Биологически активное соединение, обладающее поверхностно-активными свойствами

Изобретение относится к сельскому хозяйству. Химическое соединение является продуктом взаимодействия обладающих биологической активностью соединений, выбранных из группы (а), и соединений, выбранных из группы (b). Взаимодействуют между собой соединения групп (а) и (b), которые характеризуются противоположными - протонодонорной (с) и протоноакцепторной (d) способностями. Группа (а) включает: арилоксикарбоновые кислоты, ароматические карбоновые кислоты с различными заместителями - галоген; NH2, OCH 3; пиридинкарбоновые кислоты с различными заместителями - галоген NH2; фосфоновые кислоты, содержащие функционально-активную карбоксильную группу (-СООН) (с); азолсодержащие структуры с различными заместителями, содержащие триазольный реакционный центр (d)

;

циклогексендионсодержащие структуры, содержащие общий сопряженный кетоно-енольный фрагмент (с)

;

замещенные сульфонилмочевины, содержащие

мочевинный фрагмент .

Группа (b) включает: третичные алкиламины, содержащие по меньшей мере одну алкильную группу с числом атомов углерода не менее 8 (d); оксиэтилированные алкиламины с числом оксиэтилированных групп -О-СН2-СН2- не менее 4 (d); линейные алкилсульфоновые кислоты R-SO3 H, где R содержит не менее 8 атомов углерода (с); алкилбензолсульфоновые кислоты R-C6H4SO3H, где R содержит не менее 8 атомов углерода (с). Соединение характеризуется способностью образовывать водные мицеллярные растворы. Критическая концентрация мицеллообразования составляет 0,05-020 мас.%. Изобретение позволяет повысить пестицидную активность соединения. 3 з.п. ф-лы, 5 табл.

Данное изобретение относится к химии поверхностно-активных соединений и может быть реализовано в производстве пестицидных препаратов, используемых в сельскохозяйственной практике в борьбе с вредителями и сорными растениями в посевах производственных культур.

Анализ ассортимента пестицидных препаратов (Справочник пестицидов и агрохимикатов, разрешенных к применению на территории РФ. М.: Агрорус, 2011) показывает практическое отсутствие в нем пестицидных препаратов, позволяющих кроме традиционно известных состояний действующих веществ пестицидов в водных растворах рабочих жидкостей в виде эмульсий, суспензий, молекулярно растворимых солей, достигать физического состояния действующего вещества (далее - д.в.) пестицида в рабочей жидкости в форме мицелл либо микроэмульсий.

Известны обладающие поверхностно-активными свойствами триалкиламинные соли арилоксикарбоновых кислот, дикамбы, клопиралида, содержащие алкильный радикал с числом атомов углерода не менее восьми (RU 2408188, опубл. 10.01.2011), которые включены в гербицидную композицию в качестве ПАВ. Они обеспечивают создание рабочей жидкости в виде макроэмульсии с размером капель 1-3 мкм.

Из патентного документа RU 2394426, опубл. 20.07.2010, известны триалкиламинные соли дикамбы и сульфонилмочевины, содержащие два алкильных радикала с числом атомов углерода от 1 до 3 и один алкильный радикал с числом атомов углерода не менее 9, которые проявляют поверхностно-активные свойства.

Известен гербицидный состав, содержащий в многокомпонентном составе в том числе сульфонилмочевину и третичный алкиламин, содержащий суммарно не более 20 атомов углерода в молекуле, причем один из радикалов содержит не менее 8 атомов углерода, при приготовлении рабочей жидкости образуется триалкиламинная соль сульфонилмочевины (RU 2400068, опубл. 27.09.2010).

Наиболее близкой по структуре к одной из заявленной структур биологически активного соединения является триалкиламинная соль глифосата, в которой алкильные группы имеют нормальное или изостроение и содержат от 1 до 20 атомов углерода, причем указанные соли имеют поверхностное натяжение в интервале значений 30,5-34,5 мН/м (RU 2356229, опубл. 27.05.2009). Известное соединение характеризуется гербицидной активностью и поверхностно-активными свойствами.

