CC BY
59
УДК 547.785.5:661.163
Г. Е. Чикишева (к.т.н., доц., в.н.с)1, Ю. Е. Сапожников (к.ф-м.н., зав.лаб.)1, Р. Х. Мударисова (к.х.н., доц., с.н.с.)2, Л. И. Буслаева (с.н.с.)1, Г. К. Земченкова (с.н.с.)1, В. В. Масленникова (с.н.с.)1
СОЛИ МЕТИЛОВОГО ЭФИРА 2-БЕНЗИМИДАЗОЛИЛКАРБАМИНОВОЙ КИСЛОТЫ, ИХ СИНТЕЗ И ФУНГИЦИДНАЯ АКТИВНОСТЬ
1 Научно-исследовательский технологический институт гербицидов и регуляторов роста растений с опытно-экспериментальным производством Академии наук РБ,
450029, ул. Ульяновых, 65, г. Уфа; тел. (347) 2428352 2Институт органической химии УНЦ РАН 450054, пр. Октября, 71, г. Уфа; e-mail: [email protected]
G. E. Chikisheva1, Yu. E. Sapozhnikov1, R. Kh. Mudarisova2, L. I. Buslaeva1, G. K. Zemchenkova1, V. V. Maslennikov1
SALTS OF METHYL ESTER OF 2-BENZIMIDAZOLYLCARBAMINE ACID: SYNTHESIS AND FUNGICIDAL ACTIVITY
1 Scientific-Research Institute of Technology of Herbicides and Growth Plants Regulators of Academy of Sciences of RB 65, Uljanovykh Str, 450029, Ufa, Russia; ph. (347) 2428352 2Institute of Organic Chemistry of Ufa Scientific Centre of the RAS 71, Oktyabrya pr, 450054, Ufa, Russia; e-mail: [email protected]
Синтезированы соли метилового эфира 2-бензи-мидазолилкарбаминовой кислоты с соляной, фосфорной, борной, сульфо- и алкилбензол-сульфокислотами. Методами дериватографии, ИК- и УФ-спектроскопии подтверждена структура полученных соединений. Показана принципиальная возможность существенного повышения растворимости солевых форм фунгицида путем варьирования природы растворителя. Выявлена высокая фунгицидная активность синтезированных солей (метилового эфира 2-бензимидазолилкарбаминовой кислоты) с одновременной возможностью снижения их нормы расхода в 2—5 раз.
Ключевые слова: метиловый эфир 2-бензими-дазолилкарбаминовой кислоты и его соли; растворимость; фунгициды; фунгицидная активность.
Salts of methyl ester of 2-benzimidazolyl-carbamine asid with hydrochloric, phosphoric, boric, sulfo- and alkylbenzoylsulfoasids are synthesised. By the methods derivatography, IR-and UV-spectroscopy confirm structure of the obtained compounds. By a variation of the nature of solvent basic possibility of essential increase of solubility of salt forms of fungicide is shown. It is revealed high fungicidal activity of the synthesised salts on the basis of 2-benzi-midazolylcarbamine asid with simultaneous possibility of decrease in its consumption rates in 2—5 times.
Kew words: fungicidal activity; fungicides; methyl ester of 2-benzimidazolyl-carbamine asid and its salts; solubility.
Метиловый эфир 2-бензимидазолилкарба-миновой кислоты (карбендазим, БМК) — фунгицид системного действия, эффективен для борьбы с рядом заболеваний растений 1 и имеет низкую токсичность:
H ,N
4N
/)—NHCOCH3
/ O 3
Дата поступления 23.09.14
Он разрешен для применения на территории РФ в виде концентрата суспензии (200 г/л или 500 г/л) для протравливания семян ржи, пшеницы, ячменя, а также используется в виде опрыскивания в период вегетации на пшенице, ячмене, ржи, сахарной свекле против корневой и прикорневой гнили, мучнистой росы, снежной плесени, стеблевой головни 2. Существенным недостатком, ограничивающим применение БМК, является его плохая растворимость в воде, тогда как использование его растворимых солевых форм может значительно увеличить усвоение препаратов растениями и повысить биологическую активность 3-7. Применение таких солей в сельском хозяйстве крайне актуально, так как они могут обладать не только более высокой растворимостью в воде и низкой токсичностью, но и повышенной фунгицидной активностью.
Целью данной работы являлась разработка методик синтеза солей метилового эфира 2-бензимидазолилкарбаминовой кислоты с соляной, фосфорной, борной, сульфо- и алкил-бензолсульфокислотами и получение на их основе перспективных фунгицидных препаратов.
