Влияние молекулярной структуры на свойства пестицидов.

Механизм действия различных классов инсектицидов весьма различен и изучен ещё недостаточно. Например, органические соединения фосфора и эфиры алкилкарбаминовых кислот ингибируют фермент холинэстеразу членистоногих, производные тиомочевины блокируют окислительновосстановительные процессы в организме насекомых. Однако таких очевидных зависимостей свойств инсектицида от его структуры не так много. Как правило, синтез нового инсектицида основывается на каком-то предшествующем препарате и заключается в его модификации[5].

Достоверно известно, что в ряду родственных инсектицидов активность гомологов увеличивается:

• при переходе галоген-заместителя от фтора к иоду (F<Cl<Br<I);

• при увеличении числа атомов галогенов в молекуле;

• при увеличении молекулярной массы углеводородного заместителя (в среднем до 10 атомов С, а затем либо меняется незначительно, либо уменьшается);

• при уменьшении разветвления углеводородного заместителя;

• при наличии двойной (реже тройной) связи при сильных электроотрицательных заместителях (таких как CN и NO2);

• при переходе от ациклического образца к циклическому;

• при переходе от предельной циклической (или ациклической) структуры к непредельной циклической (например, бензольной).

Основываясь на этих факторах, казалось бы, довольно просто синтезировать сверхэффективный инсектицид, однако тут мы сталкиваемся с тремя проблемами:

· Проблема активности и устойчивости инсектицида.

Синтезированный инсектицид может оказаться настолько активным, что фактически будет уничтожать всё живое на своём пути. В таком случае надо либо снижать его активность (в этом случае возрастают экономические затраты на его использование), либо создать его специфичным к какому-либо роду объектов.

Сельское хозяйство с его узкой генетической базой оказывается беззащитным. Сокращение генетического разнообразия с одной стороны и ускоряющееся ухудшение окружающей среды с другой стороны не способствуют устойчивости биосферы.

Устойчивость инсектицидов, их активность в отношении определенных насекомых и продолжительность действия зависят от природы заместителей.Некоторые фосфаты высокоактивны для млекопитающих,тогда как токсичность другихявляется настолько низкой,что они не могут быть использованы в сельском хозяйстве как системные инсектициды.Системные инсектициды для животных или растений достаточно устойчивы к ферментативному разрушению или гидролизу биологическими жидкостями растительных.Преимущество систем в том,что перемещение инсектицидов в летальных количествах сводит до минимума зоны действия опыления.Другие преимущества состоят в предохранении последующего роста после применения и восстановления полезных насекомых.

· Проблема персистентности.

Персистентным, т.е. обладающим нежелательной химической устойчивостью, согласно ИЮПАК, называют вещество, если оно продолжает существовать в окружающей среде в изменённых количествах в какой-либо идентифицируемой форме. Иными словами, вещество считается персистентным, даже если оно быстро разлагается в природных условиях, но при этом образуется более устойчивый продукт.

Примером может служить превращение нестойкого инсектицида бромофоса в химически стойкий 1,4дихлор-3-бромфенол [6]:

При выявлении, оценке и управлении токсичных свойств новых синтезированных соединений большое внимание уделяется взаимосвязи токсичности и химического строения вещества, поскольку действие химиката на организм зависит от его физико-химических свойств: высокая реакционная способность уже сама по себе служит предпосылкой токсичности. Однако системная токсичность проявляется теми соединениями, свойства которых обеспечивают высокую скорость их проникновения в организм и органы-мишени.

Способы проникновения могут быть разными: летучие соединения попадают в организм преимущественно с воздухом, липофильные вещества легко сорбируются и проникают через кожу, а гидрофильные полярные через различные отделы пищеварительного тракта. Наибольшей проникающей способностью обладают небольшие по размеру, в целом липофильные, но имеющие некоторую структурную полярность (или поляризуемые) молекулы.

Биологическая активность в связи с липофильностью и полярностью поддается моделированию на основании значений коэффициентов распределения в системе м-октанол - вода. Наивысшей активности в каждой группе родственных соединений соответствует некий оптимум величин Кow (коэффициент распределения соединения в системе н-октанол-вода).

Биологическая устойчивость так же может обусловливать накопление соединения в некоторых тканях до опасного уровня. В богатых липидами тканях, например, накапливаются металлорганические соединения, углеводороды и галогенсодержащие производные. В других тканях персистентность обеспечивается за счет способности соединения образовывать ковалентные связи. Во многих случаях метаболит более устойчив в сравнении с исходным соединением. Изменение основной структуры служит причиной регулярного изменения биологической активности в ряду родственных соединений.

