СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АДДУКТОВ СМЕСИ ФУЛЛЕРЕНОВ ФРАКЦИИ С50-С92 И РЕГУЛЯТОР РОСТА РАСТЕНИЙ НА ИХ ОСНОВЕ
METHOD OF PRODUCING ADDUCTS OF MIXTURE OF C50-C92 FULLERENES AND PLANT GROWTH REGULATOR BASED THEREON

Изобретение относится к органической химии и биотехнологии и может быть использовано для создания водорастворимых биологически активных препаратов для регулирования роста растений на всех этапах их развития, а также водорастворимых и спирторастворимых препаратов для лечения различных болезней растений, в частности высокоэффективных противогрибковых средств.
Основной проблемой использования смеси фуллеренов фракции С50-С92 для получения водорастворимых композиций биологически активных препаратов является их практически почти полная нерастворимость в воде [Ruoff R.S., Tse D.S., Malhotra R., Lorents D.C. Solubility of fullerene (C60) in a variety of solvents. J. Phys. Chem., 1993; 97: 3379-3383; Безмельницын В.Н., Елецкий А.В., Окунь М.В. Фуллерены в растворах. Успехи физ. наук, 1998; 168: 1195-1120], что неприемлемо для препаратов, регулирующих рост растений.
Наиболее эффективным способом преодолеть этот недостаток является синтез лиофильных аддуктов фуллеренов, растворимых в воде. Так, известен способ образования комплексов фуллеренов с гидрофильными веществами [Andersson Т., Nilsson К., Sundahl М., Westman G., Wennerström О. C60 embedded in γ-cyclodextrin: a water-soluble fullerene. J. Chem. Soc, Chem. Commun., 1992; 604-605], [Пиотровский Л.Б., Киселев О.И. Фуллерены в биологии. СПб.: Росток; 2006]. [Yamakoshi Y.N., Yagami Т., Fukuhara К., Sueyoshi S., Miyata N. Solubilization of fullerenes into water with polyvinylpyrrolidone applicable to biological tests. J. Chem. Soc. Chem. Commun., 1994; 517-518; [Nakanishi Т., Ariga К., Morita M., Kozai H., Taniguchi N., Murakami H., Sagara Т., Nakashima N. Electrochemistry of fullerene C60 embedded in Langmuir-Blodgett films of artificial lipids on electrodes. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2006; 284-285: 607-612]. Однако эти комплексы не являются индивидуальными веществами, не обладают достаточной стабильностью при хранении и манипуляциях, а также их устойчивость зависит от среды, в которой они находятся.
60
60
60
6
2
2
2
6
Наиболее известными реакциями в химии фуллерена являются реакции циклоприсоединения (Дильса-Альдера), где C всегда является диенофилом и позволяет вводить в свое ядро ряд функциональных групп [Юровская М.А. Методы получения производных фуллерена С. Соросовский образовательный журнал, 2000; 5:26-30; Сидоров Л.Н., Юровская М.А., Борщевский А.Я. Трушков И.В., Иоффе И.Н. Фуллерены (учебное пособие для вузов), M.: Экзамен; 2005], реакции одностадийного и прямого присоединения первичных и вторичных аминов, аминокислот и дипептидов (Hirsch A., Li Q., Wudi F. Globe-trotting hydrogens on the surface of the fullerene compounds CHN(СНСН)O]. Angew. Chem. Int. Ed., 1991). (Романова В.С, Цыряпкин В.А., Ляховецкий Ю.А., Парнес З.Н., Вольпин М.Е.) (Известия РАН, сер. химическая, 1994; 1154-1155). Однако эти реакции идут сложно, образуют побочные продукты полиприсоединения.
Также известен способ получения гидратированных n-фуллерен-аминокислот и фармацевтические композиции на их основе (RU 2458046), в котором техническая задача решается тем, что гидратированные фуллереновые производные аминокислот образуются при взаимодействии фуллерена с 15-кратным мольным избытком безводных калиевых солей аминокислот в среде органического ароматического растворителя при медленном добавлении к полученной суспензии межфазного катализатора при перемешивании и нагревании до температуры не выше 60-80°C до полного обесцвечивания раствора и формирования твердого осадка, который затем выделяют, после чего осуществляют обработку 0,8 М водных растворов калиевых солей фуллерен-аминокислот 0,1 Н раствором органических или минеральных кислот с последующим центрифугированием, промывкой и высушиванием осадка. Данный способ достаточно сложен из-за необходимости использовать катализатор и выполнять пооперационно технологические операции в несколько стадий, также полученный продукт будет требовать тщательной очистки от остатков катализатора.