Экспериментальная часть
В работе использовались УФ спектрофотометр «Hitachi M 340», ИК спектрофотометр «Shimadzu», термический анализ осуществляли на дериватографе К-системы: «F. Paulik, J. Paulik, L. Erdey» в условиях программированного нагрева до температуры 300 оС с равномерной скоростью 5 оС/мин в стандартном платиновом тигле.
В эксперименте использовался карбенда-зим чистоты 98% без дополнительной очистки. Для синтеза солей карбендазима были выбраны кислоты: соляная, как более доступная и характеризующаяся низкой молекулярной массой, фосфорная и борная, обладающие биологической активностью 3, п-толуолсульфокис-лота и алкилбензолсульфокислота (АБСК) (С11-12 H23-25C6H5SO3H, М=322.7), для которых характерны поверхностно-активные свойства 4.
Синтез гидрохлорида карбендазима дигид-рата (ГХБМК). Суспензию 15 г (7.85-10-2 моль) БМК в 80 мл H2O при интенсивном перемешивании нагревали до 60 оС, затем в течение 15 мин прикапывали 13 мл 12 N водного раствора HCl (15.7-10-2 моль), выдерживали при этой же температуре еще 15 мин. Реакционную массу охлаждали до комнатной температуры.
В течение 3-х ч выпадал осадок соли, который затем отфильтровывали. Полученный продукт сушили под инфракрасной лампой. Выход соли в расчете на гидрохлорид карбендазима дигидрата — 89.17%. Согласно меркурометри-ческому анализу на содержание Cl- ионов 8, доля ГХБМК в полученном препарате составляет 86.88%, аналогичные данные (86%) получены методом УФ-спектроскопии. Брутто-формула: C9H9O2N3-HCl-2H2O.
Аналогично была синтезирована соль БМК с фосфорной кислотой брутто-формула: C9H9O2N3-H3PO4.
Синтез солей карбендазима с борной, п-толуолсульфокислотой, алкилбензолсуль-фокислотой. К 4-10-2 моль соответствующей кислоты приливали 30—35 мл ацетона и добавляли 7.64 г (4-10-2 моль) БМК. Полученную суспензию перемешивали в течение 15 мин при 50 оС. Образовавшийся осадок соли отфильтровывали, сушили под инфракрасной лампой и использовали без дополнительной очистки.
Растворимость солей БМК определяли в водных рас-творах, в этиленгликоле, изопро-пиловом спирте, о-ксилоле, диметилсульфок-сиде, диметилформамиде, бензиловом спирте — растворителях, которые наиболее часто используются для приготовления препаративных форм. С этой целью готовили насыщенные растворы исследуемых соединений с последующим фильтрованием. Концентрацию БМК в образцах определяли методом УФ-спектроско-пии на спектрофотометре «Hitachi M 340» при длине волны 282 нм. ИК-спектры образцов записывали на спектрофотометре «Shimadzu» в вазелиновом масле в области 400—4000 см-1.
На основе полученных солей БМК были приготовлены 30%-е препаративные формы в виде пленкообразующих текучих паст, которыми обрабатывали семена пшеницы для последующего изучения фунгицидной активности. Приготовление препаративной формы осуществляли в диссольвере или с помощью электромагнитного измельчителя.
Состав текучих паст: действующее вещество 30%, пленкообразователь на основе полиакриловой кислоты 0.5-2 %, пластификатор (этиленгликоль) 5-12 %, ПАВ 1-5 %, аэросил 2.0-4.0 %, умягчитель жесткости воды (три-полифосфат натрия) 0.5-1.0, краситель 0.51.0 %, вода - остальное до 100% 9. Лабораторные испытания по определению фунгицидной активности проводили на пшенице сорта «Воронежская». Повторность опытов трехкратная.
Протравливание семян проводили следующим образом: в круглодонную колбу объемом 100 мл помещали 10 г зерен пшеницы, вносили расчетную на данное количество зерна дозу препаративной формы и добавляли 0.1 мл воды. Колбу с семенами встряхивали в течение 2—3 мин до полного распределения препарата на поверхности семян. Семена выдерживали три дня до проращивания, раскладывали в чашки Петри на смоченную 6—7 мл воды фильтровальную бумагу и инкубировали в термостате при температуре 24 оС. Всхожесть семян и пораженность их болезнями определяли через 7 дней от начала проращивания. Фунгицидную активность определяли по известной формуле Эббота 10.
