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化学型农药缓释剂
台立民a 刘冬雪b 沈永嘉a
a b
(华东理工大学, 上海200237) (沈阳化工研究院, 沈阳110021)
摘要 介绍了控制释放技术及其在农药生产中的应用, 论述了农药控制释放剂型在减轻环境污染、减少农药使用量以及提高农药施用安全性的作用, 并详细论述了化学型农药缓释剂的原理、制备技术和活性物质释放的影响因素。天然的、可生物降解的高分子化合物用于控制释放越来越为人们重视, 正成为农药制剂研究的发展方向。关键词 控制释放 农药 高分子化合物 缓释剂
1 引言
随着化学技术的发展, 人们不断地研制出具有各种功能的生物、化学制剂, 如药物、农药、高效化学肥料等。这些对于推动化学工业的发展, 提高人们的生活质量起到了重要作用。化学农药的普遍使用, 一方面为农、林、家庭和公共卫生防疫及粮油食品贮存中病、虫、草、鼠害的防治提供了强有力的保障; 另一方面也带来了环境污染、残毒及抗药性等问题。特别是近十年里, 有机氯和有机磷农药使用量的加大, 导致了水质、土壤、空气和农产品被药剂的代谢物污染更加严重。环境保护在世界范围日益受到重视。对农药的毒性、安全性、残效性的规定更加严格。创制新的农药必须满足下列条件:(1) 安全性更高, 农药必须对生产工人安全, 对非靶标生物无害; (2) 药效更高, 在低剂量下农药必须显示出良好的始药效和残效; (3) 价格便宜, 制造成本低, 成本效能良好。这就使得创制可以满足各种性能要求的新农药的几率降低, 农药开发的时间增长, 开发费用增加。在农药领域, 除一些资金和技术力量雄厚的大公司仍在从事这方面的研究外, 而大多数研究人员渐渐地把目光转移到开发各种新的剂型和施用技术上。对于老的农药品种的物理化学性能进行改良, 扬长避短, 最大限度地发挥其效用, 既可节省劳力又可以节省资源。根据文献报道, 传统方法的药剂有效率只有20%～30%,农药和化肥的流失率达到50%～60%。这不仅在经济上造成浪费, 而且可能造成大面积的环境污染。因此, 释放数量可控、释放时间可控和释放空间可控, 一直是化学农药新剂型研究的一个重要方向〔1～3〕。1. 1 控制释放技术
控制释放技术是指在一个特定系统中, 对特定的靶标, 该系统内的活性物质可按照预先设定的浓受到工业界, 尤其是制剂加工业的广泛注意。
目前世界上出现的农药剂型若按有效成分释放特性分类, 有各种自由释放的常规型和控制释放剂型两大类别。控制释放技术在农药制剂领域的应
用, 使得农药剂型更加合理, 性能趋于完美, 真正达到了高效、安全、经济和使用方便的目的。农药剂型中缓释技术的研究工作主要集中在缓慢、持续或延长释放的剂型上, 使活性成分在制剂中长时间地以缓慢和连续有效的速率释放到环境中去。因此控制释放剂型常被称之为缓释剂, 但严格地说, 它们不完全相同。单从生物效应的观点, 持久性农药是可取的。但是, 因为它在环境中分解很慢, 滞留时间很长, 并且易进入食物链, 所以使用受到严格控制。而非持久性农药, 为了保证长期持续的药效, 必须过量和重复使用。当非持久性农药以控制释放剂型施用时, 能在一作用点上长时间地维持一个特定的浓度而副作用较少。因此它可得到如下效果:(1) 使农药缓慢释放, 延长持效; (2) 药剂稳定, 很少受到水、空气等环境影响; (3) 降低毒性; (4) 减轻药害; (5) 减少环境污染; (6) 降低对鱼的毒性; (7) 掩蔽气味; (8) 降低反应性; (9) 减少漂移; (10) 使液体原药固体化; (11) 易于操作, 节省劳力等〔4〕。1. 2 控制释放剂型的种类
农药的控制释放主要是通过高分子化合物与农药的相互作用完成的。现有的剂型可分为物理型缓释剂和化学型缓释剂。前者是指将活性物质“溶解”在聚合物中或用其它物理方法使之与聚合物混成一体, 后者是指将活性物质与聚合物通过形成化学键而结合在一起或活性物质单体通过聚合形成该活性物质的聚合物。物理型缓释剂可分为:微胶囊、包结化合物、多层制品、空心纤维、吸附体、发泡体、固溶体、分散体、复合体等。化学型缓释剂可分为自身缩〔5〕
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农药缓释剂中, 以物理型的居多数。本文仅着重讨论化学农药缓释剂。
2 化学型农药缓释剂
化学型缓释剂是利用农药本身的活性基团(如-COOH 、-OH 、-SH 、-NH 2等) , 在不破坏原化学结构的条件下, 自身缩聚或与天然或合成的高分子聚合物直接或间接化学结合, 形成在自然界可以逐步降解的新的高分子农药。
这种化学型缓释剂, 以固体居多、大都不溶于水, 本身不表现生物活性, 不伤及作物, 对人畜毒性也低, 只有在使用的自然环境中, 逐渐发生化学或生物降解, 释放出有效剂量的活性成分, 才能显示药剂的生物活性。因此, 该化学缓释剂的释放速度决定于新结合的化学键的稳定性、分解和扩散的速率, 即连结基的种类和新化合物的亲水性, 高分子侧链的体积、立体结构、交联程度以及外界环境因素等, 而连结底物的农药量决定有效释放所维持的时间〔5〕。高分子化合物与农药的化学结合可以通过两种方式〔6〕:(1) 用所选定的农药通过化学反应对选定的聚合物进行化学修饰, 从而得到一种农药分子作为悬垂侧链接在主链上的聚合物农药
R n Z
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际应用过程中, 活性组分的释放机理是十分复杂的。
作为一种成功的化学型农药缓释剂要受到合成和降解两方面因素及经济成本的限制。因此, 对于
母体农药、高分子化合物、交联剂(架桥剂) 都必须根据它们本身的物理和化学性质、生物学特性及应用环境等条件精心筛选, 精心设计分子结构和配方组成, 方能取得良好的实际应用效果。2. 1 母体农药的筛选
近几年来, 国外对化学型农药缓释剂的研究主要集中在除草剂2, 4-滴上, 除了因为2, 4-滴药效好, 用量大之外, 更重要的是由于其分子中含有-COOH 活性基团, 它可以通过酰卤化(氯化) 后在与含有-OH 、-NH 2、-SH 等侧链的高分子化合物反应, 生成高分子农药。例如:Allan 等人用带有多个羟基的天然聚合物如道格拉斯冷杉树皮和牛皮纸木质素与2, 4-二氯苯氧乙酰基氯反应, 形成可控释放系统, 作用期限分别可达100天和170天〔11〕; 有人用短链聚醚作为架桥剂将2, 4-滴和4-氯-2
