Карбаматы

Карбаматы/carbamates (уретаны/urethanes) – химический класс органических соединений, объединяющий эфиры неизвестной в свободном состоянии карбаминовой кислоты (неполного амида угольной кислоты).

Химические и физические свойства

Карбаматы (уретаны) – бесцветные кристаллические вещества[16]. В литературе карбаматы иногда рассматривают как производные мочевины поскольку мочевина является полным амидом угольной кислоты[12][16]. Карбаминовая кислота NH2COOH (фото «Исходные соединения» соединение 2) неизвестна в свободном состоянии, но ее соли и эфиры являются довольно устойчивыми соединениями[16].

Карбаматы характеризуются общей формулой NH2COOR, где R – углеводородный радикал[12][16]. Уретаны получают действием аммиака на эфиры хлоругольной кислоты или диэфиры угольной кислоты (фото «Получение карбаматов»)[12][16]. Карбаматы проявляют свойства амидов и сложных эфиров[16]. Остановимся на свойствах карбаматов, которые играют ведущую роль в разложении данных веществ в биологических системах[11].

В молекулах отдельных групп карбаматов присутствует эфирная связь. Разложение карбаматов вызывается реакцией гидролиза. Гидролиз эфирной связи дает неустойчивую исходную кислоту и спирт. Эту реакцию катализируют эстеразы и растворимые в воде основания[11].

Карбаматы - Исходные соединения
Исходные соединения


Другое реакционно способное место в молекуле карбамата – это связь между атомом азота и карбонильным атомом углерода. При гидролизе хлор-изопропил-N-фенилкарбамата образуется угольный эфир, распадающийся на двуокись углерода и изопропиловый спирт. Эта реакция является типичным примером реакций катализируемых дезамидазами. Анализ конечных продуктов разложения хлор- изопропил-N-фенилкарбамата не позволяет судить о том, происходит ли разложение под действием эстераз или дезамидаз[11].

В биопревращении карбаматов играют значительную роль реакции гидроксилирования (реакция окисления, в которой связь углерод-водород (CH) окисляется до связи углерод-гидроксил (COH):

  • в некоторых метилкарбаматах происходит гидроксилирование N-метильной группы;
  • гидроксилирование ароматических ядер – широко распространенная реакция в биологических системах[11].

N– гидроксилирование с образованием N-оксипроизводных – один из возможных путей разложения карбаматов в растениях[11].

Реакция N -деалкилирования имеет большое значение для метаболизма метилкарбаматов и родственных им замещенных амидов. Фенилкарбаматы не являются субстратами для ферментов, проводящих эту реакцию[11].

Карбаматы - Получение карбаматов
Получение карбаматов


История

Биологическая активность карбаматов была обнаружена в 1923 году. Тогда впервые была описана структура физостигмина (physostigmine) или алкалоида Эзерина (alkaloid eserine), который содержится в зернах Калабарских бобов. Аналоги физостигмина были синтезированы в 1929 году и сегодня известно более тысячи производных карбаминовой кислоты. Около 50 из них широко используются как инсектициды, фунгициды, гербициды и нематоциды. Первые производные карбаминовой кислоты, которые имеют свойства инсектицида были синтезированы в 1947 году[17].

До начала 80-х годов производство карбаматных инсектицидов постоянно увеличивалось, но уже через 15–20 лет их популярность пошла на убыль. Кроме того, в результате катастрофы в г. Бхопал (Индия), приведшей к большим человеческим жертвам, на многих заводах мира было приостановлено производство карбаматов, промежуточным продуктом получения которых является взрывоопасное соединение метилизоцианат[10].

Из-за высокой токсичности веществ, связанной с инсектицидной активностью, многие карбаматы сегодня запрещены к применению. Одним из возможных выходов из этого положения является разработка так называемых пропестицидов, которые при попадании в биологический объект образуют метаболиты с более высокой, чем исходное соединение, физиологической активностью. Пропестициды – вещества со сравнительно низкой активностью, иногда порядка на два меньше, чем конечный карбамат, и это в какой-то степени решает проблему их применения[10].

Первым из продуктов данного типа был разработанный фирмой ФМСи (США) карбосульфан (торговые названия эдвентидж, маршал). Он разлагается в почве с образованием карбофурана и, по всей вероятности, именно карбофуран в конечном итоге воздействует на насекомых, тем более, что спектр инсектицидной активности у обоих продуктов приблизительно одинаков. Сам же карбосульфан в 10 раз менее токсичен, чем карбофуран[10].

