Твердофазная модификация полисахаридов - арабиногалактана, хитозана, пектина малорастворимыми пестицидами

Коптяева, Екатерина Игоревна

Твердофазная модификация полисахаридов - арабиногалактана, хитозана, пектина малорастворимыми пестицидами тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.06 ВАК РФ

Коптяева, Екатерина Игоревна АВТОР

кандидата химических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Уфа МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

02.00.06 КОД ВАК РФ

Диссертация по химии на тему «Твердофазная модификация полисахаридов - арабиногалактана, хитозана, пектина малорастворимыми пестицидами»

Автореферат диссертации на тему "Твердофазная модификация полисахаридов - арабиногалактана, хитозана, пектина малорастворимыми пестицидами"

На правах рукописи

005062107

Коптяева Екатерина Игоревна

ТВЕРДОФАЗНАЯ МОДИФИКАЦИЯ ПОЛИСАХАРИДОВ -АРАБИНОГАЛАКТАНА, ХИТОЗАНА, ПЕКТИНА МАЛОРАСТВОРИМЫМИ

ПЕСТИЦИДАМИ

02.00.06 - Высокомолекулярные соединения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

2 01::С;!^13

Уфа-2013

005062107

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте органической химии Уфимского научного центра Российской академии наук и в Государственном бюджетном учреждении республики Башкортостан «Научно-исследовательском технологическом институте гербицидов и регуляторов роста растений с опытно-экспериментальным производством Академии наук республики Башкортостан».

Научный руководитель:

кандидат химических наук, доцент Мударисова Роза Хшшфовпа

Официальные оппоненты:

доктор химических наук, доцент Кулиш Елена Ивановна

(ФГБОУ ВПО "Башкирский государственный университет", профессор кафедры

высокомолекулярных соединений и общей химической технологии)

кандидат химических наук, доцент Понеделькина Ирина Юрьевна (ФГБУН Институт нефтехимии и катализа РАН, старший научный сотрудник лаборатории органического синтеза)

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет»

Защита состоится «5» июля 2013 года в 14°° часов в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте органической химии Уфимского научного центра Российской академии наук по адресу: 450054, Башкортостан, г. Уфа, проспект Октября, 71, зал заседаний. Тел./факс: (347) 2355560, e-mail: chemora@anrb.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Уфимского научного центра РАН.

Автореферат разослан «5» июня 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор химических наук, профессор

Валеев Ф.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В последние годы полисахариды находят все более широкое применение для получения биологически активных систем, в том числе как добавка к пестицидным препаратам. Полисахариды улучшают растворимость пестицидов, понижают их токсичность, повышают биодоступносгь и биодеградируемость в объектах окружающей среды. Среди природных полимеров, которые могут быть использованы в композициях с пестицидами, значительный интерес представляют арабиногалактан, пектин и хитозан, обладающие разнообразной биологической активностью, нетоксичностью, способностью к биодеградации. Для приготовления композиций полисахарид-пестицид обычно применяется смешивание компонентов в жидкой фазе, в то же время твердофазная обработка имеет значительное преимущество, так как этот метод позволяет получать продукты в одну технологическую стадию, без участия растворителей и активирует химическое взаимодействие компонентов системы. В этой связи актуальным является изучение процесса механохимической модификации арабиногалактана, пектина и хитозана широко применяющимися в сельском хозяйстве гербицидом хлорсульфуроном, фунгицидами карбендазимом и тирамом, которые являются малорастворимыми в воде соединениями.

Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ ИОХ УНЦ РАН по теме: «Высокоэффективные каталитические и инициирующие системы на основе металлокомплексных соединений для модификации синтетических и биогенных полимеров» на 2011-2013 г.г. (№ ГР 0120.1152188), а также при поддержке Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (проект по госконтракгу №02.740.11.0648 на 2010-2012 г.г. и проект по заявке 2012-1.1-12000-1015-027 (соглашение 8444, утв. 31.08.12 г.) на2012-2012г.г.).

Цель работы. Механохимическая модификация полисахаридов (арабиногалактана, хитозана, пектина) малорастворимыми пестицидами.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

исследование превращений макромолекул полисахаридов и пестицидов при механохимическом воздействии;

определение закономерностей твердофазных механохимических взаимодействий биополимеров с малорастворимыми пестицидами;

оптимизация условий получения твердофазных композиций на основе полисахаридов и малорастворимых пестицидов и исследование их свойств; оценка биологической эффективности модифицированных композиций полисахарид- пестицид.

Научная новизна. Показано, что при ударно-сдвиговых воздействиях на полисахариды и пестициды протекают процессы конформационных и конфигурационных превращений макромолекул, обусловленные разрывом цепей (арабиногалактан, хитозан, пектин), отщеплением боковых цепей (арабиногалактан) и появления новых функциональных групп (карбоксильных). В случае арабиногалактана показано необычное изменение характеристической вязкости после ударно-сдвиговых воздействий.

Установлено, что ударно-сдвиговое воздействие на систему полисахарид - пестицид обеспечивает возможность образования комплексных соединений, следствием чего является увеличение содержания пестицида в растворе (в 2 - 5 раз). Выявлена взаимосвязь между химическим строением полимера и степенью перевода пестицидов в раствор.

Показано влияние условий процесса механохимического воздействия и природы компонентов системы на свойства полученных композиций: термические характеристики, характеристическую вязкость, содержание пестицидов в растворе и время установления их равновесной концентрации, способствующие повышению биологической активности композиций.

В работе впервые продемонстрированы возможности создания твердофазных композиций на основе природных полимеров и пестицидов, обладающих комплексом комбинированного биологического действия, направленного на одновременное увеличение пестицидной активности (в 1.2 - 2.8 раза) и повышения урожайности (на 1.1 - 1.5 ц/га). Полученные композиции обеспечивают увеличение стабильности (в 1.6 раза), уменьшение дозы действующего вещества (в 10 раз), при отсутствии токсичности для культурных растений.

Практическая значимость. Полученные в работе результаты позволили обосновать возможность практического использования твердофазных композиций на основе полисахаридов с пестицидами (решение о выдаче патента от 08.04.2011 № 2453113). Выявлена высокая стабильность и биологическая активность предложенных композиций с одновременной возможностью снижения нормы расхода пестицидов до 10 раз, что приводит к значительному уменьшению токсичности. Разработанные подходы и установленные в работе закономерности твердофазного получения композиций полисахаридов с пестицидами рекомендованы для создания модифицированных пестицидных препаратов, обладающих повышенной биологической активностью, малой токсичностью и высокой избирательностью (селективностью).

Апробаиия работы. Основные результаты работы доложены на XVII и XIX Международных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов — 2010», «Ломоносов - 2012», Москва, 2010, 2012; Всероссийской научной конференции «Актуальные проблемы химии. Теория и практика», Уфа, 2010; VI и VII Санкт-Петербургских конференциях молодых ученых с международным участием «Современные проблемы науки о полимерах», Санкт-Петербург 2010,2011; Всероссийской конференции с элементами научной школы «Проведение научных исследований в области синтеза, свойств и переработки высокомолекулярных соединений, а также воздействия физических полей на протекание химических реакций», Казань 2010; XII Международной научной конференции «Экологически безопасные нанотехнологии в промышленности» (НАНОТЕХ 2011), Казань, 2011; VI Всероссийской научной Ьйегпей-конференции «Интеграция науки и высшего образования в области био- и органической химии и биотехнологии», Уфа 2011; VI Всероссийской конференции молодых ученых, аспирантов и студентов с международным участием «Менделеев-2012», Санкт-Петербург 2012; Всероссийской научной конференции «Современные проблемы и инновационные перспективы развития химии высокомолекулярных соединений», Уфа 2012.

Публикации. По материалам работы опубликовано 3 статьи в рецензируемых журналах, тезисы 12 докладов на Международных и Всероссийских конференциях, получен один патент РФ.

Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 147 страницах, содержит 23 таблицы и 44 рисунка. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, экспериментальной части, результатов и их обсуждения, выводов, списка цитируемой литературы (126 наименований) и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1. Механохимические превращения исходных полисахаридов и пестицидов

В главе представлены результаты исследования влияния ударно-сдвигового воздействия на структуру, молекулярно-массовые характеристики и физико-химические свойства индивидуальных полисахаридов арабиногалактана (АГ), хитозана (ХТЗ), пектина (П) и пестицидов: 1-(2-хлорфенилсульфонил)-3-(4метокси-6-мегил-1,3,5-триазин-2-юфгочевины (хлорсульфурон), метиловый эфир 2-бензимидазолилкарбаминовой кислоты (карбендазим), тетраметилтиурамдисульфида (тирам).