Однако известные соединения не обеспечивают получение рабочей жидкости с размерами частиц в нанометровом диапазоне.

Задачей настоящего изобретения является создание бифункциональных химических соединений, сочетающих поверхностно-активные свойства и биологическую активность, а именно высокую пестицидную активность.

Высокая пестицидная активность обусловлена новыми свойствами синтезированных соединений, позволяющими достичь состояния д.в. пестицидов в рабочей жидкости в форме мицелл либо микроэмульеий в отличие от традиционных макроэмульсий.

Предлагаемое техническое решение основано на ряде фундаментальных понятий коллоидной химии:

- водные мицеллярные растворы могут образовывать только вещества, обладающие поверхностно-активными свойствами, которые при некоторой концентрации - критической концентрации мицеллообразования (ККМ) в растворе начинают образовываться агрегаты молекул - мицеллы, вследствие чего общая растворимость ПАВ резко увеличивается. Однако не все поверхностно-активные вещества способны образовывать мицеллы (С.С.Воюцкий. Курс коллоидной химии. М.: Химия, 1976, с.400). Факт мицеллообразования дифильных структур требует экспериментального подтверждения;

- образование микроэмульсий есть результат солюбилизации мицеллами водонерастворимых компонентов (обычно органического: растворителя) препаративной формы пестицидов. При этом микроэмульсия не есть обычная эмульсия с очень мелкими каплями. Наоборот, она имеет много общего с мицеллярными системами и принципиально отличается от классической эмульсии (А.И.Русанов. Мицеллообразование в растворах поверхностно-активных веществ. С-Пб: Химия, 1992).

Исходя из сказанного, основополагающим положением настоящего изобретения является синтез новых бифункциональных биологически активных соединений, обладающих поверхностно-активными свойствами, способными к мицеллообразованию в водных средах и образованию микроэмульсий. Это тем более важно с практической точки зрения, поскольку уникальная роль мицеллярных и микроэмульсионных образований в жизненно-важных процессах биологических систем общеизвестна.

Пути синтеза поверхностно-активных соединений хорошо известны. Конечная структура должна обладать дифильными свойствами, т.е. состоять из двух фрагментов, один из которых растворим в жидкости (лиофильная часть), другой должен иметь противоположные свойства - нерастворим в жидкости (лиофобная часть). При этом в соответствии с задачами настоящего изобретения обязательным является присутствие в структуре синтезированного соединения в качестве одного из фрагментов биологически активного начала. В качестве биологически активной части в рамках настоящего изобретения предложены биологически активные д. в. пестицидов. В качестве второго фрагмента использованы полупродукты производства поверхностно-активных соединений.

При создании изобретения было установлено, что химические соединения, полученные как продукт взаимодействия обладающих пестицидной активностью соединений, выбранных из группы (а), и соединений, выбранных из группы (b), обладают поверхностно-активными свойствами. Причем взаимодействуют между собой соединения групп (а) и (b), которые характеризуются противоположными - протонодонорной (с) и протоноакцепторной (d) способностями.

При этом группа (а) включает

- арилоксикарбоновые кислоты: фенокси-, крезоксикарбоновые кислоты - уксусная, пропионовая, масляная и др.; ароматические карбоновые кислоты: бензойные кислоты с заместителями - галоген, NH2, OCH3; пиридинкарбоновые кислоты с заместителями - галоген, NH2; фосфоновые кислоты: глифосат, содержащие функционально-активную карбоксильную группу (-СООН), которые характеризуются протонодонорной способностью (с);

- азолсодержащие структуры с различными заместителями, содержащие триазольный реакционный центр с различными заместителями (тебуконазол, пропиконазол, ипконазол, диниконазол и т.д.), характеризующиеся протоноакцепторной способностью (d)

,

- циклогексендионсодержащие структуры (клетодим, бутроксидим, мезотрион и т.д.), содержащие общий сопряженный кетоно-енольный фрагмент, придающий структуре действующего вещества пестицида протонодонорную способность (с)

