Química Orgánica Industrial

1.- Introducción.

La agricultura depende, en gran medida, de la Industria Química Orgánica, a través de la producción de fertilizantes nitrogenados, plaguicidas y reguladores del crecimiento vegetal. Los fertilizantes están basados fundamentalmente en productos inorgánicos (amoniaco, nitrato de amonio y sulfato de amonio) aunque incluyen también productos orgánicos como la urea. Los reguladores del crecimiento, que se utilizan para mejorar el enraizamiento y el volumen de las plantas, constituyen sólo una pequeña parte de los productos agroquímicos. En cuanto a los plaguicidas constituyen la parte más importante de la Industria Agroquímica.

Los plaguicidas se clasifican en insecticidas, herbicidas, fungicidas, acaricidas y nematicidas. El consumo mundial de plaguicidas está en torno a los 12 billones de euros, de los cuales el 50% corresponde a los países desarrollados de Europa y America del Norte. En España el mercado de plaguicidas es de aproximadamente 45 1millones de euros, de los cuales el 27% son insecticidas, un 32% fungicidas y alrededor del 16% herbicidas. Las cosechas que más plaguicidas consumen son el maíz y el arroz, seguidos de cereales y algodón. Sin el uso de plaguicidas se perdería el 50% de las cosechas.

La Industria de los plaguicidas está integrada por un reducido número de multinacionales que hacen la síntesis de los productos activos, y un gran número de industrias formuladoras que preparan los productos adecuados para su aplicación en el campo como emulsiones, polvos para suspender en agua, polvos para espolvoreo en seco, gránulos, etc. Estos productos permiten aplicar dosis pequeñas, en mucho volumen, para su buena distribución sobre las plantas.

La Industria de los plaguicidas es muy competitiva en tecnología. La aparición de un producto más eficaz contra una plaga, desplaza, en poco tiempo, a otro establecido porque la relación coste/rendimiento es decisiva para el agricultor. Además, la aparición, en las plagas, de razas resistentes a un producto hace necesario el desarrollo de otros. Por eso este sector, junto con el farmacéutico, tiene los costes más altos en investigación (hasta el 8% de los ingresos brutos). En esta investigación intervienen tanto los químicos que sintetizan el producto como los entomólogos, toxicólogos o micólogos que los ensayan. Para la admisión de un producto nuevo las autoridades fitosanitarias exigen una documentación científica y técnica, cuyo coste, en muchos casos, es superior a los 12 millones de euros (gastos de I+D). De cada 10.000 compuestos ensayados sólo uno alcanza la producción comercial.

El uso masivo de plaguicidas ha dado lugar a residuos nocivos en alimentos y contaminación progresiva del medio ambiente. Según su toxicidad los plaguicidas se clasifican en tres clases A, B y C, de menor a mayor; este dato debe figurar en el envase. Además se exige un intervalo mínimo de tiempo entre la última aplicación y la recolección.

El plaguicida orgánico más antiguo es el DDT (diclorodifeniltricloroetano) que fue sintetizado por Müller en 1939, por lo que recibió el Premio Nobel en 1948. Su uso permitió combatir grandes epidemias (tifus transmitido por los piojos y malaria pos mosquitos). Actualmente su uso está restringido debido a que su elevada persistencia causa graves daños ecológicos.

Los plaguicidas tienen nombres genéricos y comerciales y no se utiliza la nomenclatura IUPAC para nombrarlos.

2.- Insecticidas

Los insecticidas destruyen las plagas de insectos tales como escarabajos, moscas, pulgones, saltamontes entre otros insectos destructores. El uso de los insecticidas ha permitido salvar muchas vidas humanas dado que diversos insectos son responsables de enfermedades mortales como la malaria y el tifus exantemático. Asimismo son útiles para proteger las cosechas y para eliminar los insectos domésticos. Para que un insecticida sea eficaz debe bloquear algún proceso vital del insecto a tratar. Hay diversos factores que afectan al buen funcionamiento de un producto como insecticida. Por ejemplo, en el caso de los insecticidas que se usan en el campo, además de actuar sobre el insecto a eliminar debe ser estable a la lluvia y al Sol, además de no ser nocivo para otras especies animales, incluido el hombre. Finalmente el coste es otro factor a considerar ya que no debe sobrepasar el valor de la cosecha. Como consecuencia de estos requisitos severos, se calcula que de cada 10000 compuestos ensayados sólo uno llega a la producción comercial.