снз Хлорсульфурон (ХСТ)

^—Ш-и—о—сн3

Карбендазим (БМК)

Тирам (ТМТД)

1.1. Механохимические превращения полисахаридов

После ударно-сдвиговых воздействий на полисахариды в планетарно-шаровой мельнице гранулометрическое исследование показало, что происходит уменьшение размеров частиц, причем наибольшие изменения наблюдаются для пектина, где размер частиц уменьшается почти в 20 раз (рис. 1).

Рис.1. Дифференциальное распределение частиц полисахаридов по размерам до и после ударно-сдвигового воздействия. АГобр, ХТЗобр, Побр - полисахариды, подвергнутые ударно-сдвиговому воздействию.

В зависимости от режима обработки биополимеров средние значения молекулярной массы АГ снижаются в 1.3 -1.6 раз, пектина - примерно в 1.4 раза, молекулярная масса ХТЗ снижается примерно в 1.2 раза (табл.1).

Таблица 1. Молекулярно-массовые характеристики образцов полисахаридов до и после механохимического воздействия в течение 10 минут._

Полисахарид Скорость вращения барабанов, об/мин ММ, KDa

0 40±8

Арабиногалактан 1250 28±6

2500 25±5

2500 (аргон) 29±6

0 81±15

Хитозан 2500 68±13

2500 (аргон) 75±15

0 69±14

Пектин 2500 47±9

2500 (аргон) 46±9

Примечание: для АГ ММ - Mz; для ХТЗ и П - Мя,

Вероятное место разрыва макромолекулы АГ определено с помощью ЯМР 13С спектроскопии. В спектре ЯМР 13С исходного АГ (растворитель D20) наблюдаются характеристичные сигналы: интенсивные сигналы 6-О-замещенных фрагментов ¡5 -галакгопиранозы (62.0; 69.6; 71.7; 73.7; 76.1; 104.3 м.д.), а сигналы небольшой интенсивности отвечают углеродным атомам арабинофуранозы и арабинопиранозы (64.3; 70.2; 70.6; 74.5; 82.5; 101 м.д.). В спектре ЯМР С АГ после механохимического воздействия интенсивность сигналов, соответствующих арабинофуранозным и арабинопиранозным фрагментам, относительно сигналов галактопиранозных фрагментов уменьшается. Следовательно, в процессе механохимической обработки АГ образуются макромолекулы полисахарида с более высоким содержанием галактозных звеньев. Можно предположить, что в процессе механохимического воздействия происходит отщепление боковых цепей макромолекул АГ.

В спектре ЯМР С ХТЗ (растворитель D20+HC1) после ударно-сдвигового воздействия сигналы углеродов при С(1), С(3), С(4), С(5) сдвигаются в область слабого поля. Наибольший сдвиг на 0.12 м.д. наблюдается для С(1) и С(4) атомов, участвующих в образовании гликозидной связи (103.3 и 82.0 м.д. соответственно). Кроме того, появляется синглеггный сигнал при 173 м.д., соответствующий атому углерода карбоксильной группы. В ИК-спекгре происходит низкочастотный сдвиг полосы поглощения (ПП) гликозидной связи в области 893 см"1 на 6 см"1. Данные изменения свидетельствуют о протекании деструктивных процессов посредством разрыва гликозидной связи макромолекулы ХТЗ.

В ЯМР 13С спектре пектина (растворитель DîO) после ударно-сдвигового воздействия по сравнению с исходным полимером наибольшее уширение наблюдается для сигнала углерода С(4) (71.05 м.д.). В ИК-спектре механохимически обработанного пектина изменяется контур ПП валентных колебаний гидроксильных групп в области 3450 - 3200 см"1 и происходит усиление интенсивности пика с максимумом 3408 см"1, что может говорить об увеличении количества не связанных водородной связью гидроксильных групп в механохимически обработанном образце. Кроме того, наблюдается низкочастотный сдвиг максимума ПП валентных колебаний С=0 группы (1740-1700 см"1), уменьшение интенсивности ПП валентного колебания гликозидного мостика в области 839 - 775 см"1 и низкочастотный сдвиг на 4 см"1.

Таким образом, деструкция пектина происходит, как и в случае хигозана, по гликозидным связям. Вероятнее всего, разрушение полимеров протекает по радикальному механизму, аналогично механодеструкции других полисахаридов (например, целлюлозы) посредством гемолитического разрыва гликозидных связей.

Обнаружено аномальное изменение характеристической вязкости АГ (табл.2), которая не уменьшается с увеличением интенсивности ударно-сдвиговых воздействий при одновременном снижении его молекулярной массы (табл.1). При механохимической обработке происходит частичная деструкция макромолекул полисахарида по боковым цепям, в результате чего макромолекулы становятся линейными, меняется их конфигурация, что приводит к увеличению гидродинамического размера макромолекулярного клубка и, как следствие, может отражаться на аномальном изменении характеристической вязкости полимерного образца. В отличие от высокоразветвленного АГ, при обработке линейных полимеров ХТЗ и П характеристическая вязкость монотонно снижается при увеличении механической нагрузки, как и молекулярная масса. Деструкция ХТЗ и пектина протекает по основной цепи и видимо не приводит к значительному изменению конфигурации макромолекул полимеров. Анализ продуктов биополимеров после механохимического воздействия показал увеличение количества карбоксилышх групп по сравнению с исходными полисахаридами (табл.2). В спектрах ЯМР С биополимеров после ударно-сдвигового воздействия отмечено появление и увеличение интенсивности сигнала карбоксильной группы в области 168.7 - 178.0 м.д. При проведении процесса в атмосфере аргона содержание карбоксильных групп изменяется в пределах 1 -4% (табл. 2).

Таблица 2. Некоторые физико-химические свойства образцов полисахаридов до и

Полисахарид Скорость вращения барабанов, об/мин [СООН], % моль Удельный угол вращения, (град-см8)/(дмг) Характеристическая вязкость, дл/г

Арабиногалактан 0 4.5 +16±1 0.04

500 7.0 +12±2 0.04

1250 7.8 +11±1 0.05

2500 7.6 +9±1 0.05

2500 (аргон) 5.4 - 0.03

Пектин 0 20.0 +181±2 2.2

500 22.4 +176±1 2.1

1250 26.1 +174±1 1.9

2500 25.9 +146±2 1.8

2500 (аргон) 24.6 - 2.0

Хитозан 0 - -5±1 4.3

500 - -16±2 4.3

1250 9.0" -16±1 4.2

2500 13.0" -14±1 3.2

2500 (аргон) - - 3.9

♦Растворитель - водный раствор: АГ - фосфатный буфер рН= СНзСООН + 0.3 M NaCl ; П - 0.3 M NaCl. Ошибка составляет 5%. Водорастворимая фракция ХТЗ

Механохимическое воздействие на биополимеры сопровождается изменением величины удельного угла вращения в зависимости от условий процесса (табл. 2). Вероятно,

при проведении механохимической обработки происходит не только деструкция, но и конфигурационные изменения в полисахаридах. На основании экспериментальных данных можно заключить, что степень изменения молекулярной массы зависит от химической природы, степени кристалличности полимера и условий процесса (интенсивности деформирующего напряжения и природы окружающей среды). Причем химическая природа полимера в механохимических процессах является основным фактором, так как она определяет величину внутри- и межмолекулярных сил, гибкость цепи и плотность упаковки. АГ характеризуется максимальной способностью к деструкции, что можно объяснить как меньшей прочностью связи боковых цепей с основной цепью, так и меньшим количеством сильнополярных групп в отличие от линейных полисахаридов.

Таким образом, механохимическое воздействие на полисахариды приводит к уменьшению их молекулярной массы за счет разрушения гликозидных связей в основной цепи для линейных полимеров, таких как пектин и хитозан и отщеплению боковых цепей в случае разветвленного АГ с одновременным увеличением степени окисления и изменением их макромолекулярной структуры.

1.2. Механохимические превращения пестицидов

Гранулометрическое исследование пестицидов после ударно-сдвигового воздействия показало мономодальное распределение частиц по размерам. Для ХСТ и БМК характерно уменьшение размеров частиц после механохимического воздействия в 3-5 раз (рис. 2), а для ТМТД наблюдается увеличение размеров частиц в 4 раза

0,01 0,1 1 10 100 диаметр частиц, мкм

Рис. 2. Дифференциальное распределение частиц пестицидов по размерам до и после ударно-сдвиговото воздействия. ХСТобр, БМКобр, ТМТДобр - пестициды, подвернутые ударно-сдвиговому воздействию.

Исследуемые пестициды являются кристаллическими веществами. Обычно измельчение низкомолекулярных кристаллических органических веществ приводит к увеличению числа дефектов в решетке и к нарушению их структуры. Эти изменения являются общими для используемых в работе пестицидов и продемонстрированы на примере ХСТ (рис. 3). Описанные эффекты наблюдаются на рентгенограммах по уменьшению интенсивности дифракционных линий и их уширению.

locoi t

r.sow

DtlOÍO

ге, град

'JIM

Г 'j-Л 55t»W

z9, град:;

Рис. 3. Спектр РСА исходного (1) и обработанного ХСТ (2).

