Химические классы пестицидов
Оглавление
- Физические и химические свойства
- Реакции, протекающие с участием гетероатома (азота)
- Реакции замещения атомов водорода пиридинового цикла
- Реакции восстановления и окисления
- Раскрытие пиридинового кольца
- Важнейшие производные пиридина
- Пиколины
- Пиридинкарбоновые кислоты
- Аминопиридины
- Пиперидины
- Гидроксипиридины (оксипиридины, пиридинолы).
- Применение
- Токсикологические свойства и характеристики
- История
Физические и химические свойства
Пиридин (азин) (фото «Пиридин и его гомологи», соединение 1) – первое соединение данного класса, его часто рассматривают как как аналог бензола, в котором одна группа -СН заменена атомом азота[5].
В формуле пиридина шесть ℼ-электронов двойных связей образуют ароматический секстет. Поэтому пиридин, как и бензол проявляет ароматические свойства – устойчив к окислению, вступает в реакции электрофильного замещения[6].
Пиридин – гетероароматическое соединение и ℼ – дефицитная гетероароматическая система[7].
Пиридин – бесцветная жидкость с характерным неприятным запахом, температура кипения 115ºС, смешивается с водой, этанолом и большинством органических растворителей[7].
Характерные для пиридина реакции, в ходе которых и получают производные пиридина, условно делятся на три группы:
- реакции, протекающие с участием гетероатома (азота);
- реакции замещения атомов водорода пиридинового цикла;
- реакции восстановления и окисления[7].
1. Пиридин (азин) C5H5N (номер CAS 110-86-1)
2. Пиридинсульфотриоксид C5H5NO3S (номер CAS 26412-87-3)
3. 2-аминопиридин C5H6N2 (номер CAS 504-29-0)
4. 2-гидроксипиридин (2-пиридинол) (номер CAS 586-98-1)
5. Пиперидин C5H11N (номер CAS 110-89-4)
6. 1-пентанамин C12H17N (номер CAS 22710-00-5)
7. Пиридин-N-оксид C5H5NO (номер CAS 694-59-7)[8]
Реакции, протекающие с участием гетероатома (азота)
Пиридин является слабым основанием. Его водные растворы окрашивают лакмусовую бумагу в синий цвет. При взаимодействии с сильными минеральными и органическими кислотами (хлороводородная, бромоводородная, серная, пикриновая и прочее) пиридин образует хорошо кристаллизующиеся пиридиниевые соли. Образование соли с пикриновой кислотой используют для идентификации пиридина[7].
Пиридин сравнительно легко вступает в реакцию с оксидом серы (VI) с участием неподеленой пары электронов атома азота и образует донорно-акцепторный комплекс – пиридинсульфотриоксид (фото«Пиридин и его гомологи», соединение 2). Это соединение используется в органическом синтезе как мягкий сульфирующий реагент[7].
При взаимодействии с алкил- и ацилгалогенидами пиридин образует четвертичные соли N-алкил- и N-ацил- пиридиния. В этих группах реакций атом азота молекулы пиридина проявляет нуклеофильные свойства. Соли N-ацилпиридиния отличаются высокой реакционной способностью ацильного фрагмента в реакциях с нуклеофилами и являются эффективными ацилирующими реагентами[7].
Реакции замещения атомов водорода пиридинового цикла
Реакции электрофильного замещенияв пиридиновом цикле возможны только в жестких условиях. Нитрование осуществляется с низким выходом при нагревании пиридина с калия нитратом в дымящей серной кислоте при 300ºС. Сульфирование – только при нагревании с олеумом (220–270ºC) в присутствии сульфата ртути (II) как катализатора. Бромирование пиридина возможно только при действии брома в олеуме. Электрофильный реагент направляется строго в β-положение цикла. Реакции алкилирования и ацилирования для пиридина не характерны[7].
