3.1.3. Ингибиторы биосинтеза хлорофилла

Гербициды, блокирующие образование хлорофилла в фотосинтезирующих клетках, представлены замещенными дифенилоксидами. Они вызывают те же самые морфологические изменения, что и ингибиторы биосинтеза каротиноидов, о которых речь будет идти далее, поэтому долгое время считалось, что они просто лишают каротиноиды возможности гасить триплетное состояние хлорофилла и синглетное состояние кислорода. Однако более детальные исследования механизма действия проявляющих гербицидную активность замещенных дифенилоксидов показали, что они блокируют образование хлорофилла за счёт определенного структурного сходства с промежуточными продуктами в биосинтезе порфиринов, к которым наряду с гемами относится и хлорофилл. Таким промежуточным соединением может быть образующееся из двух молекул порфобилиногена (см. с. 39) дипиррольное соединение:

В последние десятилетия ингибиторы биосинтеза хлорофилла заняли достаточно важное место в арсенале гербицидов. Самым простым соединением этой группы является нитрофен – 2,4-дихлор-4-нитродифенилоксид. Его получают по реакции 2,4-дихлорфенолята натрия с 4-хлорнитробензолом в жёстких условиях в присутствии медных катализаторов:

Реакционная способность атомов галогенов в ароматических соединениях повышается такими электроотрицательными заместителями, как нитрогруппа и трифторметильная группа. Так, например, исходными продуктами для получения другого блокирующего образование хлорофилла гербицида оксифлуорфена служат 1,2-дихлор-4-трифторметилбензол и 3-этоксифенолят натрия. Образующийся по аналогии с предыдущим замещенный дифенилоксид нитруют и получают гербицид оксифлоурфен с токсичностью ЛД₅₀ ˃5000 мг/кг (р.о., крысы):

Значительно превосходит нитрофен по активности один из последних препаратов этой группы флуорогликофен-этил с нормами расхода 30‑40 г/га:

Присутствие карбоксилатных групп в дифенилоксидах заметно повышает их эффективность. Это можно объяснить тем, что промежуточные продукты в синтезе тетрапиррольных порфиринов содержат в качестве заместителей остатки пропионовой и уксусной кислот.

3.1.4. Ингибиторы биосинтеза каротиноидов

Наряду с хлорофиллами мембраны хлоропластов содержат каротиноиды, выполняющие роль вспомогательных пигментов (на один фотореакционный центр приходится около 200 молекул антенного хлорофилла и около 50 молекул каротиноидов). -Каротину соответствует формула:

Для того, чтобы объяснить роль каротиноидов в фотосинтезе надо получить представление о механизме передачи возбуждения от одной молекулы хлорофилла к другой. При поглощении кванта красного света молекулой хлорофилла один электрон из пары в состоянии s₀ переходит в состояние s₁. В случае перекрывания электронных облаков двух молекул хлорофилла становится возможным обмен s₁ электрона одной молекулы на s₀ электрон другой молекулы: так идет передача возбуждённого электрона (экситона) по антенным молекулам хлорофилла до его попадания в фотореакционный центр. При этом возбуждённый электрон может также возвратиться в исходное состояние за счёт излучения кванта поглощенного света (s₁ → s₀). Если поглощение и излучение разделяет промежуток времени 10^-9-10^-8 сек, то такое излучение называется флуоресценцией. Однако, электроны в молекуле хлорофилла могут спонтанно изменить спин. В этом случае возврат в невозбужденное состояние в результате излучения кванта света становится возможным только после повторного изменения спина одного из электронов на уровнях s₀ или s₁. Это занимает уже более длительный промежуток времени (10^-3-10^-2 сек), и называется такое излучение фосфоресценцией. Кроме излучательного перехода в основное состояние и обмена электронами между двумя молекулами хлорофилла, возможен обмен электронами с молекулами кислорода. В нормальном состоянии молекула кислорода триплетна (два электрона у разных составляющих его молекулу атомов имеют параллельные спины), тогда как все органические молекулы синглетны. Это несовпадение электронных состояний препятствует химическому взаимодействию между этими потенциальными реагентами. При обмене электронами между возбужденной триплетной формой хлорофилла (спины электронов в s₀ и в s₁ состоянии параллельны) и триплетной молекулой кислорода образуются синглетный хлорофилл в основном состоянии и синглетный кислород в возбужденном состоянии, а это уже сильный окислитель. Основная роль каротиноидов состоит в «гашении» синглетного кислорода и триплетного хлорофилла. При обмене электронами между этими молекулами и молекулами каротиноидов система сопряженных связей в каротиноидах (их должно быть не менее девяти) удерживает принятый от триплетного хлорофилла или синглетного кислорода электрон до тех пор, пока не произойдет обратное спонтанное изменение его спина.

Лишённые каротиноидов растения на свету обесцвечиваются и погибают даже в бескислородной атмосфере, поскольку кислород образуется в них в результате фотосинтеза. Биосинтез каротиноидов, представляющих собой тетратерпены, – это многостадийный процесс с участием нескольких дегидрогеназ. Биосинтез каротиноидов, как и других пренильных соединений, начинается с образования диметилаллилпирофосфата и изопентенилпирофосфата, которые превращаются в тетратерпеновые каротиноиды с участием множества ферментов, которые могут ингибироваться многими соединениями, одним из которых является структурный аналог диурона фторметурон (которан):

В производстве фторметурона используют бесфосгенную технологию. На первой стадии в результате взаимодействия соли 3-трифторметил-анилина с цианатом натрия получают 3-трифторметилфенилмочевину:

Далее на полученную монозамещенную мочевину при нагревании действуют диметиламином:

Фторметурон, как и диурон, блокирует транспорт электронов в фотосистеме II, но гораздо ярче у него проявляется эффект обесцвечивания (хлороз) растений из-за нарушения синтеза каротиноидов. В частности, фторметурон можно использовать для химической прополки хлопчатника.

Ещё одним ингибитором биосинтеза каротиноидов с широким спектром гербицидной активности является дифлюфеникан:

Предполагалось, что ингибитором биосинтеза каротиноидов является и простое гетероциклическое соединение 3-аминотриазол (амитрол). Его получают из аминогуанидина и муравьиной кислоты:

Сейчас считается, что основной механизм действия амитрола представлен блокированием биосинтеза белковой аминокислоты гистидина. Амитрол использовался для обработки полей, на которых не выращивают пищевые культуры, однако показанная в опытах на животных канцерогенность амитрола (он вызывает рак щитовидной железы у крыс) послужила основанием для его полного запрета.