此至少两个X符合式III；Y＝COOH，-PO3H2或者邻-羟基苯基；R1，R2和R3相互独立地是H或者C1～C8烷基；m＝0～3，优选m＝1，2或3，最优选m＝1；Z和Z′是未取代或者取代的C；C*＝C或者CH或者NZ1，Z2，Z′1和Z′2相互独立地选自H(如果C*是N则没有Z2和Z2′)和可任选含有一个或多个N原子(可直接与C*相连)的C1～C10基团，从而使Z/Z1、Z/Z2和Z1/Z2中的一对以及Z′/Z′1、Z′/Z′2和Z′1/Z′2中的一对可以相连以形成具有少于20个原子的取代的或未取代的(杂)(多)环结构；C*或者是芳(杂)(多)环结构的一部分，或者通过双键与Z或Z2和/或Z′或Z′2键连。所述芳环结构或者双链优选是与相应的C＝N键共轭以使得各N原子可共享来自羟基离解的负电荷。
发明者很惊奇地发现，依据本发明的六配位螯合试剂在三价铁离子存在下，对于三价锰离子是高选择性的螯合剂，并且该三价锰螯合物还对水解表现出明显的稳定性，同时在含铁土壤存在时可以保持良好的可溶性。
更具体地说，已经发现本发明的三价锰螯合物在pH值高达10.5～11时还可以形成稳定的溶液，表明它的水解pka值至少可达约11。同样螯合试剂的三价铁螯合物表现出稳定性的最高pH值约为8-9。
碱性、中性或者弱酸性土壤通常或多或少包含有空气。当将锰施用到这种土壤中时，它会慢慢地但是不可避免地被氧化成不溶的二氧化锰。然而，如果锰被强烈螯合，那么原则上它可以在足够的时间段内保持可溶状态并且能被植物利用，例如是数星期或数月。
需要螯合物对水解的高稳定性来维持锰离子的这种强螯合作用，特别是在高的土壤pH值时更是如此。至少对于会竞争螯合剂从而释放出锰离子的其它金属离子来说，该螯合物的高稳定性是重要的。这个问题尤其关键，而且对于在土壤中趋于富含三价铁离子来说，这个道理是人们所熟知的。众所周知，由于它的三价正电荷，三价铁离子能与大多数螯合试剂如EDTA或者DTPA等形成稳定的螯合物。就锰而言，它的通常形态是二价的锰阳离子，它形成的螯合物的稳定性比三价铁离子低得多。结果是如人们熟知的那样，当将二价锰螯合物施用到土壤中时，它会被土壤中的三价铁离子迅速分解而变得无效。
一个有趣的选择是使用三价的锰的螯合物，人们已知它能形成某些与三价铁离子有相同级别稳定性的螯合物。长期被用于在碱性土壤中形成它们的三价铁螯合物的苯酚类螯合试剂，例如EDDHA(EHPG)等可以是形成具有良好水解稳定性的三价锰螯合物的螯合剂的候选物，但是本发明者已经发现在含铁土壤的存在下这些三价锰螯合物也将会很快分解。
这与Ahrland，Dahlgren和Persson报道的发现(《斯堪第那维亚农业学报Acta Agric，Scand》，4101-111，1990)相一致。作者报道说三价锰螯合物比三价铁螯合物更易于水解。对于三价锰EDDHA(EHPG)螯合物，报道的水解pka值为9.3，而依据本发明的结果则显示了新型螯合物的相应的pka值至少为11。对于三价铁离子，情形是相反的。相同作者报道说水解pka值为12.7，而根据本发明的螯合物对于三价铁离子来说其pka值为大约9～10。