Desde un punto de vista químico pueden clasificarse en las siguientes categorias:

• Compuestos orgánicos fosforados (fosfatos, fosfonatos, tiofosfatos y tiofosfonatos)
• Compuestos clorados
• Insecticidas naturales y sus análogos sintéticos
• Carbamatos
• Nitroderivados y otros

Actualmente, el mayor consumo es de fosforados ya que los clorados están sometidos a restricciones por su persistencia. Hay otras clasificaciones, así, según sus aplicaciones se distinguen dos grandes grupos:

• De aplicación foliar: Se aplican sobre las hojas y pueden ser proyectados desde helicópteros sobre los cultivos o mediante sistemas de aspersores (metoxiclor y carbaril entre otros).
• De aplicación al suelo: Se aplican sobre el suelo y son absorbidos por las plantas que al ser mordidas por los insectos, estos mueren (aldicarb y carbofurano).

2.1.- Insecticidas fosforados (62%)

Los insecticidas fosforados son una serie de compuestos que pueden considerarse derivados del ácido fosfórico. Su actividad como insecticidas se debe a que se comportan como agentes fosforilantes bloqueando a la enzima acetilcolinesterasa, que es la responsable de mantener la organización y transmisión de los impulsos nerviosos. La acción de bloqueo puede representarse de la siguiente manera:

 

El alcóxido actúa como nucleófilo desplazando al grupo saliente del insecticida. La enzima queda desactivada y se produce una parálisis general.

Las estructuras correspondientes a este tipo de insecticidas son:

 

En todas ellas "Y" es un grupo que favorece la transferencia del grupo fosfato en la reacción de sustitución (fosforilación). En la Tabla 12.1 se muestran los insecticidas fosforados más comunes. La toxicidad del insecticida depende de los grupos R, R' e Y. Por ejemplo el paratión es muy tóxico para el hombre, el metilparatión es menos tóxico y el feniltrotión es muy poco tóxico.

 

Una característica importante de estos compuestos es que son biodegradables (el enlace P-O se rompe fácilmente) y aunque son muy tóxicos las dosis empleadas son pequeñas. El metilparatión se utiliza principalmente para el algodón. El paratión y el malatión son los de más amplio espectro y se pueden utilizar en muchos productos agrícolas.

2.2.- Insecticidas clorados (3%)

Los primeros insecticidas que se comercializaron fueron los clorados. Estos, a diferencia de los fosforados, son muy persistentes, y al no degradarse, se acumulan en el medio ambiente y pasan a la cadena alimentaria acumulándose en los tejidos grasos (son solubles en los lípidos y muy poco solubles en agua). Por ello actualmente están sometidos a restricciones legales. Algunos insecticidas clorados comerciales se dan en la Tabla 12.2.

El DDT es poco tóxico, económico y eficaz pero, por su persistencia, está prohibido en los países más desarrollados. En los países pobres (Asia, Africa) se sigue utilizando para minimizar enfermedades transmitidas por los insectos como la malaria y el tifus exantemático que gracias a este insecticida han disminuido de varios millones de afectados al año a unos mil casos. Además en estos países el coste del tratamiento de las cosechas es decisivo para su economía. Un insecticida de estructura similar al DDT es el plifenato, un acetato de bencilo, cuya toxicidad es muy baja debido a la rápida hidrólisis del grupo ester en los tejidos humanos. Otro análogo del DDT es el metoxiclor que es menos tóxico y no se acumula en los tejidos grasos. La toxicidad de los insecticidas clorados es muy variada tal y como se indica en la Tabla 12.2. Los más tóxicos como el endrín se utilizan sólo para cultivos especiales como el algodón. De los ocho estereoisómeros del Lindano sólo es activo el isómero e,e,e,a,a,a-hexaclorociclohexano.