,

- замещенные сульфонилмочевины, содержащие мочевинный фрагмент (хлорсульфурон, никосульфурон, примисульфурон и др.), придающий структуре протонодонорную способность (с),

а группа (b) включает

- третичные алкиламины, содержащие по меньшей мере одну алкильную группу с числом атомов углерода не менее 8, обладающие протоноакцепторной способностью (d);

- оксиэтилированные алкиламины с числом оксиэтилированных групп -О-СН2-СН2- не менее 4, обладающие протоноакцепторной способностью (d);

- линейные алкилсульфоновые кислоты R-SO3H, где R содержит не менее 8 атомов углерода, обладающие протонодонорной способностью (с);

- алкилбензолсульфоновые кислоты R-С 6Н4 SO3H, где R содержит не менее 8 атомов углерода, обладающие протонодонорной способностью (с).

Полученные соединения характеризуются способностью образовывать водные мицеллярные растворы, при этом критическая концентрация мицеллообразования составляет 0,05-0,20 мас.%. Они также характеризуются поверхностным натяжением 0,5% водного раствора на границе с воздухом в интервале значений 28-35 мН/м.

Новые биологически активные соединения способны образовывать в водных растворах смешанные мицеллы и микроэмульсии в присутствии органического растворителя.

Биологически активные соединения характеризуются высокой пестицидной активностью: гербицидной или фунгицидной.

Синтез химических соединений, приводящих к образованию биологически активных структур с поверхностно-активными свойствами, осуществляли путем эффективного контакта д.в. пестицида, обладающего протонодонорными свойствами, с противоположным по свойствам (протоноакцепторные) полупродуктом синтеза поверхностно-активных соединений и наоборот.

В качестве примера можно привести пары:

Сам синтез может быть осуществлен всеми известными способами: химическими и механохимическими.

Например, синтез диметилалкил (С10-С14) аминной соли 2-метокси-3,6-дихлорбензойной кислоты осуществляют в реакторе с перемешивающимустройством при 40°С, поскольку образующееся биологически активное соединение с поверхностно-активными свойствами является жидким.

В то же самое время реакция сульфонилмочевин с диметилалкид (С 10-С14)амином осуществляется механохимическим методом в планетарной мельнице, поскольку продукт реакции - порошок.

Строение синтезированных соединений подтверждено спектрами ЯМР 1Н.

Так, факт образования солеобразной структуры клетодима с диметилалкил (С10 -С14) амином подтверждается смещением в D2 O сигнала протонов группы CH2N(СН3) 2 в область слабого поля (2,62-2,66 м.д.) и появлением сигнала протонов группы (NOCH2) в виде дуплета при 4,08 м.д., что подтверждает протонирование диметилалкил (С 10-С14)амина.

В случае взаимодействия карфентразол-этила с линейной алкилбензолсульфокислотой структура полученного соединения подтверждается появлением сигнала при 9.00 м.д. в виде уширенного синглета, который относится к группе NH+ триазольного кольца.

Аналогичным образом доказаны структуры всех синтезированных соединений.

Размеры дисперсной фазы прозрачных мицеллярных растворов оценивали на спектрометре динамического и статистического рассеяния света «Photocor Complex», предназначенного для определения размера частиц в нанометровом диапазоне.

Изложенное выше иллюстрируется следующими примерами. Так, в табл.2 представлены структуры химических соединений, синтезированных на базе известных д. в. пестицидов и полупродуктов синтеза поверхностно-активных веществ, оценка их поверхностно-активных свойств и характеристика состояния водного раствора.

Проблема технической реализации изобретения требует дополнительного решения, поскольку технические характеристики препаративной формы зависят не только от свойств д.в. пестицидов, но и от других присутствующих в ней компонентов (в частности, органического растворителя), которые ответственны за такие характеристики препаративной формы, как текучесть, вязкость, морозостойкость и т.д.

В этой связи трансформация смешанных мицелл за счет солюбилизации мицеллами нерастворимых в воде компонентов (в частности, растворителя) препаративной формы в микроэмульсии с получением оптически прозрачных рабочих растворов является принципиально важным моментом для технической реализации изобретения [А.И.Русанов. Мицеллообразование в растворах поверхностно-активных веществ, С-Пб: Химия, 1992, с.251-263].

Здесь необходимо отметить, что микроэмульсии нельзя рассматривать как обычные классические эмульсии с каплями очень маленького размера. Различие заключается, прежде всего, в том, что классические микроэмульсии являются термодинамически нестабильными системами с размером капель дисперсной фазы в пределах 1 -10 микрон и более, тогда как микроэмульсии представляют собой прозрачные термодинамические устойчивые системы с размером дисперсной фазы в нанометровом диапазоне [К.Холмберг и др. Поверхностно-активные вещества и полимеры в водных растворах, М., Бином, 2009, с.143].

Факт возможности образования микроэмульсий путем солюбилизации смешанными мицеллами органического растворителя (ароматизированный сольвент) с образованием оптически прозрачных водных растворов установлен нами экспериментально (табл.3).

При этом следует обратить внимание на следующий факт, что если мицеллярные водные растворы образуются как из индивидуальных поверхностно-активных веществ, так и из смеси поверхностно-активных соединений (смешанные мицеллы), то микроэмульсии образуются в основном в смеси поверхностно-активных соединений как результат солюбилизации смешанными мицеллами органического растворителя, обычно используемого при приготовлении пестицидных препаратов в форме концентратов эмульсии (К.Холберг. Поверхностно-активные вещества и полимеры в водных растворах. М.: Бином, 2009). Для этих целей в образцы 1-14 были дополнительно введены поверхностно-активный оксиэтилированный алкилфенол (неонол) и ароматизированный растворитель (сольвент).

Как следует из приведенных данных, солюбилизационная емкость смешанных мицелл по отношению к растворителю достаточно высокая, что является важным при формуляции пестицидных препаратов с необходимыми техническими характеристиками.

Размеры дисперсной фазы прозрачных мицеллярных и микроэмульсионных растворов оценивали на спектрометре динамического и статистического рассеяния света «Photocor Complex», предназначенным для определения размера дисперсной фазы в нанометровом диапазоне.

Биологическая эффективность экспериментальных образцов на основе синтезированных поверхностно-активных структур сравнивалась с промышленными образцами тех же действующих веществ. При этом д.в. пестицидов промышленных образцов присутствовали в рабочей жидкости в общепринятых традиционных физических состояниях (классическая эмульсия типа «масло в воде», суспензия, суспоэмульсия) (табл.4).

В отличие от промышленных образцов, рабочая жидкость которых представляет собой водный раствор молочного цвета, рабочие жидкости экспериментальных образцов представляют собой прозрачные микроэмульсионные растворы.

Биологическая эффективность синтезированных соединений оценивалась в вегетационных опытах на тест-растениях в сравнении с промышленными образцами препаратов. При этом норма расхода действующего вещества (г/га) для сравниваемых образцов оставалась одинаковой. Эффективность воздействия на объект обработки д. в. пестицидов в разных физических состояниях (традиционное состояние, поверхностно-активное состояние) оценивали по скорости действия на тест-растения, в связи с чем продолжительность опыта ограничивалась 3-мя днями. Результаты биологических испытаний представлены в табл.4.

Вследствие особенностей гербицидного действия глифосата (общеистребительный) оценка его биологической эффективности была осуществлена в полевых условиях. Сравнивали препараты, содержащие д.в. глифосата в рабочей жидкости в молекулярноравновесном состоянии (промышленный образец) и в состоянии мицелл и микроэмульсий (образцы согласно изобретению). Эти данные представлены в табл.5.

