Фосфорорганические Пестициды

Фосфорорганические соединения начали широко применяться как инсектициды в конце 50-х и начале 60-х годов. Увеличению их производства способствовала частичная сопротивляемость насекомых к действию хлорпроизводных углеводородов.

К фосфорорганическим производным общей формулы

(где X и Y — соответственно атом кислорода или серы; R — углеводородная или оксиуглеводородная группа; Z — комплексная органическая группа) относятся тиофос и метилтиофос — наиболее широко используемые в практике. Эти вещества отличаются повышенной токсичностью, что выражается в парализующем действии пестицидов на фермент ацетилхолинестеразу (AChE). Обычно AChE разрушает ацетилхолин после передачи нервного импульса от одного нервного волокна к другому (вдоль синаптического промежутка), Результатом нарушения этой нормальной деятельности фермента является накапливание ацетилхолина и образование посторонних нервных импульсов, которые разрушают нормальную функцию. Следствием является содрогание, конвульсии, паралич и смерть.

Карбаматы, или производные карбаминовой кислоты, общей структуры

относятся к пестицидам, разработка которых была начата позже рассматриваемых в этом разделе. Карбаматы являются универсальными пестицидами, некоторые из них действуют как инсектициды, фунгициды или молюстициды. Характер их токсического воздействия такой же как у фосфорорганических веществ: нарушение деятельности AChE.

Хлорфенольные кислоты являются производными простых органических кислот: уксусной, масляной и пропионовой. Это эффективные гербициды, токсичность которых основана на замене гормонов роста растений. В результате ненормально быстрого роста происходит истощение запасов энергии растения. Для облегчения применения гербицидов этого класса их переводят в соли аминов и эфиры [4].

 

2.2.Фосфорорганические соединения

 

2.2.1. Общие представления

Один из наиболее важных классов современных пестицидов составляют органические соединения фосфора, в ряду которых найдены вещества с различной физиологической активностью и избирательностью действия, в том числе акарициды, инсектициды, гербициды, нематоциды, регуляторы роста растений [5].

Фосфорорганические пестициды   (ФОС)   представляют  собой эфиры различных кислот:

В сельском хозяйстве используются более 220 фосфорорганических соединений. Особенно широко органические соединения фосфора применяются для борьбы с вредителями растений и экто- и эндопаразитами домашних животных. По масштабам применения в сельском хозяйстве они занимают первое место среди пестицидов различных классов и их мировое производство приближается к 200 тыс. т. в год.

К важнейшим свойствам органических соединений фосфора как пестицидов относятся следующие: а) высокая инсектицидная и акарицидная активность и широкий спектр действия на вредных членистоногих; б) широкий диапазон персистентности соединений, разложение которых в разных живых организмах происходит в большинстве случаев с образованием практически нетоксичных для человека и животных соединений; в) относительно быстрое протекание метаболизма в организме позвоночных и отсутствие способности накапливаться в их тканях, а также сравнительно небольшая хроническая токсичность или полное ее отсутствие; г) быстрое разложение в почве; д) системное и глубинное действие ряда инсектицидных препаратов; е) малый расход препарата и быстрота действия на вредителей растений и паразитов животных; ж) умеренная токсичность для рыб; з) уникальные гербицидные свойства некоторых органических соединений фосфора; и) системное действие фосфорорганических фунгицидов.

Недостатком многих фосфорорганических соединений как пестицидов является высокая острая токсичность для млекопитающих, что требует соблюдения соответствующих мер предосторожности при их использовании. Следует отметить, что синтезировано большое число органических соединений фосфора с умеренной и низкой токсичностью для млекопитающих, применение которых в сельском хозяйстве вполне безопасно. Кроме того, для токсичных соединений созданы специальные препаративные формы, способствующие безопасному применению веществ.

 

2.2.2. Биохимическое действие фосфорорганических соединений

Изучение механизма действия фосфорорганических инсектицидов и акарицидов по отношению к млекопитающим и членистоногим показало, что в организме животных они фосфорилируют жизненно важные ферменты — эстеразы, подавляя их нормальные функции. В частности, фосфорорганические соединения действуют на холинэстеразу — фермент, который катализирует гидролиз в нервных тканях ацетилхолина, являющегося передатчиком нервного импульса (1). Полагают, что действие этих соединений заключается главным образом в ингибировании холинэстеразы. Фосфорорганические соединения связывают холинэстеразу (2), в результате она теряет свою активность и не может вызывать гидролиз ацетилхолина.

