ИСТИНА

В настоящее время одной из основных задач, стоящих перед агрокомплексом России, является внедрение новых технологий в том числе и в области защиты культурных растений от различных типов вредителей, в том числе и сорных растений. Главным подходом в настоящее время к решению данной проблемы является использование гербицидов различной структуры, в том числе соединений, относящихся к классу органических кислот фосфора, например, глифосата (N-(фосфонометил)-глицина) – самого производимого в настоящее время гербицида по массе, глифозината (2-амино-4-(гидрокси(метил)фосфоноил)бутановой кислоты, фосфинотрицина), биалафоса (L-аланил-L-аланил-фосфинотрицина). Рынок средств защиты растений в России минимум на 50% насыщается за счет импорта (данные Росстата за 2017 год). Задачи импортозамещения в области использования гербицидов может быть решена, в том числе путем синтеза новых действующих веществ и созданием на их основе формуляций, эффективных для борьбы с сорняками. Следует отметить, что применяемые в настоящий момент гербициды относятся либо к гербицидам сплошного действия, уничтожающим все виды растений, либо к гербицидам избирательного действия. Очевидно, что синтез новых соединений, относящихся к последнему типу, наиболее актуален, причем данная задача может иметь междисциплинарный характер, так как для её решения в перспективе могут потребоваться и методы современной биологии, в том числе генной инженерии. Наиболее привлекательными с точки зрения проявления гербицидной активности являются молекулы, относящиеся к органическим производным фосфора (см. выше), и производные на основе азотсодержащих ароматических гетероциклов (в частности, содержащих пиридиновый фрагмент). Проект направлен на дизайн и синтез новых полифункциональных фосфорорганических кислот с целью создания эффективных химических препаратов, способных управлять биологическими процессами, которые могут быть использованы в сельском хозяйстве, что является в настоящее время весьма актуальным. Конкретными задачами проекта являются: направленный синтез и систематическое экспериментальное исследование биологической активности новых полифункциональных фосфорорганических кислот с целью поиска практически полезных для сельского хозяйства веществ, обладающих гербицидной и рострегулирующей активностью. При осуществлении проекта планируется разработать методы синтеза новых функционализированных фосфорорганических кислот и их производных, содержащих в своём составе гетероароматические, гетероциклические фрагменты, а также фрагменты биогенных и искусственных аминокислот, которые обладают биоактивными свойствами. К настоящему времени известен достаточно широкий круг применяемых в сельском хозяйстве гербицидов, в том числе и гербицидов избирательного действия. В тоже время в литературе периодически публикуются статьи, в которых подвергаются сомнению безопасность применяемых в настоящее время формуляций, в том числе и из-за токсичности действующих веществ по отношению не только к растениям, но и к теплокровным (например, глифоcата). Кроме того, существуют данные о выработке устойчивости сорняками по отношению к давно применяемым гербицидам. Один из возможных путей решения данных проблем – усиление полезной активности действующего вещества при уменьшении токсичности по отношению к теплокровным. Целью проекта является создание новых полифункциональных фосфорорганических кислот, включающих в свой состав несколько функциональных групп: фосфорсодержащего фрагмента, включающего остатки функционализированных фосфорорганических кислот, а также замещенных метилендифосфоновых кислот, разнообразных гетероароматических, гетероциклических фрагментов и фрагментов аминокислот. Синтез целевых продуктов будет основан на развитии разработанных в последние годы оригинальных методов синтеза функционализированных фосфорорганических соединений с использованием специально полученных высоко реакционноспособных реагентов – триметилсилиловых эфиров кислот трехвалентного фосфора, а также специально полученных новых азагетероциклов. Будут модифицированы различные методы формилирования исходных азагетероциклов и аминокислот для получения новых интермедиатов в этих реакциях – N-формильных производных исходных соединений. Ожидаемые новые полифункциональные фосфорорганические кислоты, включающие гетероароматические, гетероциклические фрагменты и фрагменты аминокислот, а также их производные представляют большой интерес как перспективные биологически активные вещества, оказывающие воздействие на жизнедеятельность растений: гербициды и регуляторы роста растений, ингибиторы энзимов, принимающих активное участие в биохимических процессах в растительных клетах (например, ацетолактат-синтазы или 5-енолпирувилшикимат-3-фосфат-синтазы).

