Verwendung von 5-Amino-1,2,4-thiadiazol zur Hemmung bzw. Steuerung der Nitrifikation

Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung von 5-Amino-1 ,2,4-thiadiazol, seinen Salzen, Metallkomplexen und einfachen Derivaten sowie Düngemittelzusammensetzungen, die sie aufweisen, zur Hemmung bzw. Steuerung der Nitrifikation.

Durch Nitrifikationsinhibitoren wird die mikrobielle Umwandlung von Ammoniumstickstoff zu Nitratstickstoff im Boden über einen gewissen Zeitraum gehemmt und dadurch eine verbesserte Stickstoffausnutzung durch die Pflanze bewirkt, da das Risiko der Nitratverlagerung deutlich gemindert ist. Gleichzeitig können Lachgasemissionen um über 50 % reduziert werden.

Die Anwendung von mit Nitrifikationsinhibitoren kombinierten Stickstoffdüngern ermöglicht auf Grund ihrer Wirkungsweise sowohl wirtschaftliche als auch ökologische Vorteilseffekte. Infolge der über einen Zeitraum von 4 bis 12 Wochen andauernden Hemmung der mikrobiellen Oxidation des gedüngten Ammoniumstickstoffs zu Nitrat liegt der Stickstoff vorwiegend in Form von Ammonium (für die Pflanzen verfügbar) vor und es werden N-Verluste durch Nitratauswaschung und Lachgasemissionen reduziert. Die Verminderung des Verlustpotenzials erlaubt, verbunden mit gewissen Vorteilen einer ammoniumbetonten Pflanzenernährung, eine Reduzierung des N-Aufwandes bei gleichbleibend hohem Ertragsniveau sowie eine Zusammenlegung von Arbeitsgängen, was zu arbeitswirtschaftlichen Vorteilen führt.

Mit dem Einsatz von N-stabilisierten Düngern kann zur Reduzierung der Stickstoffü- ber-schüsse in der Landwirtschaft beigetragen werden. Dies ist eine umweltpolitische Forderung, der die landwirtschaftliche Produktion zunehmend gerecht werden muss.

Nachweislich wirkt sich der Einsatz von mit Nitrifikationsinhibitoren versehenen Stickstoffdüngemitteln besonders vorteilhaft in Wasserschutzzonen aus, da durch die verzögerte Nitratbildung der Eintrag dieser N-Form in Gewässer erheblich reduziert werden kann.

Als wirksame Nitrifikationshemmer wurden unter anderem stickstoffhaltige heterocyc- lische Verbindungen, bevorzugt aus der Reihe der 1 H-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 Nitrifikationsinhibi- tor 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 Nitrifi-

kationsinhibitoren 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 A 1 , DE-OS 101 35 423 A 1) 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 Me- thylol-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 A 1) als Produkte Isomerengemische in Bezug auf die Stellung der Sub- stituenten 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 finden bzw. 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.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Verwendung von 5-Amino- 1 ,2,4- thiadiazol, seinen Salzen, Metallkomplexen und einfachen Derivaten gelöst.

Von den schwefelhaltigen Heterocyclen haben nur die 1 ,2,4-Thiadiazole eine gewisse Bedeutung als die Nitrifikation hemmende Verbindungen erlangt.

Als Voraussetzung für eine Wirkung wurde jedoch bisher das Vorhandensein von elektronenziehenden Substituenten, insbesondere in 3-Stellung, am Thiadiazol angesehen. So verursacht die Trichlormethyl-Gruppe in 3-Stellung die nitrifiziden Eigenschaften im Kontaktfungizid Etridiazol. Die Verwendung von Substanzen mit Trichlormethyl-Gruppen ist jedoch auf Grund der toxikologischen und ökotoxikologischen Eigenschaften abzulehnen.

Auch die im Patent US 4 226 609 beanspruchten 1 ,2,4-Thiadiazole enthalten eine Trichlormethylgruppe in 3-Position. In 5-Position muss sich zusätzlich ein cyclisches Amin befinden, damit die gewünschte Wirkung auftritt. Mit primären Aminen und mit einer unsubstituierten Aminogruppe in 5-Position wird eine viel schwächere Wirkung oder auch Wirkungslosigkeit unter den gewählten Testbedingungen angegeben.

