Агрохимия, 2019, № 5, стр. 29-34

ВВЕДЕНИЕ

Одной из актуальных задач агрохимии является поиск новых антидотов для широко распространенных в сельскохозяйственном производстве России гербицидов из ряда сульфонилмочевин. Это гербициды нового поколения, которые обладают высокой фитотоксичностью и сохраняют гербицидную активность в объектах окружающей среды, в частности в почве, в течение длительного времени (до нескольких лет). Применение таких гербицидов привело к возникновению в растениеводстве новой проблемы – экологических последствий их использования. Указанные гербициды более 20 лет применяют для борьбы с сорняками в посевах практически всех основных сельскохозяйственных культур, причем особенно широко эти гербициды используют в почвенно-климатических регионах Центрального, Поволжского и Сибирского округов РФ. Систематическое применение таких гербицидов привело к загрязнению их остатками до 22% почв указанных регионов, что составляет более 17 млн га сельхозугодий. Ежегодный ущерб урожаю таких культур как рапс, отличающейся особенно высокой чувствительностью к остаткам сульфонилмочевин в почве, составляет ≈20% и более [1, 2]. Современные гербициды не обладают высокой избирательностью по отношению к культурным растениям и сорнякам и могут оказывать токсическое действие и на культурные растения. Применение антидотов (сейфнеров) гербицидов устраняет или снижает токсическое действие гербицидов на культурное растение, тем самым повышая урожайность [3–5].

В настоящее время в рекомендациях по выращиванию рапса отсутствуют данные о применении каких-либо антидотов, способных эффективно снижать токсическое действие гербицидов из ряда сульфонилмочевин, содержащихся в почве.

Цель работы – поиск антидотов (сейфнеров) для гербицидов ряда сульфонилмочевин среди новых синтезированных производных флороксана (торговое название гидрохлорида этилового эфира 2-гидрокси-3,3,3-триф-торметил-2-(4-метиламино-фенил)-пропионовой кислоты [6]), а именно – синтез новых производных диарилмочевин, содержащих фрагмент флороксана.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

В целях поиска антидота химическую модификацию фторсодержащего стимулятора роста растений флороксан проводили по положениям 1–3:

Один из способов введения заместителя в положение 1 фрагмента флороксана приводит к получению соединения 2 и основан на взаимодействии гидрохлорида этилового эфира 2-гидрокси-3,3,3-трифторметил-2-(4-метиламинофенил)-пропионовой кислоты 1 с пара-хлорфенилизоцианатом в присутствии пиридина в растворе дихлорметана при температуре 20–25°С. Синтез соединения 2 проводили по схеме 1:

К суспензии 2.8 г (0.009 моль) гидрохлорида солянокислого этилового эфира 2-гидрокси-3,3,3-трифторметил-2-(4-метиламино-фенил)-пропионовой кислоты 1 в 50 мл сухого дихлорметана добавляли 0.7 г (0.009 моль) пиридина при интенсивном перемешивании. Через 10 мин прибавляли раствор 1.37 г (0.009 моль) пара-хлорфенилизоцианата в 7 мл дихлорметана и перемешивали в течение 2 ч без доступа влаги воздуха при 20–25°C. Завершение реакции проверяли методом тонкослойной хроматографии (ТСХ). Затем дихлорметан упаривали, остаток растворяли в 30 мл эфира и отмывали гидрохлорид пиридина водой (2 раза по 50 мл). Эфирный слой сушили сульфатом натрия, фильтровали и фильтрат упаривали на роторном испарителе при пониженном давлении до образования твердого остатка. Полученный продукт-сырец кристаллизовали из смеси дихлор-метан/петролейный эфир (40–70) в соотношении 1 : 2 и получали 2.7 г (выход 69%) соединения 2 в виде белого кристаллического вещества, Т_пл = 121–123°С. Вещество хорошо растворимо в спирте, ацетоне, хлороформе, диметилсульфоксиде и плохо в воде. Соединение 2 стабильно при хранении при 20–25°С.

Строение соединения 2 подтверждено ¹Н- и ¹⁹F-ЯМР-спектроскопией и масс-спектрометрией (прямой ввод образца, ионная ловушка, ЭУ, 70 ЭВ). Спектр ЯМР ¹Н (400 Мгц, DMSO-d₆, стандарт ТМС): 1.23 (т, 3Н, J = 7Гц, –СН₃); 3.30 (с, 3Н, –NCH₃); 4.27 (к, 2Н, J = 7Гц, –СН₂–); 7.27–7.58 (м, 8Н, Ar); 7.81 (с, 1Н, –ОН); 8.65 (уш. с, 1Н, –NH). Спектр ЯМР ¹⁹F (400 Мгц, DMSO-d₆, стандарт CCl₃F): –75.22 (с, –CF₃). Масс-спектр (электронный удар, 70 эВ), m/z (I_отн, %): 430 [M]⁺ (12); 204 [C₉H₉F₃NO]⁺ (100); 134 [C₈H₈NO]⁺ (93); 107 [C₇H₉N]⁺ (14).

Диарилмочевина 5, имеющая 2 заместителя во фрагменте флороксана по положению 2 – метоксигруппу в α-положении β-трифторпропионовой кислоты и арилмочевину по положению 1, синтезирована по схеме 2:

Реакцию замещения гидроксильной группы на атом хлора проводили с помощью хлористого тионила в среде сухого дихлорметана в присутствии каталитического количества N,N-диметиланилина. Затем раствор хлорпроизводного 3 упаривали на роторном испарителе и к остатку прибавляли двукратный по массе избыток метанола. Реакционную массу кипятили ≈1 ч до завершения реакции. Далее метанол упаривали на роторном испарителе и к оставшейся массе, содержащей соединение 4, прибавляли дихлорметан и пара-хлорфенилизоцианат. Соединение 5 было получено с выходом 91%.

Диарилмочевину 7, имеющую 2 заместителя по положению 1 и 2, получали восстановлением хлорпроизводного флороксана 3 активированным цинком в растворе уксусной кислоты (схема 3):

После завершения реакции непрореагировавший цинк отфильтровывали и уксусную кислоту упаривали на роторе. Продукт сырец 6 очищали колоночной хроматографией на силикагеле, общий выход на 2 стадии составил 67%. Затем соединение 6 растворяли в дихлорметане, и к раствору добавляли пара-хлорфенилизоцианат в эквимолярном количестве.

Диарилмочевина 7 была получена с выходом 70%.

Для повышения растворимости в воде сложноэфирная группа во фрагменте флороксана (позиция 3) была заменена на амидную группу. Амидомочевину 9 получали по схеме 4:

Флороксан 1 обрабатывали водно-спиртовой смесью аммиака, упаривали, получали промежуточный амид 8, который растворяли в дихлорметане, с последующим добавлением эквимолярного количества пара-хлорфенилизоцианата. Выход соединения 9 составил 88%.

Строение всех полученных соединений подтверждено ¹Н- и ¹⁹F-ЯМР-спектроскопией и масс-спектрометрией (прямой ввод образца, ионная ловушка, ЭУ, 70 ЭВ).

Все полученные производные (кроме соединения 3) прошли скрининг на антидотную и рострегулирующую активность. Предварительную оценку активности осуществляли с помощью экспресс-метода, разработанного ранее [7]. В соответствии с этим методом, оценку активности проводили на прорастающих семенах рапса сорта Ратник и кукурузы сорта Краснодарская 291 АМВ в чашках Петри на влажной фильтровальной бумаге. При этом оценивали снятие угнетающего действия гербицида, содержащегося в среде, потенциальными антидотами, которыми перед началом опыта обрабатывали семена.

Методика приготовления растворов испытуемых соединений и их смесей с гербицидами приведена в работе [7]. Проращивание семян проводили в чашках Петри. В чашку Петри вкладывали круглый фильтр соответствующего размера из фильтровальной бумаги и помещали обработанные растворами химических веществ семена рапса по 15 шт. в чашку. Опыт проводили в пятикратной повторности. В качестве контрольных вариантов использовали семена, обработанные только гербицидом или водой. В чашки Петри опытных вариантов и контроля приливали по 4 мл дистиллированной воды и помещали на 7 сут в термостат при температуре 25°С. Для проветривания семян чашки Петри ежедневно открывали на 30 мин и добавляли по 1 мл дистиллированной воды, чтобы не допустить высыхания семян. После этого во всех вариантах опыта проводили измерение длины проростков и длины их корней и находили их средние величины. Увеличение (или снижение) длины проростков и корней в опытных вариантах относительно водного контроля рассчитывали по формуле:

где Д_в – изменение длины проростка (или корня) относительно водного контроля, Д_о – средняя величина длины проростка (или корня) в опытных вариантах, Д_к – средняя величина длины проростка (или корня) в контрольном варианте. Статистической характеристикой результатов служила наименьшая существенная разность для 5%-ного уровня значимости (НСР₀₅).

