КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 22-23-00726
НазваниеДизайн ферроценсодержащих мезоионных регуляторов роста растений
РуководительЧерепанов Илья Александрович, Кандидат химических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт элементоорганических соединений им. А.Н.Несмеянова Российской академии наук, г Москва
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2022 г. - 2023 г. |
Конкурс№64 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».
Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-102 - Синтез, строение и реакционная способность металло- и элементоорганических соединений
Ключевые словасидноны, сиднонимины, мезоионные соединения, ферроцен, ферроценилалкилирование, пестициды, регуляторы роста, антидоты гербицидов
Код ГРНТИ31.21.27, 31.21.29, 31.27.37
СтатусУспешно завершен
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
В связи с постоянно нарастающим антропогенным воздействием на биосферу, связанным с широким применением пестицидов в сельском хозяйстве, важнейшей задачей человечества является ослабление этого негативного воздействия без потерь производительности сельскохозяйственной отрасли. Повышение экологической безопасности и производительности современного сельского хозяйства требует комплекса мер, в том числе поиска новых химических средств защиты растений. Представленный проект носит междисциплинарный характер и включает как химическую составляющую, так и сельскохозяйственную.
С фундаментальной точки зрения проект направлен на создание принципиально нового класса веществ – ферроценсодержащих мезоионных гетероциклов, в которых будут содержаться два биологически активных фрагмента связанные между собой линкером посредством химической связи. Активные фрагменты будут разработаны на основе доступных ферроценовых производных, содержащих высоко реакционноспособные функциональные группировки, и органических производных, содержащих готовый мезоионный фрагмент, несущий в заданных положениях функциональные группы, потенциально пригодные для введения ферроценсодержащих заместителей. Данный подход обеспечит доступ исследователей к широкому кругу ферроценовых производных мезоионных гетероциклов (сиднонов и сиднониминов), которые не могут быть получены классическим способ конструирования мезоионного фрагмента – реакцией циклизации соответствующим образом замещенных N-нитрозопроизводных α-аминоацетонитрилов и аминокислот.
В прикладном плане полученные вещества будут представлять большой интерес в качестве экологически более безопасных пестицидов, поскольку на основании предварительных исследований можно ожидать, что эти соединения могут: 1) быть столь же эффективными, как и уже известные, но применяться в сверхмалых дозах и, тем самым, оказывать меньшее негативное воздействие на окружающую среду, 2) являться антидотами гербицидов, использование которых позволит уменьшить токсическое воздействие почвенных остатков гербицидов на культурные растения, 3) обладать свойствами стимуляторов роста растений, применение которых приводит к повышению урожайности и устойчивости сельхозкультур к неблагоприятным факторам внешней среды.
Синтетическая доступность такого нового класса веществ, как ферроценсодержащие мезоионные гетероциклы, позволит изучить взаимосвязь «структура-активность» в сериях полученных производных с целью выявления наиболее перспективных соединений для применения в сельском хозяйстве.
Ожидаемые результаты
Для осуществления поставленных целей в рамках данного проекта предполагается проведение исследований, в результате которых будет получен ряд важных теоретических и практических результатов. Основная идея проекта (в общем виде представлена на рис. 1) заключается в создании фундаментальных подходов к методам получения ферроценовых производных мезоионных гетероциклов (сиднонов и сиднониминов), поскольку на основании предварительных исследований [I.A. Cherepanov, E.V. Shevaldina, D.A. Lapshin, Yu.Ya. Spiridonov, V.A. Abubikerov, S.K. Moiseev., J. Organomet. Chem., 2021, 943, 121841] можно ожидать, что эти соединения могут представлять большой практический интерес в качестве экологически более безопасных пестицидов (регуляторов роста растений и антидотов гербицидов), применяемых в сверхмалых дозах.