-甲基苯氧乙酸接枝到苯乙烯和二乙烯苯共聚物上, 得到高分子农药〔12〕; 有人用二元胺、酒石酸二乙酯和2, 4-滴及4-氯-2-甲基苯氧乙酸缩合后, 试验主链的亲水性以及应用环境的pH 值和温度对除草剂释放速度的影响〔13〕; R . Solaro 等人用短链聚醚和氯乙酸作架桥剂将2, 4-滴接枝到甲基丙烯酸树脂上制得线性或交联的高分子农药, 并在pH =4. 7～9的缓冲溶液中, 进行了除草剂释放的动力学试验〔14、15〕; 也有人用对-氯甲基苯乙烯与2, 4-滴反应后, 产物再与丙烯酰胺共聚得到高分子农药, 通过水解试验证明, 2, 4-滴的释放速率是随着介质的pH 值和温度增加而提高的〔16〕。另一个含有-COOH 用于化学型农药缓释剂研究的是植物生长调节剂α-萘乙酸。A . I . M artin 等人用氯乙酸作为架桥剂, 将萘乙酸接枝到纤维素上, 并研究了纤维素-α-萘乙酸在非均相的水解反应, 证明了活性组分的释放与高分子骨架的亲水性及介质的pH 值的关系〔17〕。也有人将杀菌剂仲丁胺与马来酸酐-苯乙烯共聚物反应制得了聚合物农药, 并验证了介质的pH 值和温度是控制活性组分释放的决定因素〔18〕。
, 例
如, 聚合物除草剂〔7、8〕和杀软体动物剂〔9〕, 包括母体农药通过胺盐离子结合到聚合物上的形式。(2) 具有生物活性的单体聚合成主链上有活性基团作为重复片段的聚合物农药
R
n
, 或者成为活性基团
R n 作为悬垂侧链的聚合物农药, 例如, 通过辐
射聚合可制得五氯苯酚作为悬垂侧链的聚合物农药〔6、10〕
。
农药与聚合物的结合是通过各种复杂的化学反应, 如酰化、酯化、醚化、加成、取代等反应完成的。设计合理的结合方式和反应条件不仅要考虑使反应能得到较高的收率, 更重要的是必须考虑母体农药与聚合物成键结合后可能在什么条件下断键, 即在化学农药的结构多种多样, 但是真正适合用作化学型缓释剂的母体农药的并不多, 有人曾将其归纳为四种类型即:(1) 农药可自身聚(缩) 合成高分子农药; (2) 农药可与高分子化合物直接结合; (3) 农药可通过交联(架桥) 剂与高分子化合物结合; (4) 农药,
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及农药的生物学性质及作用环境, 还要考虑应用的广泛性, 实际的经济效益等因素。表1所列出的部分农药很有可能用于制作化学型缓释剂。
合物〔5〕。其中研究较多的还是(2) 、(3) 两种。
选择母体农药, 首先应考虑农药本身分子结构特征, 活性基团的类型和空间位置, 物理化学特性以
表1 可能用于制作化学
型缓释剂的农药
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苯并咪唑类杀菌剂是最早也是最成功的内吸性杀菌剂。它们是通过影响细菌细胞的有丝分裂, 使有丝分裂异常, 从而起到杀灭病菌的作用。其中仅
多菌灵(防治油菜、小麦丝核菌) 每年需要近2万吨原药, 因为需要频繁施药(3～5天施药一次) , 真正发挥有效作用的药量很少, 通常有60%左右的药量因风、水等环境因素流失, 造成了大量的浪费和环境污染, 一旦制成化学型缓释剂, 便可克服其本身的应用缺点, 更受广大用户的欢迎。同为内吸性杀菌剂的甲菌定、乙菌定的作用点是白粉病菌附着孢形成时腺嘌呤核苷酸所需的腺苷脱氨酶(ADA 酶) 。它们是通过分子中的丁基透入生物体, 且通过丁基与脱氨酶体结合, 从而阻碍附着孢的形成, 因此使农药通过其分子中的羟基与聚合物结合, 喷施在植物的茎叶表面, 可以更均匀地散布, 随着结合键的断裂, 长期持续地释放出活性组分, 而不会封闭其药性。曾有文献报道杀虫脒对人有致癌作用, 经过与甲醛、, 灭作用。
2. 2 聚合物的选择
化学型农药缓释剂应用的高分子化合物, 有天然的、半合成和全合成的高分子化合物, 其中水溶性高分子化合物, 亲水性凝胶, 吸水性高分子化合物, 尤以天然的水溶性高分子化合物应用居多。制造化学型农药缓释剂对高分子化合物的要求是:除了能与母体农药共价键或离子键结合, 并且在应用环境中自发地逐步断键而释放出活性组分以外, 还应该本身及分解产物对环境、人畜无不良影响且价格低廉。由于天然高分子化合物具有易降解、无残毒等优点, 因而倍受人们重视。
可用于化学缓释剂的高分子化合物有:天然高分子化合物如:纤维素、淀粉及其淀粉衍生物、树皮、木质素磺酸盐、明胶和海藻胶等。合成高分子化合物如:聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯酸及其衍生物聚硅醚和聚乳、
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叶表气孔; (2) 透过表皮角质层; (3) 经自然或人为的伤口。施药发生方式的不同, 对活性组分的释放有很大影响。若作为茎叶喷撒药剂, 那么就要考虑聚合物对茎叶表面的影响, 聚合物分子是否会堵塞气孔, 聚合物成膜是否会影响活性组分进入植物体内, 还要兼顾叶面环境(湿度、温度、光照、pH 值) , 这些都要进行大量的物理、化学及生物试验, 才能筛选出合适的聚合物材料, 合适的聚合物分子粒度分布, 合适的农药与聚合物单位重量比例及合适的剂型(粉剂、可湿粉剂、微乳液或水溶液等) 和有效物浓度。2. 3 交联(架桥) 剂的选择
所谓的交联(架桥) 剂是指位于母体农药和高分子化合物之间起桥梁作用的带有双活性基团或多个活性基团的分子。当农药分子不能直接与聚合物发生化学反应成键结合时, 可先将其与架桥剂作用生成带有活性基团的新的农药分子, 再与聚合物或聚合物单体发生化学反应, 生成聚合物农药或带有农药分子的单体再聚合成农药聚合物。这种方式扩大了可用于制备化学型缓释剂的农药和高分子化合物的范围, 使一些没有-COOH , 但是有-OH 、-SH 、-NH 2、-NH -等基团的农药有希望制成化学型缓释剂或具有新的生化性能, 从而提高其应用价值。
常用的起架桥作用的交联剂有:POCl 3、PCl 3、COCl 2、SOCl 2、SiCl 4、CS 2、三聚氯氰、甲醛甲苯二异腈酸酯、均苯四甲酸二酐、马来酸酐聚合物等。
对于架桥剂的基本要求是:搭桥分子与农药分子之间形成的键, 必须比它与聚合物分子之间形成的键更易断裂。目前, 已经成功地将杀虫剂与含羟基或氨基的聚合物以共价键方式结合成一体, 制备过程一般先用等摩尔量的架桥剂与农药反应, 再与聚合物进行反应, 得到聚合物农药。例如, 用杀虫脒与甲醛、尿素反应, 敌百虫与甲醛、尿素反应都可生成高效杀虫剂。五氯酚与三聚氯氰反应后, 再与木质素磺酸盐或明胶反应, 分别得到五氯酚与木质素磺酸盐和五氯酚与蛋白质的加成产物〔5〕。再如, 以氯乙酸作架桥剂与纤维素进行如下反应, 产物再与α-萘乙酸反应, 得到如下聚合物农药:
Cell Cell
O
+ClCH 2COCl
Cell
2C l 2OCO
2Cl +K +-OCOR
Cell
42
114
时间(天)
化学型农药缓释剂较物理型缓释剂优越在于母体农药是以分子状态与高分子化合物相结合, 因此其用量更少, 实现了真正意义上的控制释放。农药与聚合物之间采取酯键、醚键、酰胺键及胺盐等共价键和离子键的结合方式。这就要求聚合物一方具有-OH 、-COOH 、-NH 2等活性基团。纤维素具有大量的-OH , 且是价廉易得的天然高分子化合物, 因此常作为首选材料, 此外淀粉、海藻酸盐也常作为农药接枝的材料。有报道乐果以甲苯二异氰酸酯(或均苯四甲酸二酐) 为架桥剂与天然纤维素结合(黄杉树皮或牛皮纸木质素) 在蒸馏水中的释放速率如表2所示〔5〕。
表2 乐果结合物在蒸馏水中的释放率(%)
乐果结合物
14
7. 8%乐果-甲苯异腈酸酯-黄杉树皮4. 6%乐果-甲苯异腈酸酯-牛皮纸木质素8. 3%乐果-均苯四甲酸二酐-黄杉树皮2. 9%乐果-均苯四甲酸二酐-黄杉树皮
32. 449. 659. 815. 927. 740. 968. 887. 896. 215. 527. 539. 3
丙烯酸、丙烯酰胺化合物, 常用来与农药结合成小分子单体, 然后聚合成农药高分子, 已有文献报道在除草剂2, 4-滴的化学缓释剂研究中被使用〔6、14、15〕。
高分子化合物作为化学型缓释剂材料实际是起一个农药载体的作用。有文献报道了一些利用农副业副产如玉米芯、燕麦皮、糠和甘蔗渣以及树皮、锯末纤维素与农药化合的尝试, 可是很难结合上高比例的农药分子, 因此, 在控制虫害时, 通常需要过量的这种农药聚合物。另一方面, 它们能在使用环境中在较短的时期内生物降解, 这也会缩短活性组分的持效期。
水溶性高分子材料, 可以赋予农药以新的物化性质, 使本来非水溶性的农药能够制成水溶液剂型。这样不仅更方便施药且使原来呈集聚态散布于处理面的农药呈分子态散布, 缓释出的活性组分更易为作物吸收或与靶标有着更适宜的接触机会, 达到量的控制释放。有些在使用环境中易随雨水、露水等流失, 造成对环境及地下水污染的农药, 可与非水溶性高分子材料结合作成化学型缓释剂, 从而控制农药在适宜的时期释放。
设计农药-聚合物时也必须考虑药物作用方式特点。例如内吸性杀菌剂多菌灵一般经过以下方式
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按照相同的原理, 用COCl 2作架桥剂, 先将高分子化合物酰氯化, 然后产物再与含有-OH 、-SH 、-NH -、-NH 2等的农药进行反应, 如
:
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带有哪种可反应基团, 更重要的是要充分考虑它们的结合键在使用环境中的稳定性, 架桥剂与农药间的化学键要更容易断裂, 而且要受使用环境中的一些因素控制(如温度、湿度、pH 值、光照、微生物) , 自然地逐步断键, 释放出农药组分。常涉及到的反应有酰化、酯化、酯交换、缩合、取代、加成等反应, 形成酰胺键、酯键、醚键及胺盐离子键。
以2, 4-滴或4-氯-2-甲基苯氧乙酸与甲基丙烯酸树脂结合物为例, 采用不同的架桥剂可以使
正如前面提到的那样, 选择农药与高分子化合物之间的搭桥方式, 即交联剂与农药和聚合物分别采取哪种化学键结合, 除了取决与农药和聚合物各
农药-聚合物分别形成共价键和离子键控制释放系统〔14〕。
(1) 以短链聚醚为架桥剂:
多菌灵属于内吸性杀菌剂, 能够从可供方便施药的部位自由地运转到远处需要药剂而未经处理的部分。其分子结构中有-NH -活性基团, 能够通过不同架桥剂与许多天然或合成的高分子化合物结合。
(1) COCl 2作为架桥剂
:
(2) 甲苯二异腈酸酯作为架桥剂:
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共价键, 架桥剂与聚合物之间是形成N -C 键或C -O 键。对于简单双原子分子, 其键能大小基本上可以反映其结合键的强度, 如表3。就键能的数值分析来看, 比较而言C =C 键是最难断裂的, O -O 键和I -I 键是最容易断裂, 同样情况下C -N 键比C -O 键更容易断裂, 当C 原子与苯环联结而降低了C 原子上的电子云密度从而使得C -H 键强度减弱。因此在设计多菌灵-架桥剂-聚合物之间的结合方式时, 通常考虑聚合物-架桥剂为C -O 键结合, 架桥剂-多菌灵为C -N 键结合, 这样可使农药-聚合物在使用过程中释放出多菌灵而不是多菌灵-架桥剂结合物, 保证良好的药效。
〔19〕
表3 一些常见的键能(kcal /mol )
(3) 均苯四甲酸酐作为架桥剂
:
C -C
H -H [1**********]36
C -H N -H O -H Cl -H Br -H I -H
[1**********]771
C =C C -O C -N H 3C -H PhCH 2-H
[1**********]5
O -O Cl -C l Br -Br I -I
2. 4 化学型农药缓释剂的释放
评定一种成功的化学型缓释农药, 最重要的指标是活性组分的释放速度与发挥生物效应的有效剂量相吻合, 以保证稳定、持续地释放和较长的持效期。过大的释放速度, 不仅会造成活性制剂的浪费, 还可能会污染环境, 也会缩短持效期; 过低的释放速度放出无效剂量同样是浪费, 只有维持稍高于有效
(4) 短链聚醚作为架桥剂
:
剂量的释放速度, 才是缓释剂应具备的理想条件。
活性组分与聚合物之间的化学键断裂的释放机理在实际应用过程中可能是十分复杂的。聚合物骨架的亲水、亲油性以及聚合物农药结合体的交联程度、立体结构、颗粒大小, 都是影响释放的重要因素。化学型缓释剂的优越性在于它可通过调节聚合物和聚合物农药的重量比进行分子设计而控制农药的释放量。依靠一定的化学键结合在聚合物底物上的活性组分, 通过聚合物本身的缓慢降解或活性组分与聚合物间断键而释放出来, 而结合键的断裂一般为水解过程、包括均相和非均相两种类型。活性组分的释放速度取决于反应动力学过程, 本身的扩散过
(4) 中农药单体再经聚合可得到多菌灵-聚合物的结合物。
程及界面效应。描述活性组分释放速度的动力学表达式取决于聚合物骨架的类型, 也就是说取决于键
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液中。当聚合物农药是水溶液剂型或为可溶于水的粉剂时, 由于聚合物骨架的亲水性使水解反应在均相发生而不存在界面效应, 悬挂的活性组分的释放速率, 遵从一级反应动力学规律:
-dC /dt =k 2C -dC /C =k 2dt lnC 0/C =k 2t
C :在时间t 时单位重量聚合物农药的活性组分的浓度。k 2:降解速度常数。
C 0:与水相接触的活性组分-聚合物结合体的浓度, 是一个常
数。
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学缓释剂的设计比较困难。农药的代谢过程是比较复杂的, 有些农药分子结构中具有光敏中心, 在阳光照射下发生光化学反应而失活。通过设计与高分子化合物结合, 可以改变其光敏性, 避免光致降解, 从而延长其持效期。大部分内吸性杀菌剂的代谢过程可分为:(1) 纯化学分解; (2) 存在于动、植物和微生物中的代谢反应。Kaars Sijpesteijn , A . 和W . , Schnaak 等对苯并咪唑类杀菌剂的代谢作用作过详尽的综述, 如多菌灵通常在50℃以下是稳定的, 但是在动、植物体内或土壤中微生物作用下会逐渐降解成为如下产物〔20、21〕:
对于非均相水解过程, 非水溶性聚合物农药的释放系统表面上, 活性组分释放速率可表达为:
dM T /dt =nk h 4πr 02C 0
n :在时间t 时, 平均半径为r 0的颗粒数。k h :水解反应的速度常数。
在另外一种特殊情况下, 活性组分作为一种共聚单元而嵌入到聚合物骨架主链上, 这时活性组分的释放是通过聚合物的分解反应实现的, 释放过程可能表达成零级反应。
有人对介质的pH 值和温度变化与缓释剂的活性组分的释放的关系进行了试验研究
〔13～18〕
作为化学型缓释剂依靠聚合物对处理面的粘附作用可以减少环境因素(风、水等) 对药物流失的影响, 收到既节省药量又能保护环境的良好效果。3 结束语
农药的控制释放技术在近十几年中有了迅速的发展, 特别是因为农药的缓释剂型适应了日益严格的环境保护的需要, 所以越来越多地受到了广大农药研究人员的重视。近几年来, 新的缓释剂品种不断问世, 用于控制释放技术的高分子化合物也日益广泛, 特别是天然高分子材料以其价廉易得更加受到青睐。甲基纤维素、乙基纤维素、淀粉、海藻胶、明胶和阿拉伯胶、动植物磷脂质、蜂蜡以及巴西棕树蜡等天然高分子化合物已被成功地用作农药微胶囊的囊皮材料〔21～27〕, 牛皮纸木质素磺酸盐等纤维素、甲壳质、葡聚糖等也已用作化学型农药缓释剂的材料。今后, 随着对农药-聚合物新的化学键结合途径的研究越来越深入, 化学型缓释剂技术必将日臻完善。单就其对农药分子进行化学结构的修饰而言, 它改善了一些农药本身的水溶性、稳定性、毒性和抗药性等方面的不足, 而就其活性组分释放机理, 实现了分子级的控制过程, 农药不是以集聚态发生作用, 较物理型缓释剂活性组分用量更少, 因此它更有发展前途。高分子化合物在农药控制释放的应用, 为化学农药领域开辟了广阔的前景, 它使传统的农药品种, 验证
了二者是控制活性组分释放的重要因素:在环境温度为37℃时, 23. 0%的α-萘乙酸-纤维素结合物的释放速率依pH 值=7. 4、8. 1、9. 0递增, 即其结合键-O -CO -的水解速率递增
〔17〕
; R . Solaro 等人在
pH 值=4. 7～9的缓冲溶液中, 对以共价键或离子键结合的除草剂-聚合物的释放动力学过程作了更细致的研究, 在25℃pH 值分别为4、7、9时释放速率依次增加, 并且在20天以后释放均趋缓和, pH 值为9的已释放60%～70%,而pH 值为4或7的释放将近20%,也就是说后者有着更长的持效期〔14〕; Kim , Woo -Sik 等人也验证了2, 4-滴从丙烯酰胺-氯甲基苯乙烯共聚物上水解释放速率是随温度的增加而加快的
〔16〕
。动、植物表面的酸碱度以及土壤
的微生物环境和吸附性都在很大程度上影响着化学缓释剂的释放。
以上可以看出, 设计化学型农药缓释剂, 既要考虑农药-聚合物的分子结构特征和化学性质, 它决定了农药活性组分的释放速度, 还要重视应用环境的各方面因素的影响(如环境温度、湿度、光照、生化降解、土壤吸附等) , 它制约着活性组分的消耗速度。
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型、功能型、器具药物一体化方向转化, 按照用药的剂量时间和作用点严格控制释放, 使一些濒于淘汰的老农药品种又有了新的生命力, 成为高效、安全、经济的新农药。我国也曾做过五氯酚的化学缓释剂的探索研究工作, 也生产出了对硫磷、辛硫磷等微胶囊剂。由于我国是农业大国, 从发展农业生产、保护生态环境的角度, 更应该大力研制开发高效、安全、经济、方便的绿色农药, 以提高我国农药工业的整体水平。
参考文献
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〔13〕 A . Akelah , E . R . Kenaw y , D . C . Sherrington , Eur . Polym . J .
1992, 28(5) :453
Application of Polymers in C ontrolled -Release
Technology of Pesticides
Tai L imin et al .