Карбаматы последних поколений обладают широким спектром биологической активности. К карбоматам относятся и многие лекарственные препараты. В этот класс входят вещества с гербицидной, фунгицидной, инсектицидной, нематоцидной, акарицидной и моллюскоцидной активностью[11][12].

Действие на вредные организмы

Инсектициды

Механизм действия

карбаматных инсектицидов на членистоногих заключается в блокирующем действии на функции нервно-мышечной системы (они угнетают ацетилхолинэстеразу (АХЭ) нервной системы)[2]. АХЭ способствует гидролизу нейротрансмиттерного ацетилхолина (АХ) в холин и уксусную кислоту[5].

Карбаматы - Механизм действия инсектицидных карбаматов
Механизм действия инсектицидных карбаматов


АХ является синаптическим медиатром нервных импульсов в нервной системе млекопитающих и насекомых, действуя:

  • в качестве нейротрансмиттера в мозговой ткани млекопитающих и центральной нервной системе насекомых;
  • в качестве преганглионарного нейротрансмиттера в вегетативной нервной системе млекопитающих;
  • в постганглионарных нервных окончаниях вегетативной нервной системы;
  • на уровне нервно-мышечного соединения клетки[5].

Для выявления механизма токсического действия необходимо изучение процессов, происходящих в нервно-мышечных связках. При иннервации мышцы, как показано на схеме, нервный импульс, продвигаясь по направлению к нейрону, достигает нервного окончания, где АХ, накапливающийся в везикулах нервных окончаний, освобождается и попадает в связку. В течение 2-3 мс АХ ударяется о рецептор со стороны мышцы[5].

Затем АХЭ в процессе гидролиза превращает АХ в холин и уксусную кислоту, что вызывает снижение уровня АХ и прекращение мышечного сокращения. При ингибировании АХЭ эфиром карбамата гидролиза АХ не происходит. Таким образом, концентрация АХ остается высокой в связках, вызывая непрекращающуюся стимуляцию мышц, приводящую к крайнему истощению и тетании[5].

Происходит накопление ацетилхолина и нарушение нормального прохождения нервных импульсов к мышечным системам. Они становятся частыми, самопроизвольными, возникают судороги, паралич и гибель насекомых[2].

Применение

В сельском хозяйстве

. Производные карбаминовой кислоты, характеризующиеся широким спектром инсектицидной активности, обладают длительным защитным действием,но имеют ограниченное применение в связи с высокой токсичностью для теплокровных животных и человека (первый и третий класс опасности). В защите растений они играют особую роль, поскольку способны поступать в растения из почвы и обработанных семян, хорошо передвигаться в надземные органы и длительно (6–10 недель) защищать всходы, пока растения не окрепнут и повреждения их насекомыми будут не столь губительны[15].

В современном ассортименте пестицидов практически нет других препаратов, которые могли бы обеспечить такую же надежную защиту всходов растений от почвообитающих и наземных насекомых, как препараты на основе карбофурана[15]. Их разрешено применять только для обработки семян на специальных установках с использованием современных промышленных форм[9].

В практике медицинской дезинсекции

зарегистрированные препараты на основе пропоксура и бендиокарба применяются в борьбе с синантропными насекомыми[14].

Карбаматы - Пропамокарб гидрохлорид
Пропамокарб гидрохлорид


Фунгициды

Некоторые карбаматы, в частности, пропамокарб гидрохлорид, обладает фунгистатическим действием на споры многих почвенных грибов. Вещество проникает через корневую систему и, частично сорбируясь листьями, перемещается в акропетальном направлении[4].

Помимо этого препараты на основе пропамокарба гидрохлорида положительно влияют на микробную колонизацию и ростовые процессы рассады огурцов. Стимулируют развитие корней и надземной части растений[1].

Устойчивые виды

. Пропамокарб гидрохлорид избирателен в отношении фикомицетов таких родов как Aphanomyces, Peronospora, Bremia, Pseudoperonospora, Phytophthora, Pythium[6].

