Corso di Chimica Ambientale Inquinanti Organici http://dipbsf.uninsubria.it/qsar/ Education Prof. Paola Gramatica paola.gramatica @ uninsubria.it Idrocarburi Aromatici CH3 CH3 OH OH (Cl)n benzene toluene fenolo cloro benzeni (HCB) OH (Cl)n m-cresolo cloro fenoli (PCB) Benzene cancerogeno (leucemia) Ox nel fegato tox acuta H OH O H Fenolo (tox) La tossicità di benzene e fenolo aumenta con il numero di Cl e NO2 sull’anello. Max tossicità per HCB (esaclorobenzene) e pentaclorofenolo: usati in passato come pesticidi, insolubili in H2O, persistenti e bioaccumulabili in organismi e sedimenti (kow, koc). Da ClFenoli Æ DIOSSINE Composti Aromatici Policiclici (IPA o PAH) Sono composti con due o + anelli aromatici condensati: cioè con nuvole di elettroni π aromatici in comune. Da combustioni sia naturali sia antropogeniche (presenti nell’atmosfera come aerosol essendo solidi a bassa tensione di vapore) se > 4 anelli i Me aumentano tossicità. Metabolismo ossidativo PAH OH O {O} ossidasi GSH idrolisi enzimatica OH SG OH OH GSH = glutadione – glutamilcistamilglicina solubilizzante in acqua al fine di favorire escrezione con urine Tossicità di benzo(a)pirene (BAP) prima fonte: fumo sigaretta Via epossidazione con ossidasi idrolisi epossido epossidazione coniugazione con basi DNA-RNA “bay region” regione recesso O HO H O H OH Altre fonti di PAH: traffico, riscaldamento, alimentazione: cottura cibi, depos. su vegetali a foglia larga, affumicati. PAH ⇒ cancro ossidasi idratasi O Benzo(a)pirene HO apertura trans diolo cancerogeno del fumo di sigaretta, della carne alla brace…… OH DNA O NH ossidasi HO HO HO OH CANCEROGENO OH Si pensa che un nucleofilo NH2 delle basi azotate del DNA attacchi l’epossido a dare una base del DNA modificata perché alchilata. Diossine O O 1,4-diossina o p-diossina Cl O Cl Cl O Cl 2,3,7,8-TCDD tetraclorodibenzodiossina 75 congeneri planari Fonti: per riscaldamento OCH2COOH Sottoprodotto nella sintesi di: Cl • 2,4,5-T acido 2,4,5-triclorifenossiacetico (erbicida) OH Intermedio di partenza Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl O- Cl Cl O- Cl Cl 230-260°C -2Cl- Cl O Cl Cl O Cl • da pentaclorofenolo o congeneri Cl Cl Cl Cl OH Cl Cl OH HO Cl Cl Cl calore Cl Cl Cl O Cl (non molto tox.) Cl O Cl Cl Cl PCBs (PolyChloro Biphenyls) 209 congeneri Bifenili Cl(n) Cl(n) Usati come isolanti nei trasformatori elettrici, additivi per colori da stampa, plastiche. Miscele: AROCLOR. Grandissima stabilità: si accumulano negli organismi (BIOMAGNIFICAZIONE) e sedimenti. Attualmente sono al bando, ma sono persistenti. Persistenza dell’inquinamento (anche ai poli), caratteristica di “estrogeni”: diminuiscono fertilità maschile. I corrispondenti PoliBromobifenili sono i più usati ritardanti di fiamma. Formano DIBENZOFURANI: Cl Cl Cl -H2O Cl Cl . OH Cl Cl Cal. H Cl . X X Cl Cl Cl Cl . +O2 -X Cl Cl O . X Cl Cl O 2,3,7,8-TCDF Si elimina o Cl2 o HCl o H2 Tossicità di PCB, DIOSSINE, FURANI PCB non alta tox acuta cloracne FURANI-DIOSSINE > tox acuta Si ritiene che siano tox a lunga scadenza Æ cancro? (≠ a seconda della specie) i PCB si trasformano in DIBENZOFURANI Cl Cl PCB con il Cl in orto non sono planari (circa 70° angolo) Solo PCB senza Cl in orto sono planari I PCB che non hanno i Cl in orto sono simili alle diossine planari Æ entrano nel sito