 

2.3.- Piretroides naturales y sintéticos (4%)

Las plantas sintetizan muchos productos (metabolitos secundarios) que son tóxicos para los insectos y, se han utilizado desde hace muchos años como insecticidas. Por ejemplo la nicotina del tabaco, la rotenona de las raíces de Derris elliptica y Lonchocarpus nicou que se cultivan en Sudamérica y Méjico, y el pelitre del Chrisanthemum cinerariefolium, que se cultiva principalmente en Nigeria.

 

El extracto de pelitre es, todavía, un producto importante aunque actualmente se comercializan análogos sintéticos. Los productos activos del pelitre son las piretrinas que son esteres de ácidos ciclopropancarboxílicos sustituidos, con cetoalcoholes cíclicos (Tabla 12.3).

 

Las piretrinas naturales son insecticidas de contacto muy poco tóxicos, que se degradan por la luz y el aire y se han usado, principalmente, como insecticidas domésticos. En los últimos años se han sintetizado un gran número de derivados del ácido crisantémico con diferentes sustituyentes en el anillo de ciclopropano, los cuales tienen mayor poder insecticida y menor toxicidad que el ácido crisantémico, por lo que se usan para combatir diversas plagas del campo. Las piretrinas sintéticas se encuentran entre los insecticidas más activos, son estables a la luz solar, efectivos contra la mayoría de los insectos que afectan a la agricultura y, se usan en dosis muy bajas. Provocan parálisis muscular en los insectos, presentan escasa toxicidad para los mamíferos pero son tóxicos para los peces. En todos los piretroides sintéticos es indispensable el grupo gem-dimetilciclopropano u otro mimético. La estereoisomería de estos compuestos influye notablemente en su actividad; por ejemplo el isómero trans del ac. crisantémico es el único activo. La toxicidad es muy variable y, en general, muy baja. Ejemplos de DL50 oral en ratas se dan en la Tabla 12.4. Una característica de las piretrinas es su baja persistencia, si bien los derivados halogenados como la permetrina y el fenvalerato tienen una persistencia de varias semanas y son fotoestables. El grupo CN del fenvalerato aporta mayor actividad insecticida. La tetrametrina es un insecticida eficaz contra las cucarachas (usado en la marca Bloom).

 

La toxicidad es muy variable y, en general, muy baja. Ejemplos de DL50 oral en ratas se dan en la Tabla 12.5. Una característica de las piretrinas es su baja persistencia, si bien los derivados halogenados como la permetrina y el fenvalerato tienen una persistencia de varias semanas y son fotoestables. El grupo CN del fenvalerato aporta mayor actividad insecticida. La tetrametrina es un insecticida eficaz contra las cucarachas (usado en la marca Bloom).

2.4.- Carbamatos insecticidas (31%)

Son derivados del ácido carbámico: R1O-C(O)-NH-R2. Su acción biológica es análoga a la de los fosforados, inhibiendo la enzima acetilcolinesterasa, reguladora de la transmisión nerviosa. No obstante, a diferencia de los fosforados el proceso es reversible y, por ello, su toxicidad es menor en los vertebrados. Su penetración en el sistema nervioso central es mala y se dan menos casos de intoxicación. El primer carbamato que se introdujo en el mercado fue el carbaril, en 1958, que tuvo éxito por su baja toxicidad y porque es activo contra especies de insectos que se habían hecho resistentes al DDT; después se han descubierto otros muchos, activos y poco tóxicos, pero el carbaril todavía se usa extensamente. En la Tabla 12.5 se dan las estructuras de los más importantes. La toxicidad varía mucho de unos a otros (Tabla 12.5)

 

El aldicarb es uno de los insecticidas más tóxicos que se conocen y sólo se usa, en gránulos, para combatir insectos del suelo. También actúa como nematicida y acaricida. El butocarb es uno de los menos tóxicos y se emplea en veterinaria contra las moscas de los establos de vacas.

La acetilación del N del grupo carbámico disminuye mucho la toxicidad y poco el poder insecticida y se están desarrollando nuevos carbamatos sobre esta base.

