ГЕРБИЦИД НА ОСНОВЕ АДДУКТОВ ФУЛЛЕРЕНОВ
HERBICIDE BASED ON FULLERENE ADDUCTS

Изобретение относится к органической химии и биотехнологии и может быть использовано для создания водорастворимых биологически активных препаратов для защиты растений от сорняков 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.H., 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 K., Sundahl М., Westman G., Wennerström О. С60 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 K., 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 K., 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 С 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).- М.: Экзамен; 2005], реакции одностадийного и прямого присоединения первичных и вторичных аминов, аминокислот и дипептидов (Hirsch A., Li Q., Wudl F. Globe-trotting hydrogens on the surface of the fullerene compounds CHN(СНСН)O]. Angew. Chem. Int. Ed., 1991). (Романова B.C, Цыряпкин B.A., Ляховецкий Ю.А., Парнес З.H., 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°С 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, 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°С 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 использовании в качестве гербицида растворов следующего состава: аддукты N-(фосфонометил)-глицина со смесью фуллеренов фракции С50-С92 0,01-0,1 мас. %, вода - остальное. Способ синтеза водорастворимых аддуктов смеси фуллеренов с различными гербицидами, представляющими собой соединения из класса аминокислот, является технологичным, высокопроизводительным и универсальным, позволяет расширить ассортимент гербицидов для борьбы особенно с многолетними сорняками, при этом позволяет снизить гербицидную нагрузку на почву и растения.
Техническая задача изобретения решается тем, что водорастворимые аддукты N-(фосфонометил)-глицина со смесью фуллеренов фракции С50-С92 синтезируются следующим образом:
50
92
- смешиваются растворы N-(фосфонометил)-глицина (неселективный гербицид - аминокислота), смеси углеродных фуллеренов фракции С-С (компонент В) и промотора (метиленгликоль и/или параформальдегид) в соответствующих органических растворителях
- указанная смесь растворов подогревается при постоянном перемешивании до температуры проведения реакции 58-60°С и проводится при постоянном возврате растворителей через обратный холодильник, далее по каплям в реакционную смесь добавляется катализатор (концентрированная серная кислота) до полного прекращения выделения газов из реакционной смеси. Окончание реакции сопровождается изменением цвета системы и образованием темно-красной 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 фракции, растворимые соответственно в воде и неполярных растворителях.
- последний этап заключается в упаривании до сухого остатка водного раствора полученных водорастворимых аддуктов N-(фосфоно-метил) глицина с фуллеренами С50-С92 в вакуумном шкафу при температуре не выше 40°С.
После проведения синтеза указанная техническая задача изобретения решается путем приготовления растворов выделенной водорастворимой фракции следующего состава, мас.%: аддукты N-(фосфоно-метил) глицина с фуллеренами С50-С92 - 0,01-0,1, вода - остальное, и использовании этих растворов как для распыления на поверхность листьев сорняков, так и для обработки их корневой системы.
Технические решения изобретения можно проиллюстрировать следующими примерами:
50
58
60
62
68
70
72
92
Пример 1. Подготавливают компонент А, для чего растворяют 0,1 г смеси фуллеренов С50-С92 (фракционный состав С-С (14.69%), С (63,12%), С-С (5.88%), С (13.25%), С-С (3.06%)) в 100 г метилбензола при постоянном помешивании при температуре 25±5°С. Подготавливают компонент В, для чего растворяют 1,2 г N-(фосфоно-метил)-глицина в 400 г диметилкетона при постоянном помешивании при температуре 25±5°С. Компоненты А и В перемешивают в соотношении 1:1, подогревают до температуры 40±2°С и вводят промотор, в качестве которого в рассматриваемом примере используют 0,4 г метиленгликоля. Смесь нагревают до температуры 58-60°С и при продолжающемся нагреве и постоянном помешивании по каплям вводят серную кислоту концентрацией 98%, плотностью 1,84 г/мл объемом 10 мл до изменения окраски системы и полного прекращения выделения реакционных газов. Далее выделяют продукт синтеза, который является аддуктом N-(фосфоно-метил)глицина с фуллеренами С50-С92, путем добавления в образовавшийся коллоид 500 г дистиллированной воды, нагретой до температуры 100°С. Полученную смесь охлаждают, помещают в делительную воронку и сливают водный раствор образовавшейся смеси продуктов синтеза, который упаривают до сухого остатка в вакуумном шкафу при температуре не выше 40°С.
Пример 2. Подготавливают компонент А, для чего растворяют 0,1 г смеси фуллеренов С50-С92 в 100 г метилбензола при постоянном помешивании при температуре 25±5°С. Подготавливают компонент В, для чего растворяют 1,2 г N-(фосфоно-метил)-глицина в 400 г диметилкетона при постоянном помешивании при температуре 25±5°С. Компоненты А и В перемешивают в соотношении 1:1, подогревают до температуры 40±2°С и вводят промотор, в качестве которого в рассматриваемом примере используют смесь, состоящую из 0,2 г метиленгликоля и 0,2 г параформальдегида. Смесь нагревают до температуры 58-60°С и при продолжающемся нагреве и постоянном помешивании по каплям вводят серную кислоту концентрацией 98%, плотностью 1,84 г/мл объемом 10 мл до изменения окраски системы и полного прекращения выделения реакционных газов. Далее выделяют продукт синтеза, который является аддуктом N-(фосфоно-метил)глицина с фуллеренами С50-С92, путем добавления в образовавшийся коллоид 500 г дистиллированной воды, нагретой до температуры 100°С. Полученную смесь охлаждают, помещают в делительную воронку и сливают водный раствор образовавшейся смеси продуктов синтеза, который упаривают до сухого остатка в вакуумном шкафу при температуре не выше 40°С.