attivo dell’enzima recettore ⇓ PCB + tox AZIONE TOSSICA Cl Simile a DIOSSINA + tox (2,3,7,8-TCDD) Cl Cl Cl Cl Cl β α O Cl O Cl Analogamente DIOSSINE con Cl in α sono meno tox Negli Inceneritori si tende ad eliminare o almeno minimizzare la formazione di questi composti (diossine e furani) operando a T> 1200°C La materia organica si trasforma completamente in CO2 , HCl e H2O Corso di Chimica Ambientale Pesticidi http://dipbsf.uninsubria.it/qsar/ Education Prof. Paola Gramatica paola.gramatica @ uninsubria.it PESTICIDI Classificazione Presidi Fitosanitari (o Fitofarmaci) Antiparassitari (pesticidi) Diserbanti (erbicidi) Fitoregolatori Algicidi Insetticidi, Acaricidi, Rodenticidi, Nematocidi, Anticrittogamici o Fungicidi, Limacidi (o Molluschicidi), Battericidi, Larvicidi, Disinfettanti Ogni anno nel Nord America : 1 milione di chilogrammi I PESTICIDI sono sostanze chimiche sintetizzate dall’uomo e volutamente immesse nell’ambiente per uccidere dei biota: Insetti dannosi, erbe infestanti, funghi, alghe,microorganismi. La loro caratteristica è una elevata attività biologica: TOSSICITA’. Conseguenza: possibilità di rischio per specie non bersaglio e di inquinamento di altri comparti ambientali Situazione ideale: Molecole attive a basse dosi e solo su organismi bersaglio (selettività) Nuova emergenza di sostanze ad alta attività biologica: FARMACI per uso umano e veterinario. Modalità d’uso Trattamenti: • in stagioni particolari (aratura, semina, pre o post emergenza) • tutto l’anno • secondo calendari • secondo soglie di danno o densità di popolazione Dispersione: La maggior parte si perde per varie cause (deriva, percolazione, gocciolamento, volatilizzazione, degradazione) Solo 5% raggiunge l’insetto e 1% (o meno) viene assorbito Tossicità Acuta su animali Si determina LD50 Lethal Dose per 50% dei testati Si dividono in 4 classi a seconda del grado di Tox acuta Fitotossicità Certe specie di piante o solo alcune varietà non sopportano la molecola Tossicità sull’uomo EPA-USA ha fissato per ogni pesticida : A.D.I. Admissible Daily Intake = NOEL\100 (no-effect level) ATTENZIONE ai Pesticidi naturali!!!!! Vantaggi della lotta chimica EFFICACIA: gli insetticidi sono efficaci nel controllo di migliaia di insetti dannosi; praticamente tutte le specie possono essere controllate con almeno uno dei prodotti attualmente disponibili. RAPIDITA’: grandi popolamenti di insetti nocivi possono essere ridotti nel giro di poche ore e questo consente una protezione pressoché immediata. VERSATILITA’: gli insetticidi offrono una ampia varietà di proprietà, usi e metodi di applicazione a diverse situazioni e tipi di infestazioni. SEMPLICITA’: dal punto di vista operativo, la lotta chimica è (almeno apparentemente) il più semplice mezzo di controllo delle infestazioni. POSSIBILITA’ di APPLICAZIONE NELL’EMERGENZA: la lotta chimica è l’unico mezzo realisticamente utilizzabile in caso di improvvise emergenze. ECONOMICITA’: tra tutti i metodi di controllo, la lotta chimica è probabilmente quello che presenta il più favorevole rapporto costi/ benefici. Svantaggi della lotta chimica ¾ INSORGENZA DI SPECIE RESISTENTI ¾ CRESCITA DI IMPORTANZA DI INFESTAZIONI SECONDARIE ¾EFFETTI DANNOSI SU SPECIE NON BERSAGLIO: nemici naturali degli infestanti (ad es. api e altri impollinatori) ¾RISCHI