 

2.5.- Insecticidas que interfieren procesos biológicos específicos de insectos

En los últimos años se han desarrollado nuevos insecticidas que interfierren procesos enzimáticos y hormonales esenciales para la supervivencia de los insectos. De ellos, han alcanzado la etapa comercial los que inhiben la síntesis de la quitina y los que intervienen en las mudas larvarias. Los que inhiben la biosíntesis de quitina son ureas sustituidas como el diflubenzurón (Tabla 12.6).

Las mudas están regidas por dos hormonas; la ecdisona y la hormona juvenil. Ambas son necesarias para que el insecto alcance el desarrollo morfológico y fisiológico completo. Ambas hormonas regulan las sucesivas mudas larvarias, hasta la metamorfósis final del insecto (ecdisis), momento en el que la hormona juvenil desaparece. Algunos insecticidas actúan sobre la hormona juvenil produciendo una ecdisis prematura. Se forman así insectos inmaduros incapaces de reproducirse y de vida corta. En la Tabla 12.6 se dan algunas estructuras de insecticidas de acción biológica específica. Todos son muy poco tóxicos Con DL50 muy altas.

 

El metropeno es el que ha encontrado mayor uso contra las larvas de mosquitos y de moscas de establos. Este tipo de insecticidas se expandirá notablemente en los próximos años puesto que no causa daños ecológicos. La estructura del metropeno es muy similar al de la hormona juvenil, e imitan la acción de estas hormonas produciendo insectos inmaduros. También afectan a la reproducción de insectos maduros.

3.- Herbicidas (59%)

La producción de herbicidas ocupa el primero o el segundo lugar, según los países entre los plaguicidas. Esto se debe a que las malas hierbas causan pérdidas de rendimiento de los cultivos agrícolas. Por ejemplo, algunas malas hierbas de los cereales consumen el doble de N, P y K que la propia cosecha y, además compiten por la luz y la humedad y favorecen muchas plagas. Se calcula que las malas hierbas disminuyen, actualmente, en más de un 15% la producción agraria. Los herbicidas pueden clasificarse atendiendo a su forma de actuar, a la acción biológica que inhiben o en función de su naturaleza química.

Según su forma de actuar se clasifican en:

• Herbicidas de contacto.
• Desfoliadores
• Erradicantes
• Sistemáticos y
• Selectivos.

Un herbicida de contacto destruye sólo la parte de la planta en la que se aplica. Un desfoliador hace que las hojas se caigan prematuramente, y un erradicante elimina la vegetación por completo. Los herbicidas sistemáticos son absorbidos por las raíces y transportados por la planta hasta los tejidos. Los herbicidas selectivos matan o atenúan las malas hierbas durante la germinación de las cosechas sin dañarlas.

Teniendo en cuenta la acción biológica que inhiben hay inhibidores de la fotosíntesis, los que aceleran los procesos reguladores del crecimiento, los que inhiben la germinación de las semillas o los que interfieren en la respiración celular entre otros. Y según su naturaleza química hay una gran diversidad de compuestos diferentes.

FENOXIÁCIDOS: El avance más importante se encontró hacia 1940 con el descubrimiento del ácido 2,4-diclorofenoxiacético, 2,4-D, el cual tiene todavía un amplio uso. Se trata de un herbicida selectivo que actúa acelerando los procesos reguladores del crecimiento de las hierbas de hoja ancha (dicotiledóneas) pero que es inocuo para las gramíneas (monocotiledóneas: arroz, trigo, cebada, avena, maíz). Se han descubierto otros fenoxiácidos de estructura análoga, con una eficacia similar, como el ácido 2-metil-4-clorofenoxiacético, MCPA. Los isómeros estructurales del 2,4-D y del MCPA con un número par de grupos metileno son inactivos.

 

NITROFENOLES: Los primeros herbicidas orgánicos fueron nitrofenoles, como el dinitro-o-cresol, DNOC, y el dinitro-o-sec-butilfenol, Dinoseb (Tabla 12.7). Su descubrimiento fue empírico, pero ahora se sabe que impiden la fosforilación celular y la síntesis de ATP (trifosfato de adenosina). Como este proceso celular es similar en plantas y mamíferos son herbicidas muy tóxicos y actualmente se utilizan muy poco. Sus análogos, las nitroaminas son menos tóxicos.