 

По-видимому, эстераза сначала образует с соединением фосфора комплекс, который далее распадается на продукт фосфорилирования эстеразы и соответствующее гидроксисоединение. Фосфорилированная эстераза может постепенно гидролизоваться (3), при этом ферментативная активность восстанавливается. Однако для некоторых соединений скорость дефосфорилирования настолько мала, что практически полного восстановления активности фермента не достигается. Например, дефосфорилирование холинэстеразы, ингибированной тетраэтилпирофосфатом, в воде протекает настолько медленно, что за 28 дней восстанавливается только 50 % исходной активности.

Активность фосфорорганических соединений сильно зависит от строения эфирных групп, входящих в состав фосфорной части молекулы, причем не безразлично строение каждого из радикалов. Так, О,О-диизопропил-О-4-(нитрофенил)тиофосфат почти в 100 раз менее активен по отношению к холинэстеразе, чем О-(4-нитрофенил)-О,О-диэтилтиофосфат. Для получения максимального действия молекула фосфорорганического соединения должна подходить к активным центрам эстеразы как «ключ к замку».

Совершенно очевидно, что активность одного и того же соединения по отношению к разным видам насекомых и животных неодинакова, так как различно строение холинэстеразы разных видов организмов, а также отличны пути метаболизма фосфорорганических соединений. Например, карбофос в организме комнатной мухи претерпевает превращения обычного типа, тогда как в организме крыс образуется малотоксичная малатионовая кислота — S-(1,2-дикарбоксиэтил)-0,0-диэтилдитиофоcфат

.

В отличие от карбофоса октаметилтетрамид пирофосфорной кислоты в организме теплокровных образует более токсичный продукт, чем исходный.

Для правильного понимания причин токсикологического действия того или иного органического соединения фосфора на отдельные виды животных необходимо знание не только общего механизма действия, но и знание метаболизма в организме данного вида.

Часто активность фосфорорганического соединения по отношению к холинэстеразе связывают со скоростью его гидролиза, но это не всегда справедливо: активность зависит также от стерических особенностей молекулы. Наряду со скоростью гидролиза и стерическими особенностями молекулы большое влияние на токсичность фосфорорганического соединения оказывает скорость дезалкилирования эфиров кислот фосфора. Этот процесс является, по-видимому, основной реакцией, конкурирующей с реакцией фосфорилирования холинэстеразы в организме животного. Дезалкилированием эфиров кислот фосфора может быть объяснена меньшая токсичность для млекопитающих метиловых эфиров этих кислот по сравнению с их гомологами. По мнению автора данной книги, происходит быстрое разложение метиловых эфиров за счет дезалкилирования, прежде чем они достигнут активных центров холинэстеразы; эта точка зрения имеет существенные подтверждения.

Важным условием, определяющим токсикологическое действие фосфорорганических соединений по отношению к насекомым, является скорость проникновения препарата через внешнюю оболочку насекомого; этот фактор иногда имеет решающее значение [5].

 

2.2.3. Производные фосфористой кислоты

Изучены пестицидные свойства большого числа производных фосфористой кислоты. Практическое применение в сельском хозяйстве нашли лишь немногие из них, наибольшее значение производные фосфористой кислоты имеют в качестве полупродуктов для производства пестицидов и лекарственных препаратов.

Производные фосфористой кислоты нашли небольшое применение в качестве гербицидов и дефолиантов.

Трибутилтритиофосфит (C₄H₉S)₃P (фолекс, мерфос) — жидкость, температура кипения 150—152°С при 266 Па. Практически нерастворим в воде, хорошо растворяется в органических растворителях. Обладает неприятным запахом бутантиола. ЛД₅₀ 350 мг/кг.

Применяют в виде водной эмульсии в качестве дефолианта хлопчатника, норма расхода 1—2 кг/га; служит также для производства другого дефолианта хлопчатника— бутифоса.

При окислении кислородом воздуха трибутилтритиофосфит легко переходит в трибутилтритиофосфат (бутифос, ДЭФ):

Бутифос — жидкость, температура кипения 150^оС при 44 Па. ЛД₅₀ 170—250 мг/кг. Широко применяют в качестве дефолианта хлопчатника, норма расхода 1—2 кг/га.

Изучен метаболизм бутифоса в растениях и организме человека. Процессы метаболизма его в организме человека представлены на схеме 1. Кумуляции препарата в организме людей, работающих с ним в полевых условиях, не отмечено.

 

Gln – остаток глюкуроновой кислоты

Схема 1. 

 

2.2.4. Производные фосфорной кислоты

При переходе от фосфитов к фосфатам инсектицидная и акарицидная активность соединений возрастает. Особенно активны смешанные эфиры фосфорной кислоты, один из эфирных радикалов которых обнаруживает кислотность. Чем выше константа диссоциации спирта или фенола, от которого произведен эфирный радикал, тем более токсично соединение для членистоногих и теплокровных животных. Например, в ряду О-(4-хлорфенил)-0,0-диэтилфосфат, О-(2,4-дихлорфенил)-0,0-диэтилфосфат и О-(2,4,5-трихлорфенил)-0,0-диэтилфосфат наибольшей инсектицидной активностью обладает последний эфир (константа диссоциации 4-хлорфенола, 2,4-дихлорфенола и 2,4,5-трихлорфенола соответственно 4,1•10^-10, 3,1•10^-8 и 4,26•10^-8).

Высокотоксичны диалкилфторфосфаты, а также амиды фторфосфорной кислоты. При увеличении длины алкильных радикалов в эфирах и амидах фосфорной кислоты токсичность соединения для позвоночных уменьшается. Максимальная токсичность многих производных фосфорной кислоты приходится на диэтилфосфаты. Однако имеются исключения. Диметилфосфаты, как правило, намного менее токсичны. Это, по-видимому, связано с их высокой алкилирующей способностью по отношению к различным азотистым и сернистым соединениям, присутствующим в биологических субстратах, а также большой скоростью гидролиза, особенно под действием ферментов.

Существенное влияние на токсичность смешанных эфиров фосфорной кислоты оказывает не только характер заместителя в ароматическом радикале, но и его положение. Наиболее сильно повышается инсектицидность при введении в ароматический радикал нитро- и метилтиогрупп. Инсектицидная активность 0,0-диалкил-0-арилфосфатов, замещенных в положении 4, больше, чем активность соединений с заместителями в положениях 2 и 3.

Систематическое изучение биологической активности смешанных эфиров фосфорной кислоты показало, что среди них имеются вещества различного характера действия, в том числе инсектициды, акарициды, фунгициды и гербициды, которые могут представлять практический интерес. Высокой инсектицидной активностью обладают некоторые фосфаты, производные оксимов ароматических и алифатических альдегидов и кетонов. Значительную инсектицидную и акарицидную активность проявляют многие эфиры фосфорной кислоты, содержащие в эфирном или амидном радикале гетероциклические системы различных рядов. Активными инсектицидами являются О,О-диалкил-О-полигалогенпиридилфосфаты, примером которых может служить препарат Dowco-217 [0,0-диметил-0-(3,5,6-трихлорпиридил)фосфат, ЛД₅₀ 869 мг/кг].

Из смешанных эфиров фосфорной кислоты наиболее широкое применение получили различные енолфосфаты, содержащие заместители в этенильной группе.

Дихлорфос — жидкость, хорошо растворимая в большинстве органических растворителей. В воде 50 % дихлорфоса гидролизуется при 20°С в течение 61,5 дня, при 70°С — в течение 25 мин. В кислой или щелочной средах гидролиз протекает значительно быстрее:

Образующийся кислый эфир далее гидролизуется до фосфорной кислоты. Аналогичная реакция протекает в различных животных и растительных организмах.

Из производных 0,0-диалкил-0-(арилэтенил) фосфатов практическое значение имеет тетрахлорвинфос. Он активен ко многим вредителям растений и эктопаразитам животных, но используется в довольно высоких концентрациях.

К недостаткам этого инсектицида следует отнести относительно высокую стабильность хлорорганической части молекулы. При метаболизме в растениях после гидролиза и отщепления остатка фосфорной кислоты хлорорганическая часть молекулы образует стойкие конъюгаты с веществами растений, которые не разрушаются и к моменту уборки урожая.

Метаболизм тетрахлорвинфоса в почве, растениях и организме животных представлен на схеме 2:

Конъюгаты и глюкуронаты

R=C₆H₂Cl₃-2,4,5

Схема 2.

 

2.2.5. Производные тиофосфорной кислоты

Замена одного из атомов кислорода в производных фосфорной кислоты на серу приводит к значительному уменьшению токсичности соединений для млекопитающих без существенного изменения инсектицидной и акарицидной активности, хотя имеются и исключения. В связи с этим производные тиофосфорной кислоты получили широкое применение в сельском хозяйстве и в системе здравоохранения для борьбы с вредными членистоногими.

Как известно, производные тиофосфорной кислоты могут иметь структуру тионов или тиолов: