Natural products in crop protection

parts, and plants typically reemerge from the root system after a
few days or weeks. The typical concentration of acetic acid in most
commercially available vinegars is 5%, and this concentration is
reported to provide only variable control of small weeds. Oil adju-
vants do not significantly increase the herbicidal activity of acetic
acid. Although acetic acid is applied at relatively high concentra-
tions, it does not have a long term negative influence on soil
microorganisms.
31
Acetic acid can also be used to control invasive aquatic weeds. It
kills propagules of hydrilla (Hydrilla verticillata), sago pondweed
(Stuckenia pectinatus), and smooth cordgrass (Spartina alternifl-
ora)
32,33
Careful treatments of lake sediments with acetic acid
may have utility as an alternative to foliarly applied herbicides
such as imazapyr and glyphosate.
33
2.1.3. Fatty acids
The herbicidal activity of fatty acids has been known for many
years
34,35
and some fatty acid salts are now marketed as non-selec-
tive herbicidal soaps. These are composed of fatty acids of various
aliphatic length mixed with vinegar or acetic acid (Section
2.1.2
)
and emulsifiers such as organosilicone, saponified, methylated,
and ethylated seed oil activator adjuvants.
Herbicidal soaps act relatively rapidly and have no selectivity
(broad-spectrum weed control). However, most weeds tend to
recover because there is no residual activity after the initial burn-
down effect which takes place soon after application.
36
As such,
these mixtures can be used as desiccants. Fatty acids with mid-
range aliphatic tails such as caprylic (C8, octanoic acid) and pelar-
gonic acid (C9) are the most effective.
37
Pelargonic acid [CAS 112-05-0] (
Fig. 2.2
) is a contact, broad-
spectrum commercial herbicide for control of annual weeds,
mosses (Bryum argenteum) and liverwort (Marcbantia polymor-
pha).
19,38,39
It disrupts plant cell membranes, causing rapid loss
of cellular function.
39
When saturated fatty acids from C6 to C14
Table 1
Examples of commercial products containing natural products used for weed
management in organic agriculture
Products
Components
WeedBan
TM
Corn gluten meal
Corn Weed
Blocker
TM
Bioscape
Bioweed
TM
Corn gluten meal, soybean oil
Scythe
TM
Pelargonic acid (57%), related short chain fatty acids (3%), 30%
paraffinic petroleum oil (30%)
Burnout
TM
Clove oil (12–18%), sodium lauryl sulfate (8–10%), acetic acid,
Bioganic
TM
lecithin, citric acid (30%), mineral oil (80%)
Poison Ivy
Defoliant
TM
Bioorganic
TM
Clove oil (5%), 2-phenethyl propionate (5%), sesame oil (4%)
and sodium lauryl sulfate (0.5%)
AllDown
TM
Citric acid (5%), acetic acid, yucca extracts, garlic oil (0.2%)
Interceptor
TM
10% pine oil
Weed Zap
TM
Clove oil or cinnamon oil (30%), vinegar (70%)
Weed-A-Tak
TM
Citric acid (32%), clove oil (8%), cinnamon oil (8%), 2-phenetyl
Repellex
Ò
proprionate, lecithin. It may contain thyme oil, and
wintergreen oil.
Moss & Algae
Killer
TM
Potassium salts of fatty acids (40%)
Naturell WK
Herbicide
TM
DeMoss
TM
Mosskiller
TM
Organic Weed &
Grass
Citrus oil (70%)
Killer
TM
GreenMatch O
TM
D
-Limonene (70%), castor oil (1 to 4%), emulsifiers (18 to 23%)
Nature’s
Avenger
TM
GreenMatch EX
TM
Lemongrass oil (50%) and a mixture of water, corn oil, glycerol
esters, potassium oleate and lecithin
Matran II
TM
Clove oil (46%), wintergreen oil, butyl lactate, lecithin
Eco-Exempt
TM
2-Phenethyl proprionate (21.4%), clove oil (21.4%)
Eco-Smart
TM
Figure 2.1. Structures of the phytotoxic oligopeptides in the hydrolisate of corn gluten meal used for weed management in organic agriculture.
4024
F. E. Dayan et al. / Bioorg. Med. Chem. 17 (2009) 4022–4034

---

were compared, the C9–C11 fatty acids were especially active,
whereas the others were significantly less active.
40
C6 and C14
fatty acids had essentially no herbicidal activity. Pelargonic acid it-
self is considered a low toxicity and environmental impact herbi-
cide.
19,34
It has no residual activity.
Adding organic acids such as succinic, lactic or glycolic acid
enhance the efficacy of pelargonic acid formulations.
41
Potassium
salts of fatty acid (up to 40%) preparations are commercialized,
effective non-selective herbicides used for controlling mosses and
liverworts (
Table 1
). Oleic acid is usually a major component of
these mixtures, though the exact compositions of these products
are not well publicized.
2.1.4. Essential oils
Essential oils have also shown some potential as herbicides.
Surfactants, which are also limited in organic agriculture, are often
required to assist in the spreading of the material. Since most
essential oils commercialized for natural weed control consists of
mixtures, it is difficult to cover the numerous formulations avail-
able. This section will highlight some of the most common oils
used. All commercialized essential oils act as non-selective, contact
herbicides (burn down) that can provide good but transient weed
control.
The use of essential oils for weed control in organic agriculture
seems promising, but these natural herbicides all act very rapidly
and their efficacy is limited by the fact that they most likely vola-
tilize relatively quickly. Alternative formulations, such as microen-
capsulation, are being developed to reduce the amounts applied,
increase the duration of their effectiveness by reducing their vola-
tilization, simplify the handling of material, and slow down the
rate of degradation in the environment.
42
2.1.4.1. Pine oil. Pine oil [CAS 8002-09-03] composed of terpene
alcohols and saponified fatty acids is sold as a 10% aqueous emul-
sion for weed control (
Table 1
).
30
As with other natural product-
derived weed control, pine oil did not provide the level of control
obtained with a single application of glyphosate.
30
2.1.4.2. Clove oil. The essential oil obtained by steam distillation
of clove (Eugenia caryophyllus Spreng) leaves [CAS 8000-34-8] con-
tains primarily eugenol [CAS 97-53-0] (
Fig. 2.2
) in together with
several other terpenoids. Clove oil is commercialized for weed con-
trol under several forms (
Table 1
). For example, Matran
Ò
contains
up to 50% clove oil and Burnout II
Ò
consists of a mixture of 12%
clove oil with acetic acid. Clove oil has also been formulated for
the control of poison ivy (Rhus radicans L.). Clove oil applied at con-
centrations of 1–5% controlled most small weeds,
43
but the rela-
tively high rate required for control makes this treatment
expensive, even in high-value vegetable production systems.
2.1.4.3. 2-Phenethyl propionate. 2-Phenethyl propionate [CAS
122-70-3] (
Fig. 2.2
) is a component of peppermint (Mentha piperita,
L.) oil [CAS 8006-90-4], which is also rich in menthol [CAS 89-78-1]
and menthone [CAS 89-80-5] (
Fig. 2.2
).
44
2-Phenethyl propionate
has been patented as a herbicide
45
and can be found as a component
of the formulations of natural herbicides (
Table 1
). This product
must be diluted before application and its use recommendations
are similar to those of clove oil or eugenol (see above Section
2.1.4.2
). This compound is thought to be very safe to the environ-
ment and to human health, as it is used in food flavorings.
2.1.4.4. Lemongrass oil. Lemongrass (Cymbopogon citratus Stapf.
or C. flexuosus D.C.) oil [CAS 8007-02-1] (
Table 1
) has recently been
commercialized as an organic herbicide, but its potential use for
weed control was first patented in England in 1924.
46
The main
component (80%) of this oil is citral [CAS 5392-40-5](
Fig. 2.2
).
47
A commercial product containing 50% lemongrass oil must be
diluted to 7–15% before application. Lemongrass oil acts as a con-
tact herbicide, and since the active ingredient (citral) does not
translocate, only the portions of plants receiving the spray solution
are affected.
Application of lemongrass oil apparently provides weed control
that is superior to that obtained with application of products con-
taining technical grade
D
-limonene [CAS 5989-27-5] (
Fig. 2.2
)
alone.
D
-Limonene is known to remove the waxy cuticular layer
from the leaves of the plants treated, causing rapid dehydration
and death of the tissues.
2.1.4.5. Citronella oil. Citronella oil [CAS 8000-29-1], which is best
known for its use as a mosquito repellent, has been tested as a her-
bicide in tree nurseries.
48
This oil is obtained from several sources,
but Cymbopogon spp. are the most common. The primary compo-
nents are citronellal (42%), geraniol (21%) and other terpenes
(
Fig. 2.2
). Tests done in tree nurseries showed that citronella oil
provided some weed control while not causing adverse effects on
dormant broadleaf trees; however, conifer species were very sensi-
tive to this treatment.
2.1.4.6. Other essential oils. Many other plant essential oils show
potential as natural herbicides, but these remain to be commercial-
ized. Eucalyptus oil extracted from Eucalyptus citriodora has been
tested as a potential natural herbicide. This phytotoxic oil consists
primarily of citronellal (77%) (
Fig. 2.2
) and other small terpenes.
49
In particular, eucalyptus proved to be effective as an alternative
control of little seed canarygrass (Phalaris minor Retz.).
50
Natural oils from neem (Azadirachta indica Juss.) [CAS 8002-65-
1], coconut (Cocos nucifera L.) [CAS 8001-31-8], and sunflower
(Helianthus annuus L.) [CAS 8001-21-6] controlled the parasitic
weed within 2–3 days of application. Castor (Ricinus communis L.)
Figure 2.2. Structures of the natural herbicides or main component of mixtures used for weed management in organic agriculture.
F. E. Dayan et al. / Bioorg. Med. Chem. 17 (2009) 4022–4034
4025