Карбаматы – фунгициды

Применение

В сельском хозяйстве

. Фунгициды, производные карбаминовой кислоты, на основе пропамокарба гидрохлорида разрешены к применению против болезней огурца открытого грунта (пероноспороз). В смесях это действующее вещество применяется против фитофтороза (картофеля, огурца, томата) и различных гнилей. Допускается двукратная обработка со сроком ожидания три дня при тщательном дождевании собранных плодов[4].

Фитотоксичность

. Пропамокарб гидрохлорид не фитотоксичен, но некоторые сорта обрабатываемых культур могут проявлять чувствительность[6].

Карбаматы – гербициды

Гербициды

Карбаматы обладающие гербицидной активностью имеют важное значение по нескольким причинам. Они обладают низкой токсичностью для млекопитающих, их остатки быстро разлагаются в почве, и они легко распадаются в организмах, против которых их не применяют[11].

Общими для карбаматов является их высокая летучесть и быстрая потеря активности в результате испарения с поверхности влажной почвы и с надземных органов растений. При внесении в сухую почву гербициды удерживаются за счет сорбции. При увлажнении вода вытесняет сорбированные молекулы с поверхности почвенных коллоидов. Они переходят в почвенный раствор и могут оказывать действие на прорастающие семена, но могут и вымываться просачивающейся водой. Однако при среднем количестве осадков препараты, относительно устойчивые к вымыванию, остаются в верхнем 0-5-сантиметровом слое[8].

Препараты этой группы достаточно легко проникают в растения, сорбируясь корнями, подземными частями растений, колеоптилем, и передвигаются по ксилеме[13][8]. Они ингибируют процесс фотосинтеза и нарушают в растениях основные обменные реакции. Поскольку карбаматы воздействуют на процесс деления клеток и могут заменять число хромосом, их относят к митотическим ядам[3]. Вещества этой группы прерывают митоз (нормальный процесс деления клеток) в период между анафазой и метафазой, препятствуют образованию перегородок в делящихся клетках, которые формируются после телафазы, что обуславливает возникновение ненормальных многоядерных клеток[8].

В настоящее время используются вещества с гербицидной активностью, принадлежащие к двум классам: фенилкарбаматы и тиокарбаматы[12].

Механизм действия

веществ, принадлежащих к этим классам различен.

Фенилкарбаматы 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) отнесены к группе 5 (ингибиторы фотосинтеза у связующих PSLL – серин 264/ inhibition of photosynthesis at PSLL – serine 264 binders), до 2020 г. по HRAC – группа С1.

Подробнее – в статье Фенилкарбаматы.

Тиокарбаматы 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) отнесены к группе 15 (ингибирование синтеза жирных кислот с очень длинной цепью/ Inhibition of very long-chain fatty acid synthesis), до 2020 г. по HRAC – группа К3.

Подробнее – в статье Тиокарбаматы.

Токсикологические свойства гербицидов из класса карбаматов

В почве гербициды этой группы разрушаются в основном за счет микроорганизмов. Время сохранения их в почве – 3-6 недель, в сухой и холодной – дольше. Период полураспада при 21–27°С – 1–4 недели[8].

Данные препараты отличает сравнительно быстрое разрушение не только в почве, но и в растениях, невысокая токсичность для теплокровных[3].

Механизм токсического воздействия на организмы теплокровных животных до конца не выяснен. Определяющую роль в токсикодинамике играет нарушение функции нервной системы, обмена нуклеиновых кислот, угнетение окислительных процессов, поражение желез внутренней секреции, печени и других паренхиматозных органов[13].

Токсическое действие

Симптомы отравления

. Отравление карбаматами проявляется в виде интоксикации с характерными холинергическими симптомами, вызванными угнетением ферментной активности ацетилхолинэстеразы (АХЭ), симптом отравления могут быть диагностированы через несколько минут после воздействия и могут продолжиться в течение нескольких часов. После этого начинается выздоровление, и симптомы через несколько часов исчезают, активность ХЭ в эритроцитах и плазме крови возвращается к норме. Это связано с довольно быстрым метаболизмом карбаматов и выведением их метаболитов из организма[5].

При работе с препаратами на основе карбаматов следует исключить возможность их контакта с слизистыми глаз, открытыми участками кожи и возможность их попадания в дыхательные пути и в пищевые продукты[14].

