Биологическая активность кремнийорганических соединений

Второй способ предусматривает покрытие поверхности стекла пленкой полиорганилсилоксана, содержащего функциональные группы (кратные связи, амино-, циано-, эпоксигруппы), способные реагировать с соответствующими органическими, элементоорганическими и неорганическими соединениями с образованием фунгистатически активных покрытий. Так, полисилоксановая поверхностная пленка, содержащая мышьяк и не обрастающая плесневыми грибами в течение 3-6 месяцев, может быть получена после предварительной обработки поверхности стекла

3-(оксирапилметокси) пропил (триэтокси) силаном по схеме: Покрытие, образующееся при действии паров йода на стекло, обработанное винилтрихлорсиланом, также задерживает рост плесени в течение 3-5 месяцев.

Особенно надежны пленки ?-метокси-?-ацетоксимеркурэтил- силоксана и ? метокси-у-ацетоксимеркурпропилсилоксана, получаемые в результате действия метапольмого раствора ацетата ртути на стекло, обработанное винил- или аллилтрихлорсиланом. Они не изменяют оптических свойств стекла, совмещаются с просветляющими и влагозащитными покрытиями и не поражаются плесневыми грибами как в условиях, имитирующих влажные тропики, так и в естественных условиях субтропиков в течение полутора лет.

Для получения устойчивых фунгистатических пленок вместо винил- и аллилтрихлорсилана можно использовать 2-(циклопропил) пропилтрихлорсилан. Триалкил (триорганисилилацилокси) станпаны R3Si (СН2)п COOSnR' и триалкил (триорганилсилилалкилтио) станнаны R3SiCH2SSnR'3 также обладают значительной фунгицидной активностью. Их добавки к полисилоксановой смоле Ф-9 в концентрации 0,1-0,5 % в течение длительного времени препятствовали поражению грибами покрытий на ее основе.

3.4 Бактериостатическая активность

Ряд кремнийорганических соединений обладает определенной бактериостатической активностью. К ним относятся диметил бис (2,4-диоксифенил) силан (СН3)2Si[С6Н3(ОН2)]2, риметил (оксиметил)силан кремнийорганические производные алкенилпиранолов и пиперидолов триметил (гексипил)силан и триметил (фенилэтинил) силан (CH3)3SiC = CR (R = C4H9, С6Н5), кремнийорганические ацетиленовые амины

R3SiC=CCH2NR'2, диалкиламииоалкиловые эфиры кремнийсодержащих карбоновых кислот R3SiC6H4COOCH2СН2*NR2*HCI, кремнийсодержащие аминокислоты R3SiCH2*(CH2)n)NHCHRCH2COOH, кремнийсодержашие эфиры N-азиридинилкарбоновых кислот (RO)3Si(СН2)3ООССН2СН2* *NCH2CH2, циклосилтианы (R2SiS)n, триалкил силаны R3Si(CH2)nSCH2NR'2, триалкил станнаны R3SiCH2SSnR3, триалкил станнаны R3Si'(CH2)nCOOSnR3, ртуть и фосфорсодержащие силоксаны, пентахлорфеноксисиланы (C6CIO)nSiR4-n,(CH2)n[Si(ОС6СI)3]2, комплекс метилсиликоната калия с салициловой кислотой, триалкилсилилфенетиламины R3Si(СН2)nC6Н4СН2СН2NН2 (л=0,1), 4-хинолиламиноалкилсиланы, 9-акридиламиноалкилсиланы, 1-имидазолилметилсиланы, 1-силатрамы, 1-силатраны, 3-амипопропилсиланы и силоксаны, кремнийсодержащие аммониевые соли и кремнийорганические производные хлорамфеникола, пенициллина и линкомицина [8].

Введение органилсилильных групп в молекулы органических соединений в ряде случаев повышает их бактериостатическую активность. Так, например, бис(оксифенил)диалкилсиланы обладает большей бактериостатической активностью по отношению к S. aureus, чем фенол. Введение триметилсилильной и триметилсилилметильной групп в параположение фенилэтиламина в несколько раз повышает его активность по отношению к.S. aureus и Е. coli (бактериостатическое действие при этом все же остается невысоким - эффективные дозы не превышают 100 мкг/мл). Моно- и бистриметилсилиловые эфиры хлорамфеникола более активны по отношению к Paslereulla mullocida, чем хлорамфеникол. Кроме того, они не столь горьки. Замещение ацетиленового водорода N-пропаргилпиперидина триэтилсилильной группой вызывает повышение туберкулостатической активности соединения. Например, минимальная подавляющая концентрация для лекарственночувствительного штамма Ravenel понижается с 50 до 12,5 мкг/мл.

Значительно сильнее на М. tuberculosis действуют гидрохлориды метилдибутил (3-диэтиламинопропил) силана и метилдибутил(3-пинеридинопропил) силана. Минимальная концентрация, подавляющая лекарственно-резистентный штамм D, для этих соединений составляет 2,34 мкг/мл, что в 10 раз превышает активность антибиотика стрептомицина и в 3,7 раза - противотуберкулезного препарата тубазида. В связи с быстрым развитием резистентности у туберкулезных бактерий к различным антимикробным препаратам обнаруженная противотуберкулезная активности кремнийорганических аминов открывает новые возможности в борьбе с этим заболеванием.

Бактериостатическая активность алифатических и гетероциклических кремнийорганических аминов RR`2Si (CH2)n NR"R'", так же, как и фунгистатическая активность, зависит от расстояния между атомами азота и кремния и является наибольшей в случае у-производных (п=3). Например, в случае метилдибутилсилилалкилпроизводных пиперидина минимальная концентрация соединения, подавляющая рост Staphylococcus aