Tijdens de Tweede Wereldoorlog leidde onderzoek naar gechloreerde fenoxyverbindingen tot de ontdekking van 2,4-dichloorfenoxyazijnzuur (2,4-D) als selectief herbicide. Deze ontdekking bracht een revolutie teweeg in de onkruidbestrijding in grassen en verwante gewassen zoals granen, rijst en suikerriet.
Patenten die vóór 1950 werden uitgegeven, met name door American Chemical Paint Co. (nu Union Carbide) en Dow Chemical, documenteerden deze vroege ontwikkeling.
Ondanks het verlopen van patenten en concurrentie van nieuwere herbiciden, blijven chloorfenoxyverbindingen een belangrijk wereldwijd marktsegment. In 1982 bereikte de geschatte productiecapaciteit voor chloorfenoxyalkaanzuren en derivaten bijna 200.000 ton. Zwakke prijzen en een verminderde vraag leidden echter tot een daling van 10% in de wereldwijde productie in 1983.
Inhoudsopgave
Tabel 1 bevat de meest prominente chloorfenoxyalkaanzuurherbiciden. Deze worden geformuleerd als in water oplosbare zouten of in olie oplosbare/emulgeerbare esters.
2,4-D en MCPA zijn de belangrijkste producten qua volume, gevolgd door mecoprop en dichloorprop. De productie van 2,4,5-T en fenoprop is grotendeels stopgezet vanwege zorgen over dioxineverontreiniging tijdens hun productieprocessen.
| Algemene naam | Chemische naam (IUPAC) | CAS-nummer | Formule | Molecuulgewicht (g/mol) |
|---|---|---|---|---|
| 2,4-D | (2,4-dichloorfenoxy)azijnzuur | [94-75-7] | C8H6Cl2O3 | 221,04 |
| 2,4-DB | 4-(2,4-dichloorfenoxy)boterzuur | [94-82-6] | C10H10Cl2O3 | 249,09 |
| Dichloorprop | 2-(2,4-dichloorfenoxy)propionzuur | [120-36-5] | C9H8Cl2O3 | 235,05 |
| MCPA | (4-chloor-o-tolyloxy)azijnzuur | [94-74-6] | C9H9ClO3 | 200,63 |
| MCPB | 4-(4-chloor-o-tolyloxy)boterzuur | [94-81-5] | C11H13ClO3 | 228,68 |
| Mecoprop | 2-(4-chloor-o-tolyloxy)propionzuur zuur | [93-65-2] | C10H11ClO3 | 214,66 |
| 2,4,5-T | (2,4,5-trichloorfenoxy)azijnzuur | [93-76-5] | C8H5Cl3O3 | 225,49 |
| Fenoprop | 2-(2,4,5-trichloorfenoxy)propionzuur | [93-72-1] | C9H7Cl3O3 | 269,53 |
1. Industriële productie van fenoxyherbiciden
Het Pokorny-proces, voor het eerst beschreven in 1941, blijft de dominante methode voor het produceren van technische chloorfenoxyzuren. Dit proces omvat het laten reageren van een chloorfenol met een chlooralkaanzuur onder alkalische omstandigheden (ongeveer 100 °C) in een waterig medium of een organisch oplosmiddel zoals tolueen, xyleen of chloorbenzeen. De reactie kan als volgt worden samengevat:
Het resulterende zout wordt vervolgens gehydrolyseerd om het vrije zuur te verkrijgen, dat verder wordt gezuiverd door herkristallisatie met een organisch oplosmiddel of stoomdestillatie. Chloorfenoxyzuren afgeleid van 2-chloorpropionzuur bevatten een asymmetrische koolstof en worden geïsoleerd als racemische mengsels.
Een schematische weergave van het Pokorny-proces voor de productie van 2,4-D, de zouten en esters ervan wordt geïllustreerd in Figuur 1.
Figuur 1: Productie van 2,4-dichloorfenoxyazijnzuur (2,4-D), evenals de zouten en esters ervan
a) Neutralisatievat; b) Reactieketel; c) Zuurketel; d) Precipitatievat; e) Zuigfilter; f) Droger; g) Molen; h) Filter; i) Veresteringsketel; j) Aminatieketel
Het type en de hoeveelheid bijproducten die tijdens het Pokorny-proces worden gevormd, zijn sterk afhankelijk van de zuiverheid van de uitgangschloorfenolen. Zo wordt bijvoorbeeld 2,4-dichloorfenol, een voorloper van 2,4-D, dichloorprop en 2,4-DB, doorgaans verkregen door fenolchlorering.