In DD 229 396 A1 werden zwar auch Substanzen mit Alkyl-Substituenten in 3-Stellung beansprucht - ein die Nitrifikation inhibierender Effekt wird aber nur mit Chlor-, Amino- oder Alkylthio- in 3-Stellung substituierten Verbindungen gefunden. In 5-Stellung dieser Thiadiazole befinden sich entweder Mercapto-, Alkyl(aryl)thio- oder Alkyl- oder Arylalkylsulfonylgruppen.

In DE 103 32 288 A1 , das 1 ,2,4-Thiadiazole als Ureaseinhibitoren, die auch als Nitri- fikationsinhibitoren wirken, beschreibt, wird erstmalig auch ein Wasserstoff-Atom als Substituent in 3-Position zugelassen, Voraussetzung für die als Wirkstoffe einsetzbaren Substanzen ist aber auch hier eine Thiogruppe in 5-Position.

Aufgrund der starken Einschränkungen, die nach dem Stand der Technik für das Substituentenmuster von 1 ,2,4-Thiadiazolen, die als Nitrifikationsinhibitoren verwendet werden können, gemacht werden, war es nicht vorauszusehen, dass mit 5-Amino-1 ,2,4-thiadiazol eine Verbindung gefunden wird, die eine außerordentlich gute, die Nitrifikation hemmende Wirkung zeigt. überraschenderweise tritt dieser Effekt nicht nur bei den im Stand der Technik beschriebenen Aufwandmengen von 16 bis 1 % N-bezogen, sondern bereits bei 0,5 % N-bez. im Bodenmodelltest auf. Dies war nicht vorherzusehen, da in 3-Stellung mit Aryl- oder alkyl-substituierte 5-Amino-1 ,2,4-thiadiazole unter den gleichen Bedingungen im Bodenmodelltest keine Wirkung zeigen.

Die sehr gute Wirkung des erfindungsgemäß eingesetzten 5-Amino-1 ,2,4-thiadiazols konnte auch durch die entsprechenden Gefäß- und Feldversuche bestätigt werden.

Das erfindungsgemäß eingesetzte 5-Amino-1,2,4-thiadiazol an sich ist eine bekannte Verbindung, für die viele verschiedene Anwendungen beschrieben wurden. So wird beispielsweise über die Verwendung als aromatisches Amin zur Farbstoffbildung in WO 2005 019 816 A1 , den Einsatz als Härterkomponente für Dispergiermittel in WO 2003 027 162 A1 , die Verwendung als Wirkstoff für Immunosuppressiva in EP 455356 A1 oder als Ausgangsstoff zur Synthese von pharmazeutischen Zubereitungen in WO 2007 0775895 A2 berichtet.

Die Herstellung des 5-Amino-1 ,2,4-thiadiazols ist aus der Literatur bekannt. So kann Formamidin mit Brom oder Chlor zur Reaktion gebracht und das Zwischenprodukt anschließend mit Kaliumrhodanid zum Thiadiazol umgesetzt werden (Goerdeler et al. Chem. Ber. 87 (1954) 57-68, DE 842 346 B). Eine andere Variante besteht in der Monoiminoformulierung von Thioharnstoff mit DMF-acetal, an die sich die Umsetzung des Zwischenproduktes mit Hydroxylamin-O-sulfonsäure anschließt (C. Landreau, D. Deniaud, A. Reliquet, J. Meslin Phosphorus, Sulfur Silicon Relet. Elements 177 (2002) 2651).

5-Amino-1 ,2,4-thiadiazol ist eine leicht kristallisierende, bei 119 ⁰ C schmelzende Verbindung. Im Gegensatz zu den Pyrazolen, die teilweise leicht flüchtig sind, wie beispielsweise 3-Methyl- und 3,4-Dimethyl-pyrazol, handelt es sich um eine schwer- flüchtige, stabile Substanz, die man auch in technischen Prozessen gut handhaben kann.

Das erfindungsgemäß eingesetzte 5-Amino-1 ,2,4-thiadiazol kann auch in Form seiner Salze, Metallkomplexe oder einfachen Derivate eingesetzt werden.

Unter einfachen Derivaten sind dabei das 5-N-Hydroxymethyl-amino-1 ,2,4-thiadiazol I oder das Diol Il zu verstehen.

5-Amι

Die Derivate I und Il sind neue Verbindungen.

