Меламиновая соль бис(оксиметил)фосфиновой кислоты(мелафен) в качестве регулятора роста и развития растений и способ ее получения

 

Описывается новое соединение - меламиновая соль бис(оксиметил) фосфиновой кислоты формулы I в качестве регулятора роста и развития растений. Оно оказывает широкий спектр действия на растительный организм, регулируя энергетические процессы в течение всего онтогенеза растений. Описывается также способ ее получения. 2 с.п.ф-лы, 14 ил., 9 табл.

Изобретение относится к химии гетероциклических и фосфорорганических соединений, а именно к меламиновой соли бис(оксиметил)фосфиновой кислоты формулы I (в дальнейшем обозначаемой "Мелафен") и способу ее получения Указанное соединение является регулятором роста и развития растений и может найти применение в сельском хозяйстве и растениеводстве.

Предлагаемое соединение, его свойства и способ получения в литературе не описаны.

Из соединений, близких по структуре к заявляемому, известны соли меламина с ортофосфорной кислотой (США, патент N 4080501, опубл. 21.03.78, РЖХим 20Н243П (1978)) [1] , (ГДР, патент 217516, опубл. 16.01.85, РЖХим 18Н196П (1985)) [2] , используемые в качестве добавок, придающих негорючесть органическим материалам (бумага, дерево, пластмассы и лакокрасочные материалы).

В качестве антипиренов известны также димеламинопирофосфат (Заявка 19506330. ФРГ, Заявка от 23.02, РЖХим 1Н106 (1998)) [3], получаемый из меламина и дигидрофосфата аммония, и тримеламинтрифосфат (Заявка 3342288, ФРГ. Заявлено 23.11.83 РЖХим 5Н170П (1986)) [4], получаемый из пентанатрийтриполифосфата Na₅P₃O₄ и меламина в присутствии соляной кислоты. В качестве средств для придания огнестойкости полимерным материалам предложены соли диалкилфосфористой кислоты с меламином (Заявка 2620119, Франция. Заявлено 31.03, РЖХим 4Н141П (1990)) [5].

Показано, однако, что при нагревании до 110^oC диалкилфосфористые кислоты (5-7-кратный избыток) с меламином в присутствии алкоголятов натрия образуют продукты алкилирования (В.В.Орловский, Б.А.Вовси, ЖОХ, Т.39, вып.4, 926-927 (1969)) [6] В [7] изучено строение солей меламина с диалкилдитио- и диалкилфосфорной кислотами, получаемых при кипячении последних с меламином в безводном ацетоне (Зимин М.Г., Фомахин Е.В., Железнова Л.В., Исламов Р.Г., Пудовик А.Н. Сб., Химия и техн. элементорганических соединений и полимеров, Казань, 1987, 4-12) [7].

Известны соли меламина с органическими, в частности диалкилфосфорными, кислотами (Пат. 5604080, США. Заявлено 27.02.95, Приор. 13.1.95, N 7-019903, Япония, РЖХим 5Н87П (1998)) [8], которые входят в состав фотосшиваемых и термоотверждающихся покрытий.

Соединения, близкие по структуре к предлагаемому и обладающие тем же видом активности, неизвестны. Все вышеописанные соли фосфорной и диалкилфосфористой кислот с меламином изучались только как антипирены [1-5, 8] или их полезные свойства вообще не изучались[6, 7]. Из соединений, обладающих близким видом активности, можно отметить использование технического меламина - структурного фрагмента заявляемого соединения - в качестве стимулятора роста растений (Allan G. G. , Kaszkiewicz В., Przem. Chem., 1986, 65, N 4, 196-196 (польск), РЖХим 7O501 (1987)) [9], где показано, что меламин может быть питательным компонентом для огурцов. Известно использование фосфористой кислоты и ее солей для предпосевной обработки семян для профилактики поражения растений патогенными грибами, применяемые дозы которых составляют 1-500 гр на 100 кг семян (Заявка 2706736, Франция. Заявлено 26.6.93, РЖХим 7O265П (1996)) [10] , (Заявка 2708415, Франция. Заявлено 16.6.94, РЖХим 24O346П (1996)) [11].