(East China University of Science and Technology , Shanghai 200237) Abs tract :Controlled -release technology and its application in pesticide production were introduced . Controlled -releas e formulation of pesticides should be useful in reducing environmental con tamination , decreas ing the total amoun t of pesticide used , and increasing safety in application . The principle manufacturing techniques of chemical slow -release formulation of pesticides , and the factors to affect active agent release w ere reviewed . M ore and more natural or bio -degradable polymers were used , w hich is becoming a tendency of the research of pesticide formulation . Key words :controlled -release , pesticide , polymer , slow -releas e formu -lation . 收稿日期:2000. 4. 7
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2000) 农药 第39卷第6期(
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化学型农药缓释剂
台立民a 刘冬雪b 沈永嘉a
a b
(华东理工大学, 上海200237) (沈阳化工研究院, 沈阳110021)
摘要 介绍了控制释放技术及其在农药生产中的应用, 论述了农药控制释放剂型在减轻环境污染、减少农药使用量以及提高农药施用安全性的作用, 并详细论述了化学型农药缓释剂的原理、制备技术和活性物质释放的影响因素。天然的、可生物降解的高分子化合物用于控制释放越来越为人们重视, 正成为农药制剂研究的发展方向。关键词 控制释放 农药 高分子化合物 缓释剂
1 引言
随着化学技术的发展, 人们不断地研制出具有各种功能的生物、化学制剂, 如药物、农药、高效化学肥料等。这些对于推动化学工业的发展, 提高人们的生活质量起到了重要作用。化学农药的普遍使用, 一方面为农、林、家庭和公共卫生防疫及粮油食品贮存中病、虫、草、鼠害的防治提供了强有力的保障; 另一方面也带来了环境污染、残毒及抗药性等问题。特别是近十年里, 有机氯和有机磷农药使用量的加大, 导致了水质、土壤、空气和农产品被药剂的代谢物污染更加严重。环境保护在世界范围日益受到重视。对农药的毒性、安全性、残效性的规定更加严格。创制新的农药必须满足下列条件:(1) 安全性更高, 农药必须对生产工人安全, 对非靶标生物无害; (2) 药效更高, 在低剂量下农药必须显示出良好的始药效和残效; (3) 价格便宜, 制造成本低, 成本效能良好。这就使得创制可以满足各种性能要求的新农药的几率降低, 农药开发的时间增长, 开发费用增加。在农药领域, 除一些资金和技术力量雄厚的大公司仍在从事这方面的研究外, 而大多数研究人员渐渐地把目光转移到开发各种新的剂型和施用技术上。对于老的农药品种的物理化学性能进行改良, 扬长避短, 最大限度地发挥其效用, 既可节省劳力又可以节省资源。根据文献报道, 传统方法的药剂有效率只有20%～30%,农药和化肥的流失率达到50%～60%。这不仅在经济上造成浪费, 而且可能造成大面积的环境污染。因此, 释放数量可控、释放时间可控和释放空间可控, 一直是化学农药新剂型研究的一个重要方向〔1～3〕。1. 1 控制释放技术
控制释放技术是指在一个特定系统中, 对特定的靶标, 该系统内的活性物质可按照预先设定的浓受到工业界, 尤其是制剂加工业的广泛注意。
目前世界上出现的农药剂型若按有效成分释放特性分类, 有各种自由释放的常规型和控制释放剂型两大类别。控制释放技术在农药制剂领域的应
用, 使得农药剂型更加合理, 性能趋于完美, 真正达到了高效、安全、经济和使用方便的目的。农药剂型中缓释技术的研究工作主要集中在缓慢、持续或延长释放的剂型上, 使活性成分在制剂中长时间地以缓慢和连续有效的速率释放到环境中去。因此控制释放剂型常被称之为缓释剂, 但严格地说, 它们不完全相同。单从生物效应的观点, 持久性农药是可取的。但是, 因为它在环境中分解很慢, 滞留时间很长, 并且易进入食物链, 所以使用受到严格控制。而非持久性农药, 为了保证长期持续的药效, 必须过量和重复使用。当非持久性农药以控制释放剂型施用时, 能在一作用点上长时间地维持一个特定的浓度而副作用较少。因此它可得到如下效果:(1) 使农药缓慢释放, 延长持效; (2) 药剂稳定, 很少受到水、空气等环境影响; (3) 降低毒性; (4) 减轻药害; (5) 减少环境污染; (6) 降低对鱼的毒性; (7) 掩蔽气味; (8) 降低反应性; (9) 减少漂移; (10) 使液体原药固体化; (11) 易于操作, 节省劳力等〔4〕。1. 2 控制释放剂型的种类
农药的控制释放主要是通过高分子化合物与农药的相互作用完成的。现有的剂型可分为物理型缓释剂和化学型缓释剂。前者是指将活性物质“溶解”在聚合物中或用其它物理方法使之与聚合物混成一体, 后者是指将活性物质与聚合物通过形成化学键而结合在一起或活性物质单体通过聚合形成该活性物质的聚合物。物理型缓释剂可分为:微胶囊、包结化合物、多层制品、空心纤维、吸附体、发泡体、固溶体、分散体、复合体等。化学型缓释剂可分为自身缩〔5〕
6
农药缓释剂中, 以物理型的居多数。本文仅着重讨论化学农药缓释剂。
2 化学型农药缓释剂
化学型缓释剂是利用农药本身的活性基团(如-COOH 、-OH 、-SH 、-NH 2等) , 在不破坏原化学结构的条件下, 自身缩聚或与天然或合成的高分子聚合物直接或间接化学结合, 形成在自然界可以逐步降解的新的高分子农药。
这种化学型缓释剂, 以固体居多、大都不溶于水, 本身不表现生物活性, 不伤及作物, 对人畜毒性也低, 只有在使用的自然环境中, 逐渐发生化学或生物降解, 释放出有效剂量的活性成分, 才能显示药剂的生物活性。因此, 该化学缓释剂的释放速度决定于新结合的化学键的稳定性、分解和扩散的速率, 即连结基的种类和新化合物的亲水性, 高分子侧链的体积、立体结构、交联程度以及外界环境因素等, 而连结底物的农药量决定有效释放所维持的时间〔5〕。高分子化合物与农药的化学结合可以通过两种方式〔6〕:(1) 用所选定的农药通过化学反应对选定的聚合物进行化学修饰, 从而得到一种农药分子作为悬垂侧链接在主链上的聚合物农药