PER GLI UTILIZZATORI ¾RESIDUI NEGLI ALIMENTI ¾ALTRI RISCHI PER L’UOMO E PER L’AMBIENTE SINTESI DI NUOVE MOLECOLE SCREENING IN LAB. E SERRA PROVE PRELIMINARI TOSSICOLOGICHE STUDI DI CHIMICA ANALITICA PROVE PRELIMINARI IN SERRA E CAMPO STUDI DI PRODUZIONE INDUSTRIALE PRODUZIONE SU SCALA INDUSTRIALE STUDIO FORMULAZIONI STUDI TOSSICOLOGICI AUTORIZZAZIONE DEL MINISTERO DELLA SANITA’ COMMERCIALIZZAZIONE Schema di sviluppo di un antiparassitario PROVE DI CAMPO DATI RICHIESTI IN ITALIA PER CONCEDERE LA REGISRAZIONE DI UN FITOFARMACO •Dati di carattere generale: dati di identità e sulle proprietà chimico-fisiche •Dati agronomici: campi d’impiego, modo d’azione, tipo di parassita combattuto, dosi d’applicazione, numero e epoca d’applicazione, fitotossicità •Dati sulla tossicità: tossicità orale, dermale, inalatoria e per altre vie, irritabilità pelle e occhi, sensibilità allergica, studi metabolici, tossicità a lungo termine, effetti mutageni, teratogeni e cancerogeni, neurotossicità, studi sulla produzione, effetti potenziati, osservazioni dirette sull’uomo, risultati di monitoraggio su operai dell’industria e dell’agricoltura, informazioni per il pronto soccorso eventuali intossicati. •Dati sui residui: vie metaboliche, metodo di analisi dei residui, dati sui residui •Dati sugli effetti su ambiente e fauna selvatica: tossicità su uccelli, pesci, altri animali, api insetti utili, vermi e invertebrati, cambiamenti in ecologia del suolo e microrganismi, movimento e persistenza nel terreno. In Italia non è prevista alcuna autorizzazione provvisoria basata su una documentazione ridotta in attesa di quella definitiva. Alcune forme di autorizzazione provvisoria sono invece concesse in Francia, Gran Bretagna, Stati Uniti…. INSETTICIDI INORGANICI Più antico insetticida (fumigante): 1000 a.c. (XIX sec.) DERIVATI DELLO ZOLFO: polisolfuri di calcio e di bario, attivi contro stadi giovanili di molti gruppi di insetti; hanno anche azione fungicida. DERIVATI DELL’ARSENICO: arsenati di piombo, calcio e sodio, efficaci insetticidi per ingestione. Arseniti attivi per contatto e per ingestione, attualmente in uso come rodenticidi (es. CuAsO4 o CuAsO3 “verde di Parigi” 900 d.c. fino anni ’50) DERIVATI DEL FLUORO: insetticidi per ingestione con un certo effetto fitotossici (es. NaF per formiche e scarafaggi) DERIVATI DELLO ZINCO: es. fosfuro di zinco usato soprattutto per la protezione delle derrate contro insetti roditori. Tossici per uomo e animali alle alte dosi necessarie per essere efficaci Non biodegradabili – Accumulano nell’ambiente INSETTICIDI NATURALI: es. PIRETRINE acido piretrico CH3 H H3C R H H2 C C COO CH3 H C H C H O CH3 R: -CH3 o –COOCH3 R’: -CH=CH2,–CH3 o -CH2CH3 R' H Usati in Cina 2000 anni fa. Origine : da piante del genere Chrysanthemum (=Pyrethrum) Effetto: potente e rapidissimo effetto per contatto su tutti gli insetti (effetto Knock-down). Agisce sul sistema nervoso gangliare. Modalità d’azione ancora poco chiara. Uso: eccellente per uso domestico per rapidità d’effetto, trascurabile tossicità sui Vertebrati, rapida scomparsa. Usi agricoli trascurabili per alti costi e rapida fotodegradazione. PIRETROIDI ARTIFICIALI: copiati dal naturale e modificati strutturalmente Proprietà dei Piretroidi Artificiali •Bassa Solubilità in acqua (0.1- 6 