专利名称：：螯合表面活性剂的植物微量营养素化合物的制作方法
背景技术：
：乙二胺三乙酸(ED3A)及其盐(如ED3ANa3)在螯合化学领域有其应用，它可以被用作制备强力螯合聚合物、脂溶性螯合剂、表面活性剂等的原料。合成乙二胺三乙酸的传统途径是通过其N-苄基衍生物来实现的，后者随后在碱性溶液中被水解为ED3ANa3，从而避免因发生环化作用而生成其2-氧-1，4-哌嗪双乙酸(3KP)衍生物。美国专利第5，250，728号(该专利所公开的内容作为参照结合于此文)公开了一种用以高产量合成ED3A或其盐和简单方法。具体地，将一种N，N＇-乙二胺双乙酸(ED2AH2)的盐与化学计算量、优选地摩尔数稍过量的甲醛在0℃-110℃之间的温度，优选地在0℃至65℃之间，pH值高于7．0的条件下一起缩合，形成一稳定的五元环中间物。在0℃至110℃之间，优选地在0℃至60℃之间的温度下向这种环化物质中加入化学计算量或摩尔数稍过量的氰化物(例如气态或液态的氢氰酸，氢氰酸水溶液或碱金属氰化物)，即形成N，N＇-双乙酸-N＇-氰甲基乙二胺或它的盐(单腈-二酸)。在不足3．0摩尔碱:1摩尔ED2AH2的情况下，在水溶液中有腈会自发环化，上述的碱包括碱金属或碱土金属的氢氧化物，环化形成2-氧-1，4-哌嗪双乙酸或其盐，这即是所需的环化中间物。在碱过量的情况下，可以高产量、高纯度地生成ED3A的盐。该专利还揭示了以ED2AHaXb为原料的一种可供选择的实施方案，其中x是一种碱性阳离子，如碱金属或碱土金属，a为1至2，b在水溶液中为0至1。该反应混合物还可被酸化以确保反应之前羧甲基1-2-氧代哌嗪(内酰胺)的完全形成。甲醛的加入主要产生羟甲基衍生物。一旦加入氰化物，即生成1-氰甲基-4-羧甲基1-3-酮哌嗪(单腈单酸)或其盐。在这一方法中，也可用HOCH2CN(甲醛与氰化物反应的产物)来取代CH2O及氰化物。一旦加入任何合适的碱或酸，这种物质即可被水解成3KP。碱的加入可打开这种环结构而形成ED3A的盐。美国专利第5，284，972号(该专利所公开的内容作为参考结合于本文)公开了N-酰基ED3A衍生物及其合成方法。ED3A的N-酰基衍生物的生产可依据以下通用的反应图式来完成起始的ED3A衍生物可以是其酸本身或其适当的盐，例如碱金属或碱土金属盐，优选是钠盐或钾盐。N-酰基ED3A盐是温和的、可被生物降解的阴离子表面活性剂。合适的酰基基团可以是各种不同长度的酰基链，包括十二烷酰(C12)，肉豆寇酰(C14)，可可酰(C8-18)，棕榈酰(C16)，壬酰(C9)及油酰(C18)。农业配方经常包括有次级营养素或微量营养素，因为几乎任何营养的缺乏都会导致作物的减产。缺乏某一特定元素的作物会表现出反映该特定元素缺陷的症状。普通营养缺乏的症状有萎黄病(叶子发黄)和坏死病(叶片有坏死部位)，氮元素的缺乏导致普遍的老叶变黄，而铁的缺乏会导致新芽退绿。锌的缺乏会引起“小叶”，硼的缺乏会引起植株变成黄褐色及失去分裂生长的能力；磷的缺乏则引起叶片变为紫色，等等。农业配方中所包含的植物营养素有金属，通常呈螯合型金属配合物的形式。EDTA和HEEDTA是最常用到的螯合剂，最常被补充的微量营养素金属有铁、铜、锰和锌。在配方中用作微量营养素的还有另外几种金属，包括硼和钼。次要营养素有硫、钙和镁。主要营养素有氮、磷和钾。现有技术中所提到的螯合剂中没有一种同时还是表面活性剂的。提供一种具有表面活性剂特性的微量金属螯合剂是合乎要求的。本发明的概述本发明解决了现有技术中存在的问题，它提供了含有N-酰基ED3A或其盐的新型的植物微量营养素化合物。这种N-酰基ED3A的衍生物可螯合各种微量金属，包括铁、铜、锌、锰、钴和镍。本发明的详细描述ED3A及其盐可依据美国专利第5，250，728号中所描述的方法或其它传统的方法进行制备。类似地，N-酰基ED3A及其盐可通过美国专利第5，250，728号(该专利作为参考结合于此文)中所描述的方法来制备。可用于起始物乙二胺三乙酸(“ED3A”)的N-酰基衍生物中的合适的酰基基团是包含有1至40个，优选8至22个，最优选8-18个碳原子的直链或带有支链的脂肪族或芳香族基团，优选的是那些从羧酸衍生而来的酰基。优选的酰基基团举例如下戊酰、己酰、庚酰、辛酰、壬酰、癸酰、十二烷酰、肉豆寇酰、棕榈酰、油酰、硬脂酰、壬酰、新戊酰、新庚酰、新癸酰、棕榈酰、壬酰、异辛酰、异壬酰、异十三烷酰、苯甲酰和萘酰。十二烷酰、肉豆寇酰、可可酰、壬酰及油酰ED3A是特别优选的，其中十二烷酰衍生物是最优选的。酰基基团的具体选择在某种程度上取决于本发明微量营养素化合物的预期溶解度。例如，石蜡油通常被用作通过叶部施用活性成分的载体，因此带有现有的长脂肪酸链的微量营养素化合物将是最优选的，因为它具有高度的脂溶性。另一方面，在含有一种表面活性剂／散播剂，如SILWET_408，的水溶液中，较短的酰基基团链(例如C10)或低级碳链，例如壬酰基ED3A，将有利于增强浸润及渗透树叶的能力。N-酰基ED3A原料优选地以其盐的形式被使用，最优选的是其碱金属盐，尤其是其钠或钾盐。钾盐是特别优选的，因为钾盐可以补充植物的营养。也可以使用其铵盐或氨基醇盐。一旦生成ED3A酸或N-酰基ED3A酸，即可以用合适的碱通过把该酸部分或完全中和而容易地转化为盐。类似地，该酸也可以通过其相应的ED3A盐或N-酰基ED3A盐与定量的酸中和反应而获得。为了制备本发明的微量金属螯合表面活性剂，把微量金属，例如以其醋酸盐的形式存在，在50～80℃时溶于N-酰基ED3A盐或ED3A盐的水溶液中，或者把其金属粉末或金属氧化物在约80℃下经长时间溶解溶于N-酰基ED3A酸或ED3A酸中。金属的合适的盐取决于所选择的特定金属。醋酸盐是优选的，因为公知的醋酸可以多价螯合多价离子，如铜。其它合适的盐举例如下硫酸铜、氯化铜、硝酸铜、氯化锌、溴化锌、硝酸锌、十一碳烯酸锌、硫酸镍铵、高锰酸钾、氯化锰、硫酸锰、氯化钻、硝酸钴、硫氰酸钴，硫酸钴、硫酸铁铵、柠檬酸铁、硫酸铁、酒石酸铁、焦磷酸铁、磷酸铁、硝酸铁、氟化铁、柠檬酸铁铵、亚铁盐、二茂铁、钼酸钠及硼砂。不同盐的混合物也可被用于制备本发明的微量矿物质植物配方。虽然钼和硼是不可缺少的植物微量营养素，但它们并不与N-酰基ED3A反应。然而，因为N-酰基ED3A具有表面活性，是有用的，所以可以用这些微量营养素制备N-酰基ED3A溶液。金属的用量与ED3A或N-酰基ED3A的比值应该约为1∶35，较低的比率(如1∶2)因为缺乏足够的螯合剂而无法完全溶解。优选用超声处理来增强溶解过程。植物营养素配方中合适的及优选的微量营养素范围如下所列微量营养素范围(ppb)优选范围(ppb)Mn0．001-50，0005-250Zn0．0001-200，0000．25-25Cu0．0001-100，0000．1-15Fe0．01-200，000200-2，000Ni0．0001-2000．001-0．05Co0．001-5000．1-1．0本发明的微量营养素溶液在纳摩尔浓度下使用即可见效。这些溶液实际上可被应用在各种各样的植物新芽、根、种子、组织、悬浮培养物或菌体中。这些微量营养素可被用于所有的进行光合作用的有机体，例如开花植物(包括被子植物和裸子植物)及隐花植物(包括蕨类植物、苔类植物、藓类植物、海藻和金鱼藻)。特别是，本发明的组合物及方法可被有利地应用于较高等的植物中，包括有真正的茎、根及叶的种类。可以受益于这些速效组合物的植物的例子包括所有的农作物，如紫花苜蓿、茴芹、bachciao、大麦、罗勤、越橘、面包果树、椰菜、包子甘蓝、甘蓝、木薯、花椰菜、芹菜、谷类、芫荽叶、咖啡、玉米、棉花、越桔、黄瓜、莳萝、茄子、茴香、葡萄、谷物、大蒜、羽衣甘蓝、韭菜、豆类、莴苣、甜瓜、薄荷、芥菜、甜瓜、燕麦、洋葱、欧芹、花生、胡椒、马铃薯、藏红花、豆荚、莴苣、稷、欧洲防风草、豌豆、胡椒、胡椒薄荷、南瓜、萝卜、水稻、芝麻、高梁、大豆、菠菜、南瓜、斯替维亚属植物、草莓、向日葵、番薯、糖用甜菜、甘蔗、茶树、烟草、西红柿、萝卜、小麦、山药、小胡瓜等；梨果及其它结果植物，例如苹果、鳄梨、香蕉、面包果、樱桃、柑橘、可可豆、无花果、番石榴、澳大利亚坚果、芒果、莽吉柿、坚果、橄榄、木瓜、西蕃莲果、梨、胡椒、洋李、桃子等等；开花植物，例如着属植物、藿香、庭荠、银莲花、耧斗菜、紫苑、杜鹃花、秋海棠、天堂鸟、荷色牡丹、琉璃苣、凤梨、九重葛、醉鱼草、仙人掌、金盏草、山茶、风铃草、苔属植物、麝香石竹、青箱属、菊花、铁线莲、醉蝶花属、紫锦苏、大波斯菊、番红花、巴豆、仙客来、大丽花、黄水仙、雏菊、萱草属、飞燕草、石竹、洋地黄、白绒毛矢车菊、卫矛，勿忘我、弗里芒木属、灯笼海棠、桅子、杂色菊属、天竺葵、大丁草、苦苣苔属、银杏、剑兰、芙蓉、绣球花、凤仙花、茉莉、百合、紫丁香、lisianthus、半边莲、万寿菊、松叶菊、沟酸浆属、勿忘我草、新几内亚凤仙花、星莲属、月见草属、夹竹桃、兰花、酢浆草、三色紫罗兰、钓钟柳属、牡丹、矮牵牛花、一品红、花葱属、蓼属、罂粟、马齿苋属、樱草属、毛莨属、杜鹃花属、蔷薇属、鼠尾草、千里光属、流星、金鱼草、茄属、一枝黄花属、紫罗兰、ti、蝴蝶草属、郁金香、马鞭草属、长春花、堇菜属、紫罗兰、百日菊等等；多叶植物诸如榕属、蕨类植物、hosta、喜林芋等等；树木，例如冷杉属、白桦、雪松、山茱叟、柏树、榆树、冷杉、杜松、木兰、桃花心木、枫树、橡树、棕榈、云杉属、松属、海桐花属、车前草、白杨、红杉、柳属、小无花果树、紫杉、柚木、柳树、红豆杉、圣诞树等等；草，例如肯德基对蓝草、翦股颖属、草皮、羊茅属、狼尾草属、虉草属、calamogrostis、披碱草属、异燕麦属、白茅属、molina、苔属、芒属、黍属等等；原植体植物，例如蕨类植物和藻类。藻类包括海草，例如海藻、麒麟菜属、紫菜类、甘紫菜、翅藻属和裙带菜。其它可受益于本发明组合物及方法的应用的植物对于本领域技术人员是显而易见的。实施例110％十二烷酰ED3A钠盐溶液的制备氢氧化钠溶液是用FisherScientific的ACS级氢氧化钠及双蒸水配制的。把十二烷酰ED3A(LED3A)酸分散在双蒸水中并用氢氧化钠中和到pH6．5。把每摩尔的LED3A中和到pH6．5需要大概2摩尔的NaOH。用双蒸水把溶液调到LED3A钠盐浓度刚好为10％。实施例2金属螯合物溶液的制备A．铜螯合物溶液的制备用一四位数字的OhausGA200数字式天平称量0．07671g一水合乙酸铜(分子量199．64)，置于一干净的20ml细颈瓶中。用实施例1中的LED3A钠盐溶液把重量补足到10．00g。所得溶液是清澈的蓝色。根据一水合乙酸铜的分子量进行计算，可得溶液中铜(原子量63．