Diffusion kinetics of organic compounds and water in plant cuticular model wax under the influence of diffusing barrier-modifying adjuvants | Diffusionskinetiken organischer Verbindungen und Wasser in pflanzlichem kutikulärem Modellwachs unter dem Einfluss von diffundierenden, barriere-modifizierenden Adjuvantien

English. To reach their target site, systemic pesticides must enter the plant from a spray droplet applied in the field. The uptake of an active ingredient (AI) takes place via the barrier-forming cuticular membrane, which is the outermost layer of the plant, separating it from the surrounding environment. Formulations are usually used which, in addition to the AI, also contain stabilizers and adjuvants. Adjuvants can either have surface-active properties or they act directly as barrier-modifying agents. The latter are grouped in the class of accelerating adjuvants, whereby individual variants may also have surface-active properties. The uptake of a pesticide from a spray droplet depends essentially on its permeability through the cuticular barrier. Permeability defines a combined parameter, which is the product of AI mobility and AI solubility within the cuticle. In recent decades, several tools have been developed that allowed the determination of individual parameters of organic compound penetration across the cuticular membrane. Nevertheless, earlier studies showed that mainly cuticular waxes are the barrier-determining component of the cuticular membrane and additionally, it was shown that mainly the very-long-chain aliphatic compounds (VLCAs) are responsible for establishing an effective barrier. However, the barrier-determining role of the individual VLCAs, being classified according to their respective functional groups, is still unknown. Therefore, the following objectives were pursued and achieved in this work: (1) A new ATR-FTIR-based approach was developed to measure the temperature-dependent real-time diffusion kinetics of organic models for active ingredients (AIs) in paraffin wax, exclusively consisting of very-long chain alkanes. (2) The developed ATR-FTIR approach was applied to determine the diffusion kinetics of self-accelerating adjuvants in cuticular model waxes of different VLCA composition. At the same time, wax-specific changes were recorded in the respective IR spectra, which provided information about the respective wax modification. (3) The ATR-FTIR method was used to characterize the diffusion kinetics, as well as to determine the wax-specific sorption capacities for an AI-modeling organic compound and water in cuticular model waxes after adjuvant treatment. Regarding the individual chemical compositions and structures, conclusions were drawn about the adjuvant-specific modes of action (MoA). In the first chapter, the ATR-FTIR based approach to determine organic compound diffusion kinetics in paraffin wax was successfully established. The diffusion kinetics of the AI modelling organic compounds heptyl parabene (HPB) and 4-cyanophenol (CNP) were recorded, comprising different lipophilicities and molecular volumes typical for AIs used in pesticide formulations. Derived diffusion coefficients ranged within 10-15 m2 s-1, thus being thoroughly higher than those obtained from previous experiments using an approach solely investigating desorption kinetics in reconstituted cuticular waxes. An ln-linear dependence between the diffusion coefficients and the applied diffusion temperature was demonstrated for the first time in cuticular model wax, from which activation energies were derived. The determined activation energies were 66.2 ± 7.4 kJ mol-1 and 56.4 ± 9.8 kJ mol-1, being in the expected range of already well-founded activation energies required for organic compound diffusion across cuticular membranes, which again confirmed the significant contribution of waxes to the cuticular barrier. Deviations from the assumed Fickian diffusion were attributed to co-occurring water diffusion and apparatus-specific properties. In the second and third chapter, mainly the diffusion kinetics of accelerating adjuvants in the cuticular model waxes candelilla wax and carnauba wax were investigated, and simultaneously recorded changes in the wax-specific portion of the IR spectrum were interpreted as indications of plasticization. For this purpose, the oil derivative methyl oleate, as well as the organophosphate ester TEHP and three non-ionic monodisperse alcohol ethoxylates (AEs) C12E2, C12E4 and C12E6 were selected. Strong dependence of diffusion on the respective principal components of the mainly aliphatic waxes was demonstrated. The diffusion kinetics of the investigated adjuvants were faster in the n-alkane dominated candelilla wax than in the alkyl ester dominated carnauba