CC BY
88
С. В. Швецов (аспирант)1, С. А. Кирлан (д.х.н., зав. лаб.)2,
И. Ф. Удовенко (к.т.н., доц.)3
Современные расчетные методы оценки пестицидной
/*' о о
и гербициднои активности органических соединений
1 Уфимская государственная академия экономики и сервиса, кафедра специальной химической технологии 450075, г. Уфа, ул. Чернышевского, 145; тел. (347)2524922 2Научно-исследовательский технологический институт гербицидов и регуляторов роста растений Академии наук РБ 450000, г. Уфа, ул. Ульяновых, 65; тел. (347)2428352, e-mail: [email protected] 3Уфимский государственный нефтяной технический университет, кафедра нефтехимии и химической технологии 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1; тел. (347) 2420854, e-mail: [email protected]
S. V. Shvetsov1, S. A. Kirlan2, I. F. Udovenko3
Modern computational methods evaluation of herbicidal and pesticidal activity of organic compounds
1 Ufa State University of Economics and Service 145, Chernyshevsky Str, 450075, Ufa, Russia; ph. (347) 2524922 2The Scientific-research technological Institute of herbicides and plant growth regulators with the CES 2Academy of Sciences of the Republic of Bashkortostan 65, Ulyanovyih Str, 450029, Ufa, Russia; ph. (347) 2428352, e-mail: [email protected] 3Ufa State Petroleum Technological University
1, Kosmonavtov Str, 450062 Ufa, Russia; ph. (347)2420854, e-mail: [email protected]
Сопоставлены и обсуждены известные данные по разработке подходов к теоретической оценке пестицидной и гербицидной активности органических соединений. Их применение при поиске новых соединений позволяет проводить моделирование химических структур и предварительную оценку их биологической активности и токсичности. Использование результатов данных исследований при разработке новых соединений способствует снижению финансовых и временных затрат за счет оптимизации поиска и направлений их синтеза, а также уменьшению химической нагрузки на экосистему за счет получения менее токсичных веществ.
Ключевые слова: информационная база; математические модели; органические соединения; пестицидная активность; связь «структура-свойство»; теория распознавания образов; токсичность; функциональные группы.
В Научно-исследовательском технологическом институте гербицидов и регуляторов роста растений (НИТИГ, 1989—2012 гг.) были проведены теоретические и экспериментальные исследования и получены обширные данные для разработки пестицидных, в частности
Дата поступления 07.05.13
The available data on the development of theoretical approaches to the assessment of the pesticide and herbicide activity of organic compounds are compared and discussed. Their use in the search of new compounds allows for modeling of chemical structures and preliminary evaluation of their biological activity and toxicity. Using the results of these studies the development of new compounds helps to reduce the cost and time by optimizing the search and directions of their synthesis, as well as reduce the chemical load on the ecosystem by getting less toxic.
Key words: functional group; knowledge base; mathematical models; organic compounds; pesticide activity; «structure—property»; the theory of pattern recognition; toxicity.
гербицидных препаратов, обладающих наряду с эффективным целевым действием минимальной опасностью для человека и окружающей среды.
В работах 1-4 авторами собран и систематизирован большой объем данных о пестицид-ной активности и токсических свойствах современных действующих веществ, применяемых
в сельском хозяйстве и промышленности. Представленный материал использовался для формирования обширных компьютерных банков данных о пестицидных и токсичных свойствах разнообразных по химическому строению веществ, применяемых для проведения теоретических исследований влияния их строения на пестицидные свойства. В работе 5 авторами описаны первые исследования по изучению влияния определенных структурных параметров органических соединений на различные биосистемы, проведенные в НИТИГ. В работе 6 представлены новые математические подходы, алгоритмы и их компьютерная реализация, осуществленные в последние годы работы научной группы института по изучению влияния строения органических соединений на биологические свойства. Получены результаты молекулярного конструирования и предварительной оценки новых химических структур с комплексом целевых биологических и токсических свойств. В работах 7-9 отмечено, что при разработке пестицидных препаратов возможно и необходимо проводить теоретические исследования, направленные на изучение негативного экологического влияния новых действующих веществ. Для оптимизации поиска новых безопасных пестицидных препаратов авторами предложены теоретические исследования закономерностей влияния структурных характеристик на комплекс пес-тицидных и токсичных свойств.
В последние годы в НИТИГ проводились исследования закономерностей связи «струк-тура—пестицидная активность-токсичность» с применением аналитического блока системы «SARD-21» (Structure Activity Relationship & Design), разработанной научным коллективом и зарегистрированной в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам 10,11.