В связи с этим могут быть сформулированы следующие правила:

• введение алкильной группы или удлинение алкильной цепи увеличивает липофильность, что часто рассматривается в качестве предпосылки усиления адсорбции;

• разветвление алкильной цепи затрудняет окислительный метаболизм;

• введение циклоалкильных групп увеличивает скорость абсорбции вследствие облегчения ван-дер-ваальсовых взаимодействий;

• атомы галогенов увеличивают липофильность углеродного скелета и часто блокируют положения, по которым идет гидроксилирование;

• ацилирование или алкилирование групп ОН- и RNH- уменьшает полярность и делает молекулу более персистентной;

• метаболическое метилирование, как правило, снижает токсичность органического соединения, но делает его более липофильным.

Кислоты, основания и соли обычно вызывают неспецифические нарушения метаболизма. В общем случае различные структурно неспецифические соединения проявляют примерно равную по силе биологическую активность при их содержании в равных пропорциях.

Структурная специфичность токсического эффекта значительно варьирует. Сильные эффекты проявляют ксенобиотики, имеющие структурное сходство с важными элементами биомолекул, достаточное для того, чтобы "подменить" их при синтезе витаминов, коэнзимов или других важных эндогенных регуляторов.

Блокирование активных центров биомолекул, отвечающих за синтез жизненно важных соединений (витаминов, гормонов и т. п.) или за передачу нервных импульсов, проявляется в форме токсического эффекта. Рассмотрим его на примере взаимодействия нейрогуморальных трансмиттеров и их синтетических аналогов с рецепторами.

Слово "рецептор" происходит от латинского "рецепере", что означает "получать". В широком понимании это специальные чувствительные образования, воспринимающие раздражения из внешней (экстероцепторы) или внутренней (интероцепторы) среды организма и преобразующие физическую или химическую энергию раздражителей в электрические импульсы.

В организмах отмечают наличие многих групп таких образований: био-, механо-, термо-, фото-, хеморецепторов. Мы рассмотрим последнюю из них.

Хеморецепторы - это молекулы или молекулярные комплексы на поверхности клеток, способные распознавать специфические химические агенты или клетки и реагировать на них передачей сигналов внутрь своей клетки. Таким образом, в качестве рецептора может выступать отдельная структурная единица протеиновой мембраны клетки или даже определенной биомолекулы - фермента, нуклеиновой кислоты и т. п.

Проникновение в организм химикатов-ксенобиотиков, способных связываться с определенными рецепторами, приводит к блокированию нормального метаболизма либо к его изменению, например ускорению или замедлению передачи нервного импульса. Такое связывание может иметь следствием возникновение картины острого или хронического отравления, приводить к тератогенезу (внутриутробным заболеваниям, вызывающим в процессе индивидуального развития уродство) и канцерогенезу (возникновению и развитию злокачественных опухолей).

Для того чтобы ксенобиотик мог связываться с определенным рецептором, он должен обладать некоторым структурным сходством с "обычным" метаболитом, например нейромедиатором. При этом большое значение имеет пространственное строение, в том числе оптическая активность молекулы изомеры, как правило, обладают (оптические различной биологической активностью).

Фунгициды. Фунгициды подразделяют на группы:

В зависимости от химических свойств:
• неорганические (соединения серы - известково-серный отвар, молотая и коллоидная сера; меди - медный купорос, хлорокись меди, ртути - хлорная ртуть);
• органические (производные карбаминовой кислоты, фтальимиды, хиноны, эфиры динитроалкалфенолов, ртутьорганические соединения, оксатииновые соединения, препараты на основе бензимидазолов).
В зависимости от действия на возбудителя:
• профилактические, или защитные (предупреждают заражение растения или приостанавливают развитие и распространение возбудителя в месте скопления инфекции до того, как произойдёт заражение, подавляя главным образом его репродуктивные органы);
• лечебные, или искореняющие (действуют на мицелий, репродуктивные органы и зимующие стадии возбудителя, вызывая их гибель после заражения растения).
По характеру использования:
• протравители семян (используются для борьбы с болезнями, возбудители которых распространяются с семенами или находятся в почве);
• препараты для обработки почвы (уничтожают почвенных возбудителей болезней растений, особенно эффективны в парниках и теплицах);
• препараты для обработки растений в период покоя (уничтожают зимующие стадии возбудителя, используются рано весной до распускания почек, поздно осенью и зимой);
• препараты для обработки во время вегетации (в основном препараты профилактического действия, применяемые летом);
• препараты для опрыскивания, фумигациии хранилищ, в частности зернохранилищ и овощехранилищ.
Фунгициды также подразделяются на химические классы в зависимости от строения действующих веществ.

