МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«___________________________»

____________________ Минздрава России

УТВЕРЖДАЮ

Заведующих кафедры химии ЛФ

ФГБОУ ВО РНИМУ им.Н.И.Пирогова

Минздрава России ______________________________

« _____» ____________ 20 г.

ОТЧЁТ О НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ

«СТИМУЛЯТОРЫ РОСТА РАСТЕНИЙ: МОДЕЛИРОВАНИЕ И СИНТЕЗ»

(заключительный)

Исполнитель:

_______________

Руководители:

__________________

Москва – 2020

1 Реферат

Объем заключительного отчета составил 25 страниц. Было использовано 9 иллюстраций и 1 таблица. Информация была взята из 16 источников.

Ключевые слова: рост растений, стимуляторы роста, стимуляторы роста растений, фитогормоны, ауксины, гиббереллины, цитокинины.

Объект исследования: растение, на котором была протестирована активность синтезированного стимулятора роста.

Цель работы: смоделировать и синтезировать соединение, являющееся стимулятором роста растений.

Методы исследования: анализ информации, прогнозирование, эксперимент.

Результаты работы: был получен смоделированный ранее стимулятор роста растений (этиловый эфир 4-пиридинкарбоновой кислоты), для которого в PassOnline были теоретически определены основные активности. Также было доказано, что полученное соединение является стимулятором роста.

Область применения: соединение может применяться в ботанике и растениеводстве (плодоводство, овощеводство и пр.).

Рекомендации по внедрению результатов: рекомендуется использовать данное соединение для увеличения урожайности и ускорения роста плодовых, овощных и зерновых культур.

Экономическая эффективность работы: внедрение нового стимулятора роста увеличит урожайность и ускорит созревание плодов, что поможет увеличить прибыль от продажи плодовых, овощных и зерновых культур.

2 Содержание

1 РЕФЕРАТ 2

3 ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 4

4

4 ВВЕДЕНИЕ 5

5 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 6

5.1 Ауксины 7

5.1.1 2,4-Д, 4Х и другие феноксикислоты 10

5.1.1.1 Синтез 4Х 10

5.1.2 ИМК [гамма-(индолил-3)-масляная кислота] 10

5.1.2.1 Синтез ИМК 11

5.1.3 НУК (α-нафтилуксусная кислота) 12

5.1.4 НОУК (β-нафтоксиуксусная кислота) 12

5.2 Гиббереллины 13

5.3 Цитокинины 15

5.3.1 Дифенилмочевина и ее производные 16

5.3.1.1 Синтез дифенилмочевины 17

5.3.1.2 Синтез тидиазурона [N-фенил-N'-(1,2,3-тиадиазол-5-ил)мочевины] 17

5.4 Другие стимуляторы роста растений 18

5.4.1 Фурановые соединения 18

5.4.1.1 Синтез гидрофуранона: 18

5.4.2 Натриевые соли нафтеновых кислот 18

6 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 20

6.1 Биологические испытания 22

7 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 24

8 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 25

3 Обозначения и сокращения

ИУК — индолилуксусная кислота.

ИМК — индолилмасляная кислота.

НУК — α-нафтилуксусная кислота.

2,4-Д — 2,4-дихлорфеноксиуксусная кислота.

2,4,5-Т — 2,4,5-трихлорфеноксиуксусная кислота.

3,5-Д — 3,5-дихлорфеноксиуксусная кислота.

2,4,6-Т — 2,4,6-трихлорфеноксиуксусная кислота.

Индолил-3-ПВК — индолил-3-пировиноградная кислота.

4Х — 4-хлорфеноксиуксусная кислота.

НОУК — β-нафтоксиуксусная кислота.

A₃ — гибберелловая кислота.

АПК — агропромышленный комплекс.

4 Введение

Сейчас стимуляторы роста очень активно используются в растениеводстве для увеличения урожайности и ускорения произрастания растений. Экзогенные стимуляторы значительно ускоряют получение необходимых для человека культур, что позволяет не только увеличивать урожай, но и сокращать расходы. Поэтому АПК находится в постоянном поиске новых стимуляторов роста, которые будут обладать лучшими характеристиками в сравнении с предыдущими.

Было решено смоделировать и синтезировать новое соединение, которое потенциально будет более дешевым в производстве и/или будет обладать улучшенными свойствами по сравнению с другими стимуляторами.

Цель работы: смоделировать и синтезировать соединение, являющееся стимулятором роста растений.

Задачи работы:

1. Анализ литературы по стимуляторам роста и фитогормонам в целом.

2. Моделирование нескольких соединений, которые потенциально могут стимулировать рост у растений.

3. Проверка этих соединений в PassOnline, отбор лучшего из них, обладающего наиболее подходящими активностями.

4. Синтез отобранного соединения.

5. Проведение опыта на растении (маргаритка), чтобы определить, действительно ли соединение является стимулятором роста.