R n Z
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际应用过程中, 活性组分的释放机理是十分复杂的。
作为一种成功的化学型农药缓释剂要受到合成和降解两方面因素及经济成本的限制。因此, 对于
母体农药、高分子化合物、交联剂(架桥剂) 都必须根据它们本身的物理和化学性质、生物学特性及应用环境等条件精心筛选, 精心设计分子结构和配方组成, 方能取得良好的实际应用效果。2. 1 母体农药的筛选
近几年来, 国外对化学型农药缓释剂的研究主要集中在除草剂2, 4-滴上, 除了因为2, 4-滴药效好, 用量大之外, 更重要的是由于其分子中含有-COOH 活性基团, 它可以通过酰卤化(氯化) 后在与含有-OH 、-NH 2、-SH 等侧链的高分子化合物反应, 生成高分子农药。例如:Allan 等人用带有多个羟基的天然聚合物如道格拉斯冷杉树皮和牛皮纸木质素与2, 4-二氯苯氧乙酰基氯反应, 形成可控释放系统, 作用期限分别可达100天和170天〔11〕; 有人用短链聚醚作为架桥剂将2, 4-滴和4-氯-2
-甲基苯氧乙酸接枝到苯乙烯和二乙烯苯共聚物上, 得到高分子农药〔12〕; 有人用二元胺、酒石酸二乙酯和2, 4-滴及4-氯-2-甲基苯氧乙酸缩合后, 试验主链的亲水性以及应用环境的pH 值和温度对除草剂释放速度的影响〔13〕; R . Solaro 等人用短链聚醚和氯乙酸作架桥剂将2, 4-滴接枝到甲基丙烯酸树脂上制得线性或交联的高分子农药, 并在pH =4. 7～9的缓冲溶液中, 进行了除草剂释放的动力学试验〔14、15〕; 也有人用对-氯甲基苯乙烯与2, 4-滴反应后, 产物再与丙烯酰胺共聚得到高分子农药, 通过水解试验证明, 2, 4-滴的释放速率是随着介质的pH 值和温度增加而提高的〔16〕。另一个含有-COOH 用于化学型农药缓释剂研究的是植物生长调节剂α-萘乙酸。A . I . M artin 等人用氯乙酸作为架桥剂, 将萘乙酸接枝到纤维素上, 并研究了纤维素-α-萘乙酸在非均相的水解反应, 证明了活性组分的释放与高分子骨架的亲水性及介质的pH 值的关系〔17〕。也有人将杀菌剂仲丁胺与马来酸酐-苯乙烯共聚物反应制得了聚合物农药, 并验证了介质的pH 值和温度是控制活性组分释放的决定因素〔18〕。
, 例
如, 聚合物除草剂〔7、8〕和杀软体动物剂〔9〕, 包括母体农药通过胺盐离子结合到聚合物上的形式。(2) 具有生物活性的单体聚合成主链上有活性基团作为重复片段的聚合物农药
R
n
, 或者成为活性基团
R n 作为悬垂侧链的聚合物农药, 例如, 通过辐
射聚合可制得五氯苯酚作为悬垂侧链的聚合物农药〔6、10〕
。
农药与聚合物的结合是通过各种复杂的化学反应, 如酰化、酯化、醚化、加成、取代等反应完成的。设计合理的结合方式和反应条件不仅要考虑使反应能得到较高的收率, 更重要的是必须考虑母体农药与聚合物成键结合后可能在什么条件下断键, 即在化学农药的结构多种多样, 但是真正适合用作化学型缓释剂的母体农药的并不多, 有人曾将其归纳为四种类型即:(1) 农药可自身聚(缩) 合成高分子农药; (2) 农药可与高分子化合物直接结合; (3) 农药可通过交联(架桥) 剂与高分子化合物结合; (4) 农药,
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及农药的生物学性质及作用环境, 还要考虑应用的广泛性, 实际的经济效益等因素。表1所列出的部分农药很有可能用于制作化学型缓释剂。
合物〔5〕。其中研究较多的还是(2) 、(3) 两种。
选择母体农药, 首先应考虑农药本身分子结构特征, 活性基团的类型和空间位置, 物理化学特性以
表1 可能用于制作化学
型缓释剂的农药
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苯并咪唑类杀菌剂是最早也是最成功的内吸性杀菌剂。它们是通过影响细菌细胞的有丝分裂, 使有丝分裂异常, 从而起到杀灭病菌的作用。其中仅
多菌灵(防治油菜、小麦丝核菌) 每年需要近2万吨原药, 因为需要频繁施药(3～5天施药一次) , 真正发挥有效作用的药量很少, 通常有60%左右的药量因风、水等环境因素流失, 造成了大量的浪费和环境污染, 一旦制成化学型缓释剂, 便可克服其本身的应用缺点, 更受广大用户的欢迎。同为内吸性杀菌剂的甲菌定、乙菌定的作用点是白粉病菌附着孢形成时腺嘌呤核苷酸所需的腺苷脱氨酶(ADA 酶) 。它们是通过分子中的丁基透入生物体, 且通过丁基与脱氨酶体结合, 从而阻碍附着孢的形成, 因此使农药通过其分子中的羟基与聚合物结合, 喷施在植物的茎叶表面, 可以更均匀地散布, 随着结合键的断裂, 长期持续地释放出活性组分, 而不会封闭其药性。曾有文献报道杀虫脒对人有致癌作用, 经过与甲醛、, 灭作用。
2. 2 聚合物的选择
化学型农药缓释剂应用的高分子化合物, 有天然的、半合成和全合成的高分子化合物, 其中水溶性高分子化合物, 亲水性凝胶, 吸水性高分子化合物, 尤以天然的水溶性高分子化合物应用居多。制造化学型农药缓释剂对高分子化合物的要求是:除了能与母体农药共价键或离子键结合, 并且在应用环境中自发地逐步断键而释放出活性组分以外, 还应该本身及分解产物对环境、人畜无不良影响且价格低廉。由于天然高分子化合物具有易降解、无残毒等优点, 因而倍受人们重视。
可用于化学缓释剂的高分子化合物有:天然高分子化合物如:纤维素、淀粉及其淀粉衍生物、树皮、木质素磺酸盐、明胶和海藻胶等。合成高分子化合物如:聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯酸及其衍生物聚硅醚和聚乳、
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叶表气孔; (2) 透过表皮角质层; (3) 经自然或人为的伤口。施药发生方式的不同, 对活性组分的释放有很大影响。若作为茎叶喷撒药剂, 那么就要考虑聚合物对茎叶表面的影响, 聚合物分子是否会堵塞气孔, 聚合物成膜是否会影响活性组分进入植物体内, 还要兼顾叶面环境(湿度、温度、光照、pH 值) , 这些都要进行大量的物理、化学及生物试验, 才能筛选出合适的聚合物材料, 合适的聚合物分子粒度分布, 合适的农药与聚合物单位重量比例及合适的剂型(粉剂、可湿粉剂、微乳液或水溶液等) 和有效物浓度。2. 3 交联(架桥) 剂的选择
所谓的交联(架桥) 剂是指位于母体农药和高分子化合物之间起桥梁作用的带有双活性基团或多个活性基团的分子。当农药分子不能直接与聚合物发生化学反应成键结合时, 可先将其与架桥剂作用生成带有活性基团的新的农药分子, 再与聚合物或聚合物单体发生化学反应, 生成聚合物农药或带有农药分子的单体再聚合成农药聚合物。这种方式扩大了可用于制备化学型缓释剂的农药和高分子化合物的范围, 使一些没有-COOH , 但是有-OH 、-SH 、-NH 2、-NH -等基团的农药有希望制成化学型缓释剂或具有新的生化性能, 从而提高其应用价值。