По характеру распределения внутри тканей растений фунгициды делятся на:
• контактные (локальные);
• системные (внутрирастительные).
Контактные фунгициды при обработке ими растений остаются на поверхности и вызывают гибель возбудителя при соприкосновении с ним. Некоторые из них обладают местным, глубинным действием, например способны проникать в наружные оболочки семян. Эффективность контактных препаратов зависит от продолжительности действия, количества, степени удерживаемости на обрабатываемой поверхности, фотохимической и химической стойкости, погоды. Системные фунгициды проникают внутрь растения, распространяются по сосудистой системе и подавляют развитие возбудителя вследствие непосредственного воздействия на него или в результате обмена веществ в растении. Эффективность их в основном определяется скоростью проникновения в ткани растений и в меньшей степени зависит от метеорологических условий. Быстрый рост масштабов использования системных фунгицидов в практике мирового сельскохозяйственного производства объясняется рядом их преимуществ перед препаратами контактного действия:
1. Быстрым (в течение 0,5 -1 ч) поглощением растениями; поэтому их эффективность в меньшей степени, чем контактных, зависит от осадков.
2. Способностью передвигаться по растению (чаще всего по ксилеме) и защищать прирост, появившийся уже после обработки, тогда как контактные препараты защищают только те части растения, на которые наносятся;
3. Продолжительность их защитного действия составляет 2 - 4 недели, а иногда и больше, контактных - 7-10 дней, а в действительности - до первого обильного дождя.
4. Системные фунгициды защищают растения не только от инфекции, находящейся на поверхности семян, но и от внутренней инфекции, а стойкие системные фунгициды - и от аэрогенной инфекции на ранних фазах развития растений (30 - 45 дней).
5. Системные фунгициды в большинстве случаев характеризуются защитным и лечебным действием, тогда как контактные - только защитным, поэтому обработку ими можно проводить не только до начала заболевания растений по прогнозу, но и после появления видимых признаков болезни, т.е. после прорастания спор и внедрения гифов.

Рекомендуемая литература:

1.Ганиев М.М.,Недорезков В.Д. Химические средства защиты растений. - М.: КолосС,2006.-248 с.

2.Груздев Г.С.Химическая защита растений. Под редакцией Г.С Груздева -3е изд., перераб.и доп.-М.:Агропромиздат,1987-415 с.:ил.

3. Справочник пестицидов и агрохимикатов, разрешённых к применению на территории Российской Федерации. Аргус, 2005, 423 с.

4. Инсектициды в сельском хозяйстве, 2 изд., М., 1985 атомов галогенов на свойства и основные показатели

5.Влияние пиретроидных инсектицидов. Орлин Н. А. Христофорова Е. А.; Выпуск№ 3Руднев Д. Ф., Кононова Н. Э., Природа и ядохимикаты, Москва: Наука, 1971, 234 с.

6. Мельников Н.Н., Новожилов К.В., Белан С.Р., Пылова

Т.Н. Справочник по пестицидам PDF. М.: Химия, 1985

8. Р. Драго Физические методы в химии. Перевод с английского. Том 1, издательство «МИР», М.: 1981.

9. «Инсектициды и фунгициды», Бережливая агротехника. Статья, 2006 г.

10. Poroikov V., Filimonov D. Computer-aided prediction of biological activity spectra. Application for finding and optimization of new leads.In: Rational Approaches to Drug Design, H. - D. Holtje, W. Sippl (ed.) Prous Science, Barcelona. 2001.- P.403.

11. Раевский О. А. Сапегин A. M. // Успехи хи-мии.-1988.- Т.57, №9.- С.1565.

12. Белик А. В., Попелкин В. А., Новикова А. П. // Известия высших учебных заведений. Химия и химическая технология.- 1992.- Т.35, вып.9.- C.99.

13. Keigo Gohda, Ichiro Mori, Daisaku Ohta, Takeshi Kikuchi. // Journal of Computer-Aided Molecular Design.- 2000.- V.14(3).- Р.265.

14. Кирлан С. А., Кантор Е. А., Димогло А. С., Вовденко М. К. // Баш. хим. ж.- 2011.- Т.18, №2.- С.30.

15. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. №2011612273. Программные модули компьютерной системы SARD-21 для прогноза и моделирования биологически активных химических соединений / Кирлан С.А. (RU). Зарегистрировано в Реестре баз данных 17.03.2011.

