«физиологической активности вещества»
| Вид материала | Лекция |
- Чением физиологической потребности различных видов сельскохозяйственных животных, птицы, 79.5kb.
- Чная дисциплина, возникшая на стыке психологии и физиологии, предметом ее изучения, 721.3kb.
- Контрольная работа для 10 класса по теме «Агрегатные состояния вещества», 10.46kb.
- Для подростков, материальные возможности которых ограничены, такие препараты особенно, 165.8kb.
- Урок физики в 7 классе (интеграция физика, химия) по теме: Три состояния вещества, 39.46kb.
- Ростовые вещества, химические вещества, вырабатываемые в растениях и регулирующие, 496.38kb.
- Игра -активатор «Построимся по ». Дискуссия «Что такое наркотики и псиоактивные вещества»., 62.18kb.
- Стресс вид эмоциональных состояний, который характеризуется повышенной физиологической, 78.27kb.
- Реферат Ученицы 10-б сошенко Надежды Тема: Психоактивные вещества, 60.77kb.
- Строение вещества, 360.6kb.
Лекция 1
Химическими средствами защиты и регуляции жизнедеятельности животных и растений называют физиологически активные вещества, применение которых в сельскохозяйственной, производственной и домашней практике разрешено законодательно. Понятие «физиологической активности вещества» отражает его взаимодействие с живыми организмами, которое вызывает в них определенный отклик. Например, при попадании физиологически активного вещества в организм вредителя культивируемых растений, это вещество должно остановить рост, развитие, размножение вредных организмов или вызвать их гибель. В этом случае вредителями считаются бактериальные, вирусные, грибковые и другие патогенные (вызывающие заболевания) организмы, насекомые и грызуны, уничтожающие урожай, а также любые другие организмы, наносящие ущерб как сельскому хозяйству, так и другим отраслям народного хозяйства. Определенные физиологически активные вещества используются для регуляции роста и развития самих культивируемых организмов – например, стимулирование или, наоборот, замедления роста и развития растений, придания им устойчивости к неблагоприятным погодным условиям или к воздействию патогенных организмов и т.д. Такие вещества называют регуляторными. К настоящему времени создан большой арсенал пестицидных и регуляторных веществ как природного, так и синтетического происхождения, поскольку современная прогрессивная технология возделывания растительных культур и выращивания скота и птицы обязательно включает в себя применение химических средств защиты, лечения и рострегуляции. Число используемых в промышленных масштабах веществ перевалило далеко за тысячу, а число производимых препаратов составляет несколько тысяч. Многообразие созданных веществ с рассматриваемым полезным действием, их постоянное ежегодное обновление и прирост совокупного арсенала, сложность строения новых физиологически активных пестицидов и рострегуляторов, многостадийность их синтеза – все это составляет огромный массив как научной, так и учебной информации по химии пестицидных и регуляторных веществ. Книга данного объема не может претендовать на полный охват современного арсенала данных по синтезу всех применяемых на практике химических средств защиты и рострегуляции животных и растений. Поэтому в ней рассмотрено строение и пути синтеза главным образом тех пестицидных и регуляторных веществ, которые формируют целые блоки, производятся в значительных количествах и широко используются в практике сельского хозяйства, быту и некоторых отраслях промышленности. Наряду с этим представлены некоторые перспективные направления синтеза органических соединений, имеющих высокий потенциал физиологического действия. Рассмотрены также пути развития пестицидной химии, основные химические проблемы создания важнейших групп пестицидных и рострегуляторных веществ, а также некоторые современные тенденции и перспективы поиска физиологически активных веществ.
Курс химии пестицидных и регуляторных веществ взаимосвязан со многими научными дисциплинами, так как в создании каждого синтетического вещества, обладающего «полезной» физиологической активностью, сливаются достижения многих наук, таких как органическая химия, биоорганическая и биологическая химия, неорганическая химия, химическая экология, химическая технология, биотехнология, геномика, протеомика и др.
^ 1.1. Эволюция органической химии защитных и регуляторных веществ сельскохозяйственного назначения
Земледелие существует на Земле многие тысячи лет и все это время земледелец сталкивается с проблемой защиты возделываемых им растительных культур и собранного урожая от заражения, гниения и уничтожения насекомыми, грызунами, птицами. Первые защитные мероприятия упоминаются еще в трудах Гомера и Демокрита. С древних времен знали о защитных свойствах серы от плесени и вредных жуков. Во всех странах ее до сих пор используют в виде порошка или коллоидного раствора, так как растения хорошо ее переносят. В мореходной Англии было открыто, что зерна пшеницы, поднятые с затонувших кораблей, хорошо сохраняются и имеют лучшую всхожесть. В связи с этим землепашцам рекомендовалось обрабатывать зерно хлоридом натрия в целях лучшей сохранности от гниения и стимулирования всходов после посадки. В начале 18-го века появились рекомендации по использованию каломели (однохлористой ртути) для предотвращения оплесневения и гниения древесины. Позднее ее стали применять в качестве протравителя корней рассады от загнивания. К концу 18-го века относится упоминание об использовании сырой нефти в качестве инсектицида для защиты растений. Издавна было известно применение табачной пыли против насекомых, особенно против тли. Активным началом этого инсектицида являются алкалоиды никотин (1) и анабазин (2), поражающие нервную систему насекомых. На Востоке для защиты от вредных насекомых использовался порошок ромашки:
В начале 19-го века этот растительный инсектицид – пиретрум, попал в Европу и в Россию под названием «персидский порошок» как средство от клопов, вшей, блох и муравьев. С 1865 года начали применять керосин как инсектицид для защиты апельсинов от щитовок. Элементарную серу с 1870-х годов используют против клещей и грибковых заболеваний растений («мучнистых рос»), а с 1880-х годов «бордосскую жидкость» (комплекс сульфата меди с гидроксидом меди II) применяют в борьбе с гнилью виноградных гроздей, вызываемой «ложной мучнистой росой» лозы.
