Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
ФАВ 1.docx
Скачиваний:
61
Добавлен:
15.02.2021
Размер:
694.69 Кб
Скачать

3.1 Средства воздействия на фотосинтетические процессы

Исключительная роль присущего только растениям и фотосинтезирующим микроорганизмам механизма использования энергии света для получения органических соединений делает фотосинтез перспективным объектом для поиска избирательных гербицидов. Содержащиеся во всех фотосинтезирующих клетках молекулы хлорофилла поглощают солнечный свет, энергия которого переводит электроны хлорофилла на орбитали с более высоким энергетическим уровнем. Далее эти электроны переносятся по пигментам электронпереносящей цепи, совершая работу по синтезу универсального источника энергии для всего живого – аденозинтрифосфата (фотоситема II) и восстановительного потенциала (фотосистема I) – никотинамидадениндинуклеотидфосфата (NADPH).

Нарушение естественного транспорта электронов по пигментам электронпереносящей цепи в мембранах хлоропластов не просто лишает растительные клетки возможности осуществлять фотосинтез. Когда нормальный путь электронов от хлорофилла к другим пигментам нарушен, возбужденные поглощенным светом электроны в молекулах хлорофилла переносятся на молекулы кислорода, превращая его в сильнейший окислитель – анионрадикал супероксид (О2-). Небольшое количество супероксида образуется, конечно, и при нормально функционирующей цепи переноса электронов, поэтому в живых системах есть соответствующие ферментные системы (супероксиддисмутаза и каталаза) для его перевода в пероксид и для разложения пероксида водорода. Однако при нарушении транспорта возбужденных электронов в результате связывания регулирующего этот процесс комплекса белков и пигментов с молекулами ингибиторов количество супероксида увеличивается настолько, что предназначенные для его нейтрализации ферменты уже не справляются с ростом его концентрации и тогда запускается протекающее по цепному механизму окисление активными формами кислорода практически всех присутствующих в растительной клетке органических веществ. В соответствии с этим ингибиторы транспорта электронов в фотосистеме II приводят к гибели растений на свету в результате оксидативного стресса. Многие вещества с таким механизмом действия не повреждают растения в темноте.

3.1.1 Блокаторы транспорта электронов в фотосистеме II

Уязвимым местом в фотосистеме II является участок перекрывания электронных облаков хлорофилла фотореакционного центра и первой окислительно-восстановительной системы (Q) в составе пигментов, переносящих электроны в мембране тилакоидов. В природе естественным регулятором фотосинтеза являются молекулы диоксида углерода. Чем выше его концентрация в окружающем воздухе, тем больше энергии света может быть использовано для его ассимиляции, а при понижении концентрации диоксида углерода транспорт электронов должен быть ослаблен, поскольку потребность в АТФ и в восстановительном потенциале снижается. В соответствии с этим при недостатке диоксида углерода возбужденные электроны должны возвращаться в нормальное состояние в результате флуоресценции или фосфоресценции. Для этого у электронного облака хлорофилла фотореакционного центра не должно быть областей перекрывания с электронным облаком молекулы кислорода.

Многие вещества, в структуре которых имеются полярные мочевинные, амидные или некоторые гетероциклические группы, а также гидрофобные фрагменты, обеспечивающие прочное связывание с гидрофобными карманами белков, встраиваются в регуляторный участок диуронового сайта, который предназначен для связывания с диоксидом углерода, и при этом останавливают поступление возбужденных электронов в электронпереносящую цепь пигментов, открывая при этом путь для подхода кислорода к молекулам хлорофилла. Название диуронового этот сайт получил потому, что возможность блокировки транспорта электронов за счёт связывания с этим комплексом структурных элементов белков, обеспечивающих транспорт электронов по пигментам фотосистемы II, впервые была обнаружена при изучении механизма действия N,N‑диметил-N-(3,4-дихлорфенил)мочевины с тривиальным названием диурон. Это вещество получают по разным схемам, например, в результате реакции диметиламина с 3,4-дихлорфенилизоцианатом, который образуется при действии фосгена на 3,4‑дихлоранилин:

Разработаны и другие способы получения диурона, в частности, через хлорангидрид диметилкарбаминовой кислоты или также по реакции переамидирования диметиламином 3,4-дихлорфенилмочевины, образующейся, например, из соли 3,4‑дихлоранилина и цианата натрия.