 

HETEROCICLOS NITROGENADOS: Son fundamentalmente diazinas, triazinas y sus derivados. Inhiben la fotosíntesis y, por tanto, no son tóxicos para los mamíferos. Son estables y poco solubles en agua. La atrazina se usa en el cultivo del maíz. La alta resistencia que presenta el maíz a este herbicida se debe a que en el interior de la planta se produce la rotura del enlace C-Cl dando lugar a la destoxificación del herbicida.

 

ARILMETILUREAS: Actúan por absorción a través de las hojas o de las raíces bloqueando la acción de la clorofila (inhibición de la fotosíntesis, no tóxicos para mamíferos). Su acción es lenta y persistente ya que son compuestos muy estables. Se usan para la remolacha azucarera, guisantes y alcachofas entre otros.

 

SALES CUATERNARIAS DE HETEROCICLOS: Herbicidas como el Paraquat y el Dibenzoquat destruyen el follaje verde con mucha eficacia. Se emplean para limpiar un campo inmediatamente antes o después de la siembra ya que se inactivan rápidamente. También se emplean para eliminar los rastrojos de invierno. Su uso está restringido por su elevada toxicidad para el hombre.

 

ÁCIDOS Y ESTERES HALOGENADOS: Otros herbicidas selectivos son ácidos y esteres halogenados como el ácido 2,2-dicloropropiónico, Dalapón. Se emplean para controlar las hierbas perennes y En particular el dalapón es útil para controlar las hierbas acuáticas.

 

NITRILOS: Inhiben la germinación de las semillas como el Ioxinil.

Actualmente hay herbicidas para la mayoría de los principales problemas de malas hierbas. Su toxicidad es muy variable si bien los más utilizados son los poco tóxicos.

 

4.- Fungicidas (10%)

Los fungicidas protegen a las plantas de los hongos. Los efectos devastadores de las enfermedades de las plantas se conocen desde muy antiguo. Así en 1845 el mildiú acabó con la cosecha de patatas en Irlanda, y el moho de la hoja del café destruyó la cosecha de café en Ceylan. Se conocen más de 100 especies de hongos que atacan a los cultivos produciendo enfermedades en las plantas, como el oídio de la vid, o bien proliferan sobre los alimentos produciendo su degradación, como diversas especies de Penicillium que crecen sobre las naranjas y el pan, o los contaminan con toxinas, como el Aspergillus que contamina los cereales y oleaginosas.

El estudio científico de las enfermedades de las plantas comenzó en el siglo XIX con los trabajos de Prevost, De Bary y Pasteur. Actualmente existe una gran diversidad de productos químicos utilizados como fungicidas (Tabla 12.8); cada producto se usa, específicamente contra una o unas pocas especies de hongos. Los mecanismos de actuación de los fungicidas se conocen muy poco, por lo que los fungicidas se descubren por ensayos empíricos.

La mayoría de los fungicidas empleados comercialmente son fungicidas de superficie. Mediante la colocación correcta del producto químico sobre la semilla o las hojas, se forma un recubrimiento protector que impide o retarda el crecimiento del hongo invasor. No obstante estos compuestos al no penetrar dentro de la planta no erradican las infecciones internas. Actualmente se han desarrollado nuevos fungicidas denominados sistemáticos que penetran en el interior de la planta.

Entre los diversos tipos de fungicidas están los derivados aromáticos como el o-fenilfenol, el Diclorán y el Clorotalonilo. Se usan como protectores de semillas evitando que los hongos penetren en las plantas.

Algunos derivados del ácido ditiocarbámico (H2NCSSH) son importantes fungicidas. Los más eficaces son las sales de Zn y de Mn como el Zineb y el Maneb entre otros que se usan principalmente para patatas y hortalizas. Otro ditiocarbamato eficaz es el Tiram que se usa para controlar el moho gris en fresas y lechugas.

También se han usado con éxito diversos compuestos organometálicos, fundamentalmente derivados de Sn y Hg como el cihexatín, el fenbutatín y el cloruro de metoximercurio.