与三价铁螯合物具有近似级别稳定性的三价锰螯合物使得相当部分的三价锰离子在土壤中被释放。已经获得了一种对三价锰离子的选择性高于三价铁离子的高选择性螯合剂。三价锰螯合物的高稳定性是重要的，因为通过所谓的歧化两个三价锰离子可形成一个二价锰离子和一摩尔二氧化锰从而会加速不溶性锰氧化物的形成。某些土壤细菌也会促进土壤锰向二氧化物的氧化。
不希望局限于任何理论，本发明者认为本发明的螯合试剂的选择性可以用很多三价锰化合物中的三价锰离子的扭曲构型来解释。三价铁离子通常优选以规则的八面体(六配位的)形式配位，而已知三价锰离子则显示所谓的姜泰勒(John-Teller)变形。其结果是与剩下的四根(“平伏的”)键相比，两根相对的(“轴向的”)键倾向于被拉长。为了解释依据本发明的螯合试剂的选择性，认为包含四根平伏键的刚性结构或多或少地锁定了轴向配位基团伸出的两个位置。由于两个轴向配位基团上的这种限制，被拉长的三价锰离子价键的重要性是可以理解的。
在一种本发明优选的三价锰螯合物中，认为所述刚性平伏结构是由酚基和亚胺基通过人们熟知的salen结构(水杨醛和乙(撑)二胺加合物的缩写)形成的，已知三价锰在它的金属螯合物中优选为如
图1所示的稳定的平面结构。
负电荷部分地从酚基氧原子离域到亚胺基氮原子上。这种共振作用对该刚性的平面结构有利。完整的螯合物在N-N桥上具有两个羧甲基(图2)。
可以通过一分子的3，4-二氨基-1，6-己二酸与两分子的水杨醛的缩合来形成所述N-N桥。由于刚性的Salen结构，导致两个羧甲基以它们可以占据金属离子的两个轴向价键的方式被限制。这很可能是三价锰离子的轴向键较之于三价铁离子的轴向键趋于拉长的结构特征。
图3以二维的方式描述了图2中的螯合试剂。
连接氮原子的两个碳原子都是不对称的，因此分子可以两种非对映异构体存在。图3中描述的一个是外消旋的异构体，它可以按照实施例1(见下文)所描述的方法进行生产。内消旋异构体会产生不同的几何构型，但也可能具有价值。
为了进行比较，通过用硼氢化钠的还原制得了具有仲胺基而不是亚氨基的相应的螯合试剂。已经证明还原产物的三价锰螯合物对水解非常不稳定。在中性pH值时二氧化锰即开始沉淀。
除salen结构以外，其它的含有两个亚氨氮原子和两个羟基阴离子的四齿螯合单元也能够以相同的方式与三价锰离子配位并形成对三价锰离子具有相应选择性的螯合试剂基础。一些最基本的例子是那些在两个苯环上具有各种取代基的螯合单元，但是结构中的更实质性的变化将产生同样的效果。一种适当的变化是使用吡哆醛(2-甲基-3-羟基-5-羟甲基-4-吡啶甲醛代替水杨醛。更显著的变化包括由图4中显示的羟基-氧代化合物形成的羟基-亚胺类。
使用靛红(图4a)和环庚三烯酚酮(图4b)可以用同样共振-稳定的五元螯合物环替代所述Salen结构的六元螯合物环。该螯合物具有上文所示的通式结构II。
另外一种变化是使用不同的二氨基二酸作为二亚胺结构中的中央构建单元。3，4-二氨基-1，6-己二酸具有一个连接两个氮原子的二碳原子链，在本发明的范围内可以增加链长至3或者甚至是4，而仍然保持足够的稳定性和结构的刚性(在所限定的通式结构中n＝2～4)。
也可以对形成两个轴向键的两个羧基的定位进行修饰。可以通过改变将两个羧基连接到连接两个氮原子的碳原子上的链的长度来实现这一目的。链长可以在0～3之间变化(在3，4-二氨基-1，6-己二酸生成的螯合剂中，m＝1)，而仍然维持与三价锰离子的拉长的轴向键之间的相互作用。优选m＝1，2或3，最优选的是m＝1。
