Разработка и синтез соединений с фунгицидной активностью в подавлении роста грибов

Полный текст

Введение

Более 30 % потерь при выращивании урожая в значительной мере обусловлены фитопатогенными грибами, вирусами, поэтому современное производство сельскохозяйственной продукции невозможно без применения фунгицидов, следовательно, разработка новых химических средств защиты растений актуальна для развития современного аграрного производства. «Быстрый рост населения Земли и связанная с этим нехватка продовольствия привели к развитию высокопроизводительной агроиндустрии с интегрированной системой защиты растений» [1]. При поражении фитопатогенными грибами сельскохозяйственная продукция может нести большие потери при производстве, а без применения фунгицидов — к полной гибели урожая при их выращивании. При многократном применении за один вегетационный год без учета механизма действия применяемые препараты становятся малоэффективными «ввиду возникновения резистентных штаммов микроорганизмов, в связи с чем поиск новых фунгицидов остается неизменно актуальным» [2, 3].

Низкой токсичностью для окружающей среды и человека из всего ассортимента различных классов системных фунгицидов обладают производные триазола и имидазола. Широкий спектр действия и малые нормы расхода обусловили их активное применение в сельском хозяйстве [4, 5]. Именно глобальная химизация сельского хозяйства позволила решить проблему нехватки продовольствия в мировом масштабе [6, 7]. Механизм действия «азольных фунгицидов состоит в ингибировании биосинтеза эргостерина (важнейшего компонента клеточных мембран грибов) на стадии окислительного дезметилирования 14а-метильной группы ланостерина (фермент стерин-14а-деметилаза-С УР51)» [8, 9].

Наряду с положительным эффектом использование агрохимикатов в сельском хозяйстве имеет негативные последствия, связанные с загрязнением пестицидами и минеральными удобрениями окружающей среды, ухудшением показателей здоровья населения, глобальным изменением климата [10, 11]. Именно поэтому научными «коллективами в различных странах ведутся исследования по разработке современных сельскохозяйственных технологий» [12, 13], поиску новых химических соединений, позволяющих уменьшить «негативное антропогенное влияние и обеспечивающих существенное снижение экологической нагрузки на окружающую среду, связанной с образованием многочисленных отходов» [14, 15]. Эффективные подходы, позволяющие «существенно повысить качество аграрных технологий, часто заключаются в сбалансированном сочетании современных химических, биологических и аграрно- технологических достижений на каждом этапе производства сельскохозяйственной продукции, включая синтез действующего начала препарата, исследование его свойств, разработку препаративных форм, проведение биологических и полевых испытаний, создание технологических карт и рекомендаций по практическому применению» [16].

Цель исследования заключалась в синтезе химических соединений и разработке их методов получения, оценке фунгицидной активности в лабораторных условиях.

Новизна исследований. Разработаны общие методы синтеза нескольких групп азотсодержащих гетероциклических соединений с оценкой их фунгицидной активности. Получены химические соединения, обладающие ингибирующей активностью по отношению к штаммам грибов Fusarium solani (штамм, обладающий средней устойчивостью к фунгицидам) и Sclerotinia sclerotiorum (штамм, восприимчивый к большинству фунгицидов).

Материалы и методы исследования

В работе использовали штаммы грибов Fusarium solani (штамм, обладающий средней устойчивостью к фунгицидам) и Sclerotinia sclerotiorum (штамм, восприимчивый к большинству фунгицидов) из коллекции культур фитопатогенных микроорганизмов агробиотехнологического департамента АТИ РУДН (табл. 1).

Таблица 1. Штаммы грибов

Название  штамма гриба	Растение	Видовое название гриба	Рост на среде КГА (PDA)
20MKKK 1.1	Картофель	Fusarium solani	Медленный
KTOПС1	Топинамбур	Sclerotinia sclerotiorum	Быстрый

