Способ получения водорастворимых соединений фуллеренов и стимуляторы роста на их основе

Изобретение относится к сельскому хозяйству. Для получения водорастворимых соединений фуллеренов проводят реакцию взаимодействия фуллеренов и органических соединений с последующим гидролизом, где в качестве исходных реагентов берут любые смеси фуллеренов любого молекулярного состава, с содержанием фуллерена С₅₀ и выше, не менее 10%, а в качестве органических соединений используется одно или комбинация следующих веществ: индолилмасляная кислота, нафтилуксусная кислота, нафтилацетамид. Агрохимические препараты получают путем смешения соединений фуллеренов и комбинации следующих веществ: камедь - гуаровая или рожкового дерева, биоцид, полисахарид - натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы или альгиновая кислота, пропиленгликоль, поверхностно-активное вещество - диоктилсульфосукцинат натрия или цитрат алкилполиглюкозида, вода. 2 н.п. ф-лы. 6 табл.

 

Изобретение относится к органической химии и может быть использовано для создания водорастворимых агрохимических препаратов для стимуляции роста корневой системы, вегетативного развития и плодоношения растений.

Основной проблемой использования фуллеренов для получения водорастворимых препаративных форм агрохимических препаратов является их практически полная нерастворимость в воде, что неприемлемо для создания композиций, относящихся к сельскому хозяйству. Например, истинная растворимость фуллерена С60 в воде при 25°С составляет 1.3⋅10^-11 г/л, а фуллерена С70 в тех же условиях - 1.1⋅10^-13 г/л [Растворимость легких фуллеренов в органических растворителях: диссертация… кандидата химических наук: 02.00.04 / Семенов Константин Николаевич; [Место защиты: С.-Петерб. гос. ун-т] Количество страниц: 174 с. ил. 61 10-2/337]

Существует два основных метода перевода фуллеренов в водорастворимую форму:

1) нековалентное взаимодействие с водорастворимыми носителями, например поливиниллпирролидоном [Yamakoshi Y., Umezawa N., Ryu A., et al. Active oxygen species generated from photoexcited fullerene (C60) as potential medicines: O2-⋅ versus 1O2 //Journal of the American Chemical Society. - 2003. - T. 125. - №. 42. - C. 12803-12809.], циклодекстринами [Ikeda A., Iizuka Т., Maekubo N., et al. Cyclodextrin complexed [60] fullerene derivatives with high levels of photodynamic activity by long wavelength excitation // ACS medicinal chemistry letters. - 2013. - T. 4. - №. 8. - C. 752-756.], белками или липосомами [Ikeda A., Doi Y., Nishiguchi K., et al. Induction of cell death by photodynamic therapy with water-soluble lipid-membrane-incorporated [60] fullerene // Organic & biomolecular chemistry. - 2007. - T. 5. - №. 8. - C. 1158-1160. 106. Komatsu Т., Nakagawa A., Qu X. Structural and mutagenic approach to create human serum albumin-based oxygen carrier and photosensitizer // Drug metabolism and pharmacokinetics. - 2009. - T. 24. - №. 4. - C. 287-299.];

2) химическая модификация с помощью присоединения полярных групп, например гидроксильных [ V., Stankov K., I., et al. Fullerenol C60 (OH) 24 effects on antioxidative enzymes activity in irradiated human erythroleukemia cell line //Journal of radiation research. - 2008. - T. 49. - №. 3. - C. 321-327.], карбоксильных [Irie K., Nakamura Y., Ohigashi H., et al. Photocytotoxicity of water-soluble fullerene derivatives // Bioscience, biotechnology, and biochemistry. - 1996. - T. 60. - №. 8. - C. 1359-1361.] или аминогрупп [Корнев А.Б., Трошин П.А., Трошина О.А. Биологически активные производные фуллеренов, методы их получения и применение в медицине // Органические и гибридные наноматериалы: тенденции и перспективы / ed. Клюев М.В., Разумов В.Ф. Иваново: Иван. гос.ун-т., 2013. Р. 392-502].

Целью предлагаемого изобретения является получение препаративных форм агрохимических препаратов, содержащих действующие вещества на основе производных фуллерена и органических соединений, где в качестве фуллеренов могут быть использованы любые смеси фуллеренов, а в качестве органических соединений комбинация веществ, включающая в свою структуру амидные, эфирные и ацетильные группы, например, индолилмасляная кислота, нафтилуксусная кислота, нафтилацетамид.