wax. Furthermore, the equilibrium absorptions, indicating equilibrium concentrations, were also higher in candelilla wax than in carnauba wax. It was concluded that alkyl ester dominated waxes feature higher resistance to diffusion of accelerating adjuvants than alkane dominated waxes with shorter average chain lengths due to their structural integrity. This was also found either concerning candelilla/policosanol (n-alcohol) or candelilla/rice bran wax (alkyl-esters) blends: with increasing alcohol concentration, the barrier function was decreased, whereas it was increased with increasing alkyl ester concentration. However, due to the high variability of the individual diffusion curves, only a trend could be assumed here, but significant differences were not shown. The variability itself was described in terms of fluctuating crystalline arrangements and partial phase separation of the respective wax mixtures, which had inevitable effects on the adjuvant diffusion. However, diffusion kinetics also strongly depended on the studied adjuvants. Significantly slower methyl oleate diffusion accompanied by a less pronounced reduction in orthorhombic crystallinity was found in carnauba wax than in candelilla wax, whereas TEHP diffusion was significantly less dependent on the respective wax structure and therefore induced considerable plasticization in both waxes. Of particular interest was the AE diffusion into both waxes. Differences in diffusion kinetics were also found here between candelilla blends and carnauba wax. However, these depended equally on the degree of ethoxylation of the respective AEs. The lipophilic C12E2 showed approximately Fickian diffusion kinetics in both waxes, accompanied by a drastic reduction in orthorhombic crystallinity, especially in candelilla wax, whereas the more hydrophilic C12E6 showed significantly retarded diffusion kinetics associated with a smaller effect on orthorhombic crystallinity. The individual diffusion kinetics of the investigated adjuvants sometimes showed drastic deviations from the Fickian diffusion model, indicating a self-accelerating effect. Hence, adjuvant diffusion kinetics were accompanied by a distinct initial lag phase, indicating a critical concentration in the wax necessary for effective penetration, leading to sigmoidal rather than to exponential diffusion kinetics. The last chapter dealt with the adjuvant-affected diffusion of the AI modelling CNP in candelilla and carnauba wax. Using ATR-FTIR, diffusion kinetics were recorded after adjuvant treatment, all of which were fully explicable based on the Fickian model, with high diffusion coefficients ranging from 10-14 to 10-13 m2 s-1. It is obvious that the diffusion coefficients presented in this work consistently demonstrated plasticization induced accelerated CNP mobilities. Furthermore, CNP equilibrium concentrations were derived, from which partition- and permeability coefficients could be determined. Significant differences between diffusion coefficients (mobility) and partition coefficients (solubility) were found on the one hand depending on the respective waxes, and on the other hand depending on treatment with respective adjuvants. Mobility was higher in candelilla wax than in carnauba wax only after methyl oleate treatment. Treatment with TEHP and AEs resulted in higher CNP mobility in the more polar alkyl ester dominated carnauba wax. The partition coefficients, on the other hand, were significantly lower after methyl oleate treatment in both candelilla and carnauba wax as followed by TEHP or AE treatment. Models were designed for the CNP penetration mode considering the respective adjuvants in both investigated waxes. Co-penetrating water, which is the main ingredient of spray formulations applied in the field, was likely the reason for the drastic differences in adjuvant efficacy. Especially the investigated AEs favored an enormous water uptake in both waxes with increasing ethoxylation level. Surprisingly, this effect was also found for the lipophilic TEHP in both waxes. This led to the assumption that the AI permeability is not exclusively determined by adjuvant induced plasticization, but also depends on a “secondary plasticization”, induced by adjuvant-attracted co-penetrating water, consequently leading to swelling and drastic destabilization of the crystalline wax structure. The successful establishment of the presented ATR-FTIR method represents a milestone for the study of adjuvant and AI diffusion kinetics in cuticular waxes. In particular, the simultaneously detectable wax modification and, moreover, the determinable water uptake form a perfect basis to establish the ATR-FTIR system as a universal screening tool for wax-adjuvants-AI-water interaction in crop protection science.