Более избирательным гербицидом является линурон, отличающийся от диурона тем, что в его составе есть функциональная группа на основе гидроксиламина. При взаимодействии 3,4-дихлорфенилизоцианата с гидроксиламином образуется замещенная N-гидроксимочевина, которую метилируют действием диметилсульфата:

Из близких по структуре к мочевинам производных карбаминовой кислоты аналогичной активностью обладает только свеп – О-метил-N-3,4-дихлорфенилкарбамат, который получают ацилированием 3,4-дихлор-анилина метилхлорформиатом:

Ещё одно соединение с таким же механизмом действия, у которого можно предположить изостерность с диуроном, представлено пропанидом (3,4‑дихлоранилид пропионовой кислоты). Пропанид образуется при ацилировании 3,4‑дихлоранилина пропионовой кислотой при длительном нагревании (до 30 ч):

Токсичность для теплокровных диурона, линурона, свепа и пропанида лежит в пределах от 1300 до 3400 мг/кг, но невысокая по современным требованиям гербицидная активность с нормами расхода до 5 кг/га, делает их достаточно опасными для окружающей среды, тем более, что ацилированные 3,4-дихлоранилины в почве превращаются в очень стойкий (персистентный) тетрахлоразобензол. Это соединение накапливается в жировой ткани животных и, как всякий ксенобиотик, индуцирует образование монооксигеназ. Предназначенные для метаболизма ксенобиотиков ферменты окисляют тетрахлоразобензол только до соответствующего азоксибензола, который снова превращается в азобензол под действием NADPH-зависимых редуктаз. Поэтому производные 3,4-дихлоранилина – это серьёзные загрязнители окружающей среды. Люди, употребляющие воду и пищу даже со следами этих веществ и продуктов их превращений, страдают от ослабления иммунитета и связанных с этим болезней. Для снижения риска накопления таких неблагоприятных факторов в окружающей среде были разработаны замещенные мочевины – хлортолурон и метоксурон:

В природе эти соединения превращаются в анилины, которые менее персистентны, чем 3,4-дихлоранилин. Но все же гербицидная активность соединений этого класса недостаточна и в последнее время эти препараты потеряли свое значение.

Блокаторами транспорта электронов в фотосистеме II являются также замещенные 1,3,5-триазины, образующиеся в результате последовательного замещения атомов хлора в цианурхлориде на аминные и иные функциональные группы (приведены соответственно формулы цианурхлорида и получаемых из него гербицидов – симазина и прометрина):

Цианурхлорид представляет собой кристаллическое вещество со сравнительно высоким давлением паров. Его получают хорированием синильной кислоты, образующейся при окислительном аммонолизе метана на платино-родиевом катализаторе при температуре около 1000°С:

Образующийся в этой реакции цианистый водород сорбируют водой и направляют полученный раствор синильной кислоты на хлорирование. Тримеризацию хлорциана проводят на активированном угле с металлическими промоторами при температуре около 400°С:

При производстве триазиновых гербицидов кожухотрубный реактор синтеза цианурхлорида встроен в крышку аппарата, в котором проводят его взаимодействие с аминами. Десублимация цианурхлорида непосредственно в предназначенном для его превращения реакторе позволяет избегать контакта с этим токсичным и раздражающим веществом.

В реакции цианурхлорида с аминами замена атомов хлора на электронодонорную аминогруппу снижает реакционную способность остающихся атомов хлора, что позволяет проводить получение несимметрично замещенных диаминотриазиновых соединений. Так, например, при получении атразина сначала при охлаждении проводят взаимодействие цианурхлорида с этиламином в присутствии водной щёлочи и после этого при температуре более 50°С проводят взаимодействие с изопропиламином:

Более избирательные и менее персистентные метокси- и метилтио-производные получают замещением атома хлора в реакциях с метилатом натрия или метилмеркаптидом натрия.

Триазиновые гербициды отличаются достаточно высокой избирательностью. Они практически не поражают С4-растения, у которых ассимиляция диоксида углерода начинается с образования щавелевоуксусной кислоты (в её составе четыре атома углерода). В частности, к С4-растениям относятся сахарный тростник, кукуруза, просо. Симазин и прометрин с ЛД50 от 2000 до 5000 мг/кг малотоксичны для теплокровных, но у симазина есть подозрения на канцерогенность. Оказалось также, что замещенные симметричные триазины очень токсичны для водных обитателей, при этом они сохраняются в окружающей среде в течение нескольких месяцев. В соответствии с этим они запрещены к использованию в странах Евросоюза с начала двухтысячных годов.