Наиболее близким из известных к описываемому изобретению (прототипом) является способ получения аминокислотных и дипептидных производных фуллерена (Патент РФ №2124022, МПК С07К 9/00, опубл. 1998 г.), в котором для реакции с фуллереном используют натриевые или калиевые соли аминокапроновой, аминомасляной кислот и др. в форме комплексов с 18-краун-6, причем система гетерогенная: о-дихлорбензол - вода и нагрев при 60°C 6-8 часов, после чего растворители отгоняют, остаток обрабатывают насыщенным раствором хлористого калия и водой. Известный способ синтеза предполагает применение двухфазной системы нагрева, что отражается на низком выходе целевого продукта (не более 5% в расчете на фуллерен). Кроме того, в известном способе используют токсичный о-дихлорбензол, который является ирритантом, оказывающим наркотическое действие, повреждающим центральную нервную систему, печень, почки. Также имеет место фактор высокой температуры, что в случае оптически активных соединений (аминокислоты, пептиды, аминосахара) может приводить к их рацемизации. Кроме того, указанный способ ограничен применением солей аминокислот и краун-эфира, который повышает гидрофобность аминокислот. Для соединений, где отсутствует карбоксильная группа (аминосахара, полигидроксиламины), этот метод неприемлем.
Технический результат настоящего изобретения состоит в повышении производительности, технологичности и универсальности способа синтеза водорастворимых аддуктов фуллерена с различными ауксинами, расширении спектра получаемых продуктов и повышении их безопасности, а также в создании водорастворимых регуляторов роста растений на основе полученных соединений.
Техническая задача изобретения решается тем, что смесь аддуктов углеродных фуллеренов синтезируется следующим образом:
- на первом этапе смешиваются растворы ауксина и смеси фуллеренов фракции С50-С92 в соответствующих органических растворителях,
- бинарная смесь растворов подогревается при постоянном перемешивании до температуры проведения реакции 58-60°C,
- реакция проводится при постоянном возврате растворителей через обратный холодильник до достижения температуры 62-65°C, и далее по каплям в реакционную смесь добавляется концентрированная серная кислота до полного прекращения выделения газов из реакционной смеси,
- окончание реакции сопровождается изменением цвета системы и образованием ярко-оранжевой непрозрачной устойчивой коллоидной системы смеси продуктов синтеза,
- выделение продуктов синтеза из полученного коллоида проводится при добавлении необходимого количества подогретой до 100°С дистиллированной воды и разделении полученной системы в делительной воронке на водорастворимую фракцию и спирторастворимый остаток темного цвета.
Указанная техническая задача изобретения также решается путем создания водных растворов определенной концентрации на основе выделенной водорастворимой фракции полученной смеси аддуктов.
Технические решения изобретения можно проиллюстрировать следующими примерами.
Пример 1. Аддукт фуллерена - 2-этил-индол-3-n-пропилено-3,6:1,2[50-92]фуллерен
-1
-1
-1
Смешивают 100 мл 2% раствора индолилмасляной кислоты в ацетоне и 50 мл 0.0002% раствора смеси фуллеренов фракции С50-С92 в толуоле, подогревают до 60°C, при постоянном помешивании приливают по каплям 5 мл концентрированной серной кислоты и прекращают реакцию при образовании коллоидной системы ярко-оранжевого цвета. Затем приливают в образовавшуюся систему 250 мл нагретой до 100°С дистиллированной воды и помещают смесь в делительную воронку, сливают водный раствор образовавшейся смеси продуктов синтеза и упаривают продукт до сухого остатка в вакуумном шкафу при температуре не выше 40°C. ИК-спектр продукта показывает снижение интенсивности характерных линий поглощения в области 1150 см и 1250 см и смещение этих пиков относительно спектров смеси фуллеренов, а также появление новых пиков в области 3500, 2950, 1670, 1460 и 1730 см, что говорит о протекающей химической реакции образования 2-этил-индол-3-n-пропилено-3,6:1,2[50-92]фуллерена.
Пример 2. Аддукт фуллерена - 2-этил-индол-3-n-пропилено-3,6:1,2[50-92]фуллерен
-1
-1
-1
Смешивают 100 мл 2% раствора индолилмасляной кислоты в ацетоне и 50 мл 0.0002% раствора смеси фуллеренов фракции С50-С92 в ксилоле, подогревают до 60°C, при постоянном помешивании приливают по каплям 5 мл концентрированной серной кислоты и прекращают реакцию при образовании коллоидной системы ярко-оранжевого цвета. Затем приливают в образовавшуюся систему 250 мл нагретой до 100°С дистиллированной воды и помещают смесь в делительную воронку, сливают водный раствор образовавшейся смеси продуктов синтеза и упаривают продукт до сухого остатка в вакуумном шкафу при температуре не выше 40°C. ИК-спектр продукта показывает снижение интенсивности характерных линий поглощения в области 1150 см и 1250 см и смещение этих пиков относительно спектров смеси фуллеренов, а также появление новых пиков в области 3500, 2950, 1670, 1460 и 1730 см, что говорит о протекающей химической реакции образования 2-этил-индол-3-n-пропилено-3,6:1,2[50-92]фуллерена.