German. Um ihren Zielort zu erreichen, müssen systemische Pestizide aus einem auf dem Feld ausgebrachten Sprühtropfen in die Pflanze gelangen. Die Aufnahme eines Wirkstoffs (AI) erfolgt über die barrierebildende Kutikularmembran, die äußerste Schicht der Pflanze, die sie von der Umgebung trennt. In der Regel werden Formulierungen verwendet, die neben dem AI auch Stabilisatoren und Adjuvantien enthalten. Adjuvantien können entweder oberflächenaktive Eigenschaften haben oder sie wirken direkt als barrieremodifizierende Substanzen. Letztere werden in der Klasse der beschleunigenden Adjuvantien zusammengefasst, wobei einzelne Varianten auch oberflächenaktive Eigenschaften haben können. Die Aufnahme eines Pestizids aus einem Sprühtropfen hängt im Wesentlichen von seiner Durchlässigkeit durch die kutikuläre Barriere ab. Die Permeabilität ist ein kombinierter Parameter, der sich aus der Mobilität und der Löslichkeit des Wirkstoffs in der Kutikula ergibt. In den letzten Jahrzehnten wurden mehrere Methoden entwickelt, die die Bestimmung einzelner Parameter der Permeation organischer Verbindungen durch die Kutikularmembran ermöglichen. Frühere Studien zeigten jedoch, dass hauptsächlich kutikuläre Wachse die barrierebestimmende Komponente der Kutikula darstellen, und darüber hinaus wurde gezeigt, dass hauptsächlich die sehr langkettigen aliphatischen Verbindungen (VLCAs) für die Errichtung einer wirksamen Barriere verantwortlich sind. Die Rolle der einzelnen VLCAs, die nach ihren jeweiligen funktionellen Gruppen klassifiziert werden, ist jedoch in Bezug auf die Bestimmung der Barriereeigenschaften noch unbekannt. Daher wurde in dieser Arbeit folgende Ziele verfolgt und erreicht: (1) Ein neuer ATR-FTIR-basierter Ansatz wurde entwickelt, um die temperaturabhängige Echtzeit-Diffusionskinetik von organischen Modellen für Wirkstoffe (AI) in ausschließlich aus Alkanen bestehendem Paraffinwachs zu messen. (2) Der entwickelte ATR-FTIR-Ansatz wurde zur Bestimmung der Diffusionskinetik von selbstbeschleunigenden Adjuvantien in kutikulären Modellwachsen unterschiedlicher VLCA-Zusammensetzung angewendet. Gleichzeitig wurden wachsspezifische Veränderungen in den jeweiligen IR-Spektren aufgezeichnet, welche Informationen über die jeweilige Wachsmodifikation lieferten. (3) Die ATR-FTIR-Methode wurde zur Charakterisierung der Diffusionskinetik, sowie zur Bestimmung der wachsspezifischen Sorptionskapazitäten für eine AI-modellierende organische Verbindung und von Wasser in kutikulären Modellwachsen nach Adjuvans-Behandlung verwendet. Im Hinblick auf die einzelnen chemischen Zusammensetzungen und Strukturen wurden Rückschlüsse auf die adjuvansspezifischen Wirkweisen (MoA) gezogen. Im ersten Kapitel wurde der ATR-FTIR-basierte Ansatz zur Bestimmung der Diffusionskinetik organischer Verbindungen in Paraffinwachs erfolgreich etabliert. Es wurde die Diffusionskinetik der organischen AI-Modellverbindungen Heptylparaben (HPB) und 4-Cyanophenol (CNP) aufgezeichnet, die unterschiedliche Lipophilitäten und Molekülvolumina aufweisen, wie sie für AIs in Pestizidformulierungen typisch sind. Die abgeleiteten Diffusionskoeffizienten lagen im Bereich von 10-15 m2 s-1 und waren damit höher als die zuvor in rekonstituierten kutikulären Wachsen beobachteten Diffusionskoeffizienten. Zum ersten Mal wurde eine ln-lineare Abhängigkeit zwischen den Diffusionskoeffizienten und der angewandten Diffusionstemperatur in kutikulärem