Установлено, что после ударно-сдвигового воздействия на пестициды растворимость исследуемых соединений практически не изменяется (табл. 3).

Таблица 3. Физико-химические характеристики пестицидов до и после ударно-

Образец Время обработки, мин Скорость вращения барабанов, об/мин Содержание в водном растворе-102, мг/мл Время установления равновесия, мин Удельный угол вращения, (град-см8)/(дм-г)

ХСТ 0 - 9.0 230 +9± 1

ХСТ 10 1250 10.0 205 +8±1

ТМТД 0 - 2.4 235 -2±1

ТМТД 10 1250 2.2 261 +1±1

БМК 0 - 0.5 187 -1±2

БМК 10 1250 0.7 105 -1±1

После ударно-сдвигового воздействия на ХСТ и БМК уменьшается время установления равновесия между твердой фазой пестицида и раствором (табл. 3), тогда как для ТМТД данный параметр, напротив, возрастает, что можно объяснить как изменением размера частиц, так и разупорядочением структуры вещества.

Определение удельного угла вращения разбавленных водных растворов соединений показало, что после 10 мин обработки этот параметр не меняется, т.е. сохраняется исходная химическая конфигурация пестицидов.

Таким образом, ударно-сдвиговое воздействие способствует разупорядочению кристаллической структуры пестицидов с незначительным нарушением системы межмолекулярных водородных связей, ускорению установления равновесной концентрации в растворе без изменения их исходной конфигурации.

2. Механохимическая модификация арабиногалактана малорастворимыми

пестицидами

В данном разделе представлены результаты исследований механохимической модификации АГ малорастворимыми пестицидами ХСТ, БМК и ТМТД.

При ударно-сдвиговом воздействии на смесь АГ-ХСТ количество ХСТ, переходящее в раствор, увеличивается примерно в 2 раза (табл. 4). Этот параметр не зависит от соотношения полисахарид : ХСТ, но повышается при среднем числе оборотов 1250 об/мин и при увеличении времени ударно-сдвигового воздействия. При механохимическом воздействии на смесь ТМТД-АГ и БМК-АГ содержание фунгицидов в растворе повышается до 1.5 и до 5 раз, соответственно (табл. 5). В смесях отдельно обработанных АГ и пестицида содержание низкомолекулярного компонента в растворе практически не увеличивается (табл.5).

Методом лазерного светорассеяния установлено, что раствор композиции АГ-ХСТ является истинным: не наблюдалось наличие коллоидных частиц в области 0.01-300 мкм.

Таблица 4. Содержание ХСТ в водном растворе из модифицированных композиций

АГ-ХСТ и исходных соединений, 25°С.

Образец Мольное соотношение АГ:ХСТ Время обработки, мин Скорость вращения барабанов, об/мин Содержание ХСТ в растворе, мг/мл

ХСТ - 0 0 0.09

ХСТ - 10 1250 0.10

АГ-ХСТ 20:1 0 0 0.10

АГ-ХСТ" 20:1 10 1250 0.12

АГ-ХСТ 5:1 10 1250 0.16

АГ-ХСТ 10 1 10 1250 0.20

АГ-ХСТ 20 1 10 1250 0.17

АГ-ХСТ 30 1 10 1250 0.16

АГ-ХСТ 20 1 1 1250 0.11

АГ-ХСТ 20 1 3 1250 0.14

АГ-ХСТ 20 1 10 500 0.10

АГ-ХСТ 20 1 10 2500 0.07

*- обработанные по отдельности

Таблица 5. Содержание фунгицидов в водном растворе из модифицированных композиций АГ-ТМТД, АГ-БМК и исходных соединений, мольное соотношение

Образец Время обработки, мин Скорость вращения барабанов, об/мин Содержание фунгицида в растворе-10 , мг/мл

ТМТД 0 0 2.4

ТМТД 10 1250 2.2

АГ-ТМТД 0 0 2.7

АГ-ТМТД* 10 1250 3.1

АГ-ТМТД 10 1250 3.5

БМК 0 0 0.5

БМК 10 1250 0.7

АГ-БМК* 10 1250 0.9

АГ-БМК 10 500 1.1

АГ-БМК 10 1250 2.5

*- обработанные по отдельности

В ЯМР 13С спектре композиции АГ-ХСТ наблюдаются изменения в химических сдвигах сигналов гербицида (рис.4). Наибольшее смещение в слабое поле (А8 = 0.25 м.д.) фиксируется у карбонильного углерода гербицидного фрагмента при 158.5 м.д. Смещение резонанса в сильное поле (Л8 = 0.15 м.д.) наблюдается у ipso атома бензольного кольца при 139.8 м.д. Небольшие смещения сигналов (Д8 = 0.1 м.д.) в слабое поле зафиксированы у мета- и пара- углеродных атомов ароматического кольца при 132.5 и 134.4 м.д. соответственно. Сигналы углеродов триазинового цикла остаются без видимых изменений.

170 169 168

"I""-.....t.........I.......<Т'"

160 159 158 157

1« 150 139 135 13« 13) 132 РР"1

Рис. 4. Фрагменты ЯМР 13С спектров модифицированной композиции АГ-ХСТ (1) и исходного ХСТ (2). Растворитель фосфатный буфер (ЫагНРСи+ЫаТ 12Р04) в П20 рН=7, [С]=50 мг/мл, 25°С.

спектрах модифицированной композиции АГ-ХСТ в области 3600-3000 см 1 я сдвиги ПП гидроксильных групп АГ до 17 см"1, в области 1200-1000 см" С-О

В ИК

наблюдаются сдвиги 1111 гидроксильных групп . эфирной связи пиранозных и фуранозных колец полисахарида до 6-8 см"1 и аминогруппы ХСТ в области 1540 см"1 до 4 см"1 (табл.6).

Таблица 6. Спектральные характеристики композиций АГ-ХСТ, АГ-ТМТД, АГ-БМК.

Образец Частота, см"1 Д V, см"1

АГ АГ-ХСТ 3360 (ОН-) 3377 +17

АГ АГ-ХСТ 1090 (С-О-С) 1082 -8

ХСТ АГ-ХСТ 1534 (ЫН-) 1530 -4

АГ АГ-ТМТД 1149 (С-О-С) 1143 -6

ТМТД АГ-ТМТД 1498 (СЫ-) 1494 -4

БМК АГ-БМК 1571 (Бензимидазольное кольцо) 1600 +29

АГ АГ-БМК 3413 (ОН-) 3393 -20

БМК АГ-БМК 1537 (N11-) 1560 +23

На основании спектральных данных можно говорить, что во взаимодействии принимают участие азотсодержащие группировки гербицида и гидроксильные и эфирные группы полимера. По сдвигам характерных сигналов в ИК- и ЯМР С - спектрах показано, что при механохимическом воздействии на АГ в присутствии ТМТД и/или БМК координация молекул фунгицидов также происходит по гидроксильным и эфирным группам полисахарида за счет образования водородных связей с азотсодержащими группами низкомолекулярных соединений (табл.6).

После ударно-сдвигового воздействия на систему АГ-ХСТ изменяются вязкостные свойства образца по сравнению со смесью исходных компонентов. Характеристическая вязкость композиции выше, чем вязкость смеси отдельно обработанных соединений (табл. 7). Данный эффект может быть связан как с образованием ассоциатов разной степени организации, так и, возможно, комплексов включения. Однако отклонения зависимости приведенной вязкости от линейной в области малых концентраций не происходит, характеристическая вязкость модифицированных композиций не изменяется после прогрева образцов при 80°С, что позволяет исключить образование ассоциатов как причину роста характеристической вязкости.

Таблица. 7. Характеристическая вязкость механохимически обработанных образцов,

Образец Характеристическая вязкость, дл/г

Свежие Через 6 месяцев С нагревом

АГобо 0.05 0.05 -

АГобд-ХСТпбо 0.05 0.05 -

(АГ-ХСТ)^ 0.06 0.06 0.06

Побо 1.3 1.3 -

Побо-ХСТобр 1.3 1.3 -

(п-хсти, 1.9 1.9 1.8

ХТЗобо 4.2 4.2 -

ХТЗобо-ХСТой,, 4.2 4.3 -

(ХТЗ-ХСТ),^ 4.6 4.5 4.6

♦Растворитель - водный раствор: АГ - фосфатный буфер (Ма2НР04+КаН2Р04) рН=7; ХТЗ - 0.33 М СНзСООН + 0.3 М ИаС1; П - 0.3 М №С1. Ошибка составляет 5%.

Обнаруженное изменение вязкостных свойств композиции полисахарид-пестицид может быть связано с заметным конформационным изменением цепей АГ. В реализацию предполагаемых структурных превращений наиболее вероятный вклад вносят водородные связи с гербицидом, что приводит к образованию рыхлых клубков с большим гидродинамическим размером, чем у исходного биополимера. Характеристическая вязкость композиции после ее хранения в течение 6 месяцев остается неизменной. Данный факт может свидетельствовать об образовании стабильных структур в композиции, сохраняющихся в течение длительного времени.

После механохимического воздействия на смесь АГ - ХСТ изменяются ее термические характеристики по сравнению с исходными компонентами. На кривой ТГ композиции АГ - ХСТ в отличие от термограмм исходных соединений процесс разложения образца идет более интенсивно. При Т = 275°С потеря массы образца составляет 39%, тогда как для геобицида и полисахарида она равна 3.9 и 11.4%, соответственно (рис.5). На кривой ДТА гербицида (рис. 6) при 164°С наблюдается эндотермический пик, соответствующий точке плавления ХСТ. Отчетливый экзотермический пик при 180°С указывает на процесс разложения гербицида, сопровождаемый значительным выделением тепла и изменением массы образца. В композиции АГ-ХСТ экзотермический пик сдвигается до 169 С, т.е. химическое превращение образца начинается при более низких температурах, что свидетельствует о наличии запасенной при активации энергии. Причем эндотермический пик практически полностью исчезает, что говорит об отсутствии в образующемся продукте собственной фазы ХСТ, в то время как в смеси отдельно обработанных АГ и ХСТ пик плавления гербицида присутствует. Обнаруженные изменения сохраняются после двух лет хранения образца. Следовательно, отличие термического поведения композиции АГ-ХСТ от смеси отдельно обработанных соединений может быть связано с образованием комплексных соединений, получающихся при модификации полисахарида гербицидом.

т,°с

Рис. 5. Кривые ТГ: исходный ХСТ (1); обработанный ХСТ (2); композиция АГ-ХСТ, мольное соотношение 3:1 (3); исходный АГ (4); обработанный АГ (5).

дт

смесь отдельно обработанных АГ и ХСТ, мольное соотношение 3:1 (4); композиция АГ-ХСТ, мольное соотношение 3:1 (5).

Таким образом, полученные экспериментальные данные (изменения в оптических спектрах, увеличение степени перехода пестицида в раствор, изменение термических и вязкостных характеристик) для модифицированных композиций АГ-пестицид указывают на образование комплексов включения, стабилизированных, вероятно, за счет водородных связей, при участии гидроксильных и эфирных групп пиранозных и фураяозных колец АГ и азотсодержащих групп пестицидов. Существенным моментом при этом является изменение конформационногс состояния полисахарида, обеспечивающего возможность образования комплексов включения. Конформационное состояние макромолекул исходного полисахарида такой возможности не дает. В то же время, отдельно обработанный полисахарид в смеси с гербицидами также незначительно повышает содержание низкомолекулярного компонента в растворе вследствие происходящего взаимодействия соединений уже в жидкой фазе.

3. Механохимическая модификация хитозана и пектина малорастворимым гербицидом - хлорсульфуроном

Особенности твердофазной модификации ХТЗ и П в присутствии хлорсульфурона исследованы методами ЯМР 13С, ИК-, УФ - спектроскопии, ВЭЖХ, лазерного рассеяния, термического анализа.

Ударно-сдвиговое воздействие на полисахариды ХТЗ и П в присутствии ХСТ приводит к уменьшению времени установления равновесия низкомолекулярного компонента в растворе по сравнению с диспергированием индивидуального гербицида, причем данный эффект зависит от природы используемого полимера, его концентрации и времени обработки (табл.8). По времени установления равновесной концентрации гербицида в растворе полисахариды можно расположить в следующий ряд: ХТЗ > П > АГ. Значительное уменьшение этого параметра (в 46 раз) в присутствии АГ, вероятно, связано со скоростью растворения собственно самого полимера. В присутствии хитозана и пектина время установления равновесной концентрации гербицида сокращается всего в 1.3 и 3.8 раз соответственно.

Таблица 8. Время установления равновесия ХСТ в водном растворе из модифицированных композиций полисахарид-ХСТ и индивидуальных соединений,

Образец Мольное соотношение компонентов композиции Время обработки, мин Скорость вращения барабанов, об/мин Время установления равновесия ХСТ в растворе, мин

ХСТ _ 0 0 230

ХСТ - 10 1250 205

АГ-ХСТ 20:1 0 0 185

АГ-ХСТ* 20:1 10 1250 71

АГ-ХСТ 5:1 10 1250 16

АГ-ХСТ 20:1 10 1250 5

ХТЗ-ХСТ* 20:1 10 1250 210

ХТЗ-ХСТ 20:1 10 1250 180

П-ХСТ* 20:1 10 1250 73

П-ХСТ 20:1 10 1250 60

*- обработанные по отдельности

После ударно-сдвигового воздействия на смесь ХСТ - ХТЗ количество переходящего в раствор гербицида повышается в 4 раза (табл. 9). Как и при использовании АГ, наибольшее содержание гербицида в растворе наблюдается при среднем числе оборотов 1250 об/мин. Но в отличие от АГ и П хитозан не является водорастворимым полимером. При механохимической деструкции ХТЗ образуются водорастворимые олигомерные продукты. Доля водорастворимой фракции ХТЗ составила 10%, характеристическая вязкость - 0.41 дл/г, что соответствует молекулярной массе 12000 Ба. Вероятно, повышение содержания ХСТ происходит за счет его комплексообразования с низкомолекулярными фракциями хитозана.

Таблица 9. Содержание ХСТ в водном растворе из модифицированных композиций

ХТЗ-ХСТ и П-ХСТ

мольное соотношение полисахарид:ХСТ - 20:1,25 С.

Образец Время, мин Скорость вращения барабанов, об/мин Содержание в растворе, мг/мл

ХСТ 0 0 0.09

ХСТ 10 1250 0.10

ХТЗ-ХСТ 0 0 0.20

ХТЗ-ХСТ* 10 1250 0.19

ХТЗ-ХСТ 10 500 0.23

ХТЗ-ХСТ 10 1250 0.42

ХТЗ-ХСТ 10 2500 0.21

П-ХСТ 0 0 0.07

П-ХСТ* 10 1250 0.09

П-ХСТ 10 500 0.08

П-ХСТ 10 1250 0.21

П-ХСТ 10 2500 0.07

*- обработанные по отдельности

После ударно-сдвигового воздействия на пектин в присутствии ХСТ содержание гербицида в растворе повышается примерно в 2 раза (табл. 9). Влияние режима обработки на данный параметр такое же, как при использовании АГ. В смесях отдельно обработанных

компонентов ХТЗ-ХСТ и П—ХСТ содержание низкомолекулярного вещества в растворе увеличивается, но в существенно меньшей степени, чем в совместно механохимически обработанных смесях.

Спектроскопическими методами определены активные центры взаимодействия линейных полисахаридов с гербицидом. В ЯМР 13С спектре модифицированной композиции П-ХСТ наибольшее смещение в слабое поле зафиксировано у карбонильного углерода молекулы ХСТ (Д5=0.23 м.д.) (рис.7), сдвиг резонанса в сильное поле - у ¡рво-атома бензольного кольца гербицида (А5=0.15 м.д.). Наименьшее смещение сигнала в слабое поле (Д8=0.08; 0.05; и 0.03 м.д.) обнаружено у орто-, мета- и пара-углеродных атомов ароматического кольца ХСТ. Химические сдвиги углеродов триазинового кольца ХСТ остаются без видимых изменений. По сдвигам характерных ПП в ИК-спектрах композиций П-ХСТ (табл. 10) можно предположить, что взаимодействие протекает с участием амидной группировки ХСТ и карбоксильных и гидроксильных групп макромолекул пектина.

Рис. 7. Фрагмент ЯМР 13С спектра П (1), композиции П-ХСТ (2) и ХСТ (3). Растворитель фосфатный буфер (ЫагНРСи+КаНгРОО в П20 рН=7, [С]=50 мг/мл, 25°С.

Таблица 10. Характеристичные частоты полос поглощения некоторых групп атомов модифицированных композиций ХТЗ-ХСТ и П-ХСТ.______

Образец Частота, см"1 Д v, см"1

ХТЗ ХТЗ-ХСТ 3313 (ОН-, NH-) 3255 -58 Уширение, уменьшение интенсивности

ХТЗ ХТЗ-ХСТ 1037 (С-О-С) 1043 +6

ХСТ ХТЗ-ХСТ 1558 (Триазиновое кольцо) 1578 +20 Уменьшение интенсивности и изменение контура ПП

П П-ХСТ 1732 (СООН-) 1716 -16

П П-ХСТ 3487 (ОН-) 3470 -17

ХСТ П-ХСТ 1554 (NH-) 1560 +6

В ЯМР 13С спектре растворимой фракции композиции ХТЗ-ХСТ наблюдается удвоение сигналов метоксильной группы С(8), метальной С(12) и углерода С(2) триазинового кольца гербицида (рис.8). Наибольший сдвиг до 0.2 м.д. в сильное поле происходит у углерода С(6) ХСТ при 177.2 м.д. Вероятно, макромолекулы ХТЗ предпочтительно координируются по триазиновому кольцу гербицида. В ИК-спектрах растворимой фракции композиции ХТЗ-ХСТ наибольшие изменения зафиксированы в диапазоне частот валентных колебаний гидроксильных и амино-групп полисахарида, а также триазинового кольца гербицида (табл. 10).