Dit proces levert 2,6-dichloorfenol en 2,4,6-trichloorfenol op als onzuiverheden. Als de chlorering echter wordt uitgevoerd in vloeibaar zwaveldioxide onder het kookpunt, kan het deze bijproducten minimaliseren.
Soortgelijke overwegingen gelden voor de productie van MCPA, MCPB en mecoprop. Deze herbiciden gebruiken chloorfenolen die zijn afgeleid van o-cresol, een gemakkelijk verkrijgbaar bijproduct van de destillatie van steenkoolteer, met name in Europa.
Hoewel chlorering primair gericht is op de 4e positie van het molecuul, worden er ook aanzienlijke hoeveelheden 6-chloor- en 4,6-dichloor-2-methylfenol gevormd wanneer chloor of alkalihypochlorieten worden gebruikt als chloreringsmiddelen. Het gebruik van sulfurylchloride voor chlorering biedt een oplossing om een zuiver product te verkrijgen.
Een andere methode wordt gebruikt voor de productie van 2,4,5-trichloorfenol, waarbij de hydrolyse van 1,2,4,5-tetrachloorbenzeen met behulp van natriumhydroxide plaatsvindt.
2,4-D kan ook worden geproduceerd door chlorering van fenoxyazijnzuur, maar het bijproduct 2,4-dichloorfenol staat bekend om zijn sterke geur. De chlorering van tolyloxyazijnzuur levert voornamelijk het gewenste 4-chloorderivaat op met minimale onzuiverheden.
Voor fenoxyboterzuurderivaten zoals 2,4-DB en MCPB wordt γ-butyrolacton vaak gebruikt om de chloorfenolen te acyleren. Een andere methode is de vorming van het geschikte chloorfenolaat en het laten reageren met een chlooralkaanzuurester.
De resulterende fenoxyester kan worden omgezet in vrij zuur of direct worden gebruikt in in olie oplosbare herbicideformuleringen.
In water oplosbare fenoxyzuurzouten worden gevormd met verschillende kationen, waaronder alkalimetalen, ammoniak en organische aminen. Magnesium- en calciumzouten van 2,4-D en MCPA hebben een lagere wateroplosbaarheid vergeleken met hun natrium- en kaliumtegenhangers. Olieoplosbare zouten zijn afgeleid van langeketenvetzuuraminen.
Belangrijke producenten van technische chloorfenoxyzuren en derivaten zijn onder meer Akzo Zout (Nederland), BASF en Bayer (Duitsland), Chemie-Linz (Oostenrijk), Dow (VS en Brazilië), Koge (Denemarken), A.H. Marks en May & Baker (VK), Rhône-Poulenc (Frankrijk) en Vertac (VS).
2. Toepassingen van fenoxyherbiciden
Fenoxyherbiciden worden voornamelijk gebruikt voor selectieve bestrijding van breedbladige onkruiden in granen, weilanden en graszoden. Ze worden ook gebruikt voor het verwijderen van struiken in weidegronden, bossen en niet-bouwlandgebieden.
De toepassingsdoses variëren aanzienlijk, variërend van 0,25 kg/ha voor graangewassen (lage dosis) tot 16 kg/ha voor plaatselijke behandeling van individuele bomen (hoge dosis).
Voor specifieke doeleinden van plantengroeiregulatie in fruitboomgaarden kunnen zeer verdunde oplossingen van 2,4-D en fenopropderivaten worden gebruikt.
De keuze van het herbicide hangt af van de specifieke planten die moeten worden bestreden. Bijvoorbeeld:
- 2,4,5-T en fenoprop zijn effectief tegen houtachtige planten en kruidachtige onkruiden die resistent zijn tegen 2,4-D.
- Dichloorprop, fenoprop en mecoprop worden gebruikt om vogelmuur en andere ongewenste planten in gazons en grasmatten te bestrijden.