mg/l) •Bassa Tensione di vapore (10-3 e 10-7 Pa) •Alta idrofobicità (logkOW generalmente compreso tra 4 e 6) Bassa Persistenza • in generale facilmente fotodegradabili • la presenza di alogeni riduce la fotolabilità • nel complesso classificabili come prodotti non persistenti Alta Selettività • tossicità molta alta su tutti gli artropodi (target) • tox trascurabile o comunque ridotta sui Vertebrati (non target) CLORO ORGANICI Cl Cl CH Cl C Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl2C H2C Cl Cl Cl Cl Cl DDT family, e.g.DDT HCH family Esaclorocicloesani Nel 48 lo scopritore Muller Nobel per 5M vite salvate (malaria, ecc) •Stabilità verso degradazione •Bassissima solubilità •Alta lipofilia •Tox. elevata specifica non verso uomo Cl Aboliti dal 1972 per loro persistenza e biomagnificazione Ancora in uso in paesi non sviluppati (DDT miglior antimalarico) Cl Cl Cl Cl Chlorinated cyclodiene family e.g. aldrin Cl HCB (esaclorobenzene) fungicida per cereali usato dopo II° guerra mondiale a) DDT e analoghi: non hanno tox. acuta per l’uomo,ma sono probabili cancerogeni DDD p,p’- DDT p,p’-diclorodifeniltricloroetano Cl CH C Cl Cl Cl rid -Cl Cl ox Cl C Cl DeMet Cl C Cl CCl3 Cl C DDE (resistenza) CCl2 Cl Non insetticida HO CH CCl3 OCH 3 CH CHCl2 (Detox) DDTasi METOSSICLOR Cl OH Cl -HCl H 3CO CH (solubile) Cl -HCl tipo DDE OH b) Esaclorocicloesani (HCH) Miscele di più isomeri strutturali (8) Forma attiva γ-HCH = Lindano Cl Cl Cl Detossificazione: • per isomerizzazione a forme inattive • per monoox (-Cl) • per coniugazione con Glutatione Cl ClCl 3 eq. adiac. 3 ox adiac. c) Famiglia di ciclodieni clorurati: da ciclopentadieni clorurati (1950 , ora sono banditi, ma persistono) Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl O Cl ALDRINA Cl DIELDRINA Cl Cl idrolisi -CH2OH -CH2OH Cl Cl Cl O Cl S Cl -SO42- ox O O Cl Cl ENDOSULFAN ORGANOFOSFATI R1 O O P R2 O O Ortofosfati R3 H2O HO O P Detox 1) O2 OH HO 2) H2O R1 O S P R2 O R1 O O R3 Tiofosfati S R3 Ditiofosfati R1, R2 =-OMe, OEt R3 varie catene S P R2 + R1OH R2OH R3OH O • Più tossiche, ma meno persistenti (non accumulano, si biodegradano) • Più selettive • Attività neurotossica: inibitori della acetilcolinesterasi • Uso in minor quantità Esteri ditiofosforici Esteri tiofosforici Esteri ortofosforici CARBAMMATI O HO O C NH2 R1 ACIDO CARBAMMICO O C NH R2 • Neurotossici • Bassi log P: non idrofobiche • Volatili • Poco persistenti (si idrolizzano) O HN O S HN N O O aldicarb Log kow= 1.13 Sw= 6000 ppm Vp= 1x10-4 mmHg (0.013Pa) DL50= 0.9 mg/kg (ratti) carbaryl Log kow= 2.36 Sw= 32mg/L Vp= 1.36x10-6 mmHg (0.18 mPa) DL50= 307 mg/kg (ratti) No tox per uomo e animali domestici Si per api Uso: giardini e prati FEROMONI Prodotti non insetticidi ma comunque classificati nell’ambito degli strumenti della lotta chimica. Ormoni sessuali Molecole relativamente semplici, spesso composti alifatici a catena lineare (C10-C18). ERBICIDI Erbicidi applicati alle foglie Composti bipiridilici: i più famosi sono diquat e paraquat. Hanno azione sulle foglie in crescita. Non vengono assorbiti dalle radici perché si adsorbono fortemente sulle argille (e non sul carbonio organico). Sono diserbanti totali, usati ad es. per i binari ferroviari) paraquat N+ diquat N+ N+ N+ Glyphosate: è un composto organofosfato, inattivo dal suolo, dalla