Растворив синтезированное соединение в полярном апротонном растворителе диметилсульфоксиде, получали 1 % (1000 ppm) раствор препарата. После автоклавирования и застывания КГА (картофельно-глюкозный агар (состав компонентов на 1 л воды, г: картофель (200 г), глюкоза (20 г), агар (15 г)) исходный раствор использовали для приготовления смесей фунгицидов в концентрациях 10 и 100 ppm. Среду гомогенизировали и разливали в чашки Петри диаметром 85 мм из расчета примерно 20 мл на чашку. В середину чашки с отравленной средой КГА помещали блок агара с мицелием из 7-дневных культур. Для каждого варианта использовали 2 повторности. В тех же условиях выращивался контроль с ДМСО без фунгицида. Культуры инкубировали в термостате с заданной температурой 22 ± 2 °C в течение 7 дней. Оценивали эффективность препаратов путем измерения радиального роста колоний каждого гриба. Радиальный рост измерялся по двум перпендикулярным осям, проведенным от основания каждой чашки Петри и пересекающимся в центре колонии. Опыт проводили в двух повторностях. В качестве показателя эффективности действия препаратов использовали процент подавления роста, который рассчитывали по формуле

${{D=\frac{D0-Dc}{D0}100,}}$

где D — подавление роста колонии, %; D0 — диаметр колонии в контроле; Dc — диаметр колонии в опыте.

Результаты исследований и обсуждение

1. Синтез производных мочевины 1-(3-(Дифторметил)-1-метил-1H-пиразол-5-ил)-3-(2-хлорфенил) мочевина

К раствору аминопиразола (0,129 г, 0,88 ммоль) в дихлорметане (5 мл) добавили 2-хлорфенилизоцианат (0,148 г, 0,96 ммоль) и кипятили 6 часов. По окончании реакции продукт очищали колоночной хроматографией на SiO₂ на автоматическом хроматографе в смеси EtOAc/Гексан, что дает 0,176 г (66 %) мочевины. Спектр ЯМР¹Н (400 МГц, DMSO): δ 9.52 (с, 1H), 8,65 (с, 1H), 8,15 (д, J = 8.4 Гц, 1H), 7,48 (д, J = 7,9 Гц, 1H), 7,32 (т, J = 7,9 Гц, 1H), 7,06 (дд, J = 11,3, 4,5 Гц, 1H), 6,89 (т, J_F = 54,6 Гц, 1H), 6,48 (c, 1H), 3,77 (c, 3H). ЯМР¹⁹F (283 МГц, DMSO).

2. Синтез 1-(3-(Дифторметил)-1-метил-1H-пиразол-5-ил)-3-(o-толил) мочевина

К раствору аминопиразола (0,129 г, 0,88 ммоль) в дихлорметане (5 мл) добавили 2-толилизоцианат (0,128 г, 0,96 ммоль) и кипятили 18 часов. По окончании реакции продукт очищали колоночной хроматографией на SiO₂ (картридж Agilent) на автоматическом хроматографе в смеси EtOAc/Гексан, что дает 0,198 г (80 %) мочевины. Спектр ЯМР¹Н (400 МГц, DMSO): δ 9,11 (с, 1H), 8,24 (с, 1H), 7,79 (д, J = 7,8 Гц, 1H), 7,29–7,09 (м, 2H), 6,99 (д, J = 9,0 Гц, 1H), 6,86 (т, J_F = 46,4 Гц, 1H), 6,46 (с, 1H), 3,75 (с, 3H), 2,26 (с, 3H). ЯМР¹⁹F (376 МГц, DMSO).

3. Синтез 1-(3-(Дифторметил)-1-метил-1H-пиразол-5-ил)-3-(3-фторфенил) мочевина

К раствору аминопиразола (0,129 г, 0,88 ммоль) в дихлорметане (5 мл) добавили 3-фторфенилизоцианат (0,131 г, 0,96 ммоль) и кипятили 4 часа. По окончании реакции продукт очищали колоночной хроматографией на SiO₂ (картридж Agilent) на автоматическом хроматографе в смеси EtOAc/Гексан, что дает 0,195 г (78 %) мочевины. Спектр ЯМР¹Н (400 МГц, CDCl₃): δ 9,23 (с, 1H), 8,86 (с, 1H), 7,49 (д, J = 11,7 Гц, 1H), 7.41–7.25 (м, 1H), 7.16 (д, J = 8.0 Гц, 1H), 6,88 (т, J^F = 54,8 Гц, 1H), 6,82 (т, J = 8,2 Гц, 1H), 6,45 (с, 1H), 3,72 (с, 3H).¹⁹F (376 МГц, DMSO).