Пример 3. Подготавливают компонент А, для чего растворяют 0,1 г смеси фуллеренов С50-С92 в 100 г метилбензола при постоянном помешивании при температуре 25±5°С. Подготавливают компонент В, для чего растворяют 1,2 г N-(фосфоно-метил)-глицина в 400 г диметилкетона при постоянном помешивании при температуре 25±5°С. Компоненты А и В перемешивают в соотношении 1:1, подогревают до температуры 40±2°С и вводят промотор, в качестве которого в рассматриваемом примере используют 0,4 г параформальдегида. Смесь нагревают до температуры 58-60°С и при продолжающемся нагреве и постоянном помешивании по каплям вводят серную кислоту концентрацией 98%), плотностью 1,84 г/мл объемом 10 мл до изменения окраски системы и полного прекращения выделения реакционных газов. Далее выделяют продукт синтеза, который является аддуктом N-(фосфоно-метил)глицина с фуллеренами С50-С92, путем добавления в образовавшийся коллоид 500 г дистиллированной воды, нагретой до температуры 100°С. Полученную смесь охлаждают, помещают в делительную воронку и сливают водный раствор образовавшейся смеси продуктов синтеза, который упаривают до сухого остатка в вакуумном шкафу при температуре не выше 40°С.
Результаты испытаний полученного гербицида представлены в таблице 1.
Полученные растворы продуктов А - F наносили на поверхность листьев (путем распыления) и на корневую систему (методом окунания) испытуемых растений, в качестве которых рассматривали многолетние злаковые сорняки, в частности Agropyron repens (пырей ползучий). По истечении одинакового времени после начала взаимодействия препаратов с растением исследовали структуру поверхности листьев методом просвечивающей микроскопии. Эксперимент проводили в трех биологических повторностях. Результаты представлены в таблице 2 (визуальное наблюдение) и фиг. 1-7 (фотографии наблюдений фрагмента обратной стороны листа Agropyron repens, содержащего устьичный аппарат методом световой микроскопии при увеличении 250Х).
На фиг. 1 представлены фотографии контрольных образцов при воздействии дистиллированной воды. Показано, что с обеих сторон листа Agropyron repens (пырея ползучего) находятся здоровые клетки насыщенного цвета, видны устьичные аппараты.
На фиг. 2 представлены фотографии образцов при воздействии продукта А, в концентрации 0,28 г/л. Показано, что с обеих сторон листа кутикула разрушена, частично поврежден эпидермис, разрушены устьичные аппараты.
На фиг. 3 представлены фотографии образцов при воздействии продукта В в концентрации 0,28 г/л. Показано, что с обеих сторон листа кутикула разрушена, поврежден эпидермис, разрушены устьичные аппараты, частично затронута ксилема.
На фиг. 4 представлены фотографии образцов при воздействии продукта С в концентрации 0,28 г/л. Показано, что с обеих сторон листа кутикула разрушена, поврежден эпидермис, разрушены устьичные аппараты, из-за повреждений видны внутренние слои листа.
На фиг. 5 представлены фотографии образцов при воздействии продукта D в концентрации 0,28 г/л. Показана здоровая поверхность нижнего листа с частично поврежденной кутикулой на верхней поверхности.
На фиг. 6 представлены фотографии образцов при воздействии продукта Е в концентрации 0,28 г/л. Показано, что разрушена только кутикула, наиболее сильно в верхней части листа.
На фиг. 7 представлены фотографии образцов при воздействии продукта F в концентрации 2,8 г/л. Показано, что с обеих сторон листа кутикула разрушена, поврежден эпидермис, разрушены устьичные аппараты и сосудистые пучки, видны внутренние слои листа.
Таким образом, полученные данные свидетельствуют о том, что в указанной концентрации 0,28 г/л действие всех новых синтезированных продуктов эффективно для разрушения жизненных функций испытуемого растения, но в то же время эта концентрация недостаточна для воздействия водного раствора простой смеси гидратированного фуллерена и N-(фосфонометил)-глицина в соотношении 0,1:100 и водного раствора N-(фосфонометил)-глицина (исходный гербицид). Учитывая, что эффективная рабочая концентрация N-(фосфонометил)-глицина (глифосата) составляет от 2,8 до 4,3 г/л в зависимости от вида обрабатываемых сорняков, а минимальная эффективная концентрация составляет величину не менее 1,4 г/л, то полученные продукты синтеза проявляют эффективность при содержании действующего вещества 0,28 г/л, что позволит сократить гербицидную нагрузку на обрабатываемые посевные площади от 5 до 10 раз.