Полимерные силатраны и их биологическая активность

Polymeric silatranes and their biological activity

Vladislav Istratov

PhD (Chemistry), senior researcher, A.N. Nesmeyanov Institute of organoelement compounds of Russian Academy of Sciences,  Moscow, Russia

Elena Andreeva

Student, M.V. Lomonosov Institute of Fine Chemical Technologies, Moscow Technological University, Moscow, Russia

Valery Vasnev

Dr.Sci. (Chemistry), professor, head of laboratory, A.N. Nesmeyanov Institute of organoelement compounds of Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia

Авторы выражают благодарность центру исследования строения молекул ИНЭОС РАН Российскому фонду фундаментальных иссле­дований за финансовую поддержку работы (грант № 17-03-01089).

Аннотация. Впервые получены и охарактеризованы с помощью методов ГПХ, ИК- и ЯМР спектроскопии новые линейные и разветвлённые силатран-содержащие полимеры; Используя полимерные и низкомолекулярные силатраны, проведены лабораторные испытания их биологической активности по отношению к пшенице сорта «Яровая Харьковская 46». Установлено, что все исследованные полимеры положительно влияют на онтогенез растений.

Abstract. For the first time, new linear and branched silatrane-containing polymers have been obtained and characterized using GPC, IR and NMR spectroscopy; Using polymeric and low molecular silatranes, laboratory tests of their biological activity with respect to wheat “Yarovaya Kharkovskaya 46” were carried out. It was established that all studied polymers have a positive effect on the ontogenesis of plants.

Ключевые слова: сополимеры; силатраны; биологическая актив­ность.

Keywords: copolymers; silatranes; biological activity.

Одной из ключевых задач, стоящих перед современной элементо­органической химией, является создание уникальных материалов, средств защиты растений, лекарственных средств и других инновационных продуктов, обладающих высокой и избирательной биологической активностью.

Весьма перспективным направлением получения подобных веществ является исследование силатранов – внутрикомплексных кремнийорганических эфиров, начатое ещё в середине прошлого века академиком М.Г. Воронковым [1]. В настоящее время получен широкий спектр низкомолекулярных силатранов, однако до стадии промышлен­ного производства дошли лишь отдельные представители силатранов, такие как хлорметилсилатран («мивал»), 1-этоксисилатран («мигуген»), 1-этил- и 1-винилсилатраны [2, 3].

Вместе с тем, современная агротехника требует новых высоко­эффективных регуляторов роста и развития растений.

В свете этого особый интерес представляют биологически активные кремнийорганические вещества, показывающие высокую эффективность в малых дозах (0,1-10 г/га) [4].

К сожалению, в настоящее время практически отсутствуют публикации, посвященные силатрансодержащим полимерам; В то же время известно, что иммобилизация биологически активных соединений на полимерах позволяет существенно расширить область их применения.

Нам представлялось важным оценить влияние иммобилизации силатранов на полимерах на их биологическую активность.

С этой целью был синтезирован и исследован ряд полимеров, содержащих боковые силатрановые фрагменты.

Экспериментальная часть. (3-аминопропил) триэтоксисилан (98 %, "ABCR"), триэтаноламин (ТЭА, "ч", "Химмед") и 1,1'- карбо­нилдиимидазол (97 %, "ACROS"), янтарный ангидрид (98 %, "ACROS"), семена пшеницы сорта «Яровая Харьковская 46» (ООО группа ком­паний “Гавриш”) использовали без дополнительной обработки; Метиленхлорид, бензол, триэтиламин, ("ч", "Химмед") очищали в соответствии со стандартными методиками [5].

Синтез полимеров проводили в соответствии со схемами, изображёнными на рис. 1 и 2, при этом у полимеров варьировались количество силатрановых заместителей.

Предварительно нами были получены: линейные карбоксил-содержащие полиметакрилаты в соответствии с методикой [6], содер­жащие 10 % (Mw= 11800 Da, Mw/Mn = 1.34), 20 % (Mw= 10500 Da, Mw/Mn = 1.47), и 30 % (Mw= 14600 Da, Mw/Mn = 1.56) звеньев со свободными карбоксильными грппами, а также сверхразветвлённый полиглицерин анионной полимеризацией глицидола в соответствии с методикой [7] (Mw= 9800Da, Mw/Mn = 1.23), на основе которого по изображённой на рис. 2 схеме были синтезированы полиглицерол­сукцинаты со степенью замещения 10, 20 и 30 %.

Синтез проводили в присутствии каталических количествах триэтиламина, в течение 2 часов, при температуре 130 °C, и постоянном перемешивании. Отдельно получали низкомолекулярный 3 – амино­пропилсилатран вариацией описанной в [8] методике: к смеси триэтаноламина (15.0 мл, 16.8 г, 0.11 моль) с бензолом (30 мл) добавляли каталическое количество (5 мг) металлического натрия, после чего смесь нагревали при 80° в течение 1 часа.

Затем к реакционной смеси добавляли раствор эквивалентного количества (27.3 г, 0.11 моль) 3 – аминопропилтриэтоксисилана в бензоле (20 мл), и проводили синтез силатрана в течение 18 часов азеотропной отгонкой смеси бензола и этанола, одновременно прибавляя к реакционной смеси аналогичное отогнанному количество сухого бензола.

После окончания реакции силатран не выделяли, а использовали полученный после проведения синтеза раствор.

Рисунок 1. Схема синтеза линейных сополимеров

Рисунок 2. Схема синтеза разветвлённых сополимеров

На следующей стадии проводили амидирование карбоксил-содержащих сополимеров 3 – аминопропилсилатраном, используя в качестве промотора реакции 1,1'- карбонилдиимидазол. При этом были получены линейные образцы 1 – 3 с содержанием силатрановых фрагментов 9.5 – 29.5 % на основе линейных сополиметакрилатов, содержащих 10 – 30 карбоксильных групп, соответственно.