55)的浓度为2442ppm。把等量的一水合乙酸铜溶解于双蒸水中制得铜的对照溶液。用双蒸水把重量补足到10．00g。清澈的蓝色的溶液中含有2442ppm的铜(原子量63．55)。B．锌螯合物溶液的制备称取二水合乙酸锌(分子量219．49)，置于一干净的20ml细颈瓶中。用实施例1中的LED3A钠盐溶液把重量补足到10．00g。所得清澈的溶液含有2514ppm的锌(原子量65．39)。把等量的二水合乙酸锌溶解于双蒸水中制得锌的对照溶液。用双蒸水把重量补足到10．00g。清澈蓝色的溶液中含有2514ppm的锌。C．镍螯合物溶液的制备称取四水合乙酸镍(Ⅱ)(分子量248．86)置于一干净的20ml细颈瓶中。用实施例1中的LED3A钠盐溶液把重量补足到10．00g。所得溶液含有2257ppm的镍(原子量58．69)。把等量的四水合乙酸镍(Ⅱ)溶解于双蒸水中制得镍的对照溶液。用双蒸水把重量补足到10．00g。所得溶液含有2257ppm的镍。D．锰螯合物溶液的制备称取四水合乙酸锰(Ⅱ)(分子量245．09)置于一干净的20ml细颈瓶中。用实施例1中的LED3A钠盐溶液把重量补足到10．00g。所得溶液含有2497ppm的锰(原子量54．93805)。把等量的四水合乙酸锰(Ⅱ)溶解于双蒸水中制得锰的对照溶液。用双蒸水把重量补足到10．00g。所得溶液含有2497ppm的锰。E．钻螯合物溶液的制备称取四水合乙酸钴(分子量249．08)，置于一干净的20ml细颈瓶中。用实施例1中的LED3A钠盐溶液把重量补足到10．00g。所得溶液含有2266ppm的钴(原子量58．93320)。把等量的四水合乙酸钴溶解于双蒸水中制得钴的对照溶液。用双蒸水把重量补足到10．00g。所得溶液含有2266ppm的钴。F．铁螯合物溶液的制备称取氯化铁(分子量162．22)，置于一干净的20ml细颈瓶中。用实施例1中的LED3A钠盐溶液把重量补足到10．00g。所得溶液含有2148ppm的铁(原子量55．847)。把等量的氯化铁溶于双蒸水中制得铁的对照溶液。用双蒸水把重量补足到10．00g。所得棕色澄清溶液含有2148ppm的铁。G．钼表面活性剂溶液的制备称取钼酸铵(分子量196．02)，置于一干净的20ml细颈瓶中。用实施例1中的LED3A钠盐溶液把重量补足到10．00g。所得溶液含有3690ppm的钼(原子量95．94)。把等量的钼酸铵溶于双蒸水中制得钼的对照溶液。用双蒸水把重量补足到10．00g。所得溶液含有3690ppm的钼。H．硼表面活性剂溶液的制备称取硼酸(分子量61．83)，置于一干净的20ml细颈瓶中。用实施例1中的LED3A钠盐溶液把重量补足到10．00g。所得溶液含有415．4ppm的硼(原子量10．811)。把等量的硼酸溶于双蒸水中制得硼的对照溶液。用双蒸水把重量补足到10．00g。所得溶液含有415．4ppm的硼。实施例3在UniversityofWyoming，Laramie，WY的JohnNishio实验室中一个可对其环境进行控制的生长室中用溶液培养小麦CV．Genevn植株。把光照黑暗光周期设定为16∶8小时。光照期温度为23℃，夜里温度为19℃相对湿度为60％至70％。用330μmol(m-2)(S-1)的具光合作用活性的辐射对植株进行光照。小麦植株在经过酸洗的沙中发芽。让其生长12天，然后把小麦植株移植到用蒸馏水当介质的液体培养基中。对照植株是在含有含微量营养素乙酸盐的Hoagland溶液的13．5升黑桶中培养的。把经过处理的植株培养在另外一组含配制有十二烷酰-ED3A(LED3A)微量营养素的Hoagland溶液的桶中。在每一个桶中，把5株植株培养在0．01X的Hoagland溶液中。在含有0．05XHoagland溶液的桶中则培养6株植株。在小麦液体培养基中所使用的0．01X及0．05XHoagland稀释液中所含的大量营养素化合物的最终浓度(ppm)为化合物Hoagland稀释液1X0．05X0．01XKNO3505ppm25．3ppm5．1ppmCa(NO3)2118159．111．8MgSO449324．54．9KH2PO41366．81．4在0．01XHoagland溶液中所含有的各种微量金属的最终纳摩尔(nM)及ppb浓度如下元素最终浓度(nM)最终金属ppbB4605Cu3．10．2Fe89550Mn905Mo10．1Zn7．70．5在用于对小麦进行溶液培养的0．05XHoagland溶液中所含有的各种微量金属的最终ppb浓度为元素最终金属ppbB25Cu1Fe250Mn25Mo0．5Zn2．5在所有的液体培养基中，所用的稀释液及溶液培养介质是蒸馏水。在于0．01XHoagland溶液中生长9天之后，把每种经处理的植株中芽最长的三株植株用以分析。在于0．05XHoagland溶液中生长30夭之后，把芽最长的四株植株用以分析。当使用的是0．01XHoagland溶液时，在把植株转移到微量营养素乙酸盐溶液中进行液体培养不久后即出现营养缺乏症状，而当使用的是本发明的微量营养素溶液时，营养缺乏的症状并不明显。当使用的是0．05XHoagland溶液的时候，在观察到使用了本发明的微量营养素溶液的植株出现症状之前，植株的营养缺乏症状已经充分发作了。这样就可以测量到这些小麦在干重(DW)生长上的显著区别、具体如下处理营养液干重总量LED3A0．05X2．13±0．57对照0．05X1．59±0．19P*0．07*n=6。几率是通过双尾Student氏T测验来确定的生长在本发明溶液中的小麦植株的芽和根都较长，其生物量的积累也增加。这些结果表明，植物对本发明的微量营养素溶液的利用效率比起其对现有技术的微量营养素乙酸盐的利用效率更高。因为0．01XHoagland溶液通常并不被用于植物生长，所以缺乏症状的发作很快。结果表明本发明的溶液可以在纳摩尔的浓度被有效地应用于植物的生长。经过3天的溶液培养之后，生长于含有N-酰基ED3A的0．01XHoagland溶液中的小麦植株的芽，显著地要比生长于微量营养素乙酸盐的植株的芽要大。后者的芽有严重的营养缺乏症状，在实验早期即出现坏死，表现出典型的铁缺乏的症状。不同的是，生长于速效溶液中的植株随后出现萎黄病并在收获时出现坏死。使用0．05X的Hoagland溶液可使生长期加长，结果，其生物量的积累与生长于0．01X溶液中的相比较，有更大的区别。生长于0．05X的Hoagland溶液中的小麦植株也会出现坏死，但没有那么快。同样，植株变黄并坏死，铁缺乏的症状明显。生长在本发明的N-酰基ED3A微量营养液中的植株比起对照，出现营养缺乏症状要晚得多。实施例4在UniversityofWyoming，Laramie，WY的JohnNisho实验室中一个可对其环境进行控制的生长室中用溶液培养制糖甜菜CV．Monohikari植株。把光照黑暗光周期设定为16∶8小时。光照期温度为23℃，夜里温度为19℃，相对湿度为60％至70％。用330μmol(m-2)(S-1)的具光合作用活性的辐射对植株进行光照。