Один из способов решения этой задачи - синтез водорастворимых соединений фуллеренов путем реализации механизма реакции Прато [М. Maggini, G. Scorrano and М. Prato (1993). «Addition of azomethine ylides to C60: synthesis, characterization, and functionalization of fullerene pyrrolidines». J. Am. Chem. Soc. 115 (21): 9798-9799], суть которой состоит в 1,3-диполярном присоединении к фуллеренам, растворенным в толуоле комбинации веществ, содержащих амидные, эфирные и ацетильные группы.

Известны патенты [RU 2596031, RU 2581658] согласно которым возможно получение водорастворимых соединений фуллеренов с ауксинами и фосфонометилглицином, путем реализации механизма реакции Прато. Однако общим недостатком описываемых процессов является сложность их осуществления в промышленных условиях из-за нескольких стадий процесса и длительности его осуществления.

Технический результат настоящего изобретения состоит в получении стимуляторов роста растений, путем синтеза водорастворимых соединений фуллеренов с различными органическими соединениями и последующим получением препаративных форм путем растворения комбинации полученных продуктов синтеза в воде.

Техническая задача изобретения решается путем реализации двух последовательных стадий:

Стадия 1 - синтеза в среде разно полярных растворителей. Стадия включает подготовку Компонента А, представляющего собой насыщенный раствор смеси фуллеренов любого молекулярного состава, с содержанием фуллерена С₅₀ и выше, не менее 10% в метилбензоле и Компонента Б, представляющего собой раствор в диметилкетоне комбинации или отдельно взятых органических веществ, включающих в свою структуру амидные, эфирные и ацетильные группы, а именно: индолилмасляная кислота, нафтилуксусная кислота, нафтилацетамид. Изготовление компонентов А и Б производится путем растворения указанных веществ в соответствующих растворителях при температуре 25±5°С. Полученная смесь компонентов А и Б подогревается до температуры кипения, после чего в систему вносят концентрированную серную кислоту с содержанием H₂SO₄ не менее 90%, а после окончания выделения реакционных газов проводят гидролиз в воде при температуре не ниже температуры окончания реакции, которая соответствует изменению окраски системы и полному прекращению выделения реакционных газов, и отделяют гидратированную фракцию -продукт синтеза.

Стадия 2 - смешение продукта синтеза с водой и функциональной добавкой, выполняющей при создании препаративных форм агрохимических препаратов роль смачивателя, в качестве которой используется смесь, состоящая из стабилизатора на основе:

• раствора камеди (например, гуаровая камедь или камедь рожкового дерева) и биоцида;

• загустителя на основе полисахаридов (например, натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы или альгиновая кислота) и пропиленгликоля;

• диспергатора-смачивателя на основе анионного поверхностно-активного вещества (например, диоктилсульфосукцинат натрия или цитрат алкилполиглюкозида).

Технические решения стадии 1 можно проиллюстрировать примерами, для реализации которых использовали следующее соотношение компонентов:

Пример 1.1. Подготавливают компонент А, для чего растворяют 0,6 г смеси фуллеренов (в примере использовали смесь следующего молекулярного состава С_50-58 (14,69%), С₆₀ (63,12%), С_62-92 (остальное) в 700 г метилбензола при постоянном помешивании при температуре 25±5°С. Подготавливают компонент В, для чего растворяют 3 г альфа-нафтилуксусной кислоты в 700 г диметилкетона при постоянном помешивании при температуре 25±5°С. Компоненты А и В перемешивают, нагревают до температуры 58-60°С и при продолжающемся нагреве и постоянном помешивании по каплям вводят серную кислоту концентрацией 98%, плотностью 1,84 г/мл массой 100 г. Нагрев продолжают до изменения окраски системы и полного прекращения выделения реакционных газов. После завершения нагрева выделяют продукт синтеза, который является аддуктом альфа-нафтилуксусной кислоты с фуллеренами С₅₀-С₉₂, путем добавления в образовавшуюся реакционную смесь 3000 г дистиллированной воды, нагретой до температуры 75°С. Полученную смесь охлаждают и сливают водный раствор образовавшейся смеси продуктов синтеза.