Классический способ получения производных сиднонов и сиднониминов заключается в циклизации соответствующим образом замещенных N-нитрозопроизводных аминокислот и α-аминоацетонитрилов. Этот метод не может быть применен для получения ферроценовых производных сиднониминов вследствие неустойчивости ферроценового фрагмента в условиях циклизации. Поэтому для создания такого типа молекул предполагается ферроценмодификация уже сформированного сиднонового или сиднониминового каркаса. Для этого в соответствии с рис. 1 будут использоваться доступные ферроценовые производные и сидноны/сиднонимины, содержащие подходящие по реакционной способности функциональные группировки. Такой подход позволит получить широкий круг производных:
1. Реакцией мезоионных гетероциклов, содержащих в 4 положении оксадиазольного кольца SH-, NH- или OH-группу, с ферроценсодержащими карбонатами будут получены продукты S-, N- и O-ферроценилалкилирования сиднонов и сиднониминов.
2. Реакцией 4-литированных по 4-му положению сиднонов и сиднониминов с формилферроценом планируется синтезировать ферроценсодержащие гидроксиметильные производные.
3. С использованием хлорангидрида ферроценкарбоновой кислоты и мезоионных гетероциклов с аминогруппой в 4 положении планируется получить амиды сиднонов и сиднониминов.
4. Нуклеофильным замещением атома галогена в хлорацетильном производном ферроцена под действием 4-меркаптопроизводных сиднонов и сиднониминов планируется синтезировать тиоэфиры.
5. Замещением атома хлора в 4-хлорацетильных производных сиднонов под действием α-ферроценилалкиламинов планируется получить аминокарбонильные производные.
6. Прямым ацилированием гидрохлоридов сиднониминов под действием хлорангидрида ферроценкарбоновой кислоты планируется синтезировать N6-ферроценоилсиднонимины.
7. Замещением атома галогена в N6-α-галогенацильных производных сиднониминов под действием α-ферроценилалкиламинов планируется получить N6-(α-ферроценилалкил)глициноилсиднонимины.
Все вышеперечисленные производные ранее получены не были. Создание удобных методов синтеза такого широкого круга ферроценовых производных мезоионных гетероциклов позволит сделать данный класс соединений синтетически более доступным для исследователей, в том числе для тех, кто занимается прикладными разработками.
В проекте планируется проведение скрининга на кукурузе рострегулирующей активности полученных ферроценовых производных мезоионных соединений и их антидотной активности по отношению к гербицидам класса сульфонилмочевин. Исследование указанных видов активности в рядах сходных по химическому строению производных, представители которых ранее показали перспективные результаты, дадут информацию о взаимосвязи «структура-активность» среди близких по строению ферроценсодержащих мезоионных соединений. Это должно позволить выявить структурные фрагменты соединений, оказывающие существенное влияние на их активность и приступить к направленному поиску соединений, обладающих наиболее перспективными профилями активности в очень малых дозах, т. е. оказывающим меньшее неблагоприятное антропогенное воздействие на окружающую среду.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В ходе выполнения проекта был получен широкий спектр ранее неизвестных ферроценовых производных мезоионных гетероциклических соединений (сиднонов и сиднониминов). Разработаны методы синтеза 4-(α-ферроценилалкил)тио-, 4-(α-гидрокси-ферроценилметильных)- и 4-(α-метокси-ферроценил)метильных- производных сиднонов и сиднониминов.
Проведены исследования росторегулирующей и антидотной активности синтезированных производных на проростках семен кукурузы, в вегетационных экспериментах в лаборатории искусственного климата и полевых испытаниях. Среди полученных соединеий обнаружен ряд веществ, проявляющих гербицидную, ростостимулирующую и антидотную (по отношению к гербициду «Зингер») активности в сверхмалых дозах 0.25 – 5.0 граммов на тонну семян кукурузы.
https://rscf.ru/upload/iblock/5aa/6e9gdqmz5k2tzf11rkomzfi0s0or0oeb.pdf
http://conferencerudn.com/wp-content/uploads/2022/09/book-of-abstracts_2.0.pdf
https://ineos.ac.ru/files/aspirantura/sss-2022.pdf
https://lomonosov2022.chem.msu.ru/proceedings/
\http://wsoc-msu.ru/index.php/ru/program-menu-rus
Публикации
1. Калганова Н. В., Смольяков А. Ф., Моисеев С. К., Черевацкая М. А., Черепанов И. А. Ферроценсодержащие производные сиднонов и сиднониминов. Росторегулирующие свойства и антидотная активность Известия Академии наук. Серия химическая, 2023, том 72, № 6, с. 1688-1700 (год публикации - 2022)
2. Шевалдина Е.В., Цыганов В.А., Калганова Н.В., Смольяков А.Ф., Фролова Н.Г., Черепанов И.А. Ferrocenyl alkylation of 4-mercapto derivatives of sydnones and sydnone imines. New antidotes for sulfonylurea herbicides Applied Organometallic Chemistry, - (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1002/aoc.6981
3. Калганова Н.В., Лапшин Д.А.,Черепанов И.А. Дизайн ферроценсодержащих мезоионных регуляторов роста растений Всероссийская научная конференция «Марковниковские чтения» Сентябрь 16-21, 2022. Лоо, Сочи, Всероссийская научная конференция «Марковниковские чтения» Сентябрь 16-21, 2022. Лоо, Сочи, Сбоник тезисов, с. 57 (год публикации - 2022)
4. Калганова Н.В., Шевалдина Е.В., Черепанов И.А. Арил-, гетероарил-, ферроценилзамёщенные α-гидроксиметильные производные сиднониминов и их биологическая активность Материалы Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2022», секция «Химия». – М.: Издательство «Перо», 2022, Материалы Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2022», секция «Химия». – М.: Издательство «Перо», 2022. – 72 МБ. [Электронное издание] с.510 (год публикации - 2022)
5. Шевалдина Е.В., Цыганов В.А., Калганова Н.В., Фролова Н.Г., Черепанов И.А. Ferrocenylalkylation of thio derivatives of sydnones and sydnone imines Успехи синтеза и комплексообразования = Advances in synthesis and complexing : сборник тезисов шестой Международной научной конференции. Москва, РУДН, 26–30 сентября 2022 г. – Москва : РУДН, 2022. – 468 с. : ил., Успехи синтеза и комплексообразования: сборник тезисов шестой Международной научной конференции. Москва, РУДН, 26–30 сентября 2022 г. – Москва : РУДН, 2022. – [Электронное издание] с.245 (год публикации - 2022)
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Современное сельское хозяйство и продовольственная безопасность человечества, немыслима без применения пестицидов. Фунгициды, гербициды, инсектициды, дефолианты, антибиотики и другие химические вещества миллионами тонн применяются при производстве сельскохозяйственной продукции, усиливая с каждым годом пестицидный пресс на нашу планету. Один из способов решения этой проблемы – поиск новых препаратов, активных в сверхмалых дозах. Поиск подобных веществ целесообразно проводить среди соединений, ранее мало изученных в области применения в сельском хозяйстве. Одним из таких классов соединений являются мезоионные гетероциклы. Это особый тип гетероциклов, обладающих уникальным строением и химико-физическими свойствами. Они не обнаружены в живой природе, но среди них найдено большое количество соединений, обладающих широчайшим спектром биологической активности. Ране нами было показано, что ряд сиднонов и сиднониминов, являющихся наиболее изученными представителями класса мезоионных гетероциклов, проявляют ростостимулирующие свойства.
Целью данного проекта был синтез мезоионных гетероциклических соединений (сиднонов и сиднониминов), несущих ферроценильный заместитель и исследование потенциала их применимости в качестве пестицидов. До начала реализации данного проекта, производные мезоионных гетероциклов, содержащие ферроценильный фрагмент, известны не были. Введение ферроценового фрагмента в биологически активное мезоионное соединение может существенным образом изменить профиль его активности. Планировалось изучить полученные производные на ростостимулирующую и антидотную по отношению к гербициду Зингер активности.