制糖甜菜植株在经过酸洗的沙中发芽。证其生长16天，然后把植株移植到溶液培养基中。对照植株是在含有含微量营养素乙酸盐的Hoagland溶液的13．5升黑桶中培养的。把经过处理的植株培养在另外一组含有配制有十二烷酰-ED3A(LED3A)微量营养素的Hoagland溶液的桶中。在制糖甜菜液体培养基中所使用的0．1XHoagland溶液中所含的大量营养素化合物的最终浓度(ppm)为化合物0．1XHoagland溶液KNO350．5ppmCa(NO3)2118．1MgSO449．3KH2PO413．6营养液中所含的各种微量金属的ppb浓度为元素最终ppbB50Cu2Fe500Mn50Mo1Zn5在所有的液体培养基中，所用的稀释液及溶液培养介质是蒸馏水。在转移到0．1XHoagland溶液培养液42天之后，挑选每种经处理的及对照的制糖甜菜植株中最大的四株植株进行分析。LED3A微量营养素比起对照，显著地增加了经溶液培养的制糖甜菜的鲜重(FW)产量，列表如下<tablesid="table1"num="001"><table>处理LED3A对照P*[营养物]0．01X0．01X总鲜重／植株(g)32．80±5．5626．85±2．200．14</table></tables>*n=4，几率是用双向Student氏T-测验测量的。比起对照，在LED3A微量营养素中生长的制糖甜菜的根和芽更大，而且植株的总鲜重也更大，运显示LED3A微量营养素比微量营养素乙酸盐能提供更好的营养和生长。对照植株在经LED3A微量营养素处理的植株很早之前就出现营养缺乏症状。在溶液培养的第42天，所有的植株及叶子都变黄；然而，在收获时，对照植株的较老的叶子中出现坏死组织，而在那时候经LED3A微量营养素处理的植株则未发生坏死。权利要求1．一种含有N-酰基乙二胺三乙酸或其盐的微量营养素溶液，其中所述的酰基是一含有1至40个碳原子的直链或带支链的脂肪族或芳香族基团，而且其中所述的微量营养素含有铁、铜、锌、锰、钴、镍、钼及硼这一组营养素中的一种或多种。2．如权利要求1中所述的微量营养素溶液，其中所述的酰基基团是十二烷酰。3．如权利要求2中所述的微量营养素溶液，其中所述的盐为钾盐。4．如权利要求1中所述的微量营养素溶液，其中所述微量营养素的浓度(ppb)为Mn0．001-50，000Zn0．0001-200，000Cu0．0001-100，000Fe0．01-200，000Ni0．0001-200Co0．001-5005．一种给植物提供营养素的方法，包括把有效量的微量营养素溶液放在植物所在位置之上或之内，所述的微量营养素溶液含有N-酰基乙二胺三乙酸或其盐，其中所述的酰基基团是一含有1至40个碳原子的直链或带支链的脂肪族或芳香族基团，而且其中所述的微量营养素含有铁、铜、锌、锰、钴、镍、钼及硼这一组营养素中的一种或多种。6．如权利要求5中所述的方法，其中所述的N-酰基乙二胺三乙酸或其盐是十二烷酰乙二胺三乙酸或其盐。7．十二烷酰乙二胺三乙酸钴。8．十二烷酰乙二胺三乙酸锰。9．十二烷酰乙二胺三乙酸锌。全文摘要含有N－酰基ED3A或其盐的植物微量营养素化合物。N－酰基ED3A衍生物螯合各种不同的微量金属,包括铁、铜、锌、锰、钴及镍。文档编号C07C229/76GK1279660SQ98811529公开日2001年1月10日申请日期1998年11月5日优先权日1997年11月25日发明者A·M·诺诺穆拉,B·A·库伦,J·J·克鲁登,J·N·尼施奥申请人:汉普郡化学公司