Синтез и биологическая активность солей β-формилакриловой кислоты
Синтез и биологическая активность солей β-формилакриловой кислоты
Аннотация
Целью работы является синтез растворимых Na- и Ca-солей биологически активной цис-b-формилакриловой кислоты (ФАК) и изучение их рострегулирующей и антистрессовой активности. Синтез ФАК с выходом 35% осуществлен по улучшенной методике, основанной на реакции фурфурола с 30%-ным водным Н2О2 в присутствии V2O5 в качестве катализатора. Взаимодействием выделенного циклического таутомера ФАК (5-гидрокси-2(5Н)-фуранона) с Na2CO3 и Ca(OH)2 с количественным выходом получены натриевая и кальциевая соли ФАК соответственно. Биологическое действие полученных солей изучено на семенах и проростках озимой пшеницы. Рострегулирующую активность препаратов изучали на семенах озимой пшеницы сорта Юна модельными методами лабораторного скрининга. В ходе исследований определяли оптимальную рострегулирующую концентрацию препаратов и их влияние, в том числе в условиях водного стресса, на посевные качества семян озимой пшеницы, оцениваемые по длине и массе побеговой и корневой системы проростков.
Натриевая соль в оптимальной стимулирующей рост концентрации, равной 0,005% масс., проявляет существенное ретардантное действие на ростки и корни проростков, но в условиях водного стресса способствует сохранению интенсивности синтетических процессов в ростках. Кальциевая соль в такой же оптимальной концентрации оказывает выраженное положительное влияние на корневую систему проростков, однако способствует угнетению растений при дефиците влаги. Полученные результаты показывают, что цис-b-формилакриловая кислота и ее Na- и Ca-соли оказывают различное воздействие на отдельные показатели развития проростков озимой пшеницы.
Изученные соли представляют интерес как добавки к композиционным стимуляторам роста растений и как реагенты для тонкого органического синтеза. Полученные результаты создают перспективу для синтеза и изучения рострегулирующих свойств других солей цис-b-формилакриловой кислоты.
1. Введение
Рисунок 1 - Схема 1
Возможности препаративного синтеза цис-b-формилакриловой кислоты (1) оксигенированием фурановых соединений в условиях фото- и электрохимического инициирования, а также их озонированием , , , весьма ограничены из-за сложности и повышенной опасности этих процессов. Нами на основе реакций фурфурола с водным пероксидом водорода в условиях гомогенного катализа соединениями ванадия и анодного окисления разработаны доступные способы получения соединения 1.
Нами установлено также, что водные растворы цис-b-формилакриловой кислоты (1) обладают значительной рострегулирующей и антистрессовой активностью по отношению к семенам и проросткам озимой пшеницы . О работах других авторов в этой области в литературе не сообщается. В связи с этим перспективным представилось изучить биологическое действие солей кислоты 1, которое также ранее не изучалось.
Целью настоящей работы является синтез растворимых Na- и Ca-солей цис-b-формилакриловой кислоты и изучение их рострегулирующей и антистрессовой активности.
2. Методы и принципы исследования
2.1 Материалы
Нами разработан способ получения цис-b-формилакриловой кислоты (1) с выходом до 90 % , используя фурфурол марки «ч» и 30 %-ный водный раствор пероксида водорода в качестве реагентов в присутствии 2-оксинафтената ванадия и гидрохинона в среде водного ацетона. Однако данная методика имеет существенный недостаток, обусловленный трудностью выделения целевого продукта с требуемой степенью чистоты из реакционной смеси. Поэтому с целью повышения степени чистоты целевого продукта синтез гидроксифуранона 1а в настоящей работе осуществляли по приведенной ниже улучшенной методике. Для синтеза солей соединения 1 использовали карбонат натрия марки «х.ч.» и гидроксид кальция марки «х.ч.».
2.2 Синтез цис-b-формилакриловой кислоты
Смесь 0,12 моль (10 мл) фурфурола с 8 г силикагеля для колоночной хроматографии марки Silufol или СТХ-1А выдерживали 3 суток. Затем фурфурол отфильтровывали, при 40-45 0С добавляли 6.10-4 моль (0,01 г) VOSO4, 70 мл воды и 0,36 моль (27,6 мл) 38,5 % пероксида водорода, перемешивали 2-3 мин до прекращения экзотермической реакции. Реакцию вели 6-6,5 ч при 55-60 0С до полного превращения Н2О2 и промежуточно образующихся органических пероксидов. Реакционную смесь охлаждали, отгоняли воду при пониженном давлении и 40-50 0С, полученный остаток сушили на воздухе и в эксикаторе над безводным CaCl2. Полученную смесь продуктов окисления разделяли на хроматографической колонке (адсорбент – силикагель для колоночной хроматографии марки Silufol или СТХ-1А, элюент – хлороформ), выделяли 0,042 моль (4,2 г, выход 35 % от исходного фурфурола) цис-b-формилакриловой кислоты 1 в виде циклического таутомера 1а.
2.3 Синтез натриевой и кальциевой солей b-формилакриловой кислоты
Синтез натриевой соли кислоты 1б осуществляли следующим образом. К 20 %-ному водному раствору 0,5 моль (50 г) синтезированного соединения 1 при перемешивании приливали 20 %-ный раствор 0,25 моль (26,5 г) карбоната натрия, полученную смесь упаривали досуха, сушили на воздухе и получали искомую натриевую соль с количественным выходом.