常用的起架桥作用的交联剂有:POCl 3、PCl 3、COCl 2、SOCl 2、SiCl 4、CS 2、三聚氯氰、甲醛甲苯二异腈酸酯、均苯四甲酸二酐、马来酸酐聚合物等。
对于架桥剂的基本要求是:搭桥分子与农药分子之间形成的键, 必须比它与聚合物分子之间形成的键更易断裂。目前, 已经成功地将杀虫剂与含羟基或氨基的聚合物以共价键方式结合成一体, 制备过程一般先用等摩尔量的架桥剂与农药反应, 再与聚合物进行反应, 得到聚合物农药。例如, 用杀虫脒与甲醛、尿素反应, 敌百虫与甲醛、尿素反应都可生成高效杀虫剂。五氯酚与三聚氯氰反应后, 再与木质素磺酸盐或明胶反应, 分别得到五氯酚与木质素磺酸盐和五氯酚与蛋白质的加成产物〔5〕。再如, 以氯乙酸作架桥剂与纤维素进行如下反应, 产物再与α-萘乙酸反应, 得到如下聚合物农药:
Cell Cell
O
+ClCH 2COCl
Cell
2C l 2OCO
2Cl +K +-OCOR
Cell
42
114
时间(天)
化学型农药缓释剂较物理型缓释剂优越在于母体农药是以分子状态与高分子化合物相结合, 因此其用量更少, 实现了真正意义上的控制释放。农药与聚合物之间采取酯键、醚键、酰胺键及胺盐等共价键和离子键的结合方式。这就要求聚合物一方具有-OH 、-COOH 、-NH 2等活性基团。纤维素具有大量的-OH , 且是价廉易得的天然高分子化合物, 因此常作为首选材料, 此外淀粉、海藻酸盐也常作为农药接枝的材料。有报道乐果以甲苯二异氰酸酯(或均苯四甲酸二酐) 为架桥剂与天然纤维素结合(黄杉树皮或牛皮纸木质素) 在蒸馏水中的释放速率如表2所示〔5〕。
表2 乐果结合物在蒸馏水中的释放率(%)
乐果结合物
14
7. 8%乐果-甲苯异腈酸酯-黄杉树皮4. 6%乐果-甲苯异腈酸酯-牛皮纸木质素8. 3%乐果-均苯四甲酸二酐-黄杉树皮2. 9%乐果-均苯四甲酸二酐-黄杉树皮
32. 449. 659. 815. 927. 740. 968. 887. 896. 215. 527. 539. 3
丙烯酸、丙烯酰胺化合物, 常用来与农药结合成小分子单体, 然后聚合成农药高分子, 已有文献报道在除草剂2, 4-滴的化学缓释剂研究中被使用〔6、14、15〕。
高分子化合物作为化学型缓释剂材料实际是起一个农药载体的作用。有文献报道了一些利用农副业副产如玉米芯、燕麦皮、糠和甘蔗渣以及树皮、锯末纤维素与农药化合的尝试, 可是很难结合上高比例的农药分子, 因此, 在控制虫害时, 通常需要过量的这种农药聚合物。另一方面, 它们能在使用环境中在较短的时期内生物降解, 这也会缩短活性组分的持效期。
水溶性高分子材料, 可以赋予农药以新的物化性质, 使本来非水溶性的农药能够制成水溶液剂型。这样不仅更方便施药且使原来呈集聚态散布于处理面的农药呈分子态散布, 缓释出的活性组分更易为作物吸收或与靶标有着更适宜的接触机会, 达到量的控制释放。有些在使用环境中易随雨水、露水等流失, 造成对环境及地下水污染的农药, 可与非水溶性高分子材料结合作成化学型缓释剂, 从而控制农药在适宜的时期释放。
设计农药-聚合物时也必须考虑药物作用方式特点。例如内吸性杀菌剂多菌灵一般经过以下方式
10
按照相同的原理, 用COCl 2作架桥剂, 先将高分子化合物酰氯化, 然后产物再与含有-OH 、-SH 、-NH -、-NH 2等的农药进行反应, 如
:
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带有哪种可反应基团, 更重要的是要充分考虑它们的结合键在使用环境中的稳定性, 架桥剂与农药间的化学键要更容易断裂, 而且要受使用环境中的一些因素控制(如温度、湿度、pH 值、光照、微生物) , 自然地逐步断键, 释放出农药组分。常涉及到的反应有酰化、酯化、酯交换、缩合、取代、加成等反应, 形成酰胺键、酯键、醚键及胺盐离子键。
以2, 4-滴或4-氯-2-甲基苯氧乙酸与甲基丙烯酸树脂结合物为例, 采用不同的架桥剂可以使
正如前面提到的那样, 选择农药与高分子化合物之间的搭桥方式, 即交联剂与农药和聚合物分别采取哪种化学键结合, 除了取决与农药和聚合物各
农药-聚合物分别形成共价键和离子键控制释放系统〔14〕。
(1) 以短链聚醚为架桥剂:
多菌灵属于内吸性杀菌剂, 能够从可供方便施药的部位自由地运转到远处需要药剂而未经处理的部分。其分子结构中有-NH -活性基团, 能够通过不同架桥剂与许多天然或合成的高分子化合物结合。
(1) COCl 2作为架桥剂
:
(2) 甲苯二异腈酸酯作为架桥剂:
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共价键, 架桥剂与聚合物之间是形成N -C 键或C -O 键。对于简单双原子分子, 其键能大小基本上可以反映其结合键的强度, 如表3。就键能的数值分析来看, 比较而言C =C 键是最难断裂的, O -O 键和I -I 键是最容易断裂, 同样情况下C -N 键比C -O 键更容易断裂, 当C 原子与苯环联结而降低了C 原子上的电子云密度从而使得C -H 键强度减弱。因此在设计多菌灵-架桥剂-聚合物之间的结合方式时, 通常考虑聚合物-架桥剂为C -O 键结合, 架桥剂-多菌灵为C -N 键结合, 这样可使农药-聚合物在使用过程中释放出多菌灵而不是多菌灵-架桥剂结合物, 保证良好的药效。
〔19〕
表3 一些常见的键能(kcal /mol )
(3) 均苯四甲酸酐作为架桥剂
:
C -C
H -H [1**********]36
C -H N -H O -H Cl -H Br -H I -H
[1**********]771
C =C C -O C -N H 3C -H PhCH 2-H
[1**********]5
O -O Cl -C l Br -Br I -I
2. 4 化学型农药缓释剂的释放
评定一种成功的化学型缓释农药, 最重要的指标是活性组分的释放速度与发挥生物效应的有效剂量相吻合, 以保证稳定、持续地释放和较长的持效期。过大的释放速度, 不仅会造成活性制剂的浪费, 还可能会污染环境, 也会缩短持效期; 过低的释放速度放出无效剂量同样是浪费, 只有维持稍高于有效
(4) 短链聚醚作为架桥剂
:
剂量的释放速度, 才是缓释剂应具备的理想条件。
活性组分与聚合物之间的化学键断裂的释放机理在实际应用过程中可能是十分复杂的。聚合物骨架的亲水、亲油性以及聚合物农药结合体的交联程度、立体结构、颗粒大小, 都是影响释放的重要因素。化学型缓释剂的优越性在于它可通过调节聚合物和聚合物农药的重量比进行分子设计而控制农药的释放量。依靠一定的化学键结合在聚合物底物上的活性组分, 通过聚合物本身的缓慢降解或活性组分与聚合物间断键而释放出来, 而结合键的断裂一般为水解过程、包括均相和非均相两种类型。活性组分的释放速度取决于反应动力学过程, 本身的扩散过
(4) 中农药单体再经聚合可得到多菌灵-聚合物的结合物。
程及界面效应。描述活性组分释放速度的动力学表达式取决于聚合物骨架的类型, 也就是说取决于键
12
液中。当聚合物农药是水溶液剂型或为可溶于水的粉剂时, 由于聚合物骨架的亲水性使水解反应在均相发生而不存在界面效应, 悬挂的活性组分的释放速率, 遵从一级反应动力学规律:
-dC /dt =k 2C -dC /C =k 2dt lnC 0/C =k 2t
C :在时间t 时单位重量聚合物农药的活性组分的浓度。k 2:降解速度常数。
C 0:与水相接触的活性组分-聚合物结合体的浓度, 是一个常
数。
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学缓释剂的设计比较困难。农药的代谢过程是比较复杂的, 有些农药分子结构中具有光敏中心, 在阳光照射下发生光化学反应而失活。通过设计与高分子化合物结合, 可以改变其光敏性, 避免光致降解, 从而延长其持效期。大部分内吸性杀菌剂的代谢过程可分为:(1) 纯化学分解; (2) 存在于动、植物和微生物中的代谢反应。Kaars Sijpesteijn , A . 和W . , Schnaak 等对苯并咪唑类杀菌剂的代谢作用作过详尽的综述, 如多菌灵通常在50℃以下是稳定的, 但是在动、植物体内或土壤中微生物作用下会逐渐降解成为如下产物〔20、21〕:
对于非均相水解过程, 非水溶性聚合物农药的释放系统表面上, 活性组分释放速率可表达为:
dM T /dt =nk h 4πr 02C 0
n :在时间t 时, 平均半径为r 0的颗粒数。k h :水解反应的速度常数。
在另外一种特殊情况下, 活性组分作为一种共聚单元而嵌入到聚合物骨架主链上, 这时活性组分的释放是通过聚合物的分解反应实现的, 释放过程可能表达成零级反应。
有人对介质的pH 值和温度变化与缓释剂的活性组分的释放的关系进行了试验研究
〔13～18〕
作为化学型缓释剂依靠聚合物对处理面的粘附作用可以减少环境因素(风、水等) 对药物流失的影响, 收到既节省药量又能保护环境的良好效果。3 结束语
农药的控制释放技术在近十几年中有了迅速的发展, 特别是因为农药的缓释剂型适应了日益严格的环境保护的需要, 所以越来越多地受到了广大农药研究人员的重视。近几年来, 新的缓释剂品种不断问世, 用于控制释放技术的高分子化合物也日益广泛, 特别是天然高分子材料以其价廉易得更加受到青睐。甲基纤维素、乙基纤维素、淀粉、海藻胶、明胶和阿拉伯胶、动植物磷脂质、蜂蜡以及巴西棕树蜡等天然高分子化合物已被成功地用作农药微胶囊的囊皮材料〔21～27〕, 牛皮纸木质素磺酸盐等纤维素、甲壳质、葡聚糖等也已用作化学型农药缓释剂的材料。今后, 随着对农药-聚合物新的化学键结合途径的研究越来越深入, 化学型缓释剂技术必将日臻完善。单就其对农药分子进行化学结构的修饰而言, 它改善了一些农药本身的水溶性、稳定性、毒性和抗药性等方面的不足, 而就其活性组分释放机理, 实现了分子级的控制过程, 农药不是以集聚态发生作用, 较物理型缓释剂活性组分用量更少, 因此它更有发展前途。高分子化合物在农药控制释放的应用, 为化学农药领域开辟了广阔的前景, 它使传统的农药品种, 验证
了二者是控制活性组分释放的重要因素:在环境温度为37℃时, 23. 0%的α-萘乙酸-纤维素结合物的释放速率依pH 值=7. 4、8. 1、9. 0递增, 即其结合键-O -CO -的水解速率递增
〔17〕
; R . Solaro 等人在
pH 值=4. 7～9的缓冲溶液中, 对以共价键或离子键结合的除草剂-聚合物的释放动力学过程作了更细致的研究, 在25℃pH 值分别为4、7、9时释放速率依次增加, 并且在20天以后释放均趋缓和, pH 值为9的已释放60%～70%,而pH 值为4或7的释放将近20%,也就是说后者有着更长的持效期〔14〕; Kim , Woo -Sik 等人也验证了2, 4-滴从丙烯酰胺-氯甲基苯乙烯共聚物上水解释放速率是随温度的增加而加快的
〔16〕
。动、植物表面的酸碱度以及土壤
的微生物环境和吸附性都在很大程度上影响着化学缓释剂的释放。
以上可以看出, 设计化学型农药缓释剂, 既要考虑农药-聚合物的分子结构特征和化学性质, 它决定了农药活性组分的释放速度, 还要重视应用环境的各方面因素的影响(如环境温度、湿度、光照、生化降解、土壤吸附等) , 它制约着活性组分的消耗速度。
2000) 农药 第39卷第6期(
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型、功能型、器具药物一体化方向转化, 按照用药的剂量时间和作用点严格控制释放, 使一些濒于淘汰的老农药品种又有了新的生命力, 成为高效、安全、经济的新农药。我国也曾做过五氯酚的化学缓释剂的探索研究工作, 也生产出了对硫磷、辛硫磷等微胶囊剂。由于我国是农业大国, 从发展农业生产、保护生态环境的角度, 更应该大力研制开发高效、安全、经济、方便的绿色农药, 以提高我国农药工业的整体水平。
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Application of Polymers in C ontrolled -Release
Technology of Pesticides
Tai L imin et al .
(East China University of Science and Technology , Shanghai 200237) Abs tract :Controlled -release technology and its application in pesticide production were introduced . Controlled -releas e formulation of pesticides should be useful in reducing environmental con tamination , decreas ing the total amoun t of pesticide used , and increasing safety in application . The principle manufacturing techniques of chemical slow -release formulation of pesticides , and the factors to affect active agent release w ere reviewed . M ore and more natural or bio -degradable polymers were used , w hich is becoming a tendency of the research of pesticide formulation . Key words :controlled -release , pesticide , polymer , slow -releas e formu -lation . 收稿日期:2000. 4. 7
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