Пример 1.2. Подготавливают компонент А, для чего растворяют 0,6 г смеси фуллеренов (в примере использовали смесь следующего молекулярного состава С50-58 (14,69%), С₆₀ (63,12%), С62-92 (остальное) в 700 г метилбензола при постоянном помешивании при температуре 25±5°С. Подготавливают компонент В, для чего растворяют 5 г альфа-нафтилуксусной кислоты в 700 г диметилкетона при постоянном помешивании при температуре 25±5°С. Компоненты А и В перемешивают, подогревают до температуры 40±2°. Смесь нагревают до температуры 58-60°С и при продолжающемся нагреве и постоянном помешивании по каплям вводят серную кислоту концентрацией 96%, плотностью 1,83 г/мл массой 100 г. до изменения окраски системы и полного прекращения выделения реакционных газов. Далее выделяют продукт синтеза, который является аддуктом альфа-нафтилуксусной кислоты с фуллеренами С50-С92, путем добавления в образовавшуюся реакционную смесь 3000 г дистиллированной воды, нагретой до температуры кипения. Полученную смесь охлаждают, помещают в делительную воронку и сливают водный раствор образовавшейся смеси продуктов синтеза.

Пример 1.3. Подготавливают компонент А, для чего растворяют 0,6 г смеси фуллеренов (в примере использовали смесь следующего молекулярного состава С_50-58 (14,69%), С₆₀ (63,12%), С_62-92 (остальное) в 700 г метилбензола при постоянном помешивании при температуре 25±5°С. Подготавливают компонент В, для чего растворяют 3 г 1-нафтилацетамида в 700 г диметилкетона при постоянном помешивании при температуре 25±5°С. Компоненты А и В перемешивают, подогревают до температуры 40±2°. Смесь нагревают до температуры 58-60°С и при продолжающемся нагреве и постоянном помешивании по каплям вводят серную кислоту концентрацией 96%, плотностью 1,83 г/мл объемом 100 мл до изменения окраски системы и полного прекращения выделения реакционных газов. Далее выделяют продукт синтеза, который является аддуктом 1-нафтилацетамида с фуллеренами С₅₀-С₉₂, путем добавления в образовавшуюся реакционную смесь 3000 г дистиллированной воды, нагретой до температуры 90°С. Полученную смесь охлаждают, помещают в делительную воронку и сливают водный раствор образовавшейся смеси продуктов синтеза.

Пример 1.4. Подготавливают компонент А, для чего растворяют 0,6 г смеси фуллеренов (в примере использовали смесь следующего молекулярного состава С₅₀-С₅₈ (11,2%), С₆₀ (64%), С_62-92 (остальное) в 700 г метилбензола при постоянном помешивании при температуре 25±5°С. Подготавливают компонент В, для чего растворяют 5 г 1-нафтилацетамида в 700 г диметилкетона при постоянном помешивании при температуре 25±5°С. Компоненты А и В перемешивают, подогревают до температуры 58-60°С и при продолжающемся нагреве и постоянном помешивании по каплям вводят серную кислоту концентрацией 90%, плотностью 1,82 г/мл массой 100 г до изменения окраски системы и полного прекращения выделения реакционных газов. Далее выделяют продукт синтеза, который является аддуктом 1-нафтилацетамида с фуллеренами С₅₀-С₉₂, путем добавления в образовавшуюся реакционную смесь 3000 г дистиллированной воды, нагретой до температуры 90°С. Полученную смесь охлаждают, помещают в делительную воронку и сливают водный раствор образовавшейся смеси продуктов синтеза.

Пример 1.5. Подготавливают компонент А, для чего растворяют 0,6 г смеси фуллеренов (в примере использовали смесь следующего молекулярного состава С₅₀-С₅₈ (11,2%), С₆₀ (64%), С_62-92 (остальное) в 700 г метилбензола при постоянном помешивании при температуре 25±5°С. Подготавливают компонент В, для чего растворяют 1,9 г индолилмасляной кислоты, 0,9 г альфа-нафтилуксусной кислоты и 2,2 г 1-нафтилацетамида в 700 г диметилкетона при постоянном помешивании при температуре 25±5°С. Компоненты А и В перемешивают, подогревают до температуры 58-60°С и при продолжающемся нагреве и постоянном помешивании по каплям вводят серную кислоту концентрацией 98%, плотностью 1,84 г/мл массой 100 г до изменения окраски системы и полного прекращения выделения реакционных газов. Далее выделяют продукт синтеза, который представляет собой аддукт - ауксин-фуллереновый комплекс сложного состава, путем добавления в образовавшуюся реакционную смесь 3000 г дистиллированной воды, нагретой до температуры кипения. Полученную смесь охлаждают, помещают в делительную воронку и сливают водный раствор образовавшейся смеси продуктов синтеза.