16. Гринченко А.Л. Применение ретардантов в растениеводстве. // Итоги науки и техники. Серия Растениеводство-1983. – Т.6.

17. Жукова П.С. Гербициды и стимуляторы роста в овощеводстве. Минск, 1976.

18. Калинин Ф.Л., Мережинский Ю.Г. Регуляторы роста растений (Биохимия действие и применение). Киев, 1965.

19. Применение регуляторов роста в плодоводстве. / Под ред. и с предисл. М.Т. Тарасенко. – М.: Издательство иностранной литературы, 1985 г.

20. Применение регуляторов роста в растениеводстве. Справочник. / Под ред. кандидата химических наук Л.А. Салей. Кишинев Издательство “Штиинца”, 1981.

21. Ракитин. Ю.В. Ростовые вещества и их применение в растениеводстве. – М., 1948 г.

22. Регуляторы роста растений. / Под ред. Г.С. Муромцева. – М.: Колос, 1979.

23. Регуляция роста растений химическими средствами. – М.: Издательство Московского университета, 1970 г.

24. Химические средства стимуляции и торможение физиологических процессов растений. / Под ред. Ю.В. Ракитина – М.: Издательство АН СССР, 1958.

Тема 2. Технологии производства современных акарицидов, инсектицидов, фунгицидов, регуляторов роста растений. 2.1. Производство современных инсектицидов. 2.2. Производство современных акарицидов. 2.3. Производство современных фунгицидов и регуляторов роста растений.

Вопросы для самоконтроля:

1. В чем заключается условность классификации пестицидов?

2. Объекты применения инсектоакарицидов.

3. Объекты применения фунгицидов и бактерицидов.

4. В чем заключается системное действие пестицидов?

5. Отличие пестицидов контактного и системного действия.

6. Отличие пестицидов системное и трансламинарного действия.

7. Чем отличаются пестициды неорганические и органические?

8. Начальная классификация пестицидов по химическому строению?

9. Назовите действующие вещества Пиретроидов (синтетических).

10. Сколько групп есть у инсектицидов и акарицидов пестицидов по механизму действия и их особенности?

11. Назовите фунгициды относящиеся к ингибиторам дыхания.

12. Какие бывают ингибиторы биосинтеза аминокислот у гербицидов?

2. 4. Семестровое задание.

Реферат - это деятельность обучающихся по освоению учебного материала, которая осуществляется по заданию, при методическом руководстве и контроле преподавателя, но без его непосредственного участия (рефераты).

Цель написания реферата - проверка качества усвоения знаний обучающимися.

Работа над рефератом направлена на формирование у обучающихся знаний-копий и знаний, позволяющих решать типовые технологические задачи.

Познавательная деятельность обучаемых при этом заключается в воспроизведении, частичном реконструировании и преобразовании структуры и содержания усвоенной ранее учебной информации. Это предполагает необходимость анализа поставленной темы, различных путей ее выполнения.

В качестве таких работ обучающимся предлагаются задания, озаглавленные темами рефератов. Эта деятельность предполагает работу с учебником, конспектом лекций и другими источниками информации.

Реферат формируются на основе вариантов заданий по запланированным в рабочей программе темам. Реферат оформляется письменно на листах формата А4 с титульным листом, в виде пояснительной записки, в объеме 15 – 20 листов.

Структура реферата:

1.Введение. Описывается цель и задачи, определенные темой реферата.

2. Проводится анализ механизма биологического действия препарата, заданного темой реферата. Приводится сравнение с другими возможными механизмами биологического действия. Изучаются Современные представления о взаимосвязи химического строения веществ и их пестицидной и лекарственной активности.

3. Приводятся варианты классификации пестицидов и лекарственных средств. Устанавливается принадлежность химического продукта к определенным группам в различных видах классификации.

4. Проводится анализ химической структуры соединения в гомологическом ряду от вида биологической (пестицидной или лекарственной) активности. Рассматриваются современные представления о моделировании структур пестицидов и последовательность химических превращений при создании новых структур.

5. Анализируется последовательность химических превращений, необходимых для синтеза соединения определенной биологической активности. Обосновывается оптимальный путь синтеза.

6.Обосновывается принципиальная технологическая схема производства.

7. Делаются выводы по реферату.

Перечень тем рефератов:

1. Инсектициды. Технология получения Карбофоса.

2. Технология получения Хлорофоса.

3. Технология получения Авенина.

4. Технология получения Фазолона.

5. Технология получения Метафоса.

6. Акарициды. Технология получения. Омайта (Пропаргита).