Как следует из приведенных данных максимальной биологической эффективностью обладает образец, где д.в. глифосата находится в рабочей жидкости в состоянии микроэмульсии. Обнаруженный факт большей эффективности микроэмульсий нашел свое подтверждение и для других синтезируемых структур. В частности, результаты полевых испытаний поверхностно-активной соли клопиралида с разным состоянием д.в. клопиралида в рабочей жидкости в сравнении с промышленным образцом (препарат Лонтрел, ВР, 300 г/л клопиралида) показали, что биологическая эффективность поверхностно-активной соли клопиралида в состоянии микроэмульсии в рабочем растворе в 1,9 раза выше, чем у промышленного образца в молекулярнорастворенном состоянии и в 1,3 раза выше, чем у мицеллярных. Это можно объяснить, учитывая факт более организованных структур микроэмульсий в сравнении с мицеллами.

Как и следовало предполагать, учитывая исключительную роль мицеллярных и микроэмульсионных состояний биологически активных соединений (повышение проницаемости, биодоступности и т.д.) в жизнедеятельности биосистем, биологическая эффективность д.в. пестицидов зависит от физического состояния действующего вещества в рабочей жидкости.

Новые синтезированные структуры поверхностно-активных д. в. пестицидов, обладающие бифункциональными свойствами (поверхностная и биологическая активности) и способные образовывать в водных растворах рабочих жидкостей смешанные мицеллы и микроэмульсий действующих веществ, оказались практически в 1,5-2 раза более эффективными по отношению к вредным организмам (сорные растения и микроорганизмы, вызывающие болезни растений), чем их традиционные аналоги (гербицидная и фунгицидная активность).

Таким образом, следует подчеркнуть, что суть изобретения не только синтез новых поверхностно-активных структур, обладающих биологической активностью, но и обязательное наличие у них таких важных свойств, как способность в водных средах образовывать мицеллярные растворы смешанных мицелл и микроэмульсий, что обеспечивает их высокую гербицидную и фунгицидную активность в борьбе с сорными растениями и болезнями в посевах культурных растений. Последнее является достаточно принципиальным условием, поскольку данные свойства синтезированных бифункциональных структур позволяют эффективно решить проблему технической реализации изобретения.

Отсутствие в описании изобретения других действующих веществ, содержащих один и тот же реакционный центр, но имеющих отличные от приведенных примеров заместители и тем не менее включенных в формулу изобретения обосновывается следующими соображениями.

Согласно общим положениям теоретической органической химии, группа органических соединений, имеющих один и тот же реакционный центр, но разные заместители при взаимодействии с одним из представителей другой группы органических соединений (например, спирты, амины и т.д.), образует продукты реакции, относящиеся к одному классу соединений.

Так, группа аминных соединений, имеющих один и тот же реакционный центр в виде атома азота, способного принимать на себя кислый протон, при взаимодействии с карбоксилсодержащим органическим соединением, будет всегда образовывать один класс соединений - аминные соли, которые могут отличаться только по некоторым физико-химическим характеристикам, связанным с влиянием заместителей при атоме азота органического амина.

Действительно, расчет липофильности различных аминных солей 2,4-дихлорфеноксиуксусной кислоты, оцененный путем расчета коэффициента распределения в системе «октанол-вода» показывает, что структура амина существенно влияет на липофильность 2,4-Д кислоты и поверхностные свойства ее аминных солей.

Расчетные значения log P аминных солей 2,4-Д кислоты

Если рассматривать обратную ситуацию, то те же самые расчеты показывают, что липофильность продукта взаимодействия 2-метокси-4-хлоркрезокси-уксусной кислоты (д. в. гербицида 2М-4Х) с диметилалкил (С8-С12 ) амином (log Р -7,49) оказалась практически идентичной липофильности диметилалкил (С8-С12) аминной соли 2,4-Д кислоты (7,51).

Эти данные однозначно свидетельствуют о том, что и для 2,4-Д кислоты, и для 2М-4Х поверхностные свойства определяются только структурой соответствующего амина.

Незначительное изменение кислотности реакционного центра (2,4-Д кислота рКа - 2,64, 2М4Х рКа - 2,85) практически не влияет на скорость взаимодействия кислот и амина.