Актуальность работы: создание новых стимуляторов роста особенно актуально для АПК. Если синтезированный нами этиловый эфир 4-пиридинкарбоновой кислоты будет более дешевым и/или более эффективным, чем другие стимуляторы, то это будет способствовать развитию растениеводства и АПК в целом.

5 Обзор литературы

На рост растений могут оказывать влияние как эндогенные, так и экзогенные вещества. Ниже будут рассмотрены и те, и другие: их строение, функции, механизм (если он известен), а также синтез.

Фитогормоны — это вещества, которые принадлежат к эндогенным регуляторам роста растений, они образуются в растении и участвуют в регуляции обмена веществ на всех этапах его жизни. [1]

Фитогормоны делят на 5 больших групп: ауксины, гиббереллины,

цитокинины, этилен, абсцизовая кислота. [2]

Под действием фитогормонов и экзогенных соединений, стимулирующих рост растений, происходит быстрое удлинение стебля растений, усиление роста, стимуляция цветения и увеличение числа завязей. К активным стимуляторам роста относятся гибберелловые кислоты (гиббереллины) — см. рис. 1, ауксины и гетероауксины. [3]

Рис. 1 — Гибберелловая кислота

5.1 Ауксины

Ауксин — первый обнаруженный и наиболее изученный фитогормон. Попытку химической идентификации ауксина впервые предпринял голландский исследователь Кегль, который обнаружил в моче, фекалиях и дрожжах 3-индолилуксусную кислоту. [1]

Рис. 2 — Индолилуксусная кислота и ее производные

1 — индолил-3-уксусная кислота; 2 — индолил-3-ацетальдегид; 3 — индолил-3-ацетонитрил; 4 — индолил-3-этанол; 5 — триптамин; 6 — индолил-3-ацетил-N-аспарагиновая кислота.

Наибольшее значение приобрел гетероауксин, представляющий по строению p-индолилуксусную кислоту (рис. 3, а). В настоящее время его готовят в промышленном масштабе и используют в сельском хозяйстве.

Рис. 3 — Гетероауксин и родственные ему соединения

Получены различные аналоги гетероауксина и родственные ему соединения. Например, альфа-нафтилуксусная кислота (рис. 3, б), которая отличается от него по своему действию — задерживает цветение растений, что позволяет уберечь их от гибели при заморозках. [4]

Ауксиновая активность обнаружена у большого числа соединений, среди которых можно отметить производные фенилуксусной, феноксиуксусной, бензойной кислот, 1-нафтилуксусную кислоту и другие.

Рис. 4 — Некоторые синтетические аналоги ауксина.

1 — γ-(индолил-3)-масляная кислота; 2 — альфа-нафтилуксусная кислота; 3 — бета-нафтоксиуксусная кислота; 4 — 2,4-дихлорфеноксиуксусная кислота; 5 — 4-хлорфеноксиуксусная кислота.

Помимо участия в тропизмах, для ауксина были установлены и другие эффекты, такие как стимуляция камбиальной активности, роста партенокарпических плодов, образование корней и каллуса, задержка распускания боковых почек и опадания листьев и т. д.

Среди различных гомологов ИУК соединения с четным числом углеродных атомов в боковой цепи обладали более высокой активностью, чем соединения с нечетным числом этих атомов, а индолилкарбоновая кислота вообще не активна. Один из гомологов — индолилмасляная кислота (ИМК) — нашел широкое практическое применение, обладая более высокой активностью в качестве стимулятора образования корней, чем ИУК. Считается, что такой характер зависимости активности от длины боковой цепи определяется тем, что при четном числе углеродных атомов в боковой цепи в результате бета-окисления происходит превращение гомологов в соответствующие уксусные кислоты, а при нечетном числе такое превращение осуществляется с трудом или же приводит к образованию неактивных карбоновых кислот.

Замена одного атома водорода в боковой цепи ИУК, НУК или 2,4-Д на CH₃ приводит к образованию соответствующих α-пропионовых кислот. При этом возможны два оптических изомера этих кислот. Было установлено, что ауксиновая активность зависит от оптической изомерии. Например, (+)-изомер индолил-α-пропионовой кислоты обладал примерно в 30 раз более высокой активностью, чем (—)-изомер. При замене обоих атомов водорода в -группе боковой цепи образуются изомасляные гомологи ИУК, НУК, 2,4-Д и других синтетических аналогов ауксина. Эти соединения либо не обладают ауксиновой активностью, либо действуют как антиауксины.

Введение галогена вместо водорода в ароматическом кольце ИУК, приводящее к образованию 4-хлор-ИУК или 6-хлор-ИУК, также значительно повышает ауксиновую активность. При этих замещениях важное значение имеет взаимное расположение заместителей и ацетильной группы. Например, 2,4-Д и 2,4,5-Т очень активны как ауксины и гербициды, тогда как 2-хлорфеноксиуксусная кислота, 3,5-Д и 2,4,6-Т либо неактивны, либо действуют как антиауксины. [1]

Рис. 5 — Схема путей биосинтеза ИУК

1 — триптофан; 2 — индолил-3-ПВК; 3 — триптамин; 4 — индолил-3-ацетальдегид; 5 — индолил-3-уксусная кислота, НАД и НАД*H2 — окисленный и восстановленный никотинадениннуклеотид.