Как видно из табл. 1, солевые формы увеличивают растворимость БМК в воде примерно на 2 порядка, а в ДМФА и бензиловом спирте — на три порядка. Для приготовления растворимых препаративных форм наиболее эффективными оказались этиленгликоль, ДМСО, ДМФА и бензиловый спирт, что может быть связано с их максимальной поляризацией в исследуемом ряду.
С целью идентификации структуры синтезированных солевых форм БМК проведен сравнительный анализ ИК-спектров исходных соединений и солей на их основе. В табл. 2 приведены частоты основных характеристических полос поглощения БМК и его солей.
Для всех изученных солей БМК (за исключением бората БМК) характерны одинаковые спектральные изменения по сравнению со спектром исходного БМК. В ИК-спектрах всех солей БМК полоса поглощения карбонильной группы смещается в высокочастотную область спектра на 40 см-1 до 1751 см-1 по сравнению со спектром БМК (1711 см-1) и повышается ее интенсивность. Такие изменения связаны с разрушением внутримолекулярных водородных связей между карбонильной и аминной группами имидазольного кольца при образовании соли БМК и протонировании иминного азота; частота поглощения и интенсивность свободной карбонильной группы выше, чем ассоциированной. При протониро-вании иминного азота имидазольного цикла на молекуле БМК образуется положительный заряд, который стабилизируется перераспределением заряда между тремя атомами азота молекулы БМК и нейтрализуется зарядом аниона присоединяющейся кислоты. При этом смещение полосы валентных колебаний аминогруппы определяется в основном структурой аниона кислоты и сопровождается либо повышением частоты до 3379 см-1 (БМК-ИС1), либо понижением частоты до 3234 см-1 (БМК-АБСК). Протонирование иминного азота БМК при образовании соли обуславливает повышение частоты поглощения колебаний имидазольного кольца и карбаматной группы с 1593 см-1 до
Таблица 1
Растворимость БМК и его солей в различных растворителях, г/л, 20 оС
"^■^Соли БМК БМК БМК-л-толу- БМКалкил БМК- БМК- БМК-
олсульфо- бензолсуль- о-фосфорная Н3ВО3 НС1
РастворитеЛь"""---.^ кислота фокислота кислота
Вода 0.008 5.20 0.12 1.46 0.02 2.09
Этиленгликоль 0.273 11.09 10.24 3.62 0.47 35.98
Изопропиловый спирт 0.093 1.65 44.94 0.17 0.18 4.00
о-Ксилол 0.180 0.60 5.20 0.11 0.24 0.18
ДМСО 4.880 74.81 33.84 6.75 6.26 213.7
ДМФА 2.320 66.30 477.90 4.13 2.95 52.80
Бензиловый спирт 4.750 42.10 358.0 5.16 5.98 41.85
Таблица 2
Спектральные характеристики солей БМК
■—-^Частота, см 1 гЫН V С=О V С=С, V С-О-С, V С-О-С,
Соединение ■— V С=С С=Ы асим. сим.
БМК 3319 1711 1632 1593 1286, 1267 1096
БМКНС1 3379 1751 1639 1611 1250
БМК-л-ТСК 3325 1749 1643 1611 1267 1098
БМКН3РО4 3300 1751 1649 1612 1281, 1256 1087
БМК-АБСК 3234 1751 1651 1614 1246 1087
БМКН3ВО3 3319 1711 1630 1593 1287, 1267 1096
1611—1614см-1 и с 1634см-1 до 1639—1651см-1, соответственно. Таким образом, изучаемые кислоты взаимодействуют с БМК по иминно-му азоту. Об этом свидетельствует отсутствие полос поглощения гидроксильной группы в области 3200-3500 см-1 в структурах солей БМК-И3Р04, БМК-п-ТСК, БМК-АБСК, характерных для спектров соответствующих кислот.
Участие фосфат- и сульфоанионов в образовании водородных связей и других видах межмолекулярного взаимодействия в соответствующих солях БМК приводит к смещению и изменению интенсивности полос в области 1500-700 см-1. Значительное увеличение интенсивности поглощения 1267 см-1 в спектре соли БМК-И3Р04 по сравнению со спектром БМК свидетельствует об участии карбаматной группы в межмолекулярном взаимодействии в присутствии фосфат-иона. В спектрах солей БМК-п-ТСК, БМК-АБСК наблюдается обратное явление: в присутствии сульфонила интенсивность полос поглощения карбаматной группы 1286 см-1 значительно снижается, а поглощение сульфогруппы проявляется в виде интенсивных полос 1256, 1233 см-1 - vasS02, 1033, 1038 см-1 - vasS02, что свидетельствует об участии карбаматной и сульфогрупп во взаимодействии при солеобразовании.