Реакции нуклеофильного замещения облегчены в результате понижения электронной плотности на атомах углерода пиридинового цикла. Пиридин, в отличии от бензола, легче реагирует с нуклеофильными реагентами, образуя продукты замещения в положениях 2,4, 6 (α- и γ- положения). Наиболее известно аминирование по Чичибабину, основанное на взаимодействии пиридина с амидом натрия NaNH2в среде жидкого аммиака при нагревании. В результате реакции образуется 2-аминопиридин (фото «Пиридин и его гомологи», соединение 3). Дальнейшее аминирование приводит к образованию 2,6-диаминопиридина. Замещение на аминогруппу атома водорода в положении γ, происходит только если α-положения уже заняты[7].
Аналогично протекает гидроксилирование пиридинового цикла. При пропускании паров пиридина над сухим гидроксидом калия гидроксидом при 300–320ºС образуется 2-гидроксипиридин (2-пиридинол) (фото «Пиридин и его гомологи», соединение 4)[7].
Реакции восстановления и окисления
Пиридиновый цикл восстанавливается легче, чем бензольный. В зависимости от природы восстановителя и условий гидрирования образуются различные продукты реакций. При восстановлении водородом в момент выделения (металлический натрий в этаноле) либо водородом над платиновым, палладиевым или родиевым катализатором образуется пиперидин (фото «Пиридин и его гомологи», соединение 5)[7].
В жестких условиях, при высокотемпературном каталитическом гидрировании осуществляется восстановительное расщепление пиридинового кольца по связи C–N с образованием 1-пентанамина (фото «Пиридин и его гомологи», соединение 6)[7].
Пиридиновое кольцо устойчиво к действию окислителей. Алкилпиридины, как и алкилбензолы, окисляются легко, образуя при этом соответствующие пиридинкарбоновые кислоты[7].
N-окисление: под действием пероксикислот пиридиновый цикл окисляется по атому азота с образованием N-оксидов. Пиридин-N-оксид (фото «Пиридин и его гомологи», соединение 7) и его производные способны достаточно легко восстанавливаться до исходных пиридинов. В качестве восстанавливающих агентов обычно используют галогениды фосфора (III)[7]. Пиридин-N-оксид более активен в реакциях электрофильного замещения чем пиридин. Он намного легче вступает в реакцию нитрования и при нитровании азотной кислотой или нитратом калия в серной кислоте образует 4-нитропиридин-N-оксид. Замещеный N-оксид восстанавливается в соответствующий пиридин. Данную реакцию используют для получения γ‑замещенных пиридина[7].
Алкилирование и ацилирование N-оксидов идет по атому кислорода. При этом образуются соли N-алкокси- и N-ацилоксипиридиния. С нуклеофильными реагентами N-оксиды реагируют так же, как и пиридин, в основном в положении 2[7].
Раскрытие пиридинового кольца
Пиридин сильно отличается от бензола по легкости раскрытия кольца. Такой процесс возможен при каталитическом гидрировании, при действии йодистого водорода. Известны и другие реакции подобного типа[5].
1. α-пиколин (2-метилпиридин)
2. β-пиколин (3-метилпиридин)
3. γ-пиколин (4-метилпиридин)
4. α-пиридинкарбоновые кислоты
5. β-пиридинкарбоновые кислоты
6. γ-пиридинкарбоновые кислоты
7. α-гидроксипиридин
8. β-гидроксипиридин
9. γ-гидроксипиридин[7]
Важнейшие производные пиридина
Пиколины
Пиколины – монометильные производные пиридина. В зависимости от расположения атомов различают: α-пиколин (2-метилпиридин), β-пиколин (3-метилпиридин), γ-пиколин (4-метилпиридин) (фото «Производные пиридина», соединения 1–3).
Пиколины – бесцветные жидкости с неприятным пиридиноподобным запахом, хорошо растворимы в воде и органических растворителях. Температура кипения α-пиколина –129,5ºС, β -пиколина – 144ºC, γ-пиколина – 145,4ºС. Химические свойства пиколинов и пиридина похожи[6].