Пример 1.6. Подготавливают компонент А, для чего растворяют 0,6 г смеси фуллеренов (в примере использовали смесь следующего молекулярного состава С₅₀-С₅₈ (11,2%), С₆₀ (64%), С_62-92 (остальное) в 700 г метилбензола при постоянном помешивании при температуре 25±5°С. Подготавливают компонент В, для чего растворяют 5 г индолилмасляной кислоты в 700 г диметилкетона при постоянном помешивании при температуре 25±5°С. Компоненты А и В перемешивают, подогревают до температуры 58-60°С и при продолжающемся нагреве и постоянном помешивании по каплям вводят серную кислоту концентрацией 98%, плотностью 1,84 г/мл массой 100 г. до изменения окраски системы и полного прекращения выделения реакционных газов. Далее выделяют продукт синтеза, который является аддуктом индолилмасляной кислоты с фуллеренами С₅₀-С₉₂, путем добавления в образовавшуюся реакционную смесь 3000 г дистиллированной воды, нагретой до температуры 75°С. Полученную смесь охлаждают, помещают в делительную воронку и сливают водный раствор образовавшейся смеси продуктов синтеза.

Технические решения стадии 2 можно проиллюстрировать примерами, для реализации которых использовали следующее соотношение компонентов:

Пример 2.1. Для получения агрохимического препарата, обладающего свойствами стимулятора роста корней готовят раствор загустителя, для чего к 15 г пропиленгликоля добавляют 1,5 г натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы при интенсивном перемешивании. Продукты синтеза по примеру 1.1, 1.3, 1.6 смешивают в массовом соотношении 1:2:1. К 150 г полученной смеси продуктов синтеза добавляют 850 г воды, затем последовательно вносят полученный раствор загустителя, 5 г диоктилсульфосукцината натрия, 10 г гуаровой камеди, 0,075 г биоцид и перемешивают до визуально однородного состояния.

Пример 2.2. Для получения агрохимического препарата, обладающего свойствами стимулятора роста корней готовят раствор загустителя, для чего к 15 г пропиленгликоля добавляют 1,5 г натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы при интенсивном перемешивании. Продукт синтеза по примеру 1.5 в количестве 170 г смешивают с 830 г воды, затем последовательно вносят полученный раствор загустителя, 5 г цитрата алкилполиглюкозида, 10 г камеди рожкового дерева, 0,075 г биоцид и перемешивают до визуально однородного состояния.

Пример 2.3. Для получения агрохимического препарата, обладающего свойствами стимулятора роста корней готовят раствор загустителя, для чего к 15 г пропиленгликоля добавляют 1,5 г альгиновой кислоты при интенсивном перемешивании. Продукты синтеза по примеру 1.2, 1.4, 1.6 смешивают в массовом соотношении 1:2,5:2. К 170 г полученной смеси продуктов синтеза добавляют 830 г воды, затем последовательно вносят полученный раствор загустителя, 5 г цитрата алкилполиглюкозида, 10 г гуаровой камеди, 0,075 г биоцид и перемешивают до визуально однородного состояния.

Пример 2.4. Для получения агрохимического препарата, обладающего свойствами стимулятора роста корней готовят раствор загустителя, для чего к 15 г пропиленгликоля добавляют 1,5 г альгиновой кислоты при интенсивном перемешивании. Продукт синтеза по примеру 1.6 в количестве 100 г смешивают с 900 г воды, затем последовательно вносят полученный раствор загустителя, 5 г диоктилсульфосукцината натрия, 10 г камеди рожкового дерева, 0,075 г биоцид и перемешивают до визуально однородного состояния.

Пример 2.5. Для получения агрохимического препарата, обладающего свойствами стимулятора роста вегетативных органов (стебель, листья) готовят раствор загустителя, для чего к 15 г пропиленгликоля добавляют 1,5 г натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы при интенсивном перемешивании. Продукты синтеза по примеру 1.2, 1.4 смешивают в массовом соотношении 13:1. К 474 г полученной смеси продуктов синтеза добавляют 526 г воды, затем последовательно вносят полученный раствор загустителя, 5 г цитрата алкилполиглюкозида, 10 г гуаровой камеди, 0,075 г биоцид и перемешивают до визуально однородного состояния.

Пример 2.6. Для получения агрохимического препарата, обладающего свойствами стимулятора роста генеративных органов растений (цветы, плоды) готовят раствор загустителя, для чего к 15 г пропиленгликоля добавляют 1,5 г альгиновой кислоты при интенсивном перемешивании. Продукты синтеза по примеру 1.2, 1.4 смешивают в массовом соотношении 1:8. К 474 г полученной смеси продуктов синтеза добавляют 526 г воды, затем последовательно вносят полученный раствор загустителя, 5 г диоктилсульфосукцината натрия, 10 г камеди рожкового дерева, 0,075 г биоцид и перемешивают до визуально однородного состояния.