本发明的螯合试剂的最后一种变化是用其它的酸性配位基团，如膦酰基(-PO3H2)或者2-羟基-苯基替代所述羧基。
图6给出了依据本发明的另一种锰选择性螯合物的合成路线。实验部分与碳酸钙作用的摇振测试显示了新型螯合物的水解稳定性，其中在至少几个星期内该新型三价锰螯合物仍保持完全可溶。
发明者在接近中性pH值的条件下，通过三价铁离子和三价锰离子的对比实验证实新型螯合剂的选择性。螯合物的黄色至少在几个星期内保持稳定表明新型螯合剂具有明显的与三价锰离子配位的优选性。
因此，该新型螯合剂具有土壤施用所要求的特性。使用实际上含铁的土壤同其它三价锰螯合物的对比实验已经表明了这一点。用具有低的锰含量但具有高的铁含量的典型土壤处理本发明的新型三价锰螯合物的稀溶液和其它锰源的稀溶液，与新型锰三价螯合物作用时，可溶性锰减少得很慢并且19天以后保持大约起始含量的50％。而所有被测的其它锰螯合物在1～2天经后就被大量的不溶解化。
土壤测试显示该新型三价锰螯合物在土壤的水相中仍保持可溶状态。因而它们是可流动的，并且可以迁移并到达植物的根部。在形成局部还原环境和降低了的pH值之后，所述根部将很肯定地能够吸收二价形式的锰。已知这是植物通过三价铁离子的螯合物去稳定并吸收铁的机制。
本发明的产品以及所得的结果进一步地详细描述在实施例1～8中。新型螯合物的合成通过一分子的具有两个如上文所述连接的酸性基团的合适二氨基化合物与两分子的如上面所限定的合适的羟基-氧代化合物或者它们的合适的衍生物的缩合来制本发明的二亚胺螯合试剂。
可以使用已经是三价的锰盐，如乙酸盐、Mn(OAc)3来合成三价锰螯合物。一种替代方法是首先使用例如硫酸锰制得二价锰螯合物，然后用空气或加入例如高锰酸钾或者二氧化锰等氧化剂将其氧化成三价锰螯合物。实施例1由水杨醛和3，4-二氨基己二酸合成新型螯合剂基本上同khl在Berichte 35，173(1903)中概述的一样，通过粘康酸(2，4-己二烯-1，6-二酸)的二酰胺(diamide)合成3，4-二氨基-1，6-己二酸的双内酰胺。在khl的修饰步骤中，反式，反式-粘康酸的二甲酯(13.6克，0.080摩尔)和60ml 32％的氨水在150℃下，在高压釜中反应5小时，得到的溶液经蒸发和冷却后得到1.40克结晶的双内酰胺。
用H1NMR分析产品并且谱图与双内酰胺结构相符。由于刚性的环状结构，有可能将NMR谱图与双内酰胺的非对映体结构相关联。发现外消旋体比内消旋体与平面结构关联得更好。
通过与10ml 1N氢氧化钠一起回流5小时，将0.432克所述双内酰胺(4毫摩尔)水解。将溶液冷却到室温以后，再用盐酸将其酸化到pH值为6。晶状3，4-二氨基-1，6-己二酸二水合物的产量是0.535g。推测它仍保持了双内酰胺的外消旋结构。