Под действием окислителей (перманганата калия KMnO4, азотной кислоты HNO3 или кислорода воздуха в присутствии оксида ванадия (V2O5) α -, β-, γ-пиколины окисляются до пиридинкарбоновых кислот: соответственно – пиколиновой, никотиновой и изоникотиновой (фото «Производные пиридина», соединения 4–6)[5].
Пиколины используют в органическом синтезе. α-пиколины используют для производства пестицидов, β-, γ-пиколины – для получения соответствующих пиридинкарбоновых кислот[5].
Пиридинкарбоновые кислоты
В зависимости от положения карбоксильной группы в пиридиновом цикле различают α -, β-, γ-пиридинкарбоновые кислоты. (фото «Производные пиридина» соединение 4–6)[5].
Пиридинкарбоновые кислоты – бесцветные кристаллические вещества. Температура плавления пиколиновой кислоты 136–137ºC, никотиновой – 236–237 ºC, изоникотиновой – 323–325ºC[5].
Пиридинкарбоновые кислоты – бифункциональные соединения. По карбоксильной группе они способны образовывать соли, галогенангидриды, сложные эфиры, амины, гидразиды и другие функциональные производные. По пиридиновому кольцу наблюдаются реакции свойственные пиридину. Наличие в структуре молекул кислотного и основного центров делает пиридинкарблоновые кислоты амфотерными соединениями.
Пиколиновая и изоникотиновые кислоты проявляют более сильные кислотные свойства, чем никотиновая кислота, поскольку у них карбоксильная группа находится в сопряжении с гетероатомом[5].
Пиридинкарбоновые кислоты и их производные находят широкое применение в синтезе лекарственных средств:
- амид никотиновой кислоты – это витамин РР;
- N, N-Диэтиламид никотиновой кислоты в виде 25%-ного водного раствора («Кордиамин») – средство, стимулирующее центральную нервную систему, возбуждающее дыхательный и сосудодвигательный центры головного мозга;
- производные никотиновой кислоты изониазид и фтивазид применяют при лечении туберкулеза[5].
В сфере защиты растений известно применение пиридинкарбоновых кислот в качестве действующих веществ гербицидов[3]. В частности, клопиралид – действующее вещество гербицидов с механизмом действия имитатор ауксина (аналог ауксина) auxin mimics – 4 группа (группа О по HRAC до 2020 г) по классификации HRAC (Herbicide Resistance Action Comittee/Комитет по борьбе с устойчивостью к гербицидам) и WSSA (Weed Science Society of America/Американское научное общество по борьбе с сорняками). Подробнее о механизме действии веществ с механизмом действия auxin mimics – в статье «Феноксикарбоксилаты».
Аминопиридины
Аминопиридины – бесцветные кристаллические вещеcтва. Применяются в синтезе лекарственных средств и пестицидов[5]. (Подробнее в статье«Аминопиридины»)
К аминопиридинам относятся вещества с гербицидной активностью – пиклорам, пиклорам (диметилэтаноламинные соли), флуроксипир, аминопиралид. Данные вещества можно отнести к пиридинкарбоновым кислотам, а точнее к их производным (пиридинкарбоксамидам). Это не является неточностью, поскольку в молекулярной формуле этих веществ присутствуют структурные элементы, позволяющие относить их как к одному, так и другому химическим классам. По классификации механизмов действия веществ с гербицидной активностью HRAC и WSSA флуроксипир, пиклорам, аминопиралид относятся к имитаторам ауксина – группа 4 (до 2020 г – O).
Подробнее – в статьях «Флуроксипир», «Пиклорам, пиклорам (диметилэтаноламинные соли)», «Аминопиралид».