Начало 20-го века отмечено тем, что поиск и применение пестицидов стали приобретать научный характер. И уже в 1911 году было предложено одно из первых индивидуальных веществ – пара-дихлорбензол (3) в качестве инсектицида. В 1920-е годы стали производить никотинсульфат и анабазинсульфат для борьбы с вредными насекомыми на растениях и в ветеринарии. С 1930-х годов начато промышленное использование нитрофенолов (4) для борьбы с сорняковыми растениями:
Однако лишь в 1940-х годах произошло революционное изменение в создании и практическом использовании химических средств защиты растений – пестицидов (лат. рestis - зараза, caedere - убивать), т.е. веществ для борьбы с болезнетворными микроорганизмами, сорными и другими нежелательными растениями, вредоносными насекомыми и животными.
1.1.1.Инсектициды
На Земле обитает более трех миллионов видов насекомых. Из них 60-70 тысяч видов паразитируют на растениях и одного только зерна уничтожают до 30 миллионов тонн в год. К одним из самых опасных («гладоносных») опустошителей относятся колорадский жук, яблоневая плодожорка, амбарный долгоносик, саранча и др. Вещества, называемые инсектицидами, предназначены для борьбы с насекомыми вредными для растений, животных, пищевых запасов, изделий и т.п. В 19-м веке и начале 20-го века в качестве инсектицидов применяли главным образом неорганические вещества (арсенаты кальция и свинца, арсениты натрия и меди), природные органические вещества в виде смесей (минеральные нефтяные масла, алкалоиды табака, пиретрум, смесь ротенона с ротеноидами из корней Derris Elliptica) и некоторые индивидуальные нитрофенолы, например, 2-алкил-4,6-динитрофенолы.
Массовый поиск инсектицидов второго поколения – синтетических инсектицидов – начался лишь в 1930-е годы. Но уже в следующем десятилетии появились ставшие затем широко известными инсекто-акарициды широкого спектра активности, такие как ДДТ (1), гексахлоран (2) и другие хлорорганические вещества. Однако в 1970-е годы применение многих хлорорганических пестицидов было запрещено вследствие их высокой персистентности (устойчивости) к действию света, влаги и прочих факторов окружающей среды:
В конце 1940-х годов стал создаваться блок фосфорорганических соединений, который быстро пополнялся вплоть до 1970-х годов самыми разнообразными сложными эфирами фосфорной кислоты с органическими спиртами и фенолами. Например, паратион (тиофос, 5) – контактный инсектицид широкого спектра действия, который начали производить одним из первых обработкой хлорангидрида О,О-диэтилтиофосфорной кислоты (4) пара-нитрофенолятом натрия (3):
В дальнейшем, однако, масштабы его применения стали сужаться из-за высокой токсичности в отношении теплокровных. По механизму биодействия фосфорорганические соединения относятся к нейротоксинами – блокаторам ацетилхолинэстеразы.
В 1950-х годах разработаны новые карбаматные инсектициды, которые являются нейротоксинами на основе блокирования ацетилхолиновых рецепторов (например, севин, 6). Систематические синтезы различных пиретроидов – синтетических аналогов природных пиретринов (основную часть составляет пиретрин-I, 7) начаты с 1960-х годов. В 1976 году на рынок пестицидов стали поступать промышленные пиретроиды в массовых количествах, хотя первый препарат аллетрин (8) поступил в продажу значительно раньше:
В настоящее время в промышленности получают около сорока синтетических пиретроидов. Внимание же исследователей и технологов в последнее десятилетие было сосредоточено в основном на разработку более эффективных технологий производства пиретроидов, выделения наиболее активных энантиомеров и диастереомеров и разработку новых препаративных форм, удобных и безопасных для применения в агрохимическом производстве, в промышленных отраслях и в быту. Тем не менее производство природного пиретрума сейчас достигает 20 тыс т/год (долматскую ромашку разводят в основном в Кении, Уганде и Танзании).