Currently, one of the main tasks facing the agro-complex of Russia is the introduction of new technologies, including in the field of protection of cultivated plants from various types of pests, including weeds. The main approach at present to solve this problem is the use of herbicides of various structures, including compounds belonging to the class of organiophosphopus acids, for example, glyphosate (N-(phosphonomethyl)glycine) – the most currently produced herbicide by weight, glufosinate (2-amino-4-(hydroxyl-(methyl)phosphonoyl)butanoic acid, phosphinotricin), bialaphos (L-alanyl-L-alanyl-phosphinotricin). The market for plant protection products in Russia is at least 50% saturated with imports (Rosstat data for 2017). The tasks of import substitution in the use of herbicides can be solved, including through the synthesis of new active substances and the creation on their basis of formulations that are effective for weed control. It should be noted that the currently used herbicides are either to the herbicides of continuous (non-selective) action, destroying all types of plants, or to the herbicides of selective action. It is obvious that the synthesis of new compounds belonging to the latter type is the most relevant, and this task may have an interdisciplinary character, since its solution in the future may require methods of modern biology, including genetic engineering. The most attractive from the point of view of the manifestation of herbicidal activity are molecules related to organophosphorus derivatives (see above), and derivatives based on nitrogen-containing aromatic heterocycles (in particular, containing a pyridine fragment. The project is aimed at the design and synthesis of new polyfunctional organophosphorus acids in order to create effective chemicals that can control biological processes that can be used in agriculture, which is currently highly relevant. Specific objectives of the project are: directed synthesis and systematic experimental study of the biological activity of new polyfunctional organophosphorus acids in order to find substances that have herbicidal and growth-regulating activity that are practically useful for agriculture. In the course of the project, it is planned to develop methods for the synthesis of new functionalized organophosphorus acids and their derivatives, containing heteroaromatic, heterocyclic fragments, as well as fragments of biogenic and artificial amino acids that have bioactive properties. To date, a fairly wide range of herbicides used in agriculture, including herbicides of selective action, is known. At the same time, periodically articles are published in the literature in which the safety of the currently used formulations is questioned, including due to the toxicity of the active substances in relation not only to plants, but also to warm-blooded animals (for example, glyphosate). In addition, there is evidence of the development of weed resistance to herbicides that have been used for a long time. One of the possible ways to solve these problems is to increase the useful activity of the active substance while reducing toxicity to warm-blooded ones. The goal of the project is to create new polyfunctional organophosphorus acids that include several functional groups: a phosphorus-containing fragment, including residues of functionalized organophosphorus acids, as well as substituted methylenediphosphonic acids, various heteroaromatic, heterocyclic fragments and amino acid fragments. The synthesis of the target products will be based on the development of recently developed original methods for the synthesis of functionalized organophosphorus compounds using specially prepared highly reactive reagents – trimethylsilyl esters of trivalent phosphorus acids, as well as specially prepared new azaheterocycles. Various methods of forming the initial azaheterocycles and amino acids will be modified to obtain new intermediates in these reactions – N-formyl derivatives of the initial compounds. The expected new polyfunctional organophosphorus acids, including heteroaromatic, heterocyclic fragments and amino acid fragments, as well as their derivatives, are of great interest as promising biologically active substances that have an impact on the vital activity of plants: herbicides and plant growth regulators, inhibitors of enzymes that are actively involved in biochemical processes in plant cells (for example, acetolactate synthase or 5-enolpyruvylshimate-3-phosphate synthase).

Ожидаемые результаты настоящего проекта _ это создание новых полифункциональных фосфорорганических кислот, содержащих несколько функциональных групп: фосфорсодержащего фрагмента, включающего остатки функционализированных фосфорорганических кислот, а также замещенных метилендифосфоновых кислот, разнообразных гетероароматических, гетероциклических фрагментов и фрагментов аминокислот. Полученные новые соединения будут обладать направленной гербицидной активностью, которая будет подтверждена экспериментально. Синтез подобных веществ позволит расширить структурную базу известных гербицидов, и при условии продолжения исследований может привести к выводу на рынок новых формуляций в области защиты растений. Синтез целевых продуктов будет основан на развитии разработанных в последние годы в нашем научном коллективе оригинальных методов синтеза функционализированных фосфорорганических соединений с использованием специально полученных высоко реакционноспособных реагентов – триметилсилиловых эфиров кислот трехвалентного фосфора, а также специально полученных новых азотистых гетероциклов. Будут модифицированы различные методы формилирования исходных азагетероциклов и аминокислот для получения новых N-формильных производных исходных соединений. Исследования в этой области будут конкурентноспособными на международном уровне: в настоящее время в литературе публикуется достаточно большое количество работ связанных как с синтезом новых классов производных, так и с химической модификацией уже известных молекул, обладающих целевой активностью. Ожидаемые новые полифункциональные фосфорорганические кислоты, включающие гетероароматические, гетероциклические фрагменты и фрагменты аминокислот, а также их производные представляют большой интерес как перспективные гербициды и регуляторы роста растений.