Есть несколько путей биосинтеза ИУК из триптофана. В основном пути L-Trp под действием трансаминазы превращается в индол-2-пируват, который после декарбоксилирования и окисления превращается в ИУК. Часть ИУК в растениях может иметь бактериальное происхождение. Такое наблюдается в случае заражения бактериями корончатого галла (Agrobacterium tumefaciens). В ходе заражения происходит трансформация растительных клеток плазмидой, несущей гены, отвечающие за неконтролируемый растениями синтез ИУК.

5.1.1 2,4-Д, 4Х и другие феноксикислоты

В качестве регулятора роста используют обычно соли 2,4-Д, хорошо растворимые в воде. Он является физическим аналогом эндогенного ауксина, отличаясь от последнего более высокой персистентностью. Однако эксперименты показали, что применение 2,4-Д в дозах, необходимых для проявления росторегулирующей способности, является фитотоксичным.

В некоторых ситуациях все-таки удается реализовать росторегулирующую активность без фитотоксичности (например, для предотвращения предуборочного опадения цитрусовых).

4-хлорфеноксиуксусная кислота (4Х) обладает гораздо меньшей по сравнению с 2,4-Д фитотоксичностью, что позволяет использовать ее для улучшения плодообразования у томатов. [1]

5.1.1.1 Синтез 4х

В реактор объемом 0,5 л загружают ФУК следующего состава: ФУК 87,0; NaCl 4,8; влага 8,0; фенол 0,2; ледяную уксусную кислоту и уксусный ангидрид. Реакционную массу подогревают до 50°C и начинают подачу хлора. Охлаждают реакционную массу при перемешивании до 11°C и отфильтровывают выпавшую 4-хлорфеноксиуксусную кислоту. Тщательно отжимают уксусную кислоту и промывают 4-хлорфеноксиуксусную кислоту водой, высушивают. [5]

5.1.2 Имк [гамма-(индолил-3)-масляная кислота]

Не содержащаяся в высших растениях ИМК во многих случаях влияет на физиологические процессы так же, как ИУК, но отличается от последней относительно высокой персистентностью.

Представляет собой белое кристаллическое вещество с температурой плавления 124°C, хорошо растворимое в этиловом спирте и многих других органических растворителях. [1]

5.1.2.1 Синтез имк

А. Получение кетокислоты. Реакция протекает по схеме:

В сухую трехгорлую круглодонную колбу емкостью 500 мл, снабженную мешалкой с затвором, обратным шариковым холодильником и капельной воронкой, помещают магниевую стружку и анизол и затем медленно приливают в течение 1,5-2 час. иодистый этил. В полученный этил магний-иодид при охлаждении в ледяной воде вводят по каплям раствор индола.

K приготовленному раствору индолил магний-иодида, охлажденному до комнатной температуры, быстро приливают горячий раствор янтарного ангидрида.

Затем к смеси приливают разбавленную уксусную кислоту. Выделившуюся кетокислоту отфильтровывают, тщательно отжимают и промывают несколько раз водой. Фильтрат переносят в делительную воронку, где довольно быстро отделяется анизольный слой, из которого анизол может быть легко и с хорошим выходом регенерирован.

Перед восстановлением продукт подвергают щелочному переосаждению и обработке активированным углем.

Б. Восстановление кетокислоты в гамма-(индолил-3)-масляную кислоту.

Реакция протекает по схеме:

К цинковой пыли (амальгамированной) приливают раствор кетокислоты. Смесь нагревают до кипения при хорошем перемешивании и медленно прибавляют по каплям соляную кислоту. Бутанольный раствор ИМК помещают в прибор для перегонки с паром, смешивают с раствором едкого натра и через смесь пропускают водяной пар до полной отгонки бутанола. Оставшийся щелочной раствор, обычно содержащий небольшое количество бурого хлопьевидного осадка, нагревают до кипения с углем и фильтруют. Фильтрат охлаждают и подкисляют разбавленной соляной кислотой. Затем медленно при перемешивании прибавляют соляную кислоту. Осадок после отжимания на воронке промывают несколько раз холодной водой до удаления соляной кислоты в промывных водах и затем высушивают сначала на воздухе, а потом в эксикаторе.

Для очистки технический продукт перекристаллизовывают из бензола и получают чистую гамма-(индолил-3)-масляную кислоту. [6]

5.1.3 Нук (α-нафтилуксусная кислота)

Физиологический аналог фуксина. Используется в качестве эффективного регулятора роста растений. Производится в виде калиевой соли, амида или метилового эфира. Наибольшее значение имеет калиевая соль α-нафтилуксусной кислоты (КАНУ).

Белое кристаллическое вещество с температурой плавления 131-132°C. Растворимость в 100 мл воды при 25°C 41-42 мг.