Природные пиретрины и синтетические пиретроиды успешно используют в настоящее время для защиты хлопчатника, овощных и плодовых культур, винограда, кукурузы (всего более 50 видов растений), а также для защиты лесов. Помимо этого их стали широко применять в санитарии, а также для борьбы с эктопаразитами животных, с вредителями продовольственных запасов, с насекомыми, портящими шерсть, кожу, ткани. Пиретроиды проявляют биодействие, блокируя нейрональные натриевые каналы, т.е. они относятся к нервным ядам, которые тормозят нервные импульсы у членистоногих. Недостатками синтетических пиретроидов являются высокая токсичность для рыб, отсутствие акарицидной активности, возникновение резистентных рас насекомых.
Таким образом, в группах инсектоакарицидов основной механизм биодействия заключается в подавлении нормального функционирования нервной системы у насекомых. Причем фосфорорганические, карбаматные и нереистоксиноидные препараты ингибируют ацетилхолинэстеразу, а пиретроидные нарушают нормальную проводимость нейрональных натриевых каналов. Другим механизмом действия обладают лишь так называемые ювеноидные вещества, которые проявляют биоактивность гормонального типа и влияют на линьку и метаморфоз особи, а также на образование хитинового покрова. Следует однако подчеркнуть, что в настоящее время более 500 видов насекомых, клещей и жуков выработали популяции, устойчивые к действию всех известных групп инсектоакарицидов. В связи с этим в последние два десятилетия велись интенсивные поиски по созданию новейших поколений инсекто-акарицидов, имеющих нестандартные механизмы физиологического действия на вредных насекомых – в основном так называемые неоникотиноиды и разобщители окислительного фосфорилирования. Типичным представителем группы неоникотиноидов (9) служит имидахлоприд (10), быстро вошедший в последние годы в ряд наиболее эффективных иинсектицидов нового поколения. Он относится к агонистам никотин-ацетилхолиновых рецепторов, уменьшает активность ацетилхолинэстеразы и приводит к нарушениям передачи нервных импульсов за счет гиперполяризации нейрональной мембраны у членистоногих, связанной с длительным открытием натриевых каналов клетки:
Примером новых групп инсектицидов, биодействие которых основано на разобщении цепи окислительного фосфорилирования и ингибирования аденозинтрифосфатазы, является диафентиурон (11), имеющий строение феноксиарилзамещенной тиомочевины.
1.1.2. Фунгициды
Подсчитано, что на Земле возделываются более 3 тысяч видов культурных растений. Для них известны около 25 тысяч грибковых заболеваний, две тысячи – бактериальных и более трехсот – вирусных. Грибковые заболевания растений наносят экономический ущерб не меньший, чем вредные насекомые. Грибки поражают и готовую сельскохозяйственную продукцию (в том числе семенной фонд), а также приводят к порче неметаллических изделий и материалов в технике и быту. Поэтому для борьбы с вредоносными грибами используют фунгициды. Издавна сельскохозяйственные культуры защищали элементной серой и полисульфидом кальция, солями ртути и солями меди в комплексе с гидроксидом меди. Широкое систематическое применение органических веществ в качестве фунгицидов началось с 50-х годов прошлого века. Первую группу фунгицидов составили фосфорорганические соединения, которые имели контактное действие на патогенные грибы. В настоящее время они занимают более 10% от общего числа фунгицидов.
В конце 1960-х годов были синтезированы первые системные фунгициды. В отличие от контактных фунгицидов, системные фунгициды могут передвигаться по сосудистой системе растений и достигать в них любого зараженного грибами места. К системным фунгицидам относят препараты на основе гетероциклических соединений, число которых составляет более 20% от всего арсенала фунгицидов. В качестве примера приведем строение фунгицидов группы бензимидазола (1-4), из которых беномил отличается на редкость широким спектром действия против грибковых заболеваний практически всех злаковых культур, сахарной свеклы, овощей, ягодников, плодовых деревьев, виноградной лозы. При вспашке почвы под посевы хлопчатника беномил применяется как почвенный фунгицид:
В 1970-х годах появилась другая группа высокоэффективных фунгицидов – производных триазолов. Например, соединения (5-7) малотоксичны и имеют относительно низкие нормы расхода (0,1-1 кг/га) при широком спектре действия на фитопатогенные грибы. Считают, что применение только системных фунгицидов позволяет увеличить сохранность урожая на 8-24%:
Ассортимент фунгицидных препаратов насчитывает более 20 групп соединений. Очень сложный механизм их действия в большинстве случаев до конца не выяснен. Считается, что бензимидазольные фунгициды (1-4) нарушают процесс деления клеточного ядра грибной клетки, тогда как триазолы отрицательно влияют на проницаемость клеточных мембран за счет ингибирования биосинтеза ее важной составляющей – эргостерина.
Некоторые природные антибиотики начали применять с 70-х годов 20-го века в борьбе против фитопатогенов. Так, для защиты декоративных культур применяют циклогексимид (8), блокирующий синтез белка в патогене. Его получают биотехнологически как побочный продукт в производстве стрептомицина. От пирикуляриозного заболевания риса используют гризеофульвин (9), продуцируемый грибами Penicillium urticae или P. nigricans, которые выращивают в промышленных условиях на кукурузном экстракте. Этот антибиотик действует на литиновую оболочку патогенных грибов. Он эффективно подавляет также мучнистые росы огурца и клубники и некоторые грибковые болезни капусты и цитрусовых:
1.1.3. Гербициды
Первые гербициды – вещества для подавления роста и уничтожения сорных трав, водорослей (альгициды) и древесных растений, - были применены более 100 лет назад. В19-м веке для уничтожения нежелательных растений использовали серную кислоту, фракции каменноугольной смолы, нефтяные фракции. Это были препараты сплошного действия. В начале 20-го века была выявлена возможность селективного воздействия гербицидов (например, у 2-метил-4,6-динитрофенола), что открыло перспективы для поиска и создания таких препаратов, с помощью которых можно было бы осуществить химическую «прополку» сельскохозяйственных культур. С 30-х годов прошлого столетия начали применять для этих целей целый ряд нитрофенолов. Однако лишь после открытия в начале 1940-х годов гербицидных свойств у арилоксиалканкарбоновых кислот (1) стало возможным быстрое и широкое внедрение гербицидов в сельскохозяйственную практику, начавшееся уже после второй мировой войны. Действие подобных веществ, например, 2,4-дихлорфеноксиуксусной кислоты (2), как оказалось, было основано на сильной неуправляемой стимуляции роста отдельных частей и органов у сорных трав. В 1950-х годах на рынок пестицидов поступили гербициды дипиридильного ряда, такие, как паракват (3), эффективные при беспахотном земледелии:
Производные аминопиридазинов (например, хлоридазон, 4) и аминопиримидинов используют в качестве гербицидов с середины 1960-х годов. Позднее были введены в практику соединения триазинового ряда (например, симазин 5 и этиозин 6), составляющие в настоящее время самый большой блок гербицидов. Новое поколение высокоэффективных гербицидов сформировали производные арилгетарил замещенных сульфонилмочевин (7), например, хлорсульфурон (Ar = орто-хлорфенил, Hetar = 2,6-диметил-4-хлор-1,3,5-триазинил). Для них характерны хорошая избирательность и низкие нормы расхода:
Современные гербициды действуют на различные биомишени сорных растений, нарушая фотосинтез (гербициды антифотосинтетики ди- и триазинового ряда) либо препятствуя биосинтезу фоточувствительных пигментов (например, хлорофилла) и синтезу незаменимых эндогенных аминокислот. Известны также и другие точки воздействия гербицидов на метаболические пути и гормональный аппарат в растениях, что вызывает подавление деления и роста клеток. Более половины общего тоннажа всех пестицидов приходится на химические соединения, уничтожающие сорняки (45% в 1986 году, 55% в 1990 году и более 60% в 2000 году). Ассортимент гербицидов чрезвычайно широк и поскольку они обладают различным механизмом биодействия, появление устойчивых биотипов сорняков не слишком усложняет проблему защиты от них. К концу 20-го века снижение норм расхода некоторых групп гербицидов дошло до почти теоретического предела (5-10 г/га). При их невысокой острой токсичности это приводит к значительному облегчению нагрузки на экологические системы.
^ 1.1.4. Регуляторные вещества
Синтетические вещества для регулирования роста и развития растений стали применять с 1950-х годов. Однако в течение двадцати лет их использовали только в садоводстве, и лишь с 1970-х годов начался широкий скрининг синтетических соединений с целью поиска эффективных регуляторов и их массовое производство. Регуляторные вещества ускоряют (стимуляторы) или замедляют (ретарданты) всхожесть и рост растений, контролируют созревание и опадание плодов, повышают устойчивость растений к переувлажнению или засушливости, к засорению почвы, к низким или высоким температурам, к полеганию и другим неблагоприятным факторам. Одним из первых регуляторов был этрел (этефон, 1) – 2-хлорэтилфосфоновая кислота, которая является продуцентом этилена (2) природного фитогормона ( греч. фитон – растение, гормон – приводящий в движение):
Фитогормоны синтезируются самими высшими растениями и в низких концентрациях (10-3-10-11М) вызывают в них различные специфические изменения физиологического и морфологического характера. Так, эндогенный этилен регулирует рост органов растений, ускоряет созревание плодов, сохраняя их от преждевременного опадания, и может привести к опаданию листьев (дефолиации). Кроме этилена были открыты и другие растительные гормоны. По химическому строению и механизму действия они подразделяются на абсцизовую кислоту (3), ауксины (4) цитокинины (5, 6), гиббереллины (7):
Абсцизовая кислота (3) – главный регулятор роста. Она ускоряет созревание и старение растения, приводит к опаданию листьев и плодов и подготавливает растения к состоянию покоя при наступлении холодов и засухи. Гетероауксин (4) считается основным ростстимулирующим гормоном (особенно для корнеобразования и цветения). Однако в больших концентрациях он ингибирует рост. Ауксины контролируют деление клеток, удлинение и дифференциацию органов растений. Цитокинины (5,6), представляющие собой замещенные по аминогруппе аденины, стимулируют синтез рибонуклеиновых кислот и белков в растительных клетках, вызывают деление недифференцированных клеток, поддерживают их устойчивость к неблагоприятным факторам среды – обезвоживанию, перепадам температур и инфекциям. Цитокинины (5,6) активируют образование стеблей и рост листьев, задерживая их старение. Интересно, что цитокинины синтезируются в кончиках корней, а затем перемещаются в надземные органы растения, где индуцируют приток питательных веществ.