将0.180克3，4-二氨基-1，6-己二酸二水合物(0.85毫摩尔)溶解于15ml水中，并用2ml 1N氢氧化钠调节pH值为10。然后加入0.244克水杨醛(2.0毫摩尔)，并将混合物在30℃下搅拌30分钟。pH值的下降和黄色的形成表明发生了缩合反应。加入一些额外的氢氧化钠以保持pH值高于8。最终pH值为8.6。将黄色溶液稀释至25ml从而获得0.04毫摩尔每毫升浓度的螯合剂。实施例2螯合剂的三价锰螯合物将实施例1中的2ml螯合剂溶液(最多0.08毫摩尔)用30ml水稀释到pH值为8.5。加入2ml 0.02摩尔浓度的硫酸锰溶液(0.04毫摩尔)，pH值为7.9。最后，为了将所有的锰转化为三价态(最终有0.05毫摩尔Mn)，滴加入2ml 0.0005摩尔浓度的高锰酸钾(0.01毫摩尔)。出现棕色，并且在15分钟内转变成稳定的赭黄色。最终pH值为8.0。实施例3新型三价锰螯合物的水解稳定性用氢氧化纳将实施例2的三价锰螯合物溶液逐步碱化。在各种pH值时取样并放在一边用于随后观察。下列表格中给出了其结果
此实施例表明该新型三价锰螯合物在pH值至少高达10.5时对水解仍是稳定的。实施例4与还原的螯合剂的对比实验将实施例1的溶液调节到浓度为10毫摩尔/升、pH值为5。每隔5分钟加入硼氢化钠直到黄色水杨基亚胺的颜色消失。然后调节pH值到8。并且在最终pH值为8时，如实施例2中所述生成三价锰螯合物，结果是立即有黑色沉淀，应该是二氧化锰。实施例5三价铁螯合物的生成及其水解稳定性用15ml水将2ml实施例1的螯合物溶液(0.08毫摩尔)稀释，并且滴加1ml 0.05摩尔浓度的三氯化铁溶液。用稀氢氧化钠将pH值提到7，得到深酒红色溶液。然后加入稀氢氧化钠溶液将溶液逐渐碱化，并在随后的1～2小时内观察其颜色。结果如下表所示
此实施例表明新型螯合剂的三价铁螯合物的水解稳定性比三价锰螯合物低，因为它在pH值为9时就已经开始水解。实施例6与三价铁离子相比本发明的新型三价锰螯合物的稳定性为了显示本发明新型螯合剂对三价锰离子配位的优选性超过三价铁离子，通过与两摩尔柠檬酸螯合制得了这些离子的稳定的、微碱性溶液。用氢氧化钠分别调节两种溶液的pH值为7.8，溶液浓度为0.001毫摩尔/毫升锰和铁。为了比较进行三个实验a)每一种溶液取10ml(0.01毫摩尔)混合，并且加入0.25克0.04摩尔浓度的实施例1中的螯合物(或配体)溶液(0.01摩尔)。b)将10ml柠檬酸锰(III)溶液与0.25克本发明螯合物溶液混合。c)将10ml柠檬酸铁(III)溶液与0.25克本发明螯合物溶液混合。
a)和b)二者都产生如实施例2中所报到的三价锰螯合物的典型的赭黄色，而c)形成红色。a)和b)的黄色稳定几个星期，很明显长期也是如此。对c)而言，溶液在大约1小时内完全变红。实施例7新型三价锰螯合物和其它锰源的土壤测试从瑞典海森堡的甜菜地中取土壤试样。先将它筛分并均化，再在经过EDTA的稀乙酸提取之后，由有认证资格的农业实验室(所谓的ICP)对它进行分析。发现每升土壤中含有1.6毫克锰、379毫克铁和970毫克钙，并且其pH值为7.1。
将每份为35克的微湿土壤同120ml含有约30ppm锰的稀溶液一起转移到250ml的玻璃瓶中。待测溶液由以下物质制成·实施例2的本发明新型锰螯合物·EDDHA(乙(撑)二胺-双-2-羟基苯基乙酸)的三价锰螯合物·DTPA(二乙(撑)三胺-五乙酸)的三价锰螯合物·EDTA(乙(撑)二胺-四乙酸)的二价锰螯合物·硫酸锰(MnSO4)在转动装置中将瓶子以每秒钟约1转的速率旋转19天。每隔一段时间取样并通过在试管离心机中离心1小时来对样品进行澄清化。再由ICP对澄清的液体样品进行分析。结果如图5所示。