ИК-спектр соли БМК-И3В03 почти не отличается от спектра исходных БМК и И3В03. Присутствие в спектре соли полосы поглощения валентных колебаний гидроксильной группы 3215 см-1, характерной для спектра И3В03, а также неизменность частот и интен-сивностей характеристических полос поглощения БМК (1711, 1632, 1593 см-1) позволяет предположить, что взаимодействие БМК с борной кислотой идет без участия имидазоль-ной группы БМК. Вероятно, более слабое взаимодействие БМК с борной кислотой, в отличие от других кислот, и объясняет столь незначительное увеличение растворимости образца БМК-И3В03.
Исходя из того, что соли, полученные в воде, могут содержать кристаллогидратную воду, для фосфата и гидрохлорида БМК были сняты дериватограммы. Термический анализ соли БМК-ИС1 показал, что для гидрохлорида БМК первый эндотермический скачок приходится на температуру 77.5 оС (рис. 1). Он свидетельствует о влажности продукта, составляющей 4.2%. Второй эндотермический минимум приходится на температуру 137 оС, соответствующий потере веса 13.1%, что согласуется с потерей двух молекул воды. И третий эндотермический минимум при 190 оС соответствует
плавлению БМК. Таким образом, проведенные термические исследования свидетельствуют об образовании кристаллогидрата БМК-ИС1-2И20. Полученные данные согласуются с результатами, представленными в работе 7
Рис. 1. Дериватограмма гидрохлорида БМК
Рис. 2. Дериватограмма фосфата БМК
В случае фосфорной соли карбендазима в дериватограмме наблюдается только один эндотермический минимум при температуре 188 оС, указывающий на плавление соли, которое идет с разложением и с потерей массы 22.4% (рис. 2). Обнаружено, что данная соль не содержит в своем составе кристаллогидрат-ной воды.
Таблица 3
Фунгицидная активность солей БМК на проростках пшеницы
Препарат Норма Содержание Всхожесть Пораженность Эффектив- Вес 100
расхода кг/т БМК в д.в., семян, % корневыми ность, % пророст-
по препарату % мас. гнилями, % ков, г.
Контроль - - 86 23 - 9.9
БМК - эталон
30% т.п. 1.7 100 88 5 78.3 11.4
БМК- Н01-2Н20 0.8 80 10 56.5 11.1
1.0 72.2 84 7 69.6 11.4
1.7 82 7 69.6 10.9
БМК- л-толуол- 0.8 52.6 87 9 60.9 10.9
сульфокислота 1.0 82 7 69.6 12.2
1.7 90 8 65.2 10.7
2.5 81 3 87.0 11.6
БМК- Н3РО4 0.8 79 7 69.6 11.4
1.0 66.1 85 4 82.6 11.5
1.7 90 2 91.3 10.6
БМК- АБСК 0.8 37.2 82 5 78.3 12.0
1.0 78 2 91.3 11.5
1.7 79 1 95.7 10.4
БМКН3ВО3 0.8 85 5 78.3 11.3
1.0 75.5 86 4 82.6 10.6
1.7 84 2 91.3 10.4
Соли БМК были испытаны на фунгицид-ную активность на проростках пшеницы в виде 30% текучей пасты по препарату. Корневые гнили вызываются комплексом фитопатоген-ных грибов (Ие1т1пЬо$рог1ит, ГигаНит и др.), которые находятся на поверхности семян, и заражение проявляется при проращивании семян во влажных условиях. Данный метод позволяет одновременно оценивать фито-токсичность и рострегулирующую активность испытуемых соединений по снижению пора-женности, повышению всхожести семян и изменению веса проростков относительно контроля. Результаты фунгицидных испытаний приведены в табл. 3.
Образцы на основе всех изученных солей проявляют высокую фунгицидную активность, сравнимую с фунгицидной активностью БМК. Видно, что солевые формы карбендазима приводят к существенному снижению дозы действующего вещества при сохранении и увеличении фунгицидной активности препарата. Из приведенных данных следует, что наиболее эффективно использование соли БМК с ал-
килбензолсульфокислотой, что позволяет снизить норму расхода образца примерно в 5 раз при сохранении той же фунгицидной активности. Более низкое значение биологической активности БМК препарата гидрохлоридного, очевидно, связано с тем, что при использовании соли происходит коагуляция полимера, содержащегося в препаративной форме, поэтому для нее необходимо подбирать другой состав.