Соль, полученная алкилированием метил-N-бис(2-оксиэтил)амина триметилфосфатом -"Этамон" (Мельников Н.Н., Новожилов К.В., Белан С.Р. Пестициды и регуляторы роста растений. Спр. изд., М. Химия, 1995) [12], стр 199 предложена для предпосевной обработки семян в дозах 50 г/тонна для увеличения урожая корнеплодов.

В качестве регуляторов роста растений предложены 2-хлорэтилфосфоновая кислота ClCH₂CH₂P(O)(OH)₂ - "Этефон" [12, стр. 200] и ее бисгидразиниевая соль "Гидрелл" [12, стр. 55]. Механизм действия 2-хлорэтилфосфоновой кислоты и многочисленных ее производных заключается в выделении этилена при метаболизме этих соединений в растениях (Туманова Е.В. , Чмырь И. М., Джилкибаева Г.М. Изв. АН Казахской ССР, Сер. Хим., 2 (242), 88-92 (1987)) [13].

В качестве регуляторов роста растений предложены производные фосфоновой и фосфиновой кислот, содержащие в алкильном радикале аминокислотные остатки: глифосат [12, стр. 56], [13, стр. 90],

глуфосинат-аммоний [12, стр. 58], применяемые в качестве гербицидов и для десикации картофельной ботвы, подсолнечника и других культур

Производное фосфиновой кислоты с аминокислотными фрагментами в одном из алкильных радикалов - "Джасол" [12, стр.43],

получающийся при ферментации из Streptomyces hydroscopicus, рекомендован для обработки семян кукурузы в дозах 0.1 мг/тонна.

Наиболее близкими по структуре и способу получения заявляемому соединению являются меламиновые соли диалкилфосфорных кислот [7]. Однако для них совершенно неизвестны полезные свойства.

Целью изобретения является расширение арсенала способов получения меламиновой соли бис(оксиметил)фосфиновой кислоты, обладающей способностью регулировать рост и развитие растений при предпосевной обработке семян в концентрациях на несколько порядков ниже, чем применяемые в настоящее время препараты [12], сравнимых по эффекту и дозам с природными фитогормонами.

Поставленная цель достигается предлагаемым изобретением, а именно меламиновой солью бис(оксиметил)фосфиновой кислоты и способом ее получения. Сущность предлагаемого способа получения меламиновой соли бис(оксиметил)фосфиновой кислоты заключается во взаимодействии меламина с бис(оксиметил)фосфиновой кислотой в водной и водно-спиртовых средах при нагревании до 50-100^oС. Эти условия обеспечивают растворение продукта реакции и позволяют отделить нерастворимые примеси последующим фильтрованием. Искомый продукт выделяется при охлаждении фильтрата и отделяется фильтрованием. Выходы продукта 61-89,5%.

Для лучшего понимания изобретения приводятся конкретные примеры получения предлагаемого соединения и результаты исследования его в качестве регулятора роста и развития растений.

ПРИМЕР 1. К суспензии 7.43 гp (0.059 моля) меламина в 100 мл кипящего метанола прикапывают при энергичном перемешивании 7.80 гр (0.0619 моля, 5% избыток по отношению к меламину) бис(оксиметил)фосфиновой кислоты в 50 мл воды. Реакционную смесь кипятят 1 час и отфильтровывают в горячем виде. После охлаждения фильтрата выпавший осадок отфильтровывают и перекристаллизовывают из смеси 140 мл метанола и 60 мл воды. Отфильтровывают выпавший продукт и высушивают в вакууме при 40-50^oС. Получают 10,50 гр (61.80%) продукта. Т_пл 215-216^oС.

Найдено, %: C 23,69; H 6,96; N 32,17; P 11,14.

Вычислено C₅H₁₃N₆P₁O₄ · 0,5H₂O - C 22,99; H 5,40; N 32,18; P 11,86.

Продукт содержит 92.3% основного вещества по данным ЯМР ³¹P с хим. сдвигом δ 35,29 м.д. (стандарт H₃PO₄) и 7.73% примеси с хим. сдвигом δ 33,27 м.д.