' 178 176 17* 172 170 168 [ррт]

Рис. 8. Фрагмент ЯМР 13С спектра ХСТ (1), водорастворимая фракция композиции ХТЗ-ХСТ (2). Растворитель фосфатный буфер (Ма2НР04+№Н2Р04) в 020 р№=7,25°С.

На основании полученных результатов можно сделать вывод, что при механохимическом воздействии на линейные полимеры в присутствии ХСТ происходит координация триазинового кольца гербицида по гидроксильным и амино-группам макромолекулы ХТЗ и амидной группы ХСТ по гидроксильным, карбоксильным и эфирным связям макромолекулы пектина посредством водородных связей.

Характеристическая вязкость композиций ХТЗ - ХСТ и П - ХСТ повышается по сравнению со смесью отдельно обработанных компонентов (табл.6), что также может свидетельствовать о происходящем комплексообразовании.

На кривой ДТА композиции П - ХСТ эндопики смещаются на 3-10°С (рис.9). В области до 220°С не зафиксирован экзотермический пик, присутствующий на кривых ДТА активированного ХСТ. Температура начала разложения композиции ХТЗ - ХСТ понижается на 46°С по сравнению с исходным гербицидом, а площадь экзопика уменьшается (рис.10), что может говорить об активации образцов в процессе механохимического воздействия. Потеря массы композиций П-ХСТ и ХТЗ-ХСТ начинается на 11-12°С раньше по сравнению с механохимически обработанными полисахаридами (рис.11, 12). Изменение термического поведения композиций, вероятно, происходит за счет формирования комплексов в процессе механохимического воздействия на смесь полисахарид - ХСТ.

дт 4

Рис. 9. Кривые ДТА: обработанный ХСТ (1); исходный П (2); обработанный П (3); композиция П-ХСТ, мольное соотношение 3:1 (4).

ДТ

Рис. 10. Кривые ДТА: обработанный ХСТ (1); исходный ХТЗ (2); обработанный ХТЗ (3); композиция ХТЗ-ХСТ, мольное соотношение 3:1 (4).

т/с

Рис. 11. Кривые ТГ: исходный ХСТ (1); обработанный ХСТ (2); композиция П-ХСТ, мольное соотношение 3:1 (3); исходный П (4); обработанный П (5).

Рис. 12. Кривые ТГ: исходный ХСТ (1); обработанный ХСТ (2); композиция ХТЗ-ХСТ, мольное соотношение 3:1 (3); исходный ХТЗ (4); обработанный ХТЗ (5).

Образование комплексных соединений при механохимическом воздействии на все исследованные полисахаридные матрицы в присутствии пестицидов приводит к увеличению содержания и сокращению времени перехода низкомолекулярного компонента в жидкую фазу, причем использование ХТЗ позволяет достичь наибольшей концентрации пестицида в водном растворе. Большее содержание в растворе ХСТ из композиций на основе ХТЗ, вероятно, связано с наличием в данном биополимере полярных амино-групп, которые могут приводить к образованию более прочных комплексов по сравнению с пектином и АГ. В триазиновом фрагменте ХСТ атом азота оттягивает на себя электронную плотность. В то же время, амино-группы ХСТ находятся рядом с карбонильной группой и ароматическим кольцом, способствующем делокализации электронной плотности на амино-группе, т.е. триазиновое кольцо обладает более акцепторными свойствами по сравнению с его амино-группами и ХТЗ, имеющий большую донорную способность по сравнению с АГ и П, координируется именно по триазиновому кольцу.

4. Биологическая активность и стабильность композиций полисахарид -пестицид

Важной эксплуатационной характеристикой гербицидных соединений является их стабильность при хранении. Стабильность исследованных образцов характеризуется содержанием в них ХСТ. Модифицированные композиции АГ-ХСТ не теряют стабильности в сухом состоянии при выдерживании в течение двух недель при 54°С, что соответствует году хранения при комнатной температуре. Стабильность буферных растворов в этих же условиях увеличивается в 1.6 раз в зависимости от содержания АГ (табл. 11).

Таблица 11. Стабильность композиций АГ - ХСТ и исходных соединений.

Образец (мольное/массовое соотношение А Г: ХСТ) Время обработки, мин Скорость вращения барабанов, об/мин Содержание ХСТ в растворе после опыта*, %

ХСТ - 0 0.15

ХСТ 10 мин 1250 0.15

АГ-ХСТ (5:1/2:1) 10 мин 1250 0.16

АГ-ХСТ (10:1/4 1) 10 мин 1250 0.23

АГ-ХСТ (20:1/9 1) 1мин 1250 0.21

АГ-ХСТ (20:1/9 1) 10 мин 500 0.24

АГ-ХСТ (20:1/9 1) 10 мин 1250 0.22

АГ-ХСТ (30:1/9 1) 10 мин 1250 0.25

* начальное содержание ХСТ в образцах 0.5%

Эффективность модифицированных композиций определена в вегетационных опытах на проростках подсолнечника сорнополевого, осота розового и мари белой. Для композиции ХТЗ-ХСТ показано наибольшее увеличение гербицидной активности в 2.8 раза относительно исходного ХСТ (табл. 12). Процент ингибирования массы и длины побега подсолнечника сорнополевого наиболее высок для композиции АГ-ХСТ в мольном соотношении 20:1 при одновременном снижении нормы расхода гербицида в 10 раз (табл. 13).

Таблица 12. Гербицидная активность композиций полисахарид - ХСТ (20:1

мольное/ 9:1 массовое соотношение) и исходных соединений.

Подсолнечник сорнополевой Марь белая Осот розовый

Образец Ed?o г/га по ДВ* Превышение активности, число раз Ed50 г/га по ДВ Превышение активности, число раз Есі5о г/га по ДВ Превышение активности, число раз

ХСТ 5.0 - 1.2 - 12.5 -

ХСТ обработанный 5.0 - 1.2 - 12.5 -

ХСТ-ХТЗ 1.8 +2.8 0.4 +3.0 6.0 +2.1

ХСТ-АГ 3.9 +1.3 0.9 +1.4 9.5 +1.3

ХСТ-П 4.2 +1.2 0.8 +1.5 9.0 +1.4

*ДВ - действующее вещество

Е<І5о — эффективная доза

Таблица 13. Первичный скрининг препаративных форм композиций АГ - ХСТ на подсолнечнике. _____ _

Образец (мольное/массовое соотношение АГ:ХСТ) Концентрация, мг/л Средняя длина побега, мм Ингибирование длины побега к контролю, % Средняя масса побега, г Ингибирование массы побега к контролю, %

Контроль - 60.8 - 0.230 -

ХСТ 0.5 37.8 37.8 0.206 10.0

1.0 35.0 42.5 0.190 17.3

АГ 0.5 45.4 25.2 0.203 11.5

1.0 42.0 31.0 0.210 13.0

Композиция АГ-ХСТ (5:1/2:1) 0.5 35.1 42.2 0.200 13.0

1.0 34.5 43.2 0.190 17.4

Механическая смесь АГ-ХСТ (5:1/2:1) 0.5 42.1 30.7 0.214 6.9

1.0 37.8 37.8 0.200 13.0

Композиция АГ-ХСТ (20:1/9:1) 0.5 32.1 47.1 0.170 26.1

1.0 29.8 50.9 0.163 29.1

Механическая смесь АГ-ХСТ (20:1/9:1) 0.5 35.5 41.6 0.200 13.0

1.0 35.0 42.4 0.200 13.0

Твердофазные композиции полисахарид-ХСТ исследованы на степень безопасности для культурных растений в условиях вегетационного опыта на пшенице и овсе и в полевых испытаниях на пшенице (табл. 14, 15). Результаты указывают на отсутствие фитотоксичносги данных образцов для культурных растений. Обработка сорняков модифицированными композициями на основе полисахаридов с ХСТ приводит к повышению урожайности на 1.1 - 1.5 ц/га по сравнению с контролем.

Таблица 14. Результаты испытаний композиций полисахарид - ХСТ (20:1 мольное/ 9:1

массовое соотношение) на токсичность для культурных растений.