En cuanto a su toxicidad es muy variable al igual que ocurre con los demás plaguicidas.

 

Los fungicidas también se utilizan en las industrias papelera y textil, en pinturas y como desinfectantes de heridas (mertiolato y mercurocromo).

5.- Acaricidas y nematicidos (15%)

Para la lucha contra los arácnidos (ácaros) y gusanos (nematodos) que producen graves daños en los cultivos la Industria Química ha preparado una serie de compuestos activos.

Diversas especies de ácaros son plagas importantes y muchas de ellas se han desarrollado al desaparecer sus predadores naturales por el uso de insectidas; por ello se ha hecho necesario desarrollar nuevos productos eficaces contra estas arañitas. Algunos insecticidas fosforados como el triazofos y el carbofentión son acaricidas activos. También algunos fungicidas como el dinocap y el ciclohexatín se usan como acaricidas. Existen actualmente acaricidas específicos como el fentiocarb, el tetradifón y el dicofol, este último de gran semejanza estructural con el DDT.

 

Recientemente se han introducido las avermectinas que son insecticidas y acaricidas de potencia extraordinaria cuya mayor aplicación es como acaricida y contra insectos en estado larvario. Se trata de compuestos de origen natural que se obtienen de los caldos de cultivo del hongo Streptomyces avermitilis y tienen estructura de macrólido con un anillo de lactona de 16 eslabones y un grupo espiroacetal. Presentan una elevada toxicidad para insectos, arañas y orugas. Penetran rápidamente en las plantas y se degradan fácilmente. También son tóxicas para los vertebrados.

 

Los árboles frutales y las hortalizas sufren graves daños debido a los pequeños nematodos del suelo que atacan raíces, bulbos y tubérculos. Muchos insecticidas son también nematicidas y se usan para combatir, al mismo tiempo, insectos y nematodos del suelo; ejemplos de este tipo son el aldicarb y el carbofurano. Otros compuestos son nematicidas específicos como Ethoprofos y Fenamifós, mostrados en la Tabla 12.9.

 

Algunos nematicidas son gaseosos o líquidos muy volátiles (bromuro de metilo, dibromocloropropano); otros se convierten en productos gaseosos después de su aplicación (metam, dazomet); ambos grupos se usan como fumigantes del suelo y destruyen insectos, hongos y nematodos. Así,el metám y el dazomet se convierten en tiisocianato de metilo con la humedad del suelo.

 

La toxicidad de los nematicidas generalmente es alta; algunos como el fenamifós son muy tóxicos. La toxicidad de los acaricidas es más variada; así el tetradifón es muy poco tóxico y la propargita de toxicidad mediana (Tabla 12.9).

6.- Feromonas de insectos

Los insectos emiten productos que sirven de mensajes de comunicación con otros individuos. Estos compuestos orgánicos, llamados feromonas, son muy variados y desempeñan diversas funciones. Los más conocidos son atrayentes sexuales que aseguran el apareamiento, pero también se han descubierto feromonas de agregación, que atraen a los insectos a lugares de refugio, o de alarma, que los dispersan cuando aparecen predadores. Los insectos emiten cantidades tan pequeñas como 10-15 g de feromona. Estos productos se usan en la práctica agrícola con gran eficacia. La feromona se coloca en una trampa que atrae a los machos. Cada día se cuenta el número de machos en la trampa. Si estos se encuentran en número menor al establecido, los campos no se fumigan; si la población se encuentra por encima de un determinado nivel, se utiliza insecticida.

Otro uso de las feromonas es como cebo en las trampas destinadas para recoger tantos machos como sea posible y reducir la población total de insectos. Otra posibilidad es rociar el campo con la feromona, el insecto macho se desorienta y no puede reproducirse.

Actualmente se conocen un gran número de feromonas, sobre todo de las sexuales segregadas por las hembras. En la Tabla 12.10 se puede observar como cada especie segrega su propia feromona. Las estructuras correspondientes a los lepidópteros son similares sin embargo las de los coleópteros y dípteros son muy diferentes.