ПРИМЕР 2. К суспензии 1.9 гр меламина в 35 мл метанола при перемешивании прикапывают 2.10 гр (10% избыток) бис(оксиметил)фосфиновой кислоты в 20 мл воды. Температура реакционной смеси при этом повышается с 20 до 25^oС и выпадает объемный осадок. При нагревании реакционной смеси до 65^oС выпавший осадок растворяется. Раствор отфильтровывают в горячем виде. Через 3 часа выпавший осадок отфильтровывают, промывают на фильтре метанолом и сушат в вакууме при 40^oС. Получают 3.4 гр (89.47%) продукта с Т_пл. 214-215^oС. По данным ЯМР ³¹P содержание основного продукта составляет 86.9%.

ПРИМЕР 3. К суспензии 5.52 гр меламина в смеси 25 мл воды и 6 мл изопропанола прикапывают 6.0 гр (10% избыток) бис(оксиметил)фосфиновой кислоты в 25 мл воды при перемешивании. Температура реакционной смеси при этом повышается с 26 до 34^oС. Загустевшая реакционная масса при нагревании до 70-75^oС растворяется. Реакционную смесь нагревают 0.5 часа при 90-93^oС и отфильтровывают в горячем виде. Фильтрат охлаждают. Выпавший продукт отфильтровывают, промывают на фильтре изопропанолом и сушат в вакууме при 50-60^oС. Выход продукта 9.40 гр (74.54%). Т_пл. 215-216^oС. По данным потенциометрического титрования содержание основного продукта 98.4%.

ПРИМЕР 4. К суспензии 5.52 гр меламина в 35 мл воды при 70-75^oС при перемешивании прикапывают 6.0 гр бис(оксиметил)фосфиновой кислоты в 25 мл воды. Реакционную смесь перемешивают при этой температуре еще 0.5 часа и фильтруют в горячем виде. Выпавший при охлаждении фильтрата осадок отфильтровывают, промывают метанолом и сушат в вакууме. Выход продукта 7.80 гр (61.85%). Т_пл. 215-216^oС.

Растворимость препарата (Мелафена) в воде около 2 гр на 100 гр воды, и водные растворы стабильны при хранении годами.

Ниже приводятся данные исследований влияния Мелафена (препарата) на рост, развитие, интенсивность энергетических процессов, биосинтез пигментов и другие показатели одноклеточной водоросли хлорелла. Изучена энергия прорастания, всхожесть семян ряда зерновых, кормовых и овощных культур, морфометрические и некоторые другие физиологические процессы яровой пшеницы и озимой ржи, а также урожайность и питательная ценность яровой пшеницы и озимой ржи, семена которых были обработаны препаратом. Приводятся также некоторые показатели влияния мелафена на урожайность картофеля, выращенного обычным и меристемным методами.

В качестве тест-объекта для изучения рострегулирующих свойств мелафена была использована одноклеточная водоросль хлорелла. Широкое использование этого объекта для тестирования физиологической активности новых соединений объясняется тем, что детально изучены структурно-функциональные, генетические особенности клеток хлореллы и их чувствительность к химическим и физическим воздействиям.

У водоросли хлорелла одна клетка выполняет все жизненные функции и цикл развития исчисляется часами.

В первую очередь была выявлена концентрационная зависимость роста клеток хлореллы при действии препарата. Испытывали действие мелафена в широком диапазоне концентраций
Результаты, представленные на фиг.1 показывают, что наибольшее действие на рост культуры оказывает мелафен в концентрации 1·10^-7-1·10^-8%.

Рострегулирующая активность препарата настолько высока, что она была сравнима с влиянием аденозинтрифосфата (АТФ) (в равных концентрациях) на этот процесс (фиг.2).

Поскольку рост является энергозависимым процессом, препарат должен оказывать влияние и на энергозапасающие реакции растений.

На фиг. 3 представлены данные о скорости фотосинтеза клетками хлореллы, измеренной по выделению кислорода полярографическим методом.

Действительно, интенсивность фотосинтеза хлореллы в опытном варианте была выше контрольных значений. При сравнении влияния АТФ и препарата в тех же концентрациях на скорость фотосинтеза можно видеть практически одинаковый эффект. Используя специфические ингибиторы (диурон, антимицин А) для нециклического и циклического фотофосфорилирования, было выявлено, что препарат оказывает большее действие на циклическое фотофосфорилирование. Циклическое фотофосфорилирование является более резистентным при действии неблагоприятных условий среды.