Приведенные данные позволяют считать, что не следует ожидать каких-либо изменений поверхностных и биологических свойств диметилалкил (C8 -С12) аминных и оксиэтилированных алкиламинных солей 2М-4Х в сравнении с 2,4-Д кислотой, тем более, что гербицидный спектр действия обоих действующих веществ практически идентичен.

Аналогичный подход при рассмотрении д. в. гербицидов, относящихся к классу циклогексендионов, содержащих кетоно-енольный реакционный центр (рассмотренный пример с «клетодимом», известные д.в. гербицидов этого класса «бутроксидим», «тепралоксидим», «мезатрион») показывает, что кислотность реакционного центра для этой группы соединений незначительно отличается друг от друга (рКа находится в интервале 4,36-4,8), что практически не может сказаться на скорости взаимодействия этих соединений с третичными и оксиэтилированными алкиламинами с получением соответствующих алкиламинных солей.

Как и для диметилалкиламинной соли клетодима бифункциональные свойства других аминных солей представителей этого класса гербицидов так же, как у «клетодима» будут определяться - биологическая активность структурой д.в. пестицида, а поверхностно-активные свойства структурой третичного или оксиэтилированного алкиламина.

Что касается конкретных препаративных форм на базе поверхностно-активных модификаций д. в. пестицидов, то их выбор будет определяться их физико-химическими характеристиками, которые приведены в табл.5.

Как следует из данных табл.5, образцы 1-5 пригодны к формуляции препаратов в форме концентратов эмульсий, тогда как образец 6 предпочтительно формулировать как водорастворимый порошок.

Данное изобретение не исчерпывается приведенными соединениями и может быть воплощено в других биологически активных соединениях, основываясь на установленной нами способности к модификации действующих веществ пестицидов с приобретением ими поверхностно-активных свойств.

Формула изобретения

1. Химическое соединение, обладающее поверхностно-активными свойствами и гербицидной или фунгицидной активностью, как продукт взаимодействия обладающих биологической активностью соединений, выбранных из группы (а), и соединений, выбранных из группы (b), причем взаимодействуют между собой соединения групп (а) и (b), которые характеризуются противоположными - протонодонорной (с) и протоноакцепторной (d) способностями, при этом группа (а) включает арилоксикарбоновые кислоты, ароматические карбоновые кислоты с различными заместителями - галоген; NH2, OCH 3, пиридинкарбоновые кислоты с различными заместителями - галоген NH2, фосфоновые кислоты, содержащие функционально-активную карбоксильную группу (-СООН)(с), - азолсодержащие структуры с различными заместителями, содержащие триазольный реакционный центр (d) - циклогексендионсодержащие структуры, содержащие общий сопряженный кетоно-енольный фрагмент (с) - замещенные сульфонилмочевины, содержащие мочевинный фрагмент а группа (b) включает- третичные алкиламины, содержащие по меньшей мере одну алкильную группу с числом атомов углерода не менее 8 (d);- оксиэтилированные алкиламины с числом оксиэтилированных групп -О-СН2-СН2 - не менее 4 (d);- линейные алкилсульфоновые кислоты R-SO3H, где R содержит не менее 8 атомов углерода (с);- алкилбензолсульфоновые кислоты R-С6 Н4SO3H, где R содержит не менее 8 атомов углерода (с);при этом оно характеризуется способностью образовывать водные мицеллярные растворы, а критическая концентрация мицеллообразования составляет 0,05-020 мас.%.

2. Химическое соединение по п.1, отличающееся тем, что оно характеризуется поверхностным натяжением 0,5%-ного водного раствора на границе с воздухом в интервале значений 28-35 мН/м.

3. Химическое соединение по п.1, отличающееся тем, что оно характеризуются способностью образовывать микроэмульсии в присутствии органического растворителя.

4. Химическое соединение по п.1, отличающееся тем, что они применимо в качестве действующих веществ при формуляции препаративных форм пестицидных препаратов.