7. Акарициды. Технология получения Флумайта (Флуфензина).

8. Акарициды. Технология получения Аполло (Клофентезина).

9. Акарициды. Технология получения Ниссорана (Гекситиазокса).

10. Фунгициды. Технология получения Скора, Сплита (дифеноконазол).

11. Фунгициды. Технология получения Импакта, Винцита (флутриафол).

12. Фунгициды. Технология получения Эфаля (Диэтилфосфит).

13. Фунгициды. Технология получения Алюфита, Афугана.

14. Фунгициды. Технология получения Агроцита, Бенлата (Беномил).

15. Фунгициды. Технология получения Ритиконазол (Максим, Премис).

16. Регуляторы роста растений. Технология получения 2,4-Дихлорфеноксиуксусная кислоты; 2,4-Д, 2,4-ДУ-кислоты.

17 . Регуляторы роста растений. Технология получения хлорхолинхлорида, хлормекватхлорида (хлористый-2- хлорэтилтриметиламмоний).

18. Регуляторы роста растений. Технология полученияалара, диаминозида (N-диметилгидразид янтарной кислоты).

19. Регуляторы роста растений. Технология получения этрела, кампозана, этефона (2-xлорэтилфосфоновая кислота).

20. Механизм действия противотуберкулезных препаратов. Аппаратурно-технологическая схема получения противотуберкулезного препарата изониазида.

21. Механизм действия противотуберкулезных препаратов. Аппаратурно-технологическая схема получения противотуберкулезного препарата этамбукола.

22. Механизм действия противотуберкулезных препаратов. Аппаратурно-технологическая схема получения противотуберкулезного препарата тубазида.

23. Механизм действия противотуберкулезных препаратов. Аппаратурно-технологическая схема получения противотуберкулезного препарата фтивазида.

24. Корреляционная связь между химическим строением и физиологическим действием сульфаниламидных препаратов.

25. Синтез белого стрептоцида. Технологическая схема получения. Особенности техники безопасности.

26. Синтез сульфадимезина. Технологическая схема получения. Особенности техники безопасности.

27. Синтез сульфадиметоксина и Технологическая схема получения. Особенности техники безопасности.

28.Синтез фталазола. Технологическая схема получения. Особенности техники безопасности.

29. Методы синтеза ремантадина и его аналогов. Аппаратурно-технологическая схема получения противовирусного препарата.

30. Методы синтеза оксолина и его аналогов последнего поколения. Аппаратурно-технологическая схема получения противовирусного препарата.

31. Механизм действия и методы синтеза противоопухолевого препарата. Аппаратурно-технологическая схема получения противоопухолевого препарата допана.

32. Механизм действия и методы синтеза противоопухолевого препарата. Аппаратурно-технологическая схема получения противоопухолевого препарата метотрексата.

33. Механизм действия и методы синтеза противоопухолевого препарата 6 - меркаптопурина. Аппаратурно-технологическая схема получения.

34. Механизм действия и методы синтеза противоопухолевого препарата. Аппаратурно-технологическая схема получения противоопухолевого препарата митозоламида.

35. Механизм действия и методы синтеза противоопухолевого препарата. Аппаратурно-технологическая схема получения противоопухолевого препарата фторурацила.

36. Механизм действия и методы синтеза местноанестезирующих препаратов. Аппаратурно-технологическая схема получения местноанестезирующего препарата дикаина.

37. Механизм действия и методы синтеза местноанестезирующих препаратов. Аппаратурно-технологическая схема получения местноанестезирующего препарата дикаина.

38. Механизм действия и методы синтеза местноанестезирующих препаратов. Аппаратурно-технологическая схема получения местноанестезирующего препарата дикаина.

39. Механизм биологического действия барбитуратов. Аппаратурно-технологическая схема получения нейролептика фенотиазина.

40. Механизм биологического действия психостимуляторов. Аппаратурно-технологическая схема получения теобромина.

41. Механизм биологического действия опийных алкалоидов. Аппаратурно-технологическая схема получения анальгетика промедола.

Форма оформления титульного листа реферата.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ   Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Волгоградский государственный технический университет»   Кафедра «Технология органического и нефтехимического синтеза»   Дисциплина «Химическая технология биологически активных веществ для медицины и сельского хозяйства» Реферат на тему: « Инсектициды. Технология получения хлорофоса»     Выполнил студент группы _________ __________________________ (Фамилия И.О. обучающегося) Проверил _______________________ __________________________ (Фамилия И.О. преподавателя)   Волгоград, 201_ г.