1. 2-гидроксипиридин (гидроксиформа)
2. 2-пиридон (оксоформа)
3. 4-гидроксипиридин (гидроксиформа)
4. 4-пиридон (оксоформа)[7]
Пиперидины
Пиперидин (гексагидропиридин) – предельное гетероциклическое соединение с одним атомом азота, бесцветная жидкость с резким аммиачным запахом и температурой кипения 106 ºC, смешивается с водой и большинством органических растворителей[5]. Он обладает химическими свойствами вторичных аминов: образует соли с кислотами; с азотистой кислотой дает N-нитрозопроизводное; вступает в реакции алкилирования и ацилирования по атому азота. Является более сильным основанием, чем пиридин[5].
Пиперидиновый цикл является структурным фрагментом алкалоидов лобелина, анабазина, входит в состав ряда лекарственных препаратов[5].
В основном пипередины, используемце в сфере защиты растений, проявляют фунгицидную биологическую активность.
Подробнее в статье «Производные пиперидина (пиперидины)»
Гидроксипиридины (оксипиридины, пиридинолы).
Положение гидрокси группы (-OH) влияет на химические и физические свойства гидроксипиридинов и их производных. Различают α – гидроксипиридин (2-гидроксипиридин, 2-пиридинол), β-гидроксипиридин (3-гидроксипиридин, 3‑пиридинол), γ – гидроксипиридин (4-гидроксипиридин, 4-пиридинол). (фото «Производные пиридина» соединения 7– 9)[5].
Гидроксипиридины – бесцветные кристаллические вещества. Температура плавления 2-гидроксипиридина – 107ºС, 3-гидроксипиридина – 130ºС, 4-гидроксипиридина – 151ºС. Они легко растворимые в этаноле, ацетоне, умеренно – в воде, ограниченно растворимы в диэтиловом эфире и бензоле[5].
α- и γ-гидроксипиридины – таутомерные соединения. Они существуют в двух таутомерных формах: гидроксиформе и оксоформе. В водном растворе эти соединения находятся преимущественно в оксо-, или так называемой пиридоновой, форме, в неполярных растворителях и в газовой фазе преобладает гидроксиформа. (фото «Таутомерность гидроксипиридинов»)[5].
Гидроксипиридины – бифункциональные соединения. По гетероатому у них проявляются свойства пиридина, по гидроксигруппе – свойства фенола. Последнее наиболее выражен у 3-гидроксипиридина, поскольку его гидроксильная группа не сопряжена с гетероатомом[5].
Гидроксипиридины применяются в медицине. В частности, пиридоксин[3-гидрокси-4,5-ди(гидроксиметил)-2-метилпиридин] – это витамин В6[5].
В сфере защиты растений используют производные гидроксипиридинов, в частности пиридонкарбоксамиды. Вещества данного класса в основном проявляют гербицидные свойства[4].
Кроме того, в сфере защиты растений используются вещества химических классов: анилинопиримидины, фенилпиридинамины, пиперидинил-тиазол-изоксалины[3].
Применение
Производные пиридина обладают различными видами биологической активности, поэтому их активно используют непосредственно в качестве действующих веществ пестицидов и для их синтеза[4].
При помощи различных реакций, протекающих с участием гетероатома, получают различные галогено- и метил- замещеные пиридина. Биологическая активность таких веществ различна. Многие предложены в качестве гербицидов, но не соответствуют критериям токсикологической безопасности. В числе разрешенных: аминопиралид, пиклорам[1][4].
В настоящее время на территории России разрешены действующие вещества пестицидов следующих классов, относящиеся к пиридинам:
- Пиперидинил-тиазол-изоксалины – обладают фунгицидными свойствами[4]. Подробнее в статье «Пиперидинил-тиазол-изоксалины)».
- Пиридинкарбоксамиды – производные пиридинкарбоновых кислот, обладают инсектицидными, росторегулирующими, гербицидными свойствами[4]. Подробнее в статье «Пиридинкарбоксамиды».
- Пиридонкарбоксамиды – производные оксиформы гидроксипиридина (пиридон) (фото «Таутомерность гидроксипиридинов»), используют в качестве действующих веществ гербицидов, регуляторов роста растений. Подробнее в статье «Пиридонкарбоксамиды».