Для получения кальциевой соли таутомера 1б к 10 %-ному раствору 0,5 моль (50 г) соединения 1 добавляли 0,25 моль (18,5 г) гидроксида кальция. Смесь перемешивали до полного исчезновения осадка Ca(OH)2. После упаривания раствора и сушки полученного остатка получали искомую кальциевую соль с количественным выходом.
2.4 Исследование биологической активности синтезированных солей
Рострегулирующую активность препаратов изучали на семенах озимой пшеницы сорта Юна модельными методами лабораторного скрининга. В ходе исследований определяли оптимальную рострегулирующую концентрацию препарата и его влияние на посевные качества семян озимой пшеницы, оцениваемые по длине и массе побеговой и корневой системы проростков.
В качестве аналогов по свойствам использовали гиббереллин в концентрации 0,001% масс. Кислоту 1 и ее соли испытывали в виде водных растворов с массовой долей 0,01; 0,005; 0,001; 0,0005 и 0,0001 % масс.
Опыты проводили по следующей методике. Семена озимой пшеницы замачивали в водных растворах изучаемого препарата в течение 18 ч и выкладывали на проращивание в рулоны фильтровальной бумаги. Общая продолжительность проращивания всех образцов составила 7 суток. При изучении каждого препарата использовали по 50 шт. семян. Установлено, что испытанные препараты в анализируемом диапазоне концентраций проявляет свойства регуляторов роста, причем их оптимальная стимулирующая рост концентрация составляет 0,005% масс.
Антистрессовую активность цис-b-формилакриловой кислоты и ее солей на семенах озимой пшеницы сорта Юна изучали по следующей методике.
Семена озимой пшеницы замачивали в водном растворе исследуемых препаратов с оптимальной концентрацией 0,005% масс. в течение 18 ч и выкладывали на проращивание в рулоны фильтровальной бумаги. При изучении каждого препарата использовали по 50 шт. семян. Через трое суток от начала проращивания проросшие семена каждого образца подвергали подсушиванию в течение 1 ч и затем выкладывали в рулоны фильтровальной бумаги для последующего проращивания. Общая продолжительность проращивания всех образцов составила 7 суток.
3. Результаты и обсуждение
Результаты влияния кислоты 1 и ее Na- и Ca-солей на посевные качества семян озимой пшеницы сорта Юна, в том числе в условиях водного стресса, приведены в табл. 1.
Таблица 1 - Влияние натриевой и кальциевой солей b-формилакриловой кислоты на семена озимой пшеницы Юна
Действующее вещество | Энергия прорастания, % | Длина проростков, см | Масса проростков, г | Сохранение интенсивности процессов при водном стрессе, % | |||||
Ростки | Корни | Ростки | Корни | Ростовых | Синтетических | ||||
Ростки | Корни | Ростки | Корни | ||||||
Вода (контроль) | 87 | 7,88 | 5,39 | 6,39 | 4,67 | 93,7 | 67,7 | 95,6 | 87,2 |
Гиббереллин | 96 | 8,97 | 5,32 | 6,70 | 5,55 | 93,7 | 85,5 | 97,8 | 84,1 |
Кислота 1 | 91 | 8,03 | 5,65 | 7,36 | 6,17 | 98,8 | 95,2 | 84,6 | 88,7 |
Na-соль кислоты 1b | 96 | 7,74 | 4,90 | 5,69 | 5,51 | 87,1 | 87,6 | 99,5 | 82,4 |
Ca-соль кислоты 1b | 92 | 8,20 | 5,81 | 6,34 | 5,86 | 73,3 | 66,8 | 88,3 | 69,3 |
Из таблицы видно, что цис-b-формилакриловая кислота (1), как и заявлено в патенте , проявляет заметное рострегулирующее и антистрессовое действие. При этом кислота 1, как в обычных условиях, так и при водном стрессе, оказывает большее, по сравнению с гиббереллином, влияние на развитие корней проростков озимой пшеницы.
Примечательно, что Na- и Ca-соли этой кислоты по-разному влияют на развитие проростков, при этом результаты их действия отличаются от действия исходного соединения 1. Так, натриевая соль в обычных условиях проявляет существенное ретардантное действие на ростки и корни проростков по сравнению не только с кислотой 1, но и с чистой водой. В то же время в условиях водного стресса она способствует близкому к 100 %-ному сохранению интенсивности синтетических процессов в ростках проростков.
Характерно, что кальциевая соль в обычных условиях оказывает наиболее выраженное положительное влияние на корневую систему проростков среди всех испытанных препаратов. Однако, в отличие от них, она не только не обладает антистрессовым действием, но, наоборот, способствует угнетению растений при дефиците влаги.
4. Заключение
Представленные результаты показывают, что цис-b-формилакриловая кислота (1) и ее Na- и Ca-соли оказывают различное воздействие на отдельные показатели развития проростков озимой пшеницы. В практическом плане изученные соли представляют интерес как добавки к стимуляторам роста для управления процессами развития растений в зависимости от условий их возделывания, а также как ранее не изученные реагенты для тонкого органического синтеза.
Полученные результаты создают перспективу для синтеза и изучения рострегулирующих свойств солей цис-b-формилакриловой кислоты (1), содержащих другие биогенные металлы – калий, магний, цинк и др.