Полученные по примеру 2.1 - 2.4 препаративные формы использовали для обработки посевного материала, опрыскивания и полива растений в начальной фазе роста. Для обработки посевного материала 10 мл препарата растворяли в 10 л воды, для опрыскивания и полива растений использовали 10 мл препарата при норме расхода рабочего раствора 100 литров. Полученные по примеру 2.5 и 2.6 препаративные формы использовали для опрыскивания растений однократно из расчета 20-40 мл на гектар при норме расхода рабочего раствора 200 литров в течении вегетации в период интенсивного роста в отношении раствора препарата по примеру 2.5 и в период налива плодов в отношении препарата по примеру 2.6.

В качестве испытуемых культур рассматривали пшеницу и томат для обработки препаратами по примеру 2.1 - 2.4, лен-долгунец для обработки препаратом по примеру 2.5 и сахарную свеклу для обработки препаратом по примеру 2.6.

В опыте использовали яровую мягкую пшеницу сорт Злата. Размер опытного участка составил 100 Га. Структура урожая яровой пшеницы сорта Злата при двухкратном (первый раз при обработке посевного материала, второй в фазу кущения) применении агрохимиката по примеру 2.1 - 2.4 представлена в таблице 1. Анализ данных таблицы указывает на увеличение урожайности до 10% по сравнению с контролем.

Площадь опытного участка томата составила 10 м². Испытания проводили в условиях закрытого грунта в пленочной теплице. В опыте использовали гибрид F1 Островок. Результаты представлены в таблице 2. Агрохимикат вносили путем полива растений: 1-й раз агрохимикатом по примеру 2.3 - через 10 дней после высадки рассады, при норме рабочего раствора 100 л; 2-й - через 15 дней после первого агрохимикатом по примеру 2.5, норма рабочего раствора составляла 200 л. При обработках отмечено увеличение средней массы и диаметра плода, повышение выхода ранней продукции на 3,4-10,3% и общей урожайности на 5,0-14,8% к контролю.

Площадь опытных делянок посевов льна-долгунца составила 50 Га, площадь учетных делянок - 25 Га. Обработка проводилась однократно агрохимикатом по примеру 2.5 в период начала цветения. Результаты представлены в таблице 3. В эксперименте проявился выраженный ростстимулирующий эффект. Обработка повысила густоту стеблестоя культуры и на 9,6-11,9% снизила отмирание растений за вегетацию, выход льносоломы превосходит контроль на 28,8%. Кроме того, опытном варианте получена и минимальная пораженность стеблей льна болезнями: 5% - против 27% в контроле.

Площадь опытных делянок посевов сахарной свеклы составила 50 Га, площадь учетных делянок - 25 Га. Обработка проводилась однократно в период смыкания рядов. Результаты представлены в таблице 4. Обработки оказали существенное влияние на элементы структуры урожая. Урожайность культуры возросла в 1,3 раза, а некорневая подкормка растений агрохимикатом увеличивает содержание сахара в корнеплодах сахарной свеклы на 1,16-1,96%, что приводит к увеличению сбора сахара до 30%.

Оценка биологической эффективности синтезированных аддуктов и агрохимических препаратов на их основе показала, что заявляемые препаративные формы, содержащие водорастворимые соединения фуллеренов, перспективны в плане практического использования в области сельского хозяйства, поскольку оказывают существенное положительное влияние на структуру и количество урожая сельскохозяйственных культур.

1. Способ получения водорастворимых соединений фуллеренов, который включает реакцию взаимодействия фуллеренов и органических соединений с последующим гидролизом, где в качестве исходных реагентов берут любые смеси фуллеренов любого молекулярного состава, с содержанием фуллерена С₅₀ и выше, не менее 10%, а в качестве органических соединений используется одно или комбинация следующих веществ: индолилмасляная кислота, нафтилуксусная кислота, нафтилацетамид.

2. Агрохимические препараты, получаемые путем смешения соединений фуллеренов, полученных по п. 1, и комбинации следующих веществ: камедь - гуаровая или рожкового дерева, биоцид, полисахарид - натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы или альгиновая кислота, пропиленгликоль, поверхностно-активное вещество - диоктилсульфосукцинат натрия или цитрат алкилполиглюкозида, вода.