Modellwachs nachgewiesen, aus der schließlich Aktivierungsenergien abgeleitet wurden. Die ermittelten Aktivierungsenergien betrugen 66.2 ± 7.4 kJ mol-1 und 56.4 ± 9,8 kJ mol-1 und lagen damit im erwarteten Bereich der bereits gut begründeten Aktivierungsenergien, die für die Diffusion organischer Verbindungen durch kutikuläre Membranen erforderlich sind. Dies bestätigte abermals den signifikanten Beitrag der Wachse zur kutikulären Barriere. Abweichungen von der angenommenen Fick'schen Diffusion wurden auf die gleichzeitig stattfindende Wasserdiffusion und gerätespezifische Artefakte zurückgeführt. Im zweiten und dritten Kapitel wurde vor allem die Diffusionskinetik von beschleunigenden Adjuvantien in den kutikulären Modellwachsen Candelillawachs und Carnaubawachs untersucht und gleichzeitig aufgezeichnete Veränderungen im wachspezifischen Teil des IR-Spektrums als Hinweise auf eine Plastifizierung interpretiert. Zu diesem Zweck wurden das Ölderivat Methyloleat, sowie der Organophosphatester TEHP und drei nichtionische monodisperse Alkoholethoxylate (AEs) C12E2, C12E4 und C12E6 ausgewählt. Es wurde eine starke Abhängigkeit der Adjuvansdiffusion von den jeweiligen Hauptkomponenten der hauptsächlich aliphatisch strukturierten Wachse nachgewiesen. So war die Diffusionskinetik der untersuchten Adjuvantien in dem hauptsächlich aus n-Alkanen bestehenden Candelillawachs schneller als in dem von Alkylestern dominierten Carnaubawachs. Darüber hinaus waren die Gleichgewichtsabsorptionen, die auf Gleichgewichtskonzentrationen hinweisen, in Candelillawachs ebenfalls höher als in Carnaubawachs. Daraus wurde gefolgert, dass Wachse mit hohen Alkylesteranteilen aufgrund ihrer strukturellen Integrität einen höheren Widerstand gegen die Diffusion von beschleunigenden Adjuvantien aufweisen als Wachse mit kürzeren durchschnittlichen Kettenlängen. Dies wurde auch bei Candelilla/Policosanol- (n-Alkohol) oder Candelilla/Reiskleiewachs-Mischungen (Alkylester) festgestellt: Mit steigender Alkoholkonzentration nahm die Barrierefunktion ab, während sie mit steigender Alkylesterkonzentration zunahm. Aufgrund der hohen Variabilität der einzelnen Diffusionskurven konnte hier jedoch nur ein Trend vermutet werden, signifikante Unterschiede zeigten sich jedoch nicht. Die Variabilität selbst wurde mit schwankenden kristallinen Anordnungen und teilweiser Phasentrennung der jeweiligen Wachsmischungen erklärt, die sich zwangsläufig auf die Diffusion der Adjuvantien auswirkten. Die Diffusionskinetik hing jedoch auch stark von den untersuchten Adjuvantien ab. In Carnaubawachs wurde eine deutlich langsamere Methyloleat-Diffusion festgestellt, die mit einer weniger ausgeprägten Verringerung der orthorhombischen Kristallinität einherging als in Candelillawachs, während die TEHP-Diffusion deutlich weniger von der jeweiligen Wachsstruktur abhängig war und in beiden Wachsen eine erhebliche Plastifizierung bewirkte. Von besonderem Interesse war die AE-Diffusion in den untersuchten Wachsen. Auch hier wurden Unterschiede in der Diffusionskinetik zwischen Candelillamischungen und Carnaubawachs festgestellt. Diese hingen jedoch gleichermaßen vom Ethoxylierungsgrad der jeweiligen AEs ab. Das lipophile C12E2 zeigte in beiden Wachsen eine annähernd Fick‘sche Diffusionskinetik, die mit einer drastischen Verringerung der orthorhombischen Kristallinität einherging, insbesondere im Candelillawachs, während das hydrophilere