Фитогормоны гиббереллинового ряда (7) являются ростстимуляторами. Они способствуют прорастанию семян, росту стеблей, увеличению размера плодов.
Недавно было открыто, что еще один растительный гормональный сигнал – салициловая кислота (8) участвует в иммунозащитной системе растений, передавая сигнал всему растению о повреждении его отдельных частей патогеном или растительноядными насекомыми.
В аграрной промышленности в настоящее время применяют более 50 регуляторов роста и развития растений, в основном синтетических. Они повышают устойчивость растений к действию неблагоприятных факторов погоды, способствует дружности урожая (одновременного всхода растений и созревания плодов), увеличивают урожайность, продлевают сроки хранения собранного урожая. В цветоводстве и лесоводстве регуляторные вещества используют для придания декоративности, обеспечения нужного роста, ускорения цветения. Достаточно сказать, что только одни ретарданты, применяемые для борьбы с полеганием зерновых, приводят к увеличению сбора урожая на 10-13%.
Структуры некоторых синтетических регуляторов роста и развития растений (9-12) изображены ниже. Униконазол (9) является эффективным ретардантом в борьбе против полегания риса, а также используется для увеличения цветения горшочных растений и выведения карликовых форм декоративных растений. Хлорид N, N-диметилпиперидиния (пикс, 10) применяется для стимулирования созревания коробочек хлопчатника, а 2-метил-5(6)-хлорбензимидазол (розамин, 11) – для предотвращения опадения хлопка. N-Оксид 2,6-диметилпиридина (ивин, 12) стимулирует рост помидоров и огурцов:
В последние два-три десятилетия большое внимание уделяется еще одному классу регуляторных веществ – феромонам. Этим термином называют эндогенные вещества, вырабатываемые секреторными железами животных и выбрасываемые ими во внешнюю среду с целью химической сигнализации для особей того же биологического вида. Они действуют на расстоянии до 10 км и при очень малых концентрациях – до 10-17моль/м3 воздуха. Следует, однако, отметить, что в 2002 году появилось первое сообщение о том, что некоторые насекомые, живущие внутри растений, в период спаривания не выделяют собственные половые феромоны, а изменяют состав эфирных масел растения-хозяина. Например, самка орехотворки меняет соотношение монотерпенов в щавеле Silphium lacinatum, а самец, пролетая над растением, улавливает эти изменения и находит самку.
Во многих видах сельскохозяйственного производства средства химической коммуникации оказались важны для борьбы с вредными растительными насекомыми. Промышленное использование феромонов началось с 70-х годов прошлого столетия. Чаще всего используются феромоны аггрегации. Аттрактанты, заключенные в микрокапсулах или в пористых материалах (диспенсерах), помещаются в ловушках, которые постепенно испускают их пары и привлекают насекомых. Это позволяет сконцентрировать массу насекомых в ограниченном месте и затем обработать их соответствующим инсектицидом. Применение половых аттрактантов самок позволяет дезориентировать самцов и предотвратить их спаривание, что вызывает в результате резкое сокращение численности вредных насекомых. Стоимость феромонов велика, но при очень малых расходах их использование в промышленных масштабах становится весьма выгодным.
Подавляющее большинство феромонов принадлежит к ациклическим соединениям. Их молекулы представляют собой углеводородные цепи с числом углеродных атомов от 6 до 30, в которых встречаются двойные связи и присутствуют функциональные группы, чаще всего спиртовые, альдегидные или сложноэфирные. Однако некоторые феромоны содержат гетероциклические группы, а в ряде случаев и основной каркас молекулы представляет собой гетероцикл. Так, феромон самки непарного шелкопряда содержит эпоксидное кольцо. Он производится в промышленном масштабе и в виде препарата диспарлюра (13) используется для борьбы с этим вредителем лесных насаждений:
Феромоны самца бабочки ликореа церес (14) и муравья листореза (15) являются производными пиррола. Феромон ликореа церес подавляет двигательные рефлексы самок, а муравьи-листорезы метят феромоном свой след.