Das 5-N-Hydroxymethyl-amino-1 ,2,4-thiadiazol I kann durch Reaktion von 5-Amino- 1 ,2,4-thiadiazol mit Paraformaldehyd bei Temperaturen von 100 bis 200 ⁰ C, z. B. 125 bis 145 °C, ohne Lösungsmittel in der Schmelze und mit einem Molverhältnis von 5-Amino-1 ,2,4-thiadiazol zu Formaldehyd von 1 : 1 bis 2,5 : 3 entsprechend Gleichung 1 hergestellt werden.

Man kann die Reaktion auch bei Temperaturen von 40 bis 110 ⁰ C in Wasser als Lösungsmittel und mit einem Molverhältnis von 5-Amino-1 ,2,4-thiadiazol zu Formaldehyd von 1 : 1 bis 2,5 : 3 durchführen. Gegebenenfalls kann ein Alkohol oder Ace- tonitril als Lösungsvermittler zugesetzt werden.

I

Das 1 ,2-Bis-([1 ,2,4]thiadiazol-5-ylamino)-ethan-1 ,2-diol Il wird durch Reaktion von 5-Amino-1 ,2,4-thiadiazol mit Glyoxal bei Temperaturen von 10 bis 200 ⁰ C ₁ z. B. 10 bis 80 ⁰ C, in einem Lösungsmittel ausgewählt aus der Gruppe der Alkohole (wie z. B. Methanol oder Ethanol) und der Halogenkohlenwasserstoffe (wie Chloroform oder Methylenchlorid) und Wasser und mit einem Molverhältnis von 5-Amino-1 ,2,4- thiadiazol zu Glyoxal von 1 ,0 : 1 ,0 bis 2,2 : 1 ,0 entsprechend Gleichung 2 synthetisiert.

Die neue Verbindung Il kann auch hergestellt werden, in dem man die Reaktion bei Temperaturen von 20 ⁰ C bis 80 ⁰ C in Wasser als Lösungsmittel und mit einem Molverhältnis von 5-Amino-1 ,2,4-thiadiazol zu Glyoxal von 1 : 1 bis 2,2 : 1 ,0 durchführt. Gegebenenfalls kann ein Alkohol als Lösungsvermittler zugesetzt werden.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung des 5-Amino-1 ,2,4-thiadiazols, seiner Salze, Metallkomplexe und einfachen Derivaten (I und II) 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. Kalkammonsalpe- ter, Ammonsulfatsalpeter, Ammoniumnitrat, Ammoniumsulfat oder Harnstoff eingesetzt. Möglich ist auch der Einsatz des 5-Amino-1 ,2,4-thiadiazols, seiner Salze, Metallkomplexe und einfachen Derivate (I und II) 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 praktischen Einsatz. Selbstverständlich können das 5-Amino-1 ,2,4-thiadiazol, seine Salze, Metallkomplexe und einfachen Derivate (I und

II) gegebenenfalls mit weiteren üblichen Nitrifikationsinhibitoren in Kombination verwendet werden. Wirkstoffformulierungen, Lösungen und Konzentrate, welche 5-Amino-1 ,2,4-thiadiazol, seine Salze, Metallkomplexe und einfachen Derivate (I und II) 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 das 5-Amino-1 ,2,4-thiadiazol, seine Salze, Metallkomplexe und einfachen Derivate (I und II) 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 5-Amino-1 ,2,4-thiadiazol, seine Salze, Metallkomplexe und einfachen Derivate (I und II) 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 nachfolgenden Beispiele sollen die Erfindung ohne Beschränkung näher veranschaulichen.

Beispiele:

5-N-Hydroxymethyl-amino-1 ,2,4-thiadiazol I

Variante A:

Allgemeine Synthesevorschrift:

0,01 mol 5-Amino-1 ,2-4-thiadiazol und 0,01 mol Paraformaldehyd werden innig miteinander vermischt. Man erhitzt vorsichtig bis auf 140 ⁰ C und rührt die klare Schmelze 15 bis 75 Minuten bei dieser Temperatur. Man lässt das Reaktionsgemisch erstarren und reinigt gegebenenfalls durch Säulenchromatographie.