В ходе выполнения проекта были разработаны препаративные методы получения ряда ферроценовых производных сиднонов и сиднониминов. Введение ферроценового фрагмента было осуществлено посредством различных линкеров как в положение 4 оксадиазольного колца сиднонов и сиднониминов, так и в заместитель при экзоциклическом атоме азота сиднониминов. Всего было получено 40 различных производных.
Синтезированные производные были испытаны на биологическую активность в вегетационных экспериментах на проростках кукурузы. Среди них были обнаружены соединения, проявляющие ростостимулирующую и антидотную по отношению к гербициду Зингер активности в дозировке- 0.5г на тонну семян. Так же было проведено исследование зависимости активности от дозы для ряда ферроценовых производных сиднонов и сиднониминов. Показано, что росторегулирующая активность этих соединений носит ярко выраженный дозозависимый характер. В высоких дозировках эти соединения проявляют угнетающий эффект на развитие семян кукурузы, однако в низких дозировках они проявляют ростостимулирующее действие. Ряд производных показала высокую ростостимулирующую активность в ультранизких дозировках (до 30% стимуляции роста в дозе 20мг на тонну семян)
Полученные результаты убедительно указывают на важность дальнейшего изучения производных сиднонов и сиднониминов, несущих ферроценовый заместитель. Так же эти производные представляют большой интерес, в качестве потенциальных высокоэффективных пестицидов для применения в сельском хозяйстве.
Публикации
1. Калганова Н.В., Фролова Н.Г., Годовиков И.А., Смоляков А.Ф., Лапшин Д.А., Черепанов И.А. N6-Ferrocenylcarbonyl derivatives of sydnone imines: synthesis, modification, growth-regulating and antidote against herbicide "Zinger" activities. Journal of Organometallic Chemistry, - (год публикации - 2024) https://doi.org/10.1016/j.jorganchem.2023.122975
2. Калганова Н.В., Цыганов В.А., Фролова Н.Г., Черепанов И.А. Ферроценильные сидноны и сиднонимины Сборник тезисов докладов Восьмой Междисциплинарной конференции «Молекулярные и Биологические аспекты Химии, Фармацевтики и Фармакологии» / под редакцией К.В. Кудрявцева и Е.М. Паниной. – М. : «Перо», 2023. – 288 с., Сборник тезисов докладов Восьмой Междисциплинарной конференции «Молекулярные и Биологические аспекты Химии, Фармацевтики и Фармакологии» / под редакцией К.В. Кудрявцева и Е.М. Паниной. – М. : «Перо», 2023. – 201 с. (год публикации - 2023)
3. Черепанов И.А., Калганова Н.В. Мезоионные пестициды Сборник тезисов докладов Восьмой Междисциплинарной конференции «Молекулярные и Биологические аспекты Химии, Фармацевтики и Фармакологии» / под редакцией К.В. Кудрявцева и Е.М. Паниной. – М. : «Перо», 2023. – 288 с., Сборник тезисов докладов Восьмой Междисциплинарной конференции «Молекулярные и Биологические аспекты Химии, Фармацевтики и Фармакологии» / под редакцией К.В. Кудрявцева и Е.М. Паниной. – М. : «Перо», 2023. – 151 с. (год публикации - 2023)
Возможность практического использования результатов
В ходе выполнения проекта был открыт новый класс биологически активных соединений - ферроценсодержащие производные мезоионных гетероциклических соединений (сиднонов и сиднониминов). В ульта-низких дозировках 0.02-0.5 грамм на тонну семян эти соединения проявили высокую ростостимулирующую активность на развитие кукурузы - одной из важнейших сельскохозяйственных культур. Так же была обнаружена антидотная по отношению к гербициду Зингер ативность ряда ферроценовых производных сиднонов и сиднониминов. Эти соединения обладают высоким потенциалом для применения в сельском хозяйстве в качестве пестицидов. Разработка препаратов на их основе позволит существенно увеличить производство сельскохозяйственной продукции и обеспечить продовольственную безопастность Российской федерации.