В работах 5-9,12,13 представлены исследования, проведенные на основе банков, содержащих более 1200 различных химических структур ароматических и гетероциклических органических соединений с экспериментальными оценками их гербицидной, рострегули-рующей, фунгицидной активностей, острой токсичности (ЛД50, мг/кг). Исследованные соединения представлены разнообразными химическими классами: арил(гетерил)оксикарбо-новые кислоты, амиды кислот, алифатические карбоновые кислоты, органические серосодер-
жащие соединения, динитроанилины, нитрофенолы, фенилметилсульфоновые соединения, бензонитрилы, нитрофеноловые эфиры, сложные эфиры карбаминовой кислоты, производные мочевины, производные азола. На основе исследованных соединений были разработаны более 180 математических моделей оценки биологической активности: гербицидной, рострегулирующей, фунгицидной и инсектицидной активности с уровнем правильного распознавания 71—96 %. В работе 9 автором представлены 220 математических моделей для оценки интервалов острой токсичности (ЛД50, мг/кг) с достоверностью оценки более 70%. В результате проведенных исследований закономерностей связи «структура-пестицид-ная активность-токсичность» авторами выявлены сложные молекулярные фрагменты, повышающие пестицидную активность и снижающие токсичность соединений с гербицидной, фунгицидной, инсектицидной и рострегулиру-ющей активностью. В работах 8,9 приведены результаты исследований по моделированию структур потенциальных пестицидно активных безопасных соединений, некоторые из которых предложены для синтеза. Для синтезированных соединений: Ы-(4-метокси-6-метил-1,3,5-триазин-2-ил)-М'-(2-метилфенил)-суль-фонилмочевина и Ы-(4-метокси-6-метил-1,3,5-триазин-2-ил)-Ы'-(2-карбоксиэтилфенил)-сульфонилмочевина - экспериментально подтверждено наличие пестицидных, в частности, гербицидных и рострегулирущих свойств.
Результаты исследования закономерностей связи «структура-свойства» с применением системы SARD-21, полученные научной группой НИТИГ (1989-2012 гг.), используются при выборе оптимальных направлений целенаправленного синтеза пестицидно активных соединений, при экспресс-оценке острой токсичности биологически активных соединений. Применение полученных данных способствует повышению производительности отечественных научных исследований по разработке новых менее токсичных пестицидно активных соединений. В результате возможно снизить финансовые и временные затраты за счет доэк-спериментальной оптимизации поиска препаратов с пестицидной активностью, а также уменьшить отрицательное техногенное воздействие на окружающую среду за счет получения менее токсичных веществ.
1. Симонов В. Д., Базунова Г. Г. Перечень хими- 1.
ческих средств борьбы с сорняками. Справочник.— Уфа: Реактив,1988.— 138 с.
2. Рахманкулов Д. Л., Базунова Г. Г., Мусави- 2.
ров Р. С. и др. Современные химические средства защиты растений. Том 1. Регуляторы роста
и развития растений. / Под общей редакцией академика АН РБ Д. Л. Рахманкулова.— Уфа: Реактив, 1999.— 196 с.
3. Киреева М. С., Недорезков В. Д., Латыпо- 3.
ва Ф. Н. и др. Современные химические средства защиты растений. Том 2. Фунгициды, бактерициды, протравители семян. /Под общей редакцией академика АН РБ Д. Л. Рахманкуло-ва.— Уфа: Реактив, 2000.— 252 с.
4. Колбин А. М., Икрина М. А. Регуляторы роста 4.
и развития растений.— М.: Химия, 2004.— 696 с.
5. Кадыров Ч. Ш., Тюрина Л. А., Симонов В. Д., 5.
Семенов В. А. Машинный поиск химических препаратов с заданными свойствами.— Ташкент: Фан, 1989.— 164 с.
6. Тюрина Л. А., Тюрина О. В., Колбин А. М. Ме- 6.
тоды и результаты дизайна и прогноза биологически активных веществ.— Уфа: Гилем, 2007.—
331 с.
7. Тюрина Л. А., Каримова Ф. С., Кирлан А. В., 7.
Кирлан С. А., Лукманова А. Л., Шагалеева З. Р., Гильмханова В. Т., Валитов Р. Б., Давыдов А. М.
// Агрохимия.— 2002.— №3.— С.35.
8. Каримова Ф. С., Кирлан А. В., Гильмханова В. Т., 8.
Кирлан С. А., Тюрин А. А., Колбин А. М., Тюрина Л. А. // Баш. хим. ж.— 2002.— Т.9, №1.—
С.33.
9. Кирлан С. А. Моделирование и прогноз свойств 9.