Клиническая картина интоксикации

карбаматами определяется аккумуляцией АХЭ в нервных окончаниях. Симптомы интоксикации можно классифицировать по следующим трем группам:

  1. Мускариноподобные проявления:
  • повышение бронхиальной секреции, обильное пото- и слюноотделение, слезотечение;
  • сужение зрачков, бронхоспазм, абдоминальные спазмы (рвота и диарея);
  • брадикардия;
  1. Никотиноподобные проявления:
  • фасцикулярные подергивания мелких мышц (в тяжелых случаях также дыхательных и диафрагмальных мышц);
  • такихардия;
  1. Симптомы и признаки поражений центральной нервной системы:
  • головная боль, головокружение, беспокойство, потеря памяти, тонические или тонико-клонические судороги, нарушения движений, кома;
  • угнетение деятельности дыхательного центра, одышка.

Все перечисленные симптомы проявляются в различных сочетаниях и могут варьироваться в проявлении и последовательности в зависимости от вещества, дозы и пути воздействия. Продолжительность симптоматики обычно короче, чем при воздействии ФОС. Средняя тяжесть отравления может сопровождаться только мускарино- и никотиноподобными проявлениями[5].

Признаки хронического отравления сходны с проявлениями острой интоксикации и носят интермиттирующий (преходящий) характер[13].

Классы опасности

. Препараты на основе карбаматов относятся ко 1 и 3 классам опасности для человека и 1 для пчел[7].

 

Оставьте свой отзыв:

Отзывы:

Комментарии для сайта Cackle

Составитель:

 

Страница внесена:

Последнее обновление: 01.03.24 11:47

Статья составлена с использованием следующих материалов:

Литературные источники:
1.

Базынков Н.И. «Превикур 607 ВК: влияние на ростовые процессы и микробную колонизацию рассады огурца». Журнал «Гавриш» №2, 2011, с.18-19

2.

Бегляров Г.А, Смирнова А.А. и др. Химическая и биологическая защита растений. М.: Колос, 1983. - 351 с.

3.

Безуглов В.Г. Применение гербицидов в интенсивном земледедлии. М.: Росагропромиздат, 1988. – 205 с.;

4.

Ганиев М.М., Недорезков В.Д. Химические средства защиты растений. – М.: КолосС, 2006. – 248 с.

5.

Гигиенические критерии состояния окружающей среды №64. Карбаматные пестициды: общее введение. Всемирная организация здравоохранения, Женева, 1991. – 128 с.

6.
Голышин Н. М. Фунгициды. - М.: Колос, 1993. -319 с.: ил.
7.

Государственный каталог пестицидов и агрохимикатов, разрешенных к применению на территории Российской Федерации, 2023 год. Министерство сельского хозяйства Российской Федерации (Минсельхоз России)

8.

Захаренко В.А. Гербициды. – М: Агропромиздат, 1990. – 240с.

9.
Зинченко В.А. Химическая защита растений: средства, технология и экологическая безопасность. – М.: Колос С, 2005. – 232 с.
10.
Каспаров В.А., Промоненков В.К. Применение пестицидов за рубежом. – М.: Агропромиздат, 1990. – 224 с.
11.

Керни П., Кауфман Д. (ред.) Разложение гербицидов. Перевод с английского А.И. Волкова и О.А. Коротковой, под редакцией доктора хим. наук, проф. Н.Н. Мельникова. — М.: Мир, 1971. — 358 с.

12.

Куликова Н.А, Лебедева Г.Ф. Гербициды и экологические аспекты их применения. Учебное пособие. – Москва, книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2010. – 152с.

13.

Медведь Л.И. Справочник по пестицидам (гигиена применения и токсикология) / Коллектив авторов, под ред. академика АМН СССР, профессора Медведя Л.И. -К.: Урожай, 1974. 448 с.

14.
Мельников Н.Н., Новожилов К.В., Белан С.Р., Пылова Т.Н. Справочник по пестицидам - М.: Химия, 1985. - 352 с.
15.
Попова Л.М. Химические средства защиты растений. Учебное пособие. СПбГТУРП. – СПб., 2009. – 96 с.
16.

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.

17.

Pubchem.ncbi.nlm.nih.gov

Источники из сети интернет:
18.

Global Herbicide Classification Lookup | Herbicide Resistance Action Committee

19.
http://www.safework.ru
Свернуть Список всех источников