Таким образом, в ходе работы подобраны технологичные условия синтеза солей БМК с соляной, фосфорной, борной, сульфо- и ал-килбензолсульфокислотами, методами дерива-тографии, ИК- и УФ-спектроскопии подтверждена их структура. Показана возможность существенного повышения растворимости (на два-три порядка) солевых форм фунгицида путем варьирования природы растворителя. Показано, что солевые формы БМК превосходят фунгицидную активность карбендазима в 2-5 раз, что создает предпосылки для создания новых экономичных протравителей на основе солей БМК с меньшей нормой расхода по действующему веществу.
Литература
1. Мельников Н. Н. Пестициды. Химия, технология и применение.— М.: Химия, 1987.— 565 с.
2. Список пестицидов и агрохимикатов, разрешенных к применению на территории РФ.— Москва, 2014.- 692 с.
3. Pat. CA2515289 Weak base salts / Yalkowsky S. H., Tapan S. // 23.09.2004.
4. Pat. DE2417008 Fungizide mittel / Frensch H., Albrecht K., Haertel K. // РЖХим.- 1976.17 0433П.
5. Pat. DE2219174 Fungizide mittel /Stenger W., Mildenberger H., Haertel K., Prante G. // РЖХим.- 1975.- 22H653n.
6. Haugen L., Stennes M. // Plant Diag. Quart.-1999.- V. 20, №2.- P.29.
7. Machatha S. G., Sanghlvi T., Yalkowsky S. H. // AAPS Pharm. Sci. Tech.- 2005.- V. 6, №1.-Article 18.- P. E115.
8. Уильямс У. Дж. Определение анионов.: Справочник. Перевод с английского.- М.: Химия, 1982.- 624 с.
9. Пат. РФ 2497361 Фунгицидное средство / Чикишева Г. Е., Земченкова Г. К., Давлетов Р. Д., Колбин А. М., Давлетшина А. М. // Б.И.- 2013.- № 31.
10. Методические рекомендации по испытанию химических веществ на фунгицидную активность.- Черкассы: НИИТЭХИМ.- 1990.- С.5.
References
1. Melnikov N. N. Pestitsidy. Khimiya, tekhno-logiya i primenenie. [Pesticides. Chemistry, Technology and Applications.] Moscow, Khimiya Publ., 1987, 565 p.
2. Spisok pestitsitsidov i agrokhimikatov, razre-shennykh k primeneniyu na territorii RF. Spravochnoe izdanie [List of agrochemicals and pesticides authorized for use in the Russian Federation. Reference books.]. Moscow, 2014. 692 p.
3. Yalkowsky S. H., Tapan S. [Weak base salts]. Patent Canada, no. 2515289, 2004.
4. Frensch H., Albrecht K., Haertel K. [Fungizide Mittel]. Patent Deutsches, no. 2417008, 1975.
5. Stenger W., Mildenberger H., Haertel K., Prante G. [Fungizide Mittel]. Patent Deutsches, no. 2219174, 1973.
6. Haugen L., Stennes M. [Fungicide injection to control Dutch elm disease: Understanding the options]. Plant Diag. Quart., 1999, v. 20, no. 2, pp. 29-38.
7. Machatha S. G., Sanghlvi T., Yalkowsky S. H. [Structure determination and characterization of carbendazim hydrochloride dehydrate]. AAPS Pharm.Sci.Tech., 2005, v. 6, no. 1, article 18, pp. E115-119.
8. Williams W. J. [Handbook of Anion Deter-minfnion]. Butterworths, 1979, 630 p. (Russ.ed. Williams W. J. Opredelenie anionov. Moscow, Khimiya Publ., 1982. 624 p.)
9. Chikisheva G. E., Zemchenkova G. K., Davle-tov R. D., Kolbin A. M., Davletshina A. M. Fungitsidnoe sredstvo [Fungicidal preparation] Patent RF, no. 2497361, 2013.
10. Metodicheskie rekomendatsii po ispytaniyu khimicheskikh veshestv na fungitsidnuyu aktivnost. [Guidelines for testing chemicals for fungicidal activity]. Cherkassy, NIITEKHIM Publ., 1990, p.5.