В заключении краткого исторического обзора по химии пестицидных и регуляторных веществ следует подчеркнуть, что в период до 40-х годов прошлого столетия эффективные препараты удавалось создавать эпизодически. И лишь в послевоенные годы на основе ярких достижений по синтезу целых групп физиологически активных веществ была сформирована отрасль химической промышленности, начавшая крупномасштабное производство органических ядохимикатов. Параллельно еще быстрее развивалось производство удобрений. Все это в совокупности обеспечило как значительный рост урожайности сельскохозяйственных культур, так и резкое падение потерь урожая на корню и в хранилищах от болезней и растительноядных вредителей. Подсчитано, что в период с конца 1940-х до 1970-х годов рост производства продовольствия и сельскохозяйственного сырья для промышленности во всем мире лишь на 50% обеспечивался за счет применения удобрений, а на 20% - благодаря использованию химических средств защиты и лечения растений. В последующие годы и вплоть до настоящего времени высокий уровень продуктивности и производительности труда в аграрной промышленности поддерживается повсеместным применением пестицидных, рострегуляторных и особенно гербицидных препаратов. Ныне создано более одной тысячи практически важных физиологически активных веществ и продолжается разработка многих сотен новых, из которых львиная доля приходится на гербициды. На создание одного нового промышленного пестицида или рострегулятора уходит в настоящее время до 10 лет и затрачивается от 50 до 500 млн. долларов. По статистике для выявления такого препарата обычно приходится испытать в среднем около 10 тысяч веществ. В связи с последним фактором в 1990-е годы возникла и быстро развивается комбинаторная химия, принципы и приемы которой позволяют за относительно короткий промежуток времени синтезировать огромное число производных базовой структуры (создать так называемые «библиотеки» веществ) и параллельно испытать их в направленных биотестах, что заметно снижает время поступления (до 6-8 лет) нового препарата на рынок пестицидов.
^ 1.2. Современные требования к пестицидным веществам
Химические средства защиты сельскохозяйственных растений и животных создаются и распространяются человеком в биосфере для уничтожения или контроля над численностью вредных для животноводства и растениеводства живых организмов. Поскольку большая часть подобных средств по определению (пестициды или биоциды) должна обладать высокой токсичностью в отношении вредных организмов, то вряд ли следует надеяться, что при этом все пестицидные вещества не окажутся в той или иной мере вредными и для человека. В связи с этим к современным ядохимикатам и рострегуляторным веществам предъявляют многочисленные очень жесткие требования. Перечислим прежде всего общие требования к химическим средствам защиты сельско-хозяйственных растений и животных. Первое требование заключается в том, что все пестициды должны обладать высокой активностью (эффективностью) полезного физиологического действия, например, быстрое уничтожение патогенных грибов. Во-вторых, требуется, чтобы препарат имел высокую селективность (избирательность, направленность) биодействия. Например, прекращение роста и развития определенного возбудителя заболевания растения. Следует отметить, что в химии и биологии часто действует правило, согласно которому высокая активность уменьшает избирательность действия. Так, среди гербицидов встречается довольно много высокоактивных веществ, но многие из них обладают сплошным, т.е. угнетающим одновременно многие растения, гербицидным действием. Следующим очень важным требованием является нетоксичность используемых на практике веществ в отношении человека и животных. Пестициды должны иметь низкую острую и субхроническую (отдаленную) токсичность.
Следует подчеркнуть, что самая высокая доля отравлений приходится на очень ядовитые пестициды (с ЛД50<50 мг/кг). Поэтому, не смотря на их высокую эффективность, их редко используют в сельском хозяйстве. Сказанное относится, прежде всего, к фосфорорганическим веществам. Пестициды должны также обладать малой способностью (или полным ее отсутствием) аккумулироваться в живых организмах, т.к. это может привести к проявлению субхронической токсичности. Высоким коэффициентом кумуляции (способностью накапливаться в организме) обладает, например, инсектицид ДДТ (см. раздел 1.1.1). Он имеет среднюю острую токсичность (ЛД50 0,2-0,5 г/кг), но его длительное воздействие, как и любого другого пестицида, вызывает изменение физиологических функций у большинства теплокровных. Пестициды не должны вызывать таких субхронических патологий, как аллергия, повреждения нервной системы, мутагенез, канцерогенез, отравления зародыша, тератогенез и др. У них также должна отсутствовать токсичность в отношении защищаемых растений (низкая фитотоксичность), миклофлоры и микрофауны, почвы (например, в отношении полезных почвенных бактерий, червей и т.п.), а также в отношении организмов, обитающих в воде (гидробионтов). Изучению токсических свойств потенциального пестицида и рострегулятора уделяют в настоящее время самое серьезное внимание. Это в значительной мере удлиняет сроки между созданием препарата в лаборатории и его массовым производством и началом применения (до 10 лет).
Еще одно современное требование к промышленным ядохимикатам заключается в том, что они должны обладать малой стойкостью после их применения и достижения желаемого биоэффекта. Под действием внешней среды (атмосферы, гидросферы, почвы и бионтов – живых организмов, пестицидные и рострегуляторные вещества должны быстро разлагаться в процессе химических, фотохимических и биохимических реакций гидролиза, деструкции, окисления и т.п. При этом должны образовываться продукты, не токсичные для человека и полезных бионтов. Например, такие хлорорганические инсектициды как ДДТ и гексахлорциклогексан высокоустойчивы (высокоперсистентны) и разрушаются в почве на 50% лишь за 1-2 года, а исчезают полностью лишь в течение 5-10 лет. В то же время фосфорорганические инсектоакарициды, например, тиофос разлагаются достаточно быстро. Их период полураспада (Т50) в почве и в растениях составляет 4-20 дней, а полная деструкция (Т100) наблюдается за 20-40 дней. Инсектицид севин быстро разлагается в растениях за 1-4 недели, но сохраняется в почве до 1,5 лет. В то же время такие инсектициды, как пиретроиды в считанные часы подвергаются фоторазложению в почве, а в растениях сохраняются несколько дней. Малое время ожидания полного распада ядохимиката (его низкая персистентность) после применения обеспечивает максимальную безопасность для человека и окружающей среды. Подобные быстро разлагающиеся химикаты не успевают попадать в пищу человека и животных, не загрязняют наземные и подземные водоемы и не отравляют природные и сельско-хозяйственные экосистемы в целом.
