Synthesis and biological activity of β-formylacrylic acid salts
Synthesis and biological activity of β-formylacrylic acid salts
Abstract
The aim of this work is to synthesize soluble Na- and Ca-sols of biologically active cis-b-formylacrylic acid (FLA) and to study their growth-regulating and anti-stress activity. The synthesis of FLA in 35% yield was carried out by an improved method based on the reaction of furfural with 30% aqueous H2O2 in the presence of V2O5 as a catalyst. By interaction of the isolated cyclic tautomer of FLA (5-hydroxy-2(5H)-furanone) with Na2CO3 and Ca(OH)2, sodium and calcium salts of FLA were obtained in quantitative yield, respectively. The biological effect of the obtained salts was studied on winter wheat seeds and seedlings. Growth-regulating activity of drugs was studied on winter wheat seeds of Yuna variety by model methods of laboratory screening. In the course of research we determined the optimal growth-regulating concentration of preparations and their effect, including underwater stress conditions, on sowing qualities of winter wheat seeds estimated by the length and weight of shoot and root system of seedlings.
Sodium salt in optimal growth stimulating concentration equal to 0.005% wt. shows significant retardant effect on seedlings and roots, but under conditions of water stress favours preservation of intensity of synthetic processes in seedlings. Calcium salt in the same optimal concentration has a pronounced positive effect on the root system of seedlings, but contributes to plant suppression under moisture deficit. The obtained results show that cis-b-formylacrylic acid and its Na- and Ca-salts have different effects on some indicators of winter wheat seedlings development.
The studied salts are of interest as additives to composite plant growth stimulants and as reagents for fine organic synthesis. The results obtained create a prospect for the synthesis and study of growth-regulating properties of other salts of cis-b-formylacrylic acid.
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.