tossicità (per i vertebrati) bassissima. E’ un diserbante totale. Mediante tecniche di ingegneria genetica si è prodotta una varietà di soia resistente. HO OH P O N H OH O glyphosate Erbicidi che agiscono sulle malerbe allo stato di plantula Sono erbicidi applicati al suolo, usati in pre-emergenza, prima cioè che le plantule della cultura appaiano. Possiamo distinguere alcuni grandi gruppi: a) INIBITORI DELLA FOTOSINTESI: ¾ Erbicidi ureici: (diuron, linuron, chlorbromuron). Sono molto importanti, assieme alle triazine, dal punto di vista quantitativo. Sono adsorbite al materiale organico O urea O H2N O NH2 O Cl N N H linuron Cl Cl Cl chlorbromuron diuron N HN Cl Br NH O N O ¾ Erbicidi triazinici: (atrazina, simazina) sono molecole abbastanza solubili e poco volatili, piuttosto persistenti. La loro solubilità ha causato inquinamenti di acque di falda e acquedotti (es. atrazina in Pianura Padana) Cl HN N HN Simazine N N N N H N Cl Atrazine Cl N N N N NH Trietazine N N H ¾ Derivati dell’acido fenossiacetico: sono una categoria di erbicidi che controllano infestanti a foglia larga, specialmente cereali. Il 2,4,5-T è stato bandito perché conteneva diossina come impurità. O OH O O OH O O O OH OH O O Cl Cl Cl Cl Cl 2,4-D Mecoprop Cl MCPA Cl 2,4,5-T b) SOSTANZE CHE AGISCONO A LIVELLO DELLA DIVISIONE CELLULARE: Erbicidi di nuova generazione ¾ Sulfoniluree: (chlorsulfuron) sono la classe di erbicidi più promettente, perché agiscono a dosi da 10 a 100 volte minori rispetto agli altri erbicidi (10-100 g/Ha). Si sono però mostrati già problemi dovuti alla eccessiva persistenza di alcune di questa molecole. Cl O S NH NH O O Chlorosulfuron N N O N Persistenza degli erbicidi La persistenza degli erbicidi è una caratteristica desiderata, perché prolunga il periodo di azione della molecola. A volte però diventa un problema perché può indurre effetti di fitossicità nella cultura successiva. FUNGICIDI Combattono parassiti fungini che provocano malattie (infettive), ovvero “alterazioni”o deviazioni delle normali funzioni e struttura della pianta, ad esempio: • attività fotosintetica • attività respiratoria • assorbimento radicale • alterazioni morfologiche, anatomiche e strutturali, come galle, tumori, screziature (cambiamenti di colore), gommosi (es. pesco), ipertrofie (bolla del pesco). •Caratteristiche dell’attacco fungino I problemi dell’attacco da funghi sono in parte diversi da quelli degli attacchi degli insetti, per la quasi illimitata capacità dei funghi di rigenerarsi da piccolissime quantità di micelio: un fungo già insediato è di difficile estirpazione Strategie di lotta chimica ai funghi Le strategie di lotta chimica ai funghi si basano essenzialmente su quando avviene l’infezione: ¾ preventiva: si usano prodotti di copertura (attivi per contatto) ¾ dopo l’infezione: in questo caso i prodotti di copertura sono poco efficaci (limitano solo la diffusione dell’infezione) Occorre notare che i fungicidi sono molto più selettivi degli insetticidi: ci sono almeno 20 gruppi di fungicidi, la maggior parte dei quali con limitato e molto specifico spettro d’azione. FUNGICIDI Si possono classificare per meccanismo d’azione e classe chimica: •INORGANICI e METALLOORGANICI •ORGANICI NON SISTEMICI •ORGANICI SISTEMICI INORGANICI e METALLORGANICI Composti del rame