Одной из причин стимулирующего действия препарата на интенсивность фотосинтеза возможно является влияние его на биосинтез пигментов фотосинтетического аппарата.

В таблице 1 приведены данные о содержании хлорофиллов в клетках хлореллы под влиянием препарата.

Количество хлорофилла в клетках в опытных вариантах выше на 15-17% по сравнению с контролем. Наблюдается тенденция стимулирования скорости дыхания под влиянием препарата. Из фиг. 4 видно, что на протяжении эксперимента интенсивность дыхания в опытном варианте (мелафен в концентрации 1·10^-8%) была на 10-12% выше контрольной.

Интегральным показателем физиологического состояния растительной клетки является скорость тепловыделения, поскольку этот показатель отражает конечные результаты взаимодействия всех функциональных систем растительного организма.

Результаты измерения теплопродукции клетками хлореллы, определяемые микрокалориметрическим методом, представлены на фиг. 5. Анализ термограмм показал, что скорости теплопродукции в опытном варианте несколько выше контрольных величин, что связано с активацией энергетических и метаболических процессов под влиянием препарата.

Полученные экспериментальные данные по культуре хлорелла позволили сделать заключение, что препарат имеет широкий спектр действия и обладает высокой физиологической активностью, сравнимой с природными регуляторами роста, с действием АТФ в низких концентрациях. Препарат играет не субстратную роль, а подобно фитогормонам действует в ничтожно малых количествах, необходимых для запуска и регуляции физиологогенетических программ.

Далее представлены экспериментальные данные о влиянии мелафена на некоторые процессы жизнедеятельности ряда сельскохозяйственных культур.

Проведены широкие исследования о влиянии препарата на энергию прорастания и всхожесть семян некоторых зерновых, кормовых и овощных культур (таблицы 2-4).

Морфометрические показатели яровой пшеницы изменялись незначительно под действием препарата, используемого в очень низких концентрациях. Намечается тенденция повышения веса надземной части проростков пшеницы, семена которой были обработаны препаратом (фиг. 6). На фиг. 7 представлены данные веса корней проростков пшеницы. Положительным моментом является то, что вес корней опытных вариантов достоверно выше веса корней контрольного варианта.

Препарат оказал стимулирующее действие на процесс запасания энергии (фиг. 8). Скорость фотосинтеза была выше до 30% по сравнению с контролем, что безусловно оказывает положительное действие на метаболический обмен растений. Важен и тот факт, что препарат оказал влияние на биосинтез пигментов на всех стадиях развития яровой пшеницы.

Изменения содержания основных пигментов у листьев яровой пшеницы под действием препарата представлены на фиг. 9-11. Количество хлорофилла "а" было значительно выше в опытном варианте, где семена растений обрабатывались растворами мелафена в концентрации 10^-8%. Также наблюдалось повышение количества хлорофилла "в". Необходимо подчеркнуть, что биосинтез хлорофилла "в" происходил активно и на стадии колошения пшеницы, в то время как в контроле наблюдалось его снижение.

Количество каротиноидов в вариантах, где обрабатывались семена мелафеном в концентрации 1·10^-8%, было выше, чем в контроле на стадии колошения, когда в контроле наступает резкое падение содержания этих пигментов.

Поскольку как хлорофилл "в", так и каротиноиды играют защитную роль в растениях, то можно предположить, что мелафен может повышать резистентность к действию неблагоприятных условий среды.

Сравнительные данные интенсивности дыхания и величины энергетических потерь (фиг. 12) показывают, что препарат регулирует энергетический обмен растений яровой пшеницы, создавая благоприятный энергетический баланс, увеличивая скорость процесса дыхания и уменьшая энергетические потери.

В конечном итоге, положительное действие мелафена на рост и развитие яровой пшеницы на энергетический и метаболический обмен привело к увеличению продуктивности и повышению качества зерна, что видно из данных, полученных в НПО "Нива Татарстана", где проводились полевые опыты (таблицы 5, 6).

Были проведены опыты с культурой озимой ржи, семена которой замачивались в растворах мелафена в диапазоне концентраций с 1·10^-6% по 1·10^-10%.