В результате этого скрининга было отобрано производное флороксана – этиловый эфир 2-{4-[3-(4-хлорфенил)-1-метил-уреидо]-фенил}-2-гидрокси-3,3,3-трифторпропионовой кислоты 2:

Замещенная диарилмочевина 2 в дозе всего 1 г/т семян в условиях опыта in vitro снижала угнетающее действие гербицида метсульфуронметила (препарат зингер СП, АО “Щелково-Агрохим”), который в опыте более чем на 40% подавлял рост корней и проростков рапса. Остальные соединения 1–9, проявляя различную рострегулирующую способность, антидотной активностью не обладали.

Дальнейшее изучение антидотной активности полученных соединений проводили в сравнении со следующими известными промышленными антидотами. Известен антидот [8, 9], представляющий собой 1,8-нафталевый ангидрид (НА), который проявляет антидотную активность по отношению к некоторым производным сульфонилмочевин на кукурузе, яровой пшенице и рапсе. Однако доза 1,8-нафталевого ангидрида, при которой он проявляет антидотную активность, существенно выше 100 г/т семян. Такая доза приводит к загрязнению посевов и почвы.

Известен антидот фурилазол – (RS)-3-дихлор-ацетил-5-(2-фурил)-2,2-диметилоксазолидин, который производит компания “Monsanto” [10]. Фурилазол (ФА) используют в смеси с гербицидами при опрыскивании посевов кукурузы. Кроме того, показано, что ФА обладает заметной антидотной активностью в отношении гербицидов класса сульфонилмочевин, находящихся в почве и его можно использовать для предпосевной обработки семян кукурузы [11].

Методика приготовления препаративной формы для равномерного нанесения соединения 2 на семена рапса была следующей. В фарфоровую ступку помещали 105 мг соединения 2 (с учетом 95%-ного содержания основного вещества), добавляли 10.5 г полипропиленгликоля и растирали массу до образования опалесцирующей суспензии. Затем при постоянном перемешивании добавляли 105 мг ПАВ (Тренд-90) и 6.2 г 1%-ного раствора Na-КМЦ и получали суспензионную массу кремовато-молочного цвета. Аликвоту суспензии в количестве 20 мг использовали для приготовления рабочих растворов путем ее разбавления дистиллированной водой в 5 раз (100 г/т) и в 500 раз (1 г/т). Полученными растворами обрабатывали семена рапса – 0.1 г раствора/5 г семян. Препаративные формы других антидотов приготовляли аналогично.

Изучение антидотной активности препарата 2 проводили в лаборатории искусственного климата, использовали черноземную почву Тамбовской обл., в которую за 1 сут до посадки ярового рапса вносили гербицид метсульфуронметил в дозе 1 г/га. Семена рапса за 3-е сут до посева обрабатывали антидотами в дозе 1 г/т, высевали в вегетационные сосуды (емкость 600 г) с загрязненными гербицидами образцами черноземной почвы и помещали в камеру искусственного климата фирмы “Фетч” (ФРГ) при следующих гидротермических условиях: долгота светового дня – 16 ч при 22 тыс. лк, ночи – 8 ч; температура воздуха в камере днем – 25°С, ночью – 20°С; влажность воздуха 75%; влажность почвы (путем ежедневного полива обессоленной водой) 60% ПВ. В указанных условиях эксперимент проводили в течение 25 сут, затем определяли надземную массу растений. Контрольный вариант содержал в почве гербицид в дозе 1 г/га и семена рапса не обрабатывали антидотом. Повторность опыта пятикратная, по 3 растения в каждом сосуде.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты испытаний антидотной активности соединения 2 по отношению к гербициду метсульфуронметилу приведены в табл. 1.

Установлено, что предпосевная обработка семян рапса соединением 2 в норме 1 г/т семян эффективно ослабляла токсическое действие гербицида и приводила к увеличению надземной массы растений на 41% по сравнению с контролем [12]. Активность известных ранее антидотов фурилазола и 1,8-нафталевого ангидрида при их применении в дозе 1 г/т семян была невелика: эти антидоты лишь незначительно подавляли действие гербицида, увеличение надземной массы растений составило лишь 5–14% по сравнению с контролем.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, соединение 2 представляет собой первый пример вещества, эффективно защищающего рапс от токсического действия гербицидов класса сульфонилмочевин (метсульфуронметила) при предпосевной обработке семян в дозе 1 г препарата/т семян и может расширить ассортимент высокоэффективных антидотов для практического применения в сельском хозяйстве.