Кроме этого, на основе сверхразветвлённых полиглицеринов, замещённых янтарным ангидридом на 10, 20 и 30 % были получены силатран-содержащие сополимеры с 9 – 27 % силатрановых фрагментов, соответственно.

Синтез проводили в мягких условиях, в среде метиленхлорида при комнатной температуре и постоянном перемешивании в течение 24 часов. В коническую колбу объемом 25 мл, загружали расчетное количество карбоксил-содержащего блок-сополимера, 1,1'- карбонилдиимидазола – активатора карбоксильной группы, и 3 – аминопропилсилатрана. Схема синтеза представлена на Рис. 1 и 2.

Полученные силатран-содержащие сополимеры были очищены диализом из раствора в ТГФ (мембрана Spectra/Por 6, MWCO 1000 Da) и осушены в вакууме 40 Па при температуре 25°С в течение 24 часов.

ИК-спектры были получены для растворов сополимеров в CHCl₃ на ИК-спекторофотометре "Specord M 80".

ЯМР-спектры были получены для 10 %-ных растворов сополи­меров в CDCl₃ на спектрометре "Брукер" с рабочей частотой для
¹Н – 600.22 МГц и для ¹³С –150.94 МГц (внутренний стандарт – тетраметилсилан) в лаборатории ядерного магнитного резонанса ИНЭОС РАН им. А.Н. Несмеянова.

Гель-проникающая хроматография сополимеров была выполнена на хроматографе “Waters 150”, (элюент – ТГФ (1мл/мин), колонка – PL-GEL 5u MIXC (300x7.5 mm))

Влияние синтезированных соединений и композиций на энергию прорастания пшеницы сорта «Яровая Харьковская 46» проводили согласно ГОСТ 12038-84 [9].

В большие чашки Петри на нескольких слоях фильтровальной бумаги, увлажненной дистиллированной водой (контроль) или водным раствором исследуемых полимеров, помещали по 20 семян. Проращи­вание семян проводили в климат камере при температуре 25°C и тусклом свете в дневное время, повторность опытов – пятикратная.

На пятый день определяли энергию прорастания и длину корневой системы проростков.

Результаты и их обсуждение. В данной работе были синтези­рованы серии амфифильных сополимеров, отличающихся природой и архитектурой основной полимерной цепи, а также содержанием силатрановых блоков в сополимере. Следует отметить, что в линейных сополимерах содержание карбоксильных групп составляло 48.5 % (на рис. 1 (n : m) = 0.515 : 0.485), а в разветвлённых – соотношение гидроксильных и свободных карбоксильных групп составляло 50 : 50 %. Все сополимеры были получены в виде твердых белых материалов, растворимых в хлороформе, этаноле и воде. Для полимеров был определён выход, а также они были охарактеризованы методами ГПХ, ИК- и ЯМР- спектроскопии. Замещение свободных карбоксильных групп контролировали по ¹Н и количественной ¹³С ЯМР спектроскопии, на основании интегральных интенсивностей сигналов в ЯМР спектрах, характерных для этих незамещённых и замещённых силатранами полимеров. Полученные результаты приведены в табл. 1.

Таблица 1.

Строение синтезированных полимеров

Видно, что все соединения были получены с выходом не менее 92 %, что предполагает полноту протекания реакции. Расчётные и экспериментально определённые количества карбоксильных групп, замещённых силатранами, близки, что свидетельствуют о соответствии полученных структур расчётным.

Сравнивая характеристики полимеров, представленных в табл. 1, видно, что молекулярная масса линейных и разветвлённых сополи­меров была сопоставимой, и находилась в диапазоне 12300-16300 г/моль. Для всех линейных сополимеров полидисперсность была выше, чем у разветвлённых полимеров, при этом она заметно увеличивалась с увеличением содержания силатрановых блоков. Вероятно, это связано со стерическими затруднениями доступа к карбоксильным группам на макромолекулярнй цепи, окруженной присоединившимися объёмными силатрановыми блоками.

Было проведено исследование влияния синтезированных сополи­меров на прорастание пшеницы яровой; полученные данные приведены в табл.2.

Таблица 2.

Влияние полимеров на прорастание семян яровой пшеницы

При этом было установлено, что энергия прорастания семян в присутствии полимерных силатранов была выше контроля, и увели­чивалась с увеличением содержания силатрана в полимере. В то же время, энергия прорастания семян в присутствии низкомолекулярного силатрана практически во всех случаях была выше, чем в присутствии связанных с полимером силатранов. Интересно, что низкомолекулярный силатран практически не влиял на длину корней по сравнению с контролем. В присутствии линейных сополимеров длина корней пшеницы слегка уменьшается; с увеличением количества силатранов в полимере длина корней уменьшается. В присутствии разветвлённых силатранов наблюдается противоположная картина: с увеличением количества силатранов в полимере длина корней пшеницы увели­чивается, превышая значения контроля для образцов с наивысшим содержанием силатрановых блоков.

Выводы. Таким образом, нами впервые получены и охаракте­ризованы силатран-содержащие полимеры; Новые полимеры иденти­фицированы с помощью методов ГПХ, ИК- и ЯМР спектроскопии. Используя полимерные и низкомолекулярные силатраны, проведены лабораторные испытания их биологической активности по отношению к пшенице сорта «Яровая Харьковская 46». Установлено, что все иссле­дованные полимеры положительно влияют на онтогенез растений.