La tossicità dello ione Cu++ è piuttosto alta e deriva dalla capacità di formare complessi. Sono impiegati come fungicidi di copertura, con azione preventiva in frutticoltura, viticoltura, orticultura contro peronospore, ticchiolature, bolla del pesco, anche in miscela con altri prodotti. • ossicloruri (es: 3CuO • CaCl2 • 4H2O, polvere Caffaro). E’ il composto contenente rame più usato, come polvere o liquido colloidale (dispersione) • ossiduli di rame (Cu2O): come sospensione acquosa • poltiglia bordolese: sostanza di composizione non ben definita ottenuta per reazione fra Ca(OH)2 e CuSO4. Il composto a cui si devono le proprietà anticrittogamiche è il solfato basico CuSO4 • 3Cu(OH)2 Composti del mercurio Sono composti organometallici (ad es.: cloruri di fenilmercurio e corrispondente acetato). Sono vietati in Italia dal 1972. O Composti dello stagno Sono molecole estremamente fungitossiche, del tipo RSnX3, R2SnX2 e R3SnX (in ordine di tossicità, dove R è un radicale alchilico o arilico, e X un anione monovalente. O Sn Fentin acetato Zolfo E’ uno dei più antichi fitofarmaci. Impiegato nelle pratiche agricole da più di due secoli. L’azione tossica (probabilmente della sostanza allo stato elementare) è generalmente ad ampio spettro, in particolare lo zolfo è molto tossico verso la famiglia degli Oidi. La tossicità verso le piante ad animali è invece molto bassa. FUNGICIDI ORGANICI NON SISTEMICI Agiscono per contatto e spesso agiscono su molteplici siti d’azione. Ciò è estremamente importante perché riduce il pericolo della comparsa dei fenomeni di resistenza (che stanno diventando sempre più importanti con i fungicidi sistemici). Ditiocarbammati (tra i più importanti) Sono tra i fungicidi organici più impiegati al mondo. Sono derivati dell’acido carbammico, sostituendo entrambi gli atomi di ossigeno. O H2N C O OH H2N S C SH ac. tiocarbammico ac. carbammico Alchilditiocarbammati: Fra i più importanti vi è lo ziram: S- - S Zn+2 N S N S H2N C SH ac. ditiocarbammico FUNGICIDI ORGANICI SISTEMICI Hanno avuto un grosso successo perché in grado di attaccare il micelio contenuto all’interno della pianta. Un altro vantaggio rispetto ai fungicidi di copertura deriva dal fatto che la loro presenza all’interno della pianta sottrae la molecola all’attacco degli agenti atmosferici (dilavamento, degradazione). Si possono dividere in 8 gruppi che si caratterizzano per modalità di azione e identità chimica: N N H I derivati del benzimidazolo sono fra i fungicidi sistemici più usati per l’ampio spettro di azione. Il loro grande svantaggio, dovuto principalmente allo specifico sito d’azione tossica, è quello di indurre resistenze. FARMACI I FARMACI, come i pesticidi, sono sostanze chimiche con alta attività biologica, essendo sviluppate per influenzare specifici processi biologici sia nell’uomo sia nell’animale. I due gruppi principali di farmaci specificamente destinati ad uccidere organismi sono: ANTIBIOTICI (sia umani sia veterinari) CHEMIOTERAPICI (solo per cancro umano) Problemi: • Inquinamenti delle acque vicino a fattorie, ospedali, acquacolture. • Pericolo di disattivazione dei batteri negli impianti di trattamento delle acque. • Resistenze agli antibiotici Altra emergenza: ORMONI (agiscono sul sistema riproduttivo) “Endocrine disruptors”: ormono-simili