- Производные пиперидина (Пиперидины) – выступают в качестве действующих веществ репеллентов для кровососущих насекомых, фунгицидов, регуляторов роста растений[4]. Подробнее в статье «Производные пиперидина (Пиперидины)».
- Аминопиридины – обладают различными биологическими свойствами, разрешены к использованию вещества с гербицидным действием[4]. Подробнее в статье «Аминопиримидины».
- Фенилпиридинамины – разрешенные к применению в России вещества данного класса, в частности флуазинам, обладают фунгицидной активностью[1]. Подробне в статье «Фенилпиридинамиды».
Токсикологические свойства и характеристики
Пиридины, как обширный класс химических соединений, включает вещества различного токсикологического уровня. Вещества, используемые в сфере сельского хозяйства на территории России, относятся ко 2-му или 3-му классам опасности по отношению к человеку и млекопитающим. Это высокоопасные и умеренно опасные соединения. По отношению к полезным насекомым (пчелам) обычен третий класс опасности (малоопасные). В любом случае при использовании препаратов, содержащих производные пиридина, необходимо соблюдать рекомендуемые регламенты, правила безопасности при применении, хранении и транспортировке[1][2].
История
Пиридин впервые был извлечен из костяного масла в 1851 году. В 1854 году разработали способ его извлечения из каменноугольного дегтя. До 1950 года каменноугольная смола была единственным промышленным источником получения пиридина, хотя его содержание в смоле менее 0,1%. Сегодня этого источника явно недостаточно для покрытия потребности промышленности в пиридине и его гомологах. Поэтому для синтеза пиридина и его гомологов предложен целый ряд реакций. Важнейшие из них основаны на конденсации карбонильных соединений[5].
В изучение пиридина и его производных большой вклад внес русский химик Алексей Евгеньевич Чичибабин (1871–1945)[5]:
- в 1906 году им была открыта реакция циклоконденсации альдегидов с аммиаком с образованием гомологов пиридина[5];
- в 1914 году – разработан способ аминирования пиридина[5];
- в 1919 году – открыл явление фототропии в ряду производных пиридина[5];
- в 1924 году – разработана реакция синтеза пиридина путем взаимодействия уксусного, муравьиного альдегидов с аммиаком[5].
Кроме того, А. Е. Чичибабин ввел представление об аминоиминной таумерии, исследовал таутомерию амино- и гидроксипиридинов, установил строение алкалоидов (пилокарпин, бергенин, антонин)[5].
А. Е. Чичибабин – автор учебника «Основные начала органической химии», вышедшего впервые в 1925 году и претерпевшего 7 изданий[5].
2. Государственный каталог пестицидов и агрохимикатов, разрешенных к применению на территории Российской Федерации, 2024 год. Министерство сельского хозяйства Российской Федерации (Минсельхоз России)
3. Дорожкина Л.А. Применение гербицидов и регуляторов роста в защите растений: учебное пособие / Л.А. Дорожкина, Л.М. Поддымкина. – М.: МЭСХ, 2021. – 206 с.
4. Мельников Н.Н. Пестициды. Химия, технология и применение. - М.: Химия, 1987. 712 с.
5. Петров А.А., Бальян X.В., Трощенко А.Т. Органическая химия: Учебник для вузов. Под ред. Стадничука М. Д. — 5-е изд., перераб. и доп. — СПб: «Иван Федоров», 2002. — 624 с
6. Потапов В.М., Татаринчик С.Н. Органическая химия 4-е изд., перераб. и доп. — М.: Химия, 1989. — 448 с.
7. Черных В. П., Зименковский Б. С., Гриценко И. С. Органическая химия: Учебник для студ. вузов / Под общ. ред. В. П. Ч ерных.— 2-е изд., испр. и доп.— Х .: Изд-во НФ аУ; Оригинал, 2007.— 776 с.
8. Pubchem.ncbi.nlm.nih.gov