Пример 3. Аддукт фуллерена 2-метил-индол-3-n-пропилено-3,6:1,2[50-92]фуллерен
-1
-1
-1
Смешивают 100 мл 2% раствора (3-индолилуксусной кислоты в метаноле и 50 мл 0.0002% раствора смеси фуллеренов фракции С50-С92 в толуоле, подогревают до 60°C, при постоянном помешивании приливают по каплям 5 мл концентрированной серной кислоты и прекращают реакцию при образовании коллоидной системы ярко-оранжевого цвета. Затем приливают в образовавшуюся систему 250 мл нагретой до 100°С дистиллированной воды и помещают смесь в делительную воронку, сливают водный раствор образовавшейся смеси продуктов синтеза и упаривают продукт до сухого остатка в вакуумном шкафу при температуре не выше 40°C. ИК-спектр продукта показывает снижение интенсивности характерных линий поглощения в области 1150 см и 1250 см и смещение этих пиков относительно спектров смеси фуллеренов, а также появление новых пиков в области 3500, 2950, 1670, 1460 и 1730 см, что говорит о протекающей химической реакции образования 2-этил-индол-3-n-пропилено-3,6:1,2[50-92] фуллерена.
Пример 4. Изучение влияния водного раствора 2-этил-индол-3-n-пропилено-3,6:1,2[50-92]фуллерена как регулятора роста растений
В качестве объекта биологического исследования была выбрана яровая пшеница твердого сорта «Харьковская 39». Посев проводили в чашках Петри. Сравнивали влияние на морфофизиологические свойства выбранного сорта пшеницы синтезированного регулятора роста по отношению к контрольному образцу, а также к исходному компоненту синтеза - индолилмасляной кислоте. Параметры эксперимента: среда - дистиллированная вода, питающий раствор Кноппа, температура 25±2°C, освещение постоянное люминесцентной лампой 650 лк, температура сушки 80°C, время сушки 30 мин.
Эксперимент проводили в трех биологических повторностях. Число семян, выбранных для посева, составило 30 шт. К раствору Кноппа в соответствующих вариантах добавляли раствор анализируемого регулятора (от 0,0001 до 0,00001% масс.), раствор индолилмасляной кислоты (от 0,001 до 0,0001% масс.). Разница в концентрациях индолилмасляной кислоты относительно исследуемого регулятора обусловлена предположительно более высокой активностью последнего. Проращивание семян пшеницы длилось 5 суток, по истечении которых измеряли длину проростка, его массу до и после термической обработки, количество и длину корней, а также их массу до и после термической обработки. Полученные данные представлены в виде сводной таблицы 1.
Таблица 1
Результаты исследования влияния 2-этил-индол-3-n-пропилено-3,6:1,2[50-92]фуллерена на морфологические свойства пшеницы твердых сортов, выращенной в чашках Петри
Препарат концентрация, % масс.
Среднее значение
Масса влажн., мг
Масса сух., мг
длина корня, мм
числ корн, шт
длина ростка, мм
корни
ростки
общ.
корни
ростки
общ.
контроль
7,6
3,3
57,7
238,3
938,7
1177
37,3
275,4
312,7
ИМК 0,0001%
15,8
4,5
69,9
436,6
1165,0
1601,6
121,6
367,5
489,1
ИМК 0,001%
11,8
3,4
53,1
331,1
803,0
1134,1
62,5
187
249,5
Регулятор 0,0001%
9,4
2,8
34,3
186,8
476,3
663,1
49,6
103,5
153,1
Регулятор 0,00001%
14,3
3,6
85,8
258
1023,3
1281,3
80,4
229,3
309,7
Системный анализ полученных данных показывает эффективность синтезированного регулятора в концентрациях на порядок меньше, чем индолилмасляная кислота. Десятикратное увеличение концентрации от нормы в 0,00001% вызывает подавление роста органов анализируемых объектов. Полученные данные указывают также на отсутствие существенной разницы между сухой и влажной массой в процентном отношении, хотя четко отмечена более высокая оводненность тканей исследуемых растений под влиянием синтезированного регулятора. Следует отметить, что синтезированный продукт сильнее влияет на длину надземной части, чем на массу и размер корневой системы. В целом синтезированный аддукт фуллерена в концентрациях 0,00001% масс. проявляет свойства стимулятора роста ауксинного типа. Очень низкая действующая концентрация анализируемого вещества может быть объяснена тем, что биологическое действие 2-этил-индол-3-n-пропилено-3,6:1,2[60]фуллерена обусловлено ускоренным перемещением остатка ИМК к рецепторам за счет высокого сродства молекулы фуллерена к биохимическим структурам.