В течение последних лет были впервые разработаны оригинальные методы синтеза новых функционализированных фосфорорганических кислот, включающих одну или две фосфорсодержащие группы наряду с гетероциклическими фрагментами. В частности, было было осуществлено присоединение трис(триметилсилил)фосфита, взятого в избытке, к легкодоступным N–формильным производным пятичленных азотистых гетероциклов с двумя или тремя атомами азота, которые получены in situ с использованием муравьиной кислоты и симм-дициклогексилкарбодиимида . Установлено, что присоединение фосфита по карбонильной группе N–формилгетероцикла протекает только в присутствии катализатора – триметилсилилтрифлата и приводит в мягких условиях к функционализированным фосфонатам 1 и дифосфонатам 2 в различных соотношениях в зависимости от строения исходного N–формилгетероцикла. Так, при использовании в данной реакции N–формил-2,4-диметил-1Н-пиразола образуется преимущественно фосфонат 1с, а использование N–формилимидазола приводит к дифосфонату 2а с высоким выходом. Возможность сохранения в условиях процесса замещенных триметилсилоксиметилфосфонатов 1 определяется, очевидно, объемом гетероциклического фрагмента, который препятствует дальнейшему замещению триметилсилокси-группы у атома С(1) фосфонатов 1. Триметилсилиловые эфиры 1,2 легко реагируют с избытком метанола в мягких условиях с образованием функционализированных моно- и дифосфоновых кислот 3,4 соответственно. Полученные соединения 1-4 могут быть использованы для синтеза новых типов фосфорорганических соединений, включающих как гетероциклические фрагменты, так и фосфоновые группы, а также являются перспективными предшественниками полифункциональных лекарств направленного действия, гербицидов и рострегулирующих препаратов для растений.

В ходе выполнения Проекта нами предложен и успешно реализован однореакторный метод получения пиридин- и хинолинзамещённых аминометиленбисфосфоновых кислот (всего 16 образцов). Синтетическая схема предполагает проведение процесса в три этапа: получение N-формильных производных in situ под действием муравьиной кислоты и дициклогексилкарбодиимида (DCC), последующее взаимодействие N-формильных производных с трис(триметилсилил)фосфитом в присутствии триметилсилилтрифлата в качестве мягкого катализатора с образованием тетра(триметилсилил)аминометилен-бисфосфонатов в качестве промежуточных соединений и их дальнейший метанолиз в мягких условиях с образованием целевых соединений пиридин- и хинолинзамещённых аминометиленбисфосфоновых кислот с выходами 85-96% в пересчёте на исходный аминопиридин или аминохинолин. Следует подчеркнуть, что реакция не протекает в отсутствие катализатора. Данный процесс протекает довольно быстро при 20 °C с образованием аминометиленбисфосфонатов. Несомненно, каталитический эффект триметилсилилтрифторметансульфоната связан с его способностью генерировать высокоэлектрофильные иминиевые интермедиаты. Важно отметить, что 4-аминопиридин, а также 4-амино-2-метилхинолин и 4-аминохинолин не вступают в реакцию формилирования ввиду низкой нуклеофильности аминогруппы в положении 4. Для синтеза исходных 2-амино- и 4-аминохинолинов нами были предложены оригинальные синтетические схемы на основе химических превращений N-оксида хинолина. Нами также проведён синтез новых аминометилендифосфоновых кислот, содержащих фрагменты различных аминокислот, с помощью реакции трис(триметилсилил)фосфита с легко доступными N-формильными производными аминокислот, которые получали обработкой соответствующих аминокислот муравьиной кислотой по стандартным методикам. В частности, нами были использованы такие аминокислоты, как глицин, саркозин, α-аланин, валин, лейцин, α-фенилаланин, фенилглицин, тирозин, β-аланин, β-фенил-β-аланин, аспарагиновая, γ-аминомасляная и ε-аминокапроновая кислоты. Было показано, что эта реакция протекает только в мягких условиях в присутствии триметилсилилтрифлата как эффективного катализатора и приводит к целевым аминометилендифосфонатам. Этот процесс реализован нами как однореактор¬ный синтез целевых соединений непосредственно из исходных N-формильных производных аминокислот и избытка трис(триметилсилил)фосфита, однако синтез дифосфонатов сопровождается триметилсилилированием исходных формамидов, содержащих незащищенные карбоксильные группы с образованием промежуточных соединений – триметилсилиловых эфиров N-формиламинокислот. Полученные триметилсилилди-фосфонаты легко превращаются под действием избытка метанола в мягких условиях в соответствующие функционализированные аминометилен¬дифосфоновые кислоты (10 образцов) в виде белых кристаллов. По аналогичной схеме успешно реализован однореакторный метод получения аминометиленбисфосфоновых кислот (всего 44 образца), содержащих остаток непротеиногенных аминокислот, аминосульфокислот (в частности, таурина), дипептидов Gly–Gly, Ala–Gly, Leu–Gly и Ser–Pro, трипептида Gly–Gly–Gly, аминоспиртов и диаминов, а также азагетероциклов, содержащих фрагменты 5-аза- и 7-азаиндола в своей структуре. Синтетическая схема предполагает проведение процесса в три этапа: получение N-формильных производных in situ под действием избытка муравьиной кислоты при нагревании или в присутствии дициклогексилкарбодиимида (DCC), последующее взаимодействие N-формильных производных с трис(триметилсилил)-фосфитом в присутствии триметилсилилтрифлата в качестве мягкого катализатора с образованием тетра(триметилсилил)аминометиленбисфосфонатов в качестве промежу-точных соединений и их дальнейший метанолиз в мягких условиях с образованием целевых аминометиленбисфосфоновых кислот с выходами 81-97% в пересчёте на исходный субстрат, содержащий аминогруппу. Следует подчеркнуть, что реакция не протекает в отсутствие катализатора. Данный процесс протекает довольно быстро при 20 °C с образованием соответствующих аминометиленбисфосфонатов. Несомненно, каталитичес¬кий эффект триметилсилилтрифторметансульфоната связан с его способностью генерировать высокоэлектрофильные иминиевые интермедиаты. Важно отметить, что нами предприняты попытки по синтезу аминометилендифософо-новой кислоты на основе N-формил-D-глюкозамина под действием трис(триметилсилил)-фосфита в присутствии TMSOTf в качестве катализатора с последующим метанолизом. В результате была получена смесь трудноразделимых продуктов. По-видимому, причина подобной реакционной способности кроется в кольчато-цепной таутомерии углеводов, приводящей к присоединению трис(триметилсилил)фосфита по альдегидной группе цепной формы D-глюкозамина. В ходе выполнения Проекта были получены предварительные данные по фитотоксической активности новых синтезированных нами аминометилендифосфоновых кислот, включающих фрагменты глицина, саркозина и аланина по сравнению с эталоном – препаратом «Торнадо», активное вещество которого представляет жёсткий и неселективный гербицид глифосат (НО)2Р(О)СН2NНСН2СООН. Полученные данные свидетельствуют, что фитотоксическая активность трех исследованных аминометилен-дифосфоновых кислот существенно ниже, чем гербицидный эффект жёсткого и неселективного препарата «Торнадо» (глифосат), что делает возможным дальнейшие испытания этих веществ на предмет выявления биологической активности по другим направлениям. Проведённые испытания на инсектицидную активность данных образцов, содержащих 0,2% действующего вещества соответствующей аминометилендифосфоновой кислоты, продемонстрировали неэффективность в отношении самцов рыжих тараканов Blattella germanica при опрыскивании. Таким образом, полученные в ходе выполнения Проекта дифосфорзамещенные аминокислоты не обладают инсектицидной активностью, а гербицидная активность изученных соединений существенно уступает распространённым на рынке препаратам. Однако, несмотря на это, данный класс соединений представляет большой практический интерес, поскольку эти вещества являются структурными аналогами известных лекарственных препаратов, а также могут рассматриваться в качестве эффективных полидентатных лигандов в координационной химии.