Кроме рассмотренных требований пестициды должны иметь достаточно высокую стабильность при хранении. Их производство должно отличаться простотой и малыми трудоемкостью и энергозатратами. Пестицидные и регуляторные вещества должны иметь возможно низкую себестоимость, быть доступными, а экономическая эффективность их применения (доходность, рентабельность) должна быть достаточно высокой.
Лекция 2
Повсеместное применение пестицидных, защитных, лечебных и регуляторных веществ в растениеводстве, животноводстве и быту требует постоянно уделять внимание получению таких ядохимикатов, которые были бы высокоэффективны при низких нормах расхода на единицу обрабатываемой поверхности. Это диктуется как экономическими факторами, так и требованием снижения химического давления на окружающую природу.
Все рассмотренные в данном разделе факторы определяют предпочтительность и длительность использования данного препарата в сельском хозяйстве, промышленности и быту.
^ 1.3. Основы стратегии создания новых синтетических пестицидных и регуляторных веществ
Сегодня стратегия и тактика создания новейших пестицидов и регуляторных веществ опираются на следующие принципы и приемы.
^ 1.3.1. Эмпирический синтез и сплошной биологический скрининг
Ежегодно химики синтезируют, выделяют и полностью характеризуют более 0,2 миллиона новых индивидуальных веществ. К этому числу с 90-х годов прошлого века стали добавляться многие сотни тысяч соединений, получаемых методами комбинаторной химии. Большая часть этих веществ, полученных в ходе эмпирического синтеза, проходит первичные испытания на выявление той или иной биологической активности. Этот этап поиска и создания средства химической защиты растений и животных называют биологическим скринингом (англ. просеивание). ). Его принцип был впервые разработан при поиске противосифилитических препаратов среди органических соединений мышьяка. Скрининг проводят в биологических лабораториях в стандартных условиях на живых клетках, микроорганизмах (in vitro), на семенах и зеленых растениях, на животных (in vivo): на насекомых, жуках, тараканах, мышах, крысах и т.д. Напряженность отбора на каждом этапе биотестирования очень высока - из сотен веществ отбираются лишь несколько наиболее активных препаратов, которые затем передаются на углубленные испытания. Если высокая активность вещества подтверждается, то его всесторонне изучают для определения острой и субхронической токсичности и побочных эффектов, при отсутствии или незначительности которых проводятся широкие производственные испытания (в теплицах, на полях, птицефермах и т.д.). После подтверждения высокой эффективности препарата в производственных условиях его начинают производить в промышленных масштабах и применять в качестве коммерчекого химического средства защиты, лечения и рострегулирования растений или животных в сельско-хозяйственной практике.
Например, скрининг при поиске гербицидов и регуляторов роста может включать несколько этапов отбора. На стадии первичного отбора биологи изучают действие химических веществ на жизнедеятельность клеток некоторых высших растений (на культурах табака, сахарной свеклы и др.). Вещества, показавшие на этом этапе высокую активность, затем исследуются с целью определения характера их действия – стимулирования или ингибирования роста растений. В биотестах этого этапа наблюдают за влиянием тестируемого вещества на скорость прорастания семян, прироста колеоптилей (верхней части проростка пшеницы и других злаков, которым растение пробуравливает почву), гипокотелей (части стебелька, из которого затем формируется первичный корень) и т.д. Уровень биоактивности вещества оценивается в сравнении с действием в контроле природных фитогормонов – этилена (для его генерации используют этрел), абсцизовой кислоты, гетероауксина, кинетина, гиббереллина (см. раздел 1.1.4), а также некоторых синтетических эталонных гербицидов и рострегуляторов.
Затем выявляют направление практического использования отобранных на предыдущем этапе веществ. Оно определяется серией испытаний на семенах, на черенках растений, на всходах и молодых растениях различных видов. Подобные биотесты позволяют дифференцировать направленность использования потенциального препарата, например, для изменения сроков прорастания семян с целью достижения дружных всходов или задержки прорастания при хранении плодов; для стимулирования корнеобразования с целью размножения плодовых культур черенкованием; для задержки роста растения при борьбе с полеганием злаков; для дефолиации растений, что помогает, например, при уборке хлопка; для уничтожения сорных растений и ряда других целей. Вещества, успешно прошедшие подобные испытания, т.е. показавшие на всех этапах физиологическую активность на уровне или выше уровня активности эталонов, передаются на углубленные исследования. Определяется их воздействие на определенные виды культивируемых растений, а затем в случае успеха проводятся теплично-полевые испытания. Накопленные к настоящему времени данные о результатах биологического скрининга большого массива веществ используются в последние двадцать лет для обеспечения большей целенаправленности синтезов новых структур с высоким потенциальным уровнем ожидаемой биоактивности.