---

[CAS 8001-79-4] and niger (Guizotia abyssinica (L. fil.) Cass.) oils
killed the weed within 3–4 days, and mustard (Brassica juncea
(L.) Czernjaew) oil required 5 days to kill the bud.
51
Essential oils of various varieties of oregano (Origanum spp.)
and basil (Ocimum basilicum) have been tested against barnyard-
grass (Echinochloa crus-galli (L.) P. Beauv.) and common lambsquar-
ter (Chenopodium album L.) with some success.
52
These oils, which
are composed primarily of p-cymene (20–25%),
c
-terpinene
(15–20%), thymol (10–35%), have been patented for moss control
(
Fig. 2.2
).
53
Manuka oil is isolated from the leaves of Leptospermum scopa-
rium. It is composed of sesquiterpenes (up to 70%)
54
and is rich
in b-triketones.
55,56
Leptospermone [CAS # 567-75-9] (
Fig. 2.2
),
the most abundant triketone of these oils, causes bleaching of
the foliage of grasses and broadleaf plants.
57,58
These natural
triketones are structurally similar to some synthetic herbicides
(e.g., sulcotrione and mesotrione) and have the same molecular
target
site,
namely
p-hydroxyphenylpyruvate
dioxygenase
(HPPD).
59,60
2.1.5. Prospects of natural products used in organic agriculture
The use of organic weed management tools may be enhanced in
the context of an integrated pest management program that
include sowing multiple crops, extended rotation cycles, mulching,
and soil cultivation and cover. However, as opposed to traditional
synthetic herbicides, none of the natural herbicidal compounds
allowed for use in organic agriculture are very active; therefore,
they must be applied in relatively large quantities. This may lead
to undesirable effects on the environment and the soil fauna and
microbes, which is in direct opposition with the philosophical posi-
tions and purpose of those who practice organic agriculture. As
well, these weed management tools have very little crop selectivity
and still require laborious application methods to ensure they do
not come in contact with the desired crop. Finally, organic weed
management methods may be possible in small scale farming
and high-value crops but do not seem feasible in the production
of the agronomic crops such as grains grown on large-scale farming
enterprises.
2.2. Conventional cropping systems
Discovery programs by the agrochemical industry are mostly
driven by large-scale synthetic programs followed by screening
to identify potential new herbicides. Most companies have a more
modest effort to evaluate natural products from outside sources
and, to a lesser extent, from in-house isolation efforts. While the
literature is replete with reports of the isolation and characteriza-
tion of phytotoxins from many sources, and many of these com-
pounds have been patented for potential use as herbicides,
61
the
use of natural or natural product-derived herbicides in conven-
tional agriculture is limited.
2.2.1. Bialaphos
Bialaphos [CAS 35597-43-4] (
Fig. 2.3
), a tripeptide obtained
from the fermentation culture of the actinomycete Streptomyces
hygroscopis, is the only true commercialized natural product herbi-
cide. It is a proherbicide that is metabolized into the active ingre-
dient
L
-phosphinothricin [3559-44-5] (
Fig. 2.3
) in the treated
plant.
62
Phosphinothricin is also produced synthetically as a race-
mic mixture of
L
- and
D
-phosphinothricin for commercialization
as glufosinate [51276-97-2] (Basta
Ò
, Liberty
Ò
).
Bialaphos and phosphinothricin inhibit glutamine synthetase.
Inhibition of glutamine synthetase, which is necessary for the pro-
duction of glutamine and for ammonia detoxification, is lethal to
plants. Plants exposed to glufosinate have reduced glutamine and
increased ammonia levels in their tissues, which stops photosyn-
thesis and results in plant death.
19,63
Phosphinothricin is translocated symplastically and apoplasti-
cally throughout treated plants and it is not susceptible to meta-
bolic degradation. While these are the only products available to
have this mode of action, other natural products such as
tabtoxine-b-lactam (CAS 40957-90-2), oxetin (CAS 94818-85-6),
phosalacin (CAS 92567-89-0) and methionine sulfoximine (CAS
15985-39-4) (
Fig. 2.3
) also target this enzyme.
62
Both bialaphos and phosphinothricin are broad-spectrum post-
emergence herbicides that can be used for total vegetation control
in many agricultural settings, or in non-cultivated areas and to des-
iccate crops before harvest. Because glufosinate is a broad-spec-
trum herbicide (little to no selectivity), it is often marketed along
with genetically engineered glufosinate-resistant crops (soybean,
corn and cotton).
63
These plants were transformed with a micro-
bial pat transgene (phosphinothricin acetyl transferase) that detox-
ifies the inhibitor. While transgenic crops are not accepted in some