Культурное растение Масса 100 растений, г

Контроль без применения гербицида Эталон (ХСТ обработанный) ХСТ-ХТЗ ХСТ-АГ ХСТ-П

Овес посевной 129 130 135 137 130

Пшеница 95 96 100 98 97

Таблица 15. Полевые испытания композиций полисахарид - ХСТ (20:1 мольное/ 9:1 массовое соотношение) на токсичность для пшеницы. __

Соединение Урожай зерна пшеницы, ц/га Прибавка урожая по сравнению с эталоном, п/га

Контроль без обработки 22.4 -

Эталон (ХСТ обработанный) 24.9 -

ХСТ-ХТЗ 26.4 1.5

ХСТ-АГ 26.1 1.2

ХСТ-П 26.0 1.1

Композиция АГ - БМК проявляет высокую фунгицидную активность, сравнимую с фунгицидной активностью БМК (табл. 16). Видно, что совместная твердофазная модификация БМК с полисахаридом приводит к существенному снижению дозы действующего вещества при сохранении фунгицидной активности препарата. Полученные данные создают предпосылки для создания новых экономичных протравителей на основе модифицированных композиций с меньшей нормой расхода по действующему веществу.

Таблица 16. Фунгицидная активность композиций АГ - БМК и исходных

соединений на пшенице.

Образец Норма расхода кг/т Содержание БМК, % масс. Энергия Прорастания, % Всхожесть семяп, % Пораженность корневыми гнилями, % Эффективность, % Пораженность плесневыми грибами, % Эффективность, % Вес 100 проростков, г

Контроль - - 81 86 17 - 22 - 10.2

БМК-эталон 1.7 100 85 90 2 88.2 5 77.3 10.5

АГ обработанный 1.7 - 84 89 3 82.3 6 72.7 9.4

АГ -БМК

20:1мольное/17:1массовое 1.7 5.6 86 91 0 100.0 5 77.3 10.7

соотношение)

Таким образом, механохимическая модификация полисахаридов малорастворимыми пестицидами приводит к существенному увеличению стабильности, гербицидной и фунгицидной активности полученных композиций, при снижении нормы расхода пестицидов примерно до 10 раз, повышению урожайности культурных растений и значительному уменьшению токсичности.

Систематическое исследование твердофазной модификации полисахаридов (АГ, ХТЗ и П) в присутствии пестицидов (ХСТ, ТМТД и БМК) позволило выявить ряд общих закономерностей и специфических особенностей, присущих этим процессам. Общим при твердофазной модификации использованных биополимеров с вышеперечисленными пестицидами является образование комплексов полисахарид-пестицид, стабилизированных водородными связями. Этому способствует изменение конформационного состояния полисахаридов, образование новых функциональных групп, стабилизирующих процесс комплексообразования. Следствием взаимодействия биополимеров с пестицидами является: повышение характеристической вязкости растворов композиций по сравнению с активированными по отдельности компонентами, увеличение содержания пестицидов в растворе из модифицированных композиций, сокращение времени установления равновесной концентрации пестицида в растворе, исчезновение кристаллической фазы гербицида в модифицированных композициях с полисахаридами. Специфические особенности поведения использованных полисахаридов при их твердофазной модификации в присутствии выше перечисленных пестицидов заключаются в следующем: механохимическая деструкция разветвленного АГ протекает преимущественно по боковым звеньям, линейные полимеры - ХТЗ и П десгруктируют по основной цепи.

Таким образом твердофазная модификация изученных полисахаридов в присутствии малорастворимых пестицидов (ХСТ, БМК, ТМТД) является перспективным способом получения композиций, обладающих повышенной биологической активностью, малой токсичностью, высокой избирательностью в подавлении сорняков и корневой гнили без ухудшения роста и развития культурных растений.

ВЫВОДЫ

]. Спектральными, термическими и вискозиметрическими методами исследования доказало, что при механохимической модификации полисахаридов - арабиногалактана, хитозана и пектина малорастворимыми пестицидами - хлорсульфуроном, карбендазимом и тирамом происходит образование комплексов полисахарид - пестицид, стабилизированных водородными связями, обеспечивающих большую степень перехода пестицидов в водный раствор (в 1.5 - 5 раз) и сокращение времени установления равновесной концентрации пестицидов в растворе (в 1.3 - 46 раз).

2. Выявлена принципиальная возможность регулирования времени установления равновесной концентрации пестицидов в жидкой фазе и степени их перевода в водный раствор путем варьирования условий твердофазной модификации и природы полисахарида Модифицированные композиции, обеспечивающие наибольшую степень перевода пестицида в раствор, образуются при мольном соотношении полисахарид:пестицид - 20:1, времени ударно-сдвигового воздействия не менее 10 минут и интенсивности механохимического воздействия, соответствующего скорости вращения барабана планегарно-шаровой мельницы 1250 об/мин. Установлено, что из всех исследованных полисахаридов хнтозан обладает наибольшей комплексообразующей способностью.

3. Спектральными методами показано, что при комплексообразовании компонентов композиции взаимодействие преимущественно происходит по гидроксильным и эфирным группам пираиозных и фуранозных колец биополимеров и азотсодержащим группам пестицидов. Обоснована предпочтительная координация хитозана по триазиновому кольцу хлорсульфурона вследствие большей донорной способности аминогрупп хитозана по сравнению с карбоксильными группами арабиногалактана и пектина.

4. Обнаружено, что ударно-сдвиговое воздействие на полисахариды сопровождается деструкцией и окислением. Спектральными методами исследования показано, что деструкция линейных полимеров хитозана и пектина протекает в основном по гликозидным связям. В отличие от хитозана и пектина, высокоразветвленный арабиногалактан претерпевает наибольшую механохимическую деструкцию, связанную с отщеплением боковых заместителей - молекулярная масса снижается в 1.6 раз. Установлено, что аномальное повышение вязкости арабиногалактана при ударно-сдвиговых воздействиях обусловлено изменением его макромолекулярной структуры.

5. Показана высокая стабильность и гербицидная активность модифицированных композиций хлорсульфурона с полисахаридами (арабиногалактаном, хитозаном и пектином), повышение урожайности культурных растений (овса посевного и пшеницы) на 1.1 - 1.5 ц/га. Установлено, что модифицированные композиции на основе арабиногалактана с карбендазимом проявляют фунгицидную активность на уровне свободного препарата при существенном снижении дозы действующего вещества.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:

1. Чикишева Г.Е., Мударисова Р.Х., Коптяева Е.И., Яковлева В.Г., Земченкова Г.К., Буслаева Л.И. Влияние моносахаридов на фунгицидную активность метилового эфира 2-бензимидазолилкарбаминовой кислоты II Башкирский химический журнал. — 2010. - Т. 17, №5.-С. 145-148.

2. Коптяева Е.И., Фатыхов А.А., Иванов С.П., Масленникова В.В., Березина Н.В., Мударисова Р.Х. Твердофазный механохимический синтез комплексов арабиногалактана и хлорсульфурона // ЖПХ. - 2012. - Т. 85, № 5. - С. 788-793.

3. Коптяева Е.И., Мударисова Р.Х., Колбин A.M. Взаимодействие арабиногалактана лиственницы сибирской с хлорсульфуроном // Вестник Башкирского университета. - 2012. -Т. 17, №1,-С. 39-41.

4. Коптяева Е.И., Мударисова Р.Х., Крутьков В.М., Вороненко Б.И., Колбин A.M. Гербицидное средство // Патент РФ № 2453113 от 08.04.2011.

5. Коптяева Е.И. Механохимический синтез водорастворимых комплексов арабиногалактана и хлорсульфурона // Тезисы докладов XVII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов». - Москва. — 2010. -Оптический носитель.

6. Чикишева Г.Е., Мударисова Р.Х., Коптяева Е.И., Воробьева Т.П., Климакова Е.В. Эквимолярные комплексы моносахаридов с метиловым эфиром 2-бензимидазолилкарбаминовой кислоты и их фунгицидная активность. // Тезисы докладов Всероссийской научной конференции «Актуальные проблемы химии. Теория и практика». -Уфа.-2010.-С. 112.

7. Образцова Ю.А., Коптяева Е.И., Мударисова Р.Х.. Исследование транспортных свойств пленок с иммобилизованным хлорсульфуроном. // Тезисы докладов VI Санкт-Петербургской конференции молодых ученых с международным участием «Современные проблемы науки о полимерах». - Санкт-Петербург. - 2010. - Оптический носитель.

8. Коптяева Е.И., Чикишева Г.Е., Мударисова Р.Х. Влияние моносахаридов на фунгицидную активность метилового эфира 2-бензимидазолилкарбаминовой кислоты и 2-бензоиламинобензимидазола. // тезисы докладов Всероссийской конференции с элементами научной школы «Проведение научных исследований в области синтеза, свойств и переработки высокомолекулярных соединений, а также воздействия физических полей на протекание химических реакций». - Казань. -2010. - С. 113.