^ 1.3.2. Принцип компьютерного синтеза и прогнозирования биологической активности
Считается необходимым, чтобы все новые синтезируемые вещества были подвергнуты первичным испытаниям. Однако, к настоящему времени синтезировано уже более десяти миллионов веществ (правда, большая часть из которых существует только на бумаге, а не "в руках" синтетика), и следует указать, что видов биологической активности насчитывают многие тысячи. Очевидно, что возможность испытать все новые соединения на все нужные (полезные) виды физиологической активности пока остается малореальной. На помощь химикам и биологам приходит компьютерная техника, которая позволяет сегодня вместо испытания в эксперименте синтезированных веществ, провести определение потенциала их биоактивности путем машинного анализа. Такой подход может быть основан на кластерном анализе большого базового набора уже известных пестицидных и регуляторных веществ, сгруппированных по их структуре или по видам проявляемым ими биоактивностей. Другим типом компьютерного прогноза может служить моделирование на ЭВМ механизма взаимодействия пестицида с биорецептором или учета иных эмпирических связей известных препаратов с их биомишенями. Для прогнозирования потенциальной структуры и биоактивности препарата производится компьютерный анализ от 50 до 150 так называемых молекулярных дескрипторов на каждую молекулу – например, дипольные моменты, окислительно-восстановительные потенциалы, сродство к электрону, поляризуемость, потенциалы ионизации, площадь и объем мономерной молекулы и многие другие. Биологу не обязательно в этом случае иметь вещество в руках, а химику заранее его синтезировать - достаточно лишь ввести в компьютер сведения о его строении. По окончании машинного анализа оператор получает рекомендации о целесообразности или нецелеобразности испытаний данного вещества на тот или иной вид активности и возможных путях его синтеза. Подобное машинное "сито" (скрининг на активность) экономит время, материалы и силы при аналоговом поиске потенциальных химических средств защиты растений и животных. Однако выявление принципиально новых видов биологической активности или новых видов токсофорных группировок будет еще долгое время основываться на эксперименте и интуиции исследователя. Следует отметить, что компьютерный синтез используется уже около 30 лет для планирования путей синтеза потенциально биоактивных органических веществ заданного строения. Современные программы для компьютерного синтеза основываются на описаниях структуры конечных продуктов, строении доступных исходных соединений и катализаторов, сведений об известных реакциях, их механизмах и условиях их протекания. Проводится ретросинтетический анализ, исходя из строения целевого продукта, и создается «дерево» реакций его прямого синтеза.
1.3.3. Принцип аналогового синтеза и химического модифицирования. Зависимость структура-активность
Для получения потенциально биологически активных веществ химики задолго до появления машинного анализа старались руководствоваться принципами целенаправленного синтеза, которые могли быть выработаны лишь при тщательном и глубоком изучении зависимости физиологической активности от химического и стереохимического строения органического соединения. Принцип аналогового синтеза, основанный на химической модификации структуры известных синтетических и природных физиологически активных соединений, остается пока одним из главных принципов для получения большого числа новых веществ, предназначенных для поиска новых пестицидов всех классов. Этот прием является интуитивным, умозрительным. С его помощью, исходя из аналогии двух структур, биоактивность известного вещества как бы переносят на новое соединение и ожидают при этом, что биоактивность последнего окажется сравнительно большей. Типичным примером может служить модификация структуры природного пиретрина I (1). Систематический подход в постепенном изменении его структуры позволил получить несколько поколений синтетических пиретроидных инсектицидов. Первое поколение появилось после замены в спиртовой компоненте природного пиретрина I пентадиенильного фрагмента сначала на химически более устойчивый пропенильный (аллетрин, 2). Позднее была осуществлена более принципиальная «хирургическая» операция: вместо вырезанной циклопентеноновой части молекулы инсектицида провели химическую имплантацию 2-бензилфурилметильного блока (ресметрин, 3), а затем и его заменили на фенилоксбензильную группировку (фенотрин, 4). В результате появилось второе поколение синтетических пиретроидов с повышенной фотоустойчивостью. Следующим успешным этапом на пути химической модификации оказалось варьирование заместителей в циклопропильном кольце, наряду с введением цианогруппы в спиртовую компоненту. Это привело к появлению препаратов третьего (соединения 5) и четвертого (соединения 6 и 7) поколения. Появление следующего поколения инсектицидов, имеющих большую активность, более широкий спектр действия и повышенную устойчивость, также обязано аналоговому синтезу. Новизна их строения связана, во-первых, с раскрытием циклопропанового кольца (флуцитринат, 8), во-вторых, с переходом от сложных эфиров к простым (препараты 9). Затем упразднили диалкилоксидный спейсер, связывающий две арильные группировки, заменив его на алкен (вещество 10), и, наконец, ввели атом кремния в диарилалкильную цепочку (силафлуофен 11):
Лекция 3