Variante B:

Allgemeine Synthesevorschrift:

0,01 mol 5-Amino-1 ,2,4-thiadiazol werden in 20 ml Methanol vorgelegt und 0,01 mol

37 %ige wässrige Formaldehydlösung zugetropft. Man erhitzt zwei Stunden unter

Rückfluss und verfolgt die Reaktion per Dünnschichtchromatographie. Man lässt das

Reaktionsgemisch abkühlen und verdampft das Lösungsmittel unter Vakuum.

Variante C:

Allgemeine Synthesevorschrift:

0,011 mol Paraformaldehyd sowie 80 mg Kaliumhydroxid werden in 25 ml Ethanol vorgelegt und auf 50 ⁰ C erwärmt bis alles gelöst ist. Nun werden 0,01 mol 5-Amino- 1 ,2,4-thiadiazol zugegeben. Man erhitzt 30 Minuten auf 50 ⁰ C und verfolgt die Reaktion per Dünnschichtchromatographie. Man lässt das Reaktionsgemisch abkühlen, verdampft das Lösungsmittel unter Vakuum und reinigt das erhaltene öl gegebenenfalls durch Säulenchromatographie..

5-N-Hydroxymethyl-amino-1 ,2,4-thiadiazol I

R _F = 0,12 (Essigsäureethylester/Dichlormethan 1 :4)

¹ H-NMR (DMSO) δ [ppm]: 4,70-4,91 (m, 2H); 5,97-6,20 (m, IH); 8,00-8,10 (m, IH); 9,06

(m, 0,5H)

¹³ C-NMR (DMSO) δ [ppm]: 68,5 (CH ₂ ); 73,4 (CH ₂ ); 160,0; 183,6

1 ,2-Bis-([1 ,2,4]thiadiazol-5-ylamino)-ethan-1 ,2-diol Il

Variante A:

Allgemeine Synthesevorschrift:

Zu einer Mischung aus 0,05 mol 5-Amino-1 ,2,4-thiadiazol und 70 ml Wasser werden bei Raumtemperatur 0,025 mol 40 %ige Glyoxal-Lösung getropft. Es wird eine Stunde auf 70 ⁰ C erhitzt. Man rührt bei Raumtemperatur nach, lässt über Nacht stehen und saugt den Niederschlag ab. Das Produkt wird gründlich mit Wasser gewaschen und getrocknet.

Variante B:

Allgemeine Synthesevorschrift:

Analog Variante A, jedoch werden 0,0275 mol 40 %ige Glyoxal-Lösung zugetropft.

Variante C:

Allgemeine Synthesevorschrift:

Analog Variante A, jedoch wird das 5-Amino-1 ,2,4-thiadiazol in 50 ml Methanol vorgelegt.

1 ,2-Bis-([1 ,2,4]thiadiazol-5-ylamino)-ethan-1 ,2-diol Il

Fp: 140-2 ⁰ C

Elementaranalyse:

C in %: ber.: 27,7 gef.: 27,5

H in %: ber.: 3,10 gef.: 3,16

N in %: ber.: 32,3 gef.: 31 ,9

¹ H-NMR (DMSO) δ [ppm]: 5,21 (s, 2H); 6,50 (d, 2H); 7,94 (s, 2H); 8,30 (d, 2H)

¹³ C-NMR (DMSO) δ [ppm]: 79,4; (CH); 159,6; 160,2; 182,4; 183,5

Ermittlung der nitrifikationshemmenden Wirkung

Die Prüfung der 1 ,2,4-Thiadiazole erfolgte in den in Tabelle 1 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 ⁰ C im dunklen Klimaraum aufbewahrt. Aus der zeitabhängigen Bestimmung des Umsatzes von Ammoni- um-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 t ₅₀ -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 = t ₅ o -Wert der Testsubstanz / 1 ₅₀ -Wert Standard

Tabelle 1: Nitrifikationshemmende Wirkung ausgewählter 1 ,2,4-Thiadiazole bei einer Wirkstoffkonzentration von 0,5 ppm

¹ Dihydrogenphosphat ² Hydrochlorid ³ 1 % N-bezogen

K-Werte um den Faktor 1 entsprechen dabei der Wirkung der Standardsubstanz. Unter diesem Aspekt kann Tabelle 1 entnommen werden, dass die erfindungsgemäßen Verbindungen über eine ausgezeichnete nitrifikationshemmende Wirkung verfügen.