Кроме симметричных триазинов гербицидную активность демонстрируют также замещенные триазиноны, одним из которых является метрибузин (4-амино-6-третбутил-3-метилмеркато-1,2,4-триазин-5-он. Его получают из пинаколина в последовательности превращений, включающей получение триметилпировиноградной кислоты, например, по схеме:

Далее триметилпировиноградную кислоту конденсируют с дигидразидом тиоугольной кислоты и алкилируют циклический продукт конденсации, например, метилбромидом в присутствии основания (В):

В соответствии с правилом Пирсона (правило ЖМКО) метилирование протекает по атому серы.

Метрибузин в составе препаративной формы «Зенкор ультра» производства компании Байер применяется в качестве гербицида для борьбы с сорняками в овощеводстве и при выращивании сои.

Ещё одно гербицидное гетероциклическое соединение, нарушающее транспорт электронов в ФС II, получают действием N-изопропилхлор-сульфамида на антраниловую кислоту:

Образующийся в этой реакции 3-изопропил-(1Н)-2,1,3-бензотиа-диазин-4(3Н)-он-2,2-диоксид с невысокой токсичностью (ЛД50 1100 мг/кг, р.о., крысы) с тривиальным названием бентазон входит в состав препаративных форм Базугран и др.

Продолжается выпуск Ленацила (3-циклогексил-1,5,6,7-тетрагидро-циклопентапиримидин-2,4(3H)-дион). Его получают из циклогексилмочевины и этилового эфира циклопентанон-2-карбоновой кислоты, образующегося при циклизации диэтиладипината по реакции Дикмана:

Ленацил применяют в качестве довсходового гербицида на сахарной и кормовой свёкле. В частности, он входит в состав комплексного гербицида компании «Бетанал МаксПро®». Другими фитоактивными компонентами этого гербицидной композиции являются бискарбаматные десмедифам и фенмендифам, механизм действия которых также основан на нарушении фотосинтеза. Их получают с использованием в качестве исходных соединений хлоркарбонатов и изоцианатов. Синтез десмедифама с невысокой токсичностью для теплокровных (ЛД50 2000 мг/кг, кролик, р.о.) включает ацилирование м‑аминофенола этилхлоркарбонатом с последующим взаимодействием образовавшегося N-3-гидроксифенил-О-этилкарбамата с фенилизоцианатом:

По аналогичной схеме из м-аминофенола и метилхлорформиата с последующей реакцией образовавшегося карбамата с м-толилизоцианатом получают фенмедифам:

Четвёртым фитотоксикантом препаративной формы Бетанал МаксПро® является этофумезат:

В этом комплексном гербициде в состав одной препаративной формы включены четыре фитотоксичных соединения с разными механизмами действия. Ленацил, десмедифам и фенмедифам блокируют транспорт электронов в ФС II, а нарушающий клеточное деление этофумезат введен для того, чтобы получить эффект синергизма, то есть для усиления действия первых трёх действующих веществ.

Ограниченное применение находили бромоксинил (3,5-дибром-4-гидроксибензонитрил) и иоксинил (3,5-дииод-4-гидроксибензонитрил), механизм фитотоксического действия которых также основан на блокировке транспорта электронов в ФС II. Эти вещества получают, например, при галогенировании 4-гидроксибензонитрила по схеме:

Кроме того, у бромоксинила при поступлении его через корни проявляется еще один механизм биологической активности – как и многие другие гидрофобные вещества фенольной природы, это соединение нарушает синтез АТФ в митохондриях и в хлоропластах, поскольку оно хорошо растворимо в липидных составляющих клеточных мембран как в ионном, так и в протонированном виде. Такие вещества в обход АТФ-синтетазы переносят протоны через внутренние мембраны митохондрий и хлоропластов, почему их и называют разобщителями окислительного и фотосинтетического фосфорилирования. Поскольку АТФ-синтетаза является основным поставщиком носителя свободной химической энергии для всех аэробных клеток, вещества с таким механизмом действия оказываются токсичными не только для растений, но и для теплокровных, членистоногих и грибов. Так, например, у бромоксинила и иоксинила токсичность для теплокровных лежит в пределах от 100 до 200 мг/кг.

Еще более токсичны замещенные динитрофенолы. Они также блокируют транспорт электронов в ФС II и нарушают процесс окислительного и фотосинтетического фосфорилировани, но при нарушении фотосинтеза у них иной сайт связывания, отличный от диуронового. Если эти вещества используют в качестве фунгицидов или акарицидов, то обрабатывать ими растения можно только в состоянии покоя осенью или ранней весной.

У 2-втор-бутил-4,6-динитрофенола (диносеб) ЛД50 около 60 мг/кг, еще более токсичен 2,4-динитро-о-крезол (ДНОК) с ЛД50 от 15 до 50 мг/кг.