C12E6 eine deutlich verzögerte Diffusionskinetik zeigte, die mit einer geringeren Auswirkung auf die orthorhombische Kristallinität einherging. Die individuellen Diffusionskinetiken der untersuchten Adjuvantien zeigten teilweise drastische Abweichungen vom Fick‘schen Diffusionsmodell, was auf einen selbstbeschleunigenden Effekt hindeutet. Die Diffusionskinetik der Adjuvantien wurde von einer ausgeprägten anfänglichen Verzögerungsphase begleitet, die auf das Erreichen einer kritischen Konzentration im Wachs hindeutet. Es wird angenommen, dass aufgrund der initialen Verzögerungsphase letztlich sigmoidale, statt Fick’sche Diffusionskinetiken vorlagen. Das letzte Kapitel befasste sich mit der adjuvansbeeinflussten Diffusion der für Wirkstoffe modellhaften organischen Substanz CNP in Candelilla- und Carnaubawachs. Mittels ATR-FTIR wurden Diffusionskinetiken nach Adjuvans-Behandlung aufgezeichnet, die alle auf der Grundlage des Fick‘schen Modells vollständig erklärbar waren, einhergehend mit hohen Diffusionskoeffizienten von 10-14 bis 10-13 m2 s-1. Es ist offensichtlich, dass die in dieser Arbeit vorgestellten Diffusionskoeffizienten durchweg eine durch die Plastifizierung bedingte erhöhte CNP-Mobilität belegen. Darüber hinaus wurden CNP-Gleichgewichtskonzentrationen abgeleitet, aus denen Verteilungs- und Permeabilitätskoeffizienten bestimmt werden konnten. Signifikante Unterschiede zwischen Diffusionskoeffizienten (Mobilität) und Verteilungskoeffizienten (Löslichkeit) wurden zum einen in Abhängigkeit von den jeweiligen Wachsen und zum anderen in Abhängigkeit von den jeweiligen Adjuvantien festgestellt. Die CNP-Mobilität war in Candelillawachs nur nach Behandlung mit Methyloleat höher als in Carnaubawachs. Die Behandlung mit TEHP und AEs führte zu einer höheren CNP-Mobilität in dem polaren, von Alkylestern dominierten Carnaubawachs. Die Verteilungskoeffizienten hingegen waren nach der Behandlung mit Methyloleat sowohl in Candelilla- als auch in Carnaubawachs deutlich niedriger als nach der Behandlung mit TEHP oder AE. Es wurden Modelle für den CNP-Penetrationsmodus unter Berücksichtigung der jeweiligen Adjuvantien in den beiden untersuchten Wachsen entwickelt. Der Grund für die drastischen Unterschiede in der Wirksamkeit der Adjuvantien liegt wahrscheinlich im Ko-Penetrieren von Wasser, dem Hauptbestandteil der auf dem Feld angewandten Spritzformulierungen. Insbesondere die untersuchten AEs begünstigten eine enorme Wasseraufnahme in beiden Wachsen mit zunehmendem Ethoxylierungsgrad. Überraschenderweise wurde dieser Effekt auch für das lipophile TEHP in beiden Wachsen gefunden. Dies führte zu der Vermutung, dass die AI-Permeabilität nicht ausschließlich durch die adjuvansinduzierte Plastifizierung bestimmt wird, sondern auch von einer "sekundären Plastifizierung" abhängt, die durch die Ko-Penetration von Wasser induziert wird und so zur Quellung und drastischen Destabilisierung der kristallinen Wachsstruktur führt. Die erfolgreiche Etablierung der vorgestellten ATR-FTIR-Methode stellt einen Meilenstein für die Untersuchung der Diffusionskinetik von Adjuvantien und AIs in kutikulären Wachsen dar. Insbesondere die gleichzeitig nachweisbare Wachsmodifikation und darüber hinaus die bestimmbare Wasseraufnahme bilden eine perfekte Grundlage, um das ATR-FTIR-System als universelles Screening-Tool für Wachs-Adjuvans-AI-Wasser-Interaktionen in der Pflanzenschutzwissenschaft zu etablieren.