- Boterzuurderivaten zoals 2,4-DB en MCPB zijn geschikt voor gebruik op gevoelige gewassen (erwten, pinda’s, sojabonen en peulvruchten), omdat ze pas herbicide worden nadat ze β-oxidatie ondergaan om ze om te zetten in azijnzuur derivaten.
Fenoxyherbiciden kunnen alleen of in mengsels met andere herbiciden worden toegepast. Formuleringen omvatten oplossingen, dispersies of emulsies in water of olie. Toepassingsapparatuur genereert grote druppels om spuitdrift te minimaliseren.
Terwijl vluchtige derivaten zoals isopropyl- en butylesters van 2,4-D en 2,4,5-T effectief zijn voor onkruid- en struikbestrijding in niet-bouwlandgebieden, vormen formuleringen met weinig vluchtige langketenesters en aminezouten een lager risico op schade aan nabijgelegen gewassen of gewenste vegetatie.
Voor de bestrijding van onkruid in water zijn korrelige zoutformuleringen van 2,4-D of fenoprop gebruikt, hoewel langerwerkende esterformuleringen een betere werkzaamheid bieden.
De distributie, marketing en toepassing van pesticiden zijn in de meeste landen onderworpen aan strenge regelgeving. Deze regelgeving wordt gehandhaafd via nationale wetten of door naleving van beoordelingen die worden uitgevoerd door deskundige commissies onder internationale organisaties zoals de Voedsel- en Landbouworganisatie (FAO), de Wereldgezondheidsorganisatie (WHO) en de Codex Alimentarius Commissie.
Etiketten op fenoxyherbicidecontainers ondergaan afzonderlijke registratieprocedures in zowel exporterende als importerende landen, vaak zelfs op staatsniveau binnen een land. Dit gedetailleerde etiket specificeert:
- De aard en hoeveelheid van de actieve ingrediënten.
- Noodzakelijke voorzorgsmaatregelen om risico’s voor mensen, vee, wilde dieren en het milieu te minimaliseren.
- Precieze toepassingsomstandigheden voor elk goedgekeurd gebruik.
Geformuleerde fenoxyherbiciden bevatten vaak inerte ingrediënten die zoutneerslag voorkomen bij verdunning met hard water of helpen bij het dispergeren of emulgeren van esters in olie of olie-watermengsels. Olieconcentraten zijn minder corrosief dan emulgeerbare concentraten of zoutoplossingen, maar zijn wel brandbaarder en vereisen strengere etikettering voor veilig transport, opslag en verwerking.
3. Toxicologie van fenoxyherbiciden
Uitgebreide studies hebben de toxicologie van chlorofenoxyherbiciden onderzocht in verschillende diermodellen, waaronder vee, vogels, vissen en proefdieren. Bovendien hebben farmacokinetische studies bij dieren en mensen aangetoond dat deze verbindingen niet bioaccumulatief zijn.
Chlorofenoxyalkaanzuren, hun derivaten en geformuleerde producten worden geclassificeerd als matig toxisch op basis van acute studies met enkele hoge doses die oraal, dermaal of via inhalatie worden toegediend bij verschillende diersoorten.
Volgens de classificatie van de Wereldgezondheidsorganisatie (WHO) vallen 2,4-D en 2,4,5-T onder klasse II (matig gevaarlijk), met acute orale LD50-waarden van respectievelijk 375 en 500 mg/kg lichaamsgewicht bij ratten.
Andere fenoxyherbiciden behoren tot klasse III (licht gevaarlijk) en vertonen acute orale LD50-waarden (mg/kg) bij ratten als volgt: fenoprop (650), MCPB (680), 2,4-DB (700), MCPA (700), dichloorprop (800) en mecoprop (930). De acute orale toxiciteit van zouten en esters is vergelijkbaar met die van de oorspronkelijke zuren op een zuur-equivalent basis.
Honden vertonen een hogere gevoeligheid voor chloorfenoxyalkaanzuren vergeleken met ratten, terwijl vogels minder vatbaar zijn. Vee kan zelfs hogere doses verdragen zonder duidelijke nadelige effecten. Fenoxyherbiciden zijn niet schadelijk voor bijen. De LC50 in vissen kan variëren van minder dan 1 mg/L voor esters tot meer dan 100 mg/L voor zuren en zouten.
Droge vormen van de zuren veroorzaken slechts milde oog- en huidirritatie. Langdurig of herhaald contact met geconcentreerde oplossingen of bevochtigde poeders kan echter brandwonden veroorzaken. Onderzoeken met konijnen die gedurende drie weken werden blootgesteld aan verdunde oplossingen van geformuleerde producten die dimethylamine-zout, isooctylester of butylester van 2,4-D bevatten, lieten geen significante nadelige systemische effecten zien.
Hoewel fenoxyverbindingen geen acute toxiciteit vertonen in dermale en inhalatieonderzoeken, is de kans groter dat beroepsmatige blootstelling via deze routes plaatsvindt dan via inname.
Het is cruciaal om passende voorzorgsmaatregelen te nemen om huidverontreiniging met technische materialen of concentraten te voorkomen en om langdurige inademing van damp of stof te vermijden. Beroepsmatige blootstellingslimieten voor 2,4-D en 2,4,5-T zijn vastgesteld op 10 mg/m³ in zowel de Verenigde Staten (TWA) als Duitsland (MAK).
Tekenen en symptomen van acute overmatige blootstelling bij mensen werden alleen waargenomen in gevallen van zelfmoord door inname van grote hoeveelheden 2,4-D-producten of als gevolg van significante dermale blootstelling als gevolg van slechte beroepsmatige hygiënepraktijken.
Het acute no-observed-adverse-effect level (NOAEL) voor biologische effecten bij mensen werd geschat op maar liefst 36 mg/kg lichaamsgewicht voor 2,4-D of het equivalent daarvan in alkalizouten, aminezouten of esters.
Studies met herhaalde orale toediening van 2,4-D, 2,4,5-T, MCPA of fenoprop (als zuren, zouten of esters) aan vee en proefdieren (behalve honden) in doses tot 50 mg/kg lichaamsgewicht lieten minimale of geen effecten zien.
Omkeerbare embryotoxische of foetotoxische effecten werden waargenomen bij de nakomelingen van drachtige ratten en muizen die dagelijkse doses van meer dan 40 mg/kg kregen tijdens de organogenese. Echte teratogene effecten, zoals een gespleten gehemelte, werden echter alleen gezien bij muizen die 2,4,5-T kregen toegediend, wat mogelijk toe te schrijven is aan hoge niveaus van TCDD-verontreiniging in bepaalde zuur- en estermonsters van technische kwaliteit.
Voedingsonderzoeken met fenoxyzuren en derivaten bij ratten, honden en muizen zijn uitgevoerd gedurende perioden variërend van 3 maanden tot 2,5 jaar om de potentie voor chronische toxiciteit, carcinogeniteit en reproductieve effecten te beoordelen. Belangrijkste bevindingen zijn:
- 2,4-D: Chronische voedingsonderzoeken met 2,4-D lieten geen significante effecten zien bij ratten tot een matige dosis (equivalent aan 31 mg/kg/dag). Bij een hogere dosis werden de overleving en het gewicht van de nakomelingen verminderd.
- 2,4,5-T: Onderzoeken met gezuiverd 2,4,5-T veroorzaakten effecten bij ratten bij hoge doses. Studies met materiaal van technische kwaliteit (met onzuiverheden) deden dit echter niet.
- Andere herbiciden: Studies met fenoprop, MCPA en mecoprop lieten geen significante effecten zien bij gematigde doses. MCPA veroorzaakte enkele sterfgevallen bij de hoogste dosis, maar deze werden toegeschreven aan infecties. Er zijn verdere studies gaande voor MCPA.
Het bewijs voor carcinogeniciteit is niet doorslaggevend voor de meeste chlorofenoxyherbiciden, behalve TCDD, dat is geclassificeerd in groep 2B (voldoende bewijs voor carcinogeniciteit bij dieren en onvoldoende bewijs bij mensen en in kortetermijntests). Er is beperkt bewijs dat wijst op een potentiële carcinogeniciteit bij mensen door beroepsmatige blootstelling aan chlorofenolen en fenoxyazijnzuurherbiciden.
Referenties
- Chlorophenoxyalkanoic Acids; Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. – https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/14356007.a07_009
- Phenoxy Herbicides (2,4-D); Hayes’ Handbook of Pesticide Toxicology. – https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/B9780123743671000847