Осенью, в фазе кущения наблюдалось увеличение содержания сахаров у опытных растений, что имеет большое значение для перезимовки озимой ржи. Анализ показал, что содержание сахара в растениях, семена которых обработаны мелафеном в концентрации 1·10^-8%, доходила до 25.33% против 21.47% в контроле. Результаты показали, что мелафен оказал влияние на количественное содержание основных пигментов (табл. 7).

Как и у яровой пшеницы, препарат оптимизировал энергетический баланс растений ржи - интенсивность дыхания была близкой к контрольным значениям, а энергетические потери (в виде тепла) были на 20-40% ниже контроля (фиг. 13).

Было выявлено положительное влияние па урожайность некоторых овощных культур. Данные представлены на фиг. 14.

Предпосевная обработка клубней картофеля раствором мелафена в концентрации 1·10^-8% привела к увеличению урожайности на 33 ц (8.44%) с гектара.

Препарат был использован в технологии ускоренного размножения меристемного картофеля. О положительном эффекте препарата можно судить по данным таблиц 8, 9.

На верхушечных стеблевых черенках сорта "Белоярский ранний" при обработке мелафеном 1·10^-7% и 1·10^-8% наблюдалось увеличение образования клубеньков на 15% по сравнению с контролем. Мелафен оказал эффект на процесс клубнеобразования, соизмеримый с действием, оказываемым фитогормонами.

Предварительные исследования по силосованию зеленой массы кукурузы, семена которой были обработаны мелафеном, показали, что содержание сырого протеина в силосе повышается в опытном варианте на 11%, а сахаров - на 14.6%, фосфора - на 14.3% по сравнению с контролем. Наблюдается также улучшение соотношения органических кислот: увеличивается содержание молочной кислоты на 15.4% и снижается содержание уксусной и пропионовой кислот на 16.7 и 7.1% соответственно.

Полученные на разнообразных культурах экспериментальные данные позволяют заключить следующее.

1. Мелафен, как и фитогормоны, обладает полифункциональностью действия. Направленность физиолого- биохимических изменений в растениях под влиянием препарата подобна действию цитокининов на энергетический и метаболический обмен растений. Мелафен, как и цитокинины, участвует в регуляции физиологических процессов в течение всего онтогенеза, в регуляции обмена веществ закончивших рост органов, повышает содержание пигментов, увеличивает интенсивность фотосинтеза, повышает скорость фотофосфорилирования (особенно циклического фотофосфорилирования), улучшает энергетический обмен растения.

2. Мелафен оказывает влияние на энергию прорастания и всхожесть семян, на повышение урожайности и качество продукции.

Преимущество мелафена по сравнению с применяемыми препаратами:
1. Мелафен действует в концентрациях на несколько порядков ниже, чем применяемые в настоящее время в мире регуляторы роста.

2. Препарат обладает высокой эффективностью, повышая в конечном итоге урожайность, качество и питательную ценность сельскохозяйственной продукции.

3. Следствием чрезвычайно малых концентраций, применяемых при обработке семян, является получение экологически чистой сельскохозяйственной продукции.

4. Синтез Мелафена проводится в одну стадию, и препарат отличается дешевизной по сравнению с препаратами подобного назначения.

Формула изобретения

1. Метаминовая соль бис(оксиметил)фосфиновой кислоты формулы I в качестве регулятора роста и развития растений

2. Способ получения меламиновой соли бис(оксиметил)фосфиновой кислоты, отличающийся тем, что меламин подвергают взаимодействию с бис(оксиметил)фосфиновой кислотой в водной или водно-спиртовой среде при нагревании до 50 - 100^oС, обеспечивающей растворение образующегося продукта реакции, с последующим фильтрованием.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17, Рисунок 18, Рисунок 19, Рисунок 20, Рисунок 21, Рисунок 22, Рисунок 23

PC4A - Регистрация договора об уступке патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение

Прежний патентообладатель:
Учреждение Российской академии наук Институт органической и физической химии им. А.Е. Арбузова Казанского научного центра РАН,
Учреждение Российской академии наук Казанский институт биохимии и биофизики Казанского научного центра РАН

(73) Патентообладатель:
Учреждение Российской академии наук Институт органической и физической химии им. А.Е. Арбузова Казанского научного центра РАН

Договор № РД0065790 зарегистрирован 15.06.2010

Извещение опубликовано: 27.07.2010        БИ: 21/2010

---