离心之后的样品的颜色表明丢失的锰已经被三价铁离子取代。对于本发明新型螯合剂和EDDHA的三价锰螯合物来说，这是特别明显的。它们二者都与三价铁离子螯合产生红色。在三价锰EDDHA的土壤测试中，浅棕色在1天之后就已经变成了红色，而本发明新型三价锰螯合物在一个星期之后才仅仅表现出向桔黄色的可视变化。实施例8与碳酸钙的摇振测试用本发明新型三价锰螯合物重复实施例6中的测试，但是用分析级碳酸钙代替土壤。悬浮液的pH值为8.5。液相中的锰含量在30ppm的水平上保持恒定几星期。并且颜色保持同样的赭黄色。这表明当pH值为8.5时，本发明的新型三价锰螯合物在钙存在下仍具有优异的水解稳定性。实施例9使用环庚三烯酚酮代替水杨醛的新型螯合剂环庚三烯酚酮甲基醚具有对应于羧酸酯的活泼性。
将0.408克所述甲基醚(3.0毫摩尔)加入到0.264克3，4-二氨基己二酸(1.5毫摩尔)和0.020克氢氧化钠(5.0毫摩尔)的10ml甲醇溶液中。将所得溶液在室温下搅拌10分钟之后，向其中加入2.5ml水来溶解所有的固体。继续搅拌2小时之后，将该溶涂蒸干(40℃，20毫巴)。经过乙酸乙酯洗涤并干燥之后，所得的黄色固体螯合剂重0.50克。其NMR谱与预期来自环庚三烯酚酮和3，4-二氨基己二酸的双-亚胺相符合。
按照与实施例2类似的方法制得了新型螯合剂的三价锰螯合物，并且形成了在pH值为10时仍稳定的棕色溶液。
螯合剂与三价铁离子在pH值为5时形成红色溶液。升高pH值时，该红色在pH值为7～8时开始褪色。在pH值为10时变成黄色，并且有三价铁氢氧化物沉淀。
在pH值为9时与摩尔当量的三价锰以及三价铁离子螯合，该螯合剂显示稳定的棕色，表明了与三价锰离子螯合的优选性。实施例10另外的锰选择性螯合物的合成。
由粘康酸、氨水、水杨醛合成了一种化合物，参见图6。针对锰选择性(与铁相比较)，对该产品的性能进行了测试。酯化粘康酸(A)(步骤1)原料粘康酸19.9克(0.14摩尔)2，2-甲氧基丙烷 29克甲醇 100ml36％的盐酸3ml制法在250ml的单颈圆底烧瓶中装入粘康酸(A)和甲醇(B)。然后在搅拌下，向该淤浆中加入二甲氧基丙烷和盐酸，再将混合物回流5小时。溶剂变成浅黄色。将溶液冷却到5℃以后，过滤出白色固伴并用冷的甲醇洗涤。将固体在真空烘箱中于50℃下干燥。结果11.2克(0.066摩尔，95％)的白色粉末状粘康酸二甲酯(C)，熔点为155～157℃，纯度大于98％(NMR)。双内酰胺的合成(步骤2)原料粘糠酸二甲酯(C) 8.3克(0.049摩尔)25％的氨水100ml在150ml的高压釜中加入氨水和粘糠酸二甲酯，然后密封高压釜并加热到150℃(压力为18巴)。将混合物搅拌4小时后，冷却到室温。溶液为浅棕色并且是澄清的。