9. Коптяева Е.И., Мударисова Р.Х. Взаимодействие арабиногалактана лиственницы сибирской с хлорсульфуроном. // Тезисы докладов VII Санкт-Петербургской конференции молодых ученых с международным участием «Современные проблемы науки о полимерах». — Санкт-Петербург. - 2011. - Оптический носитель.

10. Коптяева Е.И., Мударисова Р.Х. Твердофазный синтез наноразмерных комплексов на основе хитозана. // Тезисы докладов XII Международной научной конференции «Экологически безопасные нанотехнологии в промышленности (НАНОТЕХ 2011)». -Казань. -2011.- Оптический носитель.

И. Коптяева Е.И., Мударисова Р.Х.. Механохимический синтез комплексов пектина с хлорсульфуроном. // Тезисы докладов VI Всероссийской научной Internet-конференции «Интеграция науки и высшего образования в области био- и органической химии и биотехнологии». - Уфа. — 2011. — Оптический носитель.

12. Коптяева Е.И. Повышение растворимости и скорости растворения хлорсульфурона при механическом активировании с арабиногалактаном. // Тезисы докладов VI Всероссийской конференции молодых ученых, аспирантов и студентов с международным участием «Менделеев-2012». - Санкт-Петербург. - 2012. -С. 297.

13. Коптяева Е.И. Механохимический синтез комплексов природных полисахаридов с хлорсульфуроном. // Тезисы докладов XIX Международной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов 2012». - Москва. -2012. - С. 114.

14. Коптяева Е.И., Мударисова Е.И.. Механохимическое превращение хитозана. // Тезисы докладов Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - Уфа: УГНТУ. - 2012. - Оптический носитель.

15. Мударисова Р.Х., Коптяева Е.И., Чикишева Г.Е. Повышение растворимости и скорости растворения карбендазима при взаимодействии с арабиногапактаном // Тезисы докладов Всероссийской научной конференции «Современные проблемы и инновационные перспективы развития химии высокомолекулярных соединений». - Уфа. - 2012. - С. 136.

16. Коптяева Е.И., Мударисова Р.Х. Синтез и свойства комплексов на основе тетраметилтиурамдисульфида и арабиногалактана // Тезисы докладов Всероссийской молодежной конференции «Синтез, исследование свойств, модификация и переработка высокомолекулярных соединений». — Уфа. - 2012. - С. 14.

Автор выражает глубокую благодарность д.б.н. Крутькову В.М., к.х.н. Кузнецову В.М., Березиной Н.В. за проведение биологических испытаний.

Лицензия .№0177 от 10.06.96 г. Подписано в печать 3.06.2013 г. Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе. Формат 60x84 1/16. Усл.печ.л. 1,5. Уч.-изд.л.1,5. Тираж 150 экз. Заказ №223.

450000, г. Уфа, ул. Ленина, 3 ГОУ ВПО «Башгосмедуниверситет РОСЗДРАВА»

Текст научной работы диссертации и автореферата по химии, кандидата химических наук, Коптяева, Екатерина Игоревна, Уфа

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт органической химии Уфимского научного центра Российской академии наук

На правах рукописи

0420^36062^

КОПТЯЕВА ЕКАТЕРИНА ИГОРЕВНА

ТВЕРДОФАЗНАЯ МОДИФИКАЦИЯ ПОЛИСАХАРИДОВ АРАБИНОГАЛАКТАНА, ХИТОЗАНА, ПЕКТИНА МАЛОРАСТВОРИМЫМИ ПЕСТИЦИДАМИ

(02.00.06 - Высокомолекулярные соединения)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук

Научный руководитель: кандидат химических наук, доцент Р.Х. Мударисова

Уфа - 2013

Содержание

Список используемых сокращений 5

Введение 6

1. Литературный обзор 10

1.1. Полисахариды: структура, свойства, применение 10

1.1.1. Арабиногалактан 10

1.1.2. Хитозан 13

1.1.3. Пектин 18

1.2. Модификация природных полисахаридов биологически активными 21 веществами

1.3. Способы модификации пестицидов 25

1.4. Общие закономерности механохимической модификации полимеров 28 и низкомолекулярных веществ

1.4.1. Изменение свойств соединений под действием механических 30 напряжений

1.4.1.1. Высокомолекулярные соединения 30

1.4.1.2. Низкомолекулярные вещества 35

1.4.2. Совместная активация высокомолекулярных и низкомолекулярных 37 веществ

Заключение по литературному обзору 40

2. Экспериментальная часть 42

2.1. Характеристика исходных веществ и реагентов 42

2.2. Методика эксперимента 44

2.2.1. Методика твердофазного получения композиций 44

2.2.2. Определение времени установления равновесной концентрации 44 пестицидов в водном растворе

2.3. Методы анализа 45 2.3.1. Определение характеристической вязкости растворов 45

полисахаридов

2.3.2. Определение молекулярной массы АГ 45

2.3.3. Определение Архимедова множителя 46

2.3.4. Определение молекулярных масс образцов хитозана и пектина 47 методом сочетания скоростной седиментации и вязкости

2.3.5. Определение содержания карбоксильных групп 48

2.3.6. Определение размеров частиц 49

2.3.7. Определение удельного угла вращения 49

2.3.8. Спектральное определение полученных композиций 49

2.3.9. Термический анализ 50

2.3.10. Определение содержания пестицидов в растворе 50

2.3.11. Определение стабильности 51

2.3.12. Определение гербицидной активности 51

2.3.13. Определение фитотоксичности 51

2.3.14. Определение фунгицидной активности 52

2.3.15. Статистическая обработка результатов 53 3. Обсуждение результатов 55 3.1. Механохимические превращения исходных полисахаридов и 55 пестицидов

3.1.1. Механохимические превращения арабиногалактана 55

3.1.2. Механохимические превращения хитозана 61

3.1.3. Механохимические превращения пектина 67

3.1.4. Механохимические превращения пестицидов 71

3.2. Механохимическая модификация полисахаридов малорастворимыми 76 пестицидами

3.2.1. Механохимическая модификация арабиногалактана 76 малорастворимыми пестицидами (ХСТ, ТМТД и БМК)

3.2.1.1. Механохимическая модификация арабиногалактана ХСТ 76

3.2.1.2. Механохимическая модификация арабиногалактана ТМТД 87

3.2.1.3. Механохимическая модификация арабиногалактана БМК 90

3.2.1.4. Заключение по главе 3.2.1. 94

3.2.2. Механохимическая модификация хитозана ХСТ 95

3.2.3. Механохимическая модификация пектина ХСТ 102

3.2.4. Влияние структуры полисахаридов на особенности 108 механохимического получения композиций полисахарид - ХСТ 3.3. Биологическая активность и стабильность композиций полисахарид 110 - малорастворимых пестицидов

Заключение 118

Выводы 120

Список литературы 122

Приложение 137

Список используемых сокращений

АГ - арабиногалактан ХТЗ - хитозан ХТ - хитин П - пектин

ХСТ - хлорсульфурон БМК - карбендазим ТМТД - тирам ДА - деацетилирование ММ - молекулярная масса ММР - молекулярно-массовое распределение БАВ - биологически активное вещество АСК - ацетилсалициловая кислота ЛВ - лекарственное вещество ХСЗР - химические средства защиты растений ВЭЖХ - высокоэффективная жидкостная хроматография М2 - молекулярная масса, определенная методом седиментационного равновесия

М5м - молекулярная масса, определенная методом сочетания скоростной седиментации и вязкости

Обр - обработанный образец, подвергшийся механохимическому воздействию

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В последние годы полисахариды находят все более широкое применение для получения биологически активных систем, в том числе как добавка к пестицидным препаратам. В композициях с пестицидами полисахариды улучшают их растворимость, понижают токсичность, повышают биодоступность и биодеградируемость в объектах окружающей среды [1-3]. Среди природных полимеров, которые могут быть использованы в композициях с пестицидами, значительный интерес представляют арабиногалактан, пектин и хитозан, обладающие разнообразной биологической активностью, нетоксичностью, способностью к биодеградации [4-6]. Для приготовления композиций полисахарид-пестицид обычно применяется смешивание компонентов в жидкой фазе [7], в то же время твердофазная обработка имеет значительное преимущество, так как этот метод позволяет получать продукты в одну технологическую стадию, без участия растворителей и активирует химическое взаимодействие компонентов системы [8]. В этой связи актуальным является изучение процесса механохимической модификации арабиногалактана, пектина и хитозана широко применяющимися в сельском хозяйстве гербицидом хлорсульфуроном, фунгицидами карбендазимом и тирамом, которые являются малорастворимыми в воде соединениями.

Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ ИОХ УНЦ РАН по теме: «Высокоэффективные каталитические и инициирующие системы на основе металлокомплексных соединений для модификации синтетических и биогенных полимеров» на 2011-2013 г.г. (№ ГР 0120.1152188), а также при поддержке Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (проект по госконтракту №02.740.1 1.0648 на 2010-2012 г.г. и проект по заявке 20121.1-12-000-1015-027 (соглашение 8444, утв. 31.08.12 г.) на 2012-2012г.г.).

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи: исследование превращений макромолекул полисахаридов и пестицидов при механохимическом воздействии; определение закономерностей твердофазных механохимических взаимодействий биополимеров с малорастворимыми пестицидами; оптимизация условий получения твердофазных композиций на основе полисахаридов и малорастворимых пестицидов и исследование их свойств;

оценка биологической эффективности модифицированных форм пестицидов.

Практическая значимость. Полученные в работе результаты позволили обосновать возможность практического использования твердофазных композиций на основе полисахаридов с пестицидами (решение о выдаче патента от 08.04.2011 № 24531 13). Выявлена высокая стабильность и биологическая активность предложенных композиций с одновременной возможностью снижения нормы расхода пестицидов до 10 раз, что приводит к значительному уменьшению токсичности. Разработанные подходы и установленные в работе закономерности твердофазного получения композиций полисахаридов с пестицидами рекомендованы для создания модифицированных пестицидных препаратов, обладающих повышенной биологической активностью, малой токсичностью и высокой избирательностью (селективностью).

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на XVII и XIX Международных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов - 2010», «Ломоносов - 2012», Москва, 2010, 2011; Всероссийской научной конференции «Актуальные проблемы химии. Теория и практика», Уфа, 2010; VI и VII Санкт-Петербургских конференциях молодых ученых с международным участием «Современные проблемы науки о полимерах», Санкт-Петербург 2010, 2011; Всероссийской конференции с элементами научной школы «Проведение научных исследований в области синтеза, свойств и переработки высокомолекулярных соединений, а также

воздействия физических полей на протекание химических реакций», Казань 2010; VII Международной конференции Иж^^т 2011 «Фитогормоны, гуминовые вещества и другие биорациональные пестициды в сельском хозяйстве», Минск 2011; XII Международной научной конференции «Экологически безопасные нанотехнологии в промышленности» (НАНОТЕХ 2011), Казань, 2011; VI Всероссийской научной 1п1егпеЬконференции «Интеграция науки и высшего образования в области био- и органической химии и биотехнологии», Уфа 2011; VI Всероссийской конференции молодых ученых, аспирантов и студентов с международным участием «Менделеев-2012», Санкт-Петербург 2012; Всероссийской научной конференции «Современные проблемы и инновационные перспективы развития химии высокомолекулярных соединений», Уфа 2012.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

Полисахариды находят практическое применение благодаря своим уникальным свойствам - способности к биодеградации, водорастворимости, разнообразной биологической активности, нетоксичности. Полисахариды являются возобновляемым сырьевым ресурсом и могут использоваться в качестве полимерной матрицы для иммобилизации биологически активных веществ, в частности, пестицидных препаратов. В настоящее время химический метод борьбы с вредителями, болезнями растений и сорняками является основным мероприятием защиты и сохранения продовольственной и кормовой продукции [9]. Однако опыт применения пестицидов выявил ряд экологических проблем, поэтому продолжается разработка новых препаратов, обладающих наряду с высокой избирательной активностью, низкой токсичностью для животных и культурных растений, высокой растворимостью и биоразлагаемостью.

1.1. Полисахариды: структура, свойства, применение 1.1.1. Арабиногалактан

Природные полисахариды арабиногалактаны - сравнительно новый объект в химии природных полимеров. Они широко распространены в хвойных видах древесины. В наибольшем количестве арабиногалактаны содержатся в древесине таких лиственниц как западная (Larix occidental is) [10], сибирская (Larix sibirica) [11], даурская (Larix daurica) [12], европейская, горная, японская [13,14]. Очищенный AL представляет собой белоснежный порошок, нерастворимый в ацетоне, спиртах и эфирах, хорошо растворимый в воде. По распространенности в природе среди полисахаридов арабиногалактаны уступают только целлюлозе и хитину. Интерес к этому биополимеру и продуктам его химических превращений как к объектам исследования и практического применения обусловлен его уникальными свойствами, характерными для природных полимеров. АГ является

доступным сырьем, так как представляет собой отход деревоперерабатывающей промышленности. Арабиногалактанам хвойных видов древесины уделялось достаточно много внимания: изучено их строение, некоторые химические и биологические свойства [15-17].

АГ извлекают из опилок (0.25-1.0 мм) древесины лиственницы сибирской (содержание водорастворимых веществ 23.5%) путем экстракции водой (модуль 1:10) при температуре 95-98°С в течение 1ч. Большинство способов выделения и очистки АГ основаны на использовании твердофазных носителей, сорбирующих фенольные и другие примеси -оксид магния и оксид алюминия [18-20]. Для процесса выделения и очистки АГ используются также хроматография на полиамидном (капроновом) сорбенте. АГ, имея углеводную природу, легко элюируется водой с полиамида. Источником АГ служит водный элюат, из которого может быть получен распылительной сушкой с предварительным концентрированием (выпариванием) элюата.

Типы связей моносахаридных звеньев в АГ лиственницы сибирской были установлены путем идентификации методом хроматомасс -спектрометрии, а структура - методом ЬС ЯМР спектроскопии [21,22].

АГ лиственницы сибирской по строению сходен с аналогичными полисахаридами других видов лиственниц. Он имеет высокоразветвленную молекулу с главной цепью, построенной преимущественно из 1—>3 связанных р-О-галактопиранозных остатков, большинство из которых содержит боковые ответвления при С(6). Боковые цепи содержат 3,6-ди-О- и 6-0- замещенные остатки [З-О-галактопиранозы и З-О-замещенные остатки р-/,-арабинофуранозы, а концевыми невосстанавливающими остатками являются Р-О-галактопираноза, Р-О-арабинофураноза и Р-£-арабинопираноза. Соотношение галактозы и арабинозы обычно составляет 7.5:1, две трети остатков арабинозы присутствует в фуранозной форме, одна треть - в пиранозной.

АГ, выделенный из древесины лиственницы сибирской, произрастающей в Иркутской области, имеет подобный ЬС ЯМР спектр, однако отличается более высоким содержанием галактозы, соотношение звеньев галактозы и арабинозы - 9:1, причем концевые звенья полимера содержат не только p-арабинофуранозу, но и а-арабинофуранозу [23, 24].

Биологическая активность арабиногалактанов совсем недавно стала предметом исследования, и эти результаты обобщены в обзорных работах [5, 25].

Японскими авторами показано, что полисахариды данного типа обладают высокой и разнообразной физиологической активностью [26-29]. Все изученные арабино-3,6-галактаны оказывают регулирующее влияние на иммунную систему, выступая в роли иммуномодуляторов. К иммуномодуляторам относятся иммуностимуляторы, усиливающие иммунный ответ организма и иммуноадъюванты, способные усиливать действие других веществ на иммунную систему. Стимуляция иммунной системы очень важна в профилактике и лечении различных заболеваний [30].

Мембранотропные свойства и иммуномодуляторная активность найдены у арабиногалактанов лиственницы американской [31, 32] и лиственницы сибирской [33]. АГ лиственницы сибирской оказывает также антимикробное действие в отношении некоторых бактерий и проявляет гастропротекторное действие in vivo в условиях этаноловой и индометациновой моделей [34].

Установлена противоопухолевая активность АГ лиственницы западной [35]. АГ ингибирует рост и способствует разрушению клеток некоторых видов злокачественных опухолей [36-38]. Считается, что в основе антиметастатической активности АГ лежит процесс рецепторного промежуточного эндоцитоза, имеющего место при взаимодействии асиалогликопротеинового рецептора печени с углеводным звеном АГ. Блокируя рецепторы печени, АГ препятствует агрегации клеток опухоли.

Предполагается, что с рецепторами печени взаимодействует только О-галактоза, причем в химическом связывании с рецептором важную роль играет 4-ОН группа галактозы [37].

Благодаря своим свойствам - хорошей растворимости в воде, способности образовывать концентрированные растворы с низкой вязкостью и высокой клеящей способностью, АГ имеет широкий спектр рекомендаций для практического использования в различных областях промышленности: целлюлозно-бумажной, пищевой, текстильной, полиграфической и др. Исследования в этом направлении представлены в ряде публикаций [39,40].

В целлюлозно-бумажной и деревоперерабатывающей промышленности АГ рекомендуют использовать для проклейки, формования бумаги и картона, так как поверхностная обработка бумаги растворами АГ способствует увеличению ее прочности. АГ может найти применение как загуститель для крашения и аппретирования тканей в текстильной пром