биологически активных гетероциклических соединений на основе связи «структура-актив-
ность—токсичность». Дис____ докт. хим. наук.-
Уфа: УГНТУ, 2011.- 340 с.
10. Кирлан В. В., Кирлан С. А., Кирлан А. В. Сви- 10 детельство об официальной регистрации базы данных № 2007614234. Комплекс программ для прогноза биологических свойств химических соединений. Зарегистрировано в Реестре баз данных 04.10.2007(Ии).
11. Кирлан С. А., Сементеева Л. Ш., Кантор Е. А., 11
Тюрина Л. А.Свидетельство об официальной регистрации базы данных №.2007620256. Математические модели прогноза интервальных значений токсичности гетероциклических соединений. Зарегистрировано в Реестре баз данных от 25.07.2007(Ии).
12. Лукманова А. Л., Хлебникова Т. Д., Тюрин А. А., 12
Тюрина Л. А., Колбин А. М., Кантор Е. А. //
Изв. вузов. Сер. хим. и хим. технол.- 2002.-Т.45, №6.- С.58.
13. Валитов Р. Б., Колбин А. М., Тюрина Л. А., 13
Соломинова Т. С., Кузнецов В. М.// Баш. хим. ж.- 2007.- Т.14, №3.- С.26.
Simonov V. D., Bazunova G. G. Perechen’ himicheskih sredstv bor’by s sornjakami. Spra-vochnik.— Ufa: Reaktiv,1988.— 138 s. Rahmankulov D. L., Bazunova G. G., Musavi-rov R. S. i dr. Sovremennye himicheskie sredstva zashhity rastenij. Tom 1. Reguljatory rosta i razvitija rastenij. Pod obshhej redakciej akademika AN RB D. L. Rahmankulova.— Ufa: Reaktiv, 1999.— 196 s.
Kireeva M. S., Nedorezkov V. D., Latypova F. N. i dr. Sovremennye himicheskie sredstva zashhity rastenij. Tom 2. Fungicidy, baktericidy, prot-raviteli semjan. Pod obshhej redakciej akademika AN RB D.L. Rahmankulova.— Ufa: Reaktiv, 2000.- 252 s.
Kolbin A. M., Ikrina M. A. Reguljatory rosta i razvitija rastenij.- M.: Himija, 2004.- 696 s. Kadyrov Ch. Sh., Tjurina L. A., Simonov V. D., Semenov V. A. Mashinnyj poisk himicheskih preparatov s zadannymi svojstvami.- Tashkent: Fan, 1989.- 164 c.
Tjurina L. A., Tjurina O. V., Kolbin A. M. Metody i rezul’taty dizajna i prognoza biolo-gicheski aktivnyh veshhestv.- Ufa: Gilem, 2007.- 331 s.
Tjurina L. A., Karimova F. S., Kirlan A. V., Kirlan S. A., Lukmanova A. L., Shagaleeva Z. R., Gil’mhanova V. T., Valitov R. B., Davydov A. M. // Agrohimija.- 2002.- №3.- S.35.
Karimova F. S., Kirlan A. V., Gil’mhanova V. T., Kirlan S. A., Tjurin A. A., Kolbin A. M., Tjurina L. A. // Bash. him. zh.- 2002.- T.9, №1.-S.33.
Kirlan S. A. Modelirovanie i prognoz svojstv biologicheski aktivnyh geterociklicheskih soedi-nenij na osnove svjazi «struktura-aktivnost’-toksichnost’». Dissertacija dokt. him. nauk.-Ufa: UGNTU, 2011.- 340 s.
Kirlan V. V., Kirlan S. A., Kirlan A. V. Svidetel’stvo ob oficial’noj registracii bazy dannyh № 2007614234. Kompleks programm dlja prognoza biologicheskih svojstv himicheskih soedinenij. Zaregistrirovano v Reestre baz dannyh 04.10.2007(RU).
Kirlan S. A., Sementeeva L. Sh., Kantor E. A., Tjurina L. A. Svidetel’stvo ob oficial’noj registracii bazy dannyh №.2007620256. Matematicheskie modeli prognoza interval’nyh znachenij toksichnosti geterociklicheskih soedinenij. Zaregistrirovano v Reestre baz dannyh ot 25.07.2007(RU).
Lukmanova A. L., Hlebnikova T. D., Tjurin A. A., Tjurina L. A., Kolbin A. M., Kantor E. A. // Izv. vuzov. Ser. him. i him. tehnol.- 2002.-T.45, №6.- S.58.
Valitov R. B., Kolbin A. M., Tjurina L. A., Solominova T. S., Kuznecov V. M. // Bash. him. zh.- 2007.- T.14, №3.- S.26.