将溶液在旋转蒸发器上浓缩到±10ml之后，在5℃下放置18小时，然后过滤出针状晶体并用冷的甲醇洗涤。结果1.6克(0.011摩尔，23％)的灰白色的粉末状双内酰胺(D)。纯度大于90％(NMR)。双内酰胺(D)的开环(步骤3)原料双内酰胺(D) 1.6克(0.011摩尔)氢氧化钠1.7克(0.043摩尔)水 30ml36％的盐酸制法将1.7克氢氧化钠溶于30ml水中并在50ml单口烧瓶中搅拌，向该碱性溶液中加入双内酰胺(D)，然后升高温度并将溶液回流7小时。冷却到室温之后，将溶液慢慢酸化到pH值为6.0。此时生成了二氨基-己二酸(E)的白色沉淀。用冰浴将混合物冷却到3℃，然后过滤出白色固体并在真空烘箱中于50℃下干燥。结果1.5克(0.0085摩尔，77％)的白色固体，纯度大于97％(NMR)。锰螯合物溶液的制备(步骤4)将0.176克(1毫摩尔)二氨基己二酸(E)溶解于20ml水中，用4M的氢氧化钠(F)调节pH值为10.5。加入0.320克水杨醛。通过加入4M的NaOH保持pH值为8.6。将溶液搅拌1小时并且在容量瓶中调整到100ml。在100ml容量瓶中混合10ml螯合物溶液 10mM10ml锰(II)溶液 10mM10ml高锰酸钾溶液2.5mM调整体积到100ml，得到1mM的Mn(II)螯合物溶液(G)(pH为±8)。该产品(G)可与锰形成配合物。
本发明不受以上描述的限制，所要求的范围由随后的权利要求书限定。
权利要求
1.具有以下通式结构的螯合试剂(螯合剂)
其中n＝2～4，X＝-CR1R2-，或者
由此至少两个X符合式(III)；Y＝-COOH，-PO3H2或者邻-羟基苯基；R1，R2和R3相互独立地是H或者C1～C8烷基m＝1，2或3，最优选m＝1Z和Z′是未被取代的或者被取代的CC*＝C或CH或NZ1，Z2，Z′1和Z′2相互独立地选自H(如果C*是N则没有Z2和Z′2)和任选含有一个或多个N原子(可直接与C*相连)的C1～C10基团，从而使Z/Z1、Z/Z2和Z1/Z2中的一对以及Z′/Z′1、Z′/Z′2和Z′1/Z′2中的一对可以相连以形成具有少于20个原子的取代或未取代的(杂)(多)环结构。C*或者是芳(杂)(多)环结构的一部分，或者通过双键与Z或Z2和/或Z′或Z′2键联。
2.根据权利要求1的产品，其中所述的芳环结构和/或者双键与相应的C＝N键共轭，从而使得各N原子可共享来自羟基离解的负电荷。
3.根据权利要求1和2的产品，其中所需的共轭亚胺结构是从取代的或未取代的水杨醛衍生而来的，或者是从吡哆醛、环庚三烯酚酮、靛红、β-二酮或者2-肟基酮衍生而来的。
4.根据权利要求1～3的产品，其中所述螯合试剂具有以下具体结构
5.根据权利要求1～4任一项的螯合试剂的锰螯合物。
6.根据权利要求5的锰螯合物在植物栽培中克服锰缺乏症中的应用。
7.本发明的任何一种螯合试剂的生产方法，该方法包括使大约两摩尔当量的相关酮化合物与一摩尔当量的合适的二氨基化合物反应。
8.根据权利要求4的螯合试剂的生产方法，该方法包括使大约两摩尔当量的水杨醛与一摩尔当量的3，4-二氨基己二酸反应。
9.本发明的锰螯合物的生产方法，该方法包括使本发明的螯合试剂与二价锰盐反应并使用空气或例如高锰酸盐或二氧化锰等其它氧化剂将其氧化成为三价状态。
全文摘要
通式(Ⅰ)或(Ⅱ)所示的螯合试剂(螯合剂),其中n=2～4,X=－CR
文档编号C07C251/24GK1269782SQ98808834
公开日2000年10月11日 申请日期1998年7月1日 优先权日1997年7月9日
发明者C·L·哈堪森, M·赫斯 申请人:阿克佐诺贝尔公司