4. Синтез 1-(3-(Дифторметил)-1-метил-1H-пиразол-5-ил)-3-(2-метоксифенил) мочевина

К раствору аминопиразола (0,129 г, 0,88 ммоль) в дихлорметане (5 мл) добавили 2-(карбоксиметил) фенилизоцианат (0,170 г, 0,96 ммоль) и кипятили 4 часа. По окончании реакции после упаривания и промывания смесью эфира с гексаном получилось неочищенного продукта 0,035 г (12 %) мочевины продукт использовали без очистки.

Для оценки фунгицидных свойств методом in vitro использовали штаммы грибов Fusarium solani (штамм, обладающий средней устойчивостью к фунгицидам) и Sclerotinia sclerotiorum (штамм, восприимчивый к большинству фунгицидов) (рис.).

Влияние синтезированных соединений на рост грибов
Источник: сделано авторами

1-(3-(Дифторметил)-1-метил-1H-пиразол-5-ил)-3-(2-метоксифенил) мочевина оказал ингибирующий эффект против S. sclerotiorum, в концентрации 100 ppm, соответствующий 90,5 %.

Данные табл. 2 показывают, что соединения 1-(3-(Дифторметил)-1-метил-1H-пиразол-5-ил)-3-(2-метоксифенил) мочевина проявляют более высокую фунгицидную активность по сравнению с широко используемым в качестве контроля триазолом.

Таблица 2. Характеристика синтезированных соединений

Соединение	Масса, мг	Молекулярный вес	Исходный раствор  (1000 ppm)
	43	280	43 мг + 4300 мкл ДМСО
	40	301	40 мг + 4000 мкл ДМСО
	42	284	42 мг + 4200 мкл ДМСО
	35	340	35 мг + 3500 мкл ДМСО

Результатом синтеза является химическое соединение 1-(3-(Дифторметил)-1-метил-1H-пиразол-5-ил)-3-(3-фторфенил) мочевина, обладающее фунгицидной активностью (табл. 3).

Таблица 3. Фунгицидная активность синтезированного химического соединения

Соединение	Варианты	Снижение роста мицелия грибов, в %  к контролю
		Fusarium solani	S. sclerotiorum
	Контроль	49,5	65
	10 ppm	60	75
	100 ppm	79,5	85
	Контроль	49,5	75
	10 ppm	59,5	73
	100 ppm	79,5	77,2
	Контроль	49,5	65
	10 ppm	49,5	70
	100 ppm	49,5	72
	Контроль	49,5	75
	10 ppm	54,3	85
	100 ppm	65,5	90,5

Заключение

Установлены структуры, обладающие фунгицидной активностью, содержащие синтез 1-(3-(Дифторметил)-1-метил-1H-пиразол-5-ил)-3-(2-метоксифенил) мочевина, в концентрации 100 мг/л в растворителе Диметилсульфоксид.

Об авторах

Фатима Дикалитовна Дахаева

Чеченский государственный университет им. А.А. Кадырова

Email: dahaevaf@mail.ru
ORCID iD: 0009-0003-9996-3981

кандидат экономических наук, доцент кафедры информационных технологий

Российская Федерация, 364021, Чеченская Республика, г. Грозный, ул. Шерипова, д. 32

Сара Бахман

Российский университет дружбы народов

Email: khadem2021@mail.ru
ORCID iD: 0009-0004-9647-9630

соискатель агробиотехнологического департамента аграрно-технологического института

Российская Федерация, 117198, г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 8/2

Мурат Сабирович Гинс

Российский университет дружбы народов; Федеральный научный центр овощеводства

Email: anirr@bk.ru
ORCID iD: 0000-0001-5995-2696

доктор биологических наук, член-кор., профессор агробиотехнологического департамента, аграрно-технологический институт, Российский университет дружбы народов; заведующий лабораторией физиологии и биохимии растений, интродукции и функционального продукта, Федеральный научный центр овощеводства,

Российская Федерация, 117198, г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 8; Российская Федерация, 143080, Московская обл., Одинцовский район, поселок ВНИИССОК, ул. Селекционная, д. 14

Марьям Баят

Российский университет дружбы народов

Автор, ответственный за переписку.
Email: baiat@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0432-3598

кандидат биологических наук, ассистент агробиотехнологического департамента аграрно-технологического института

Российская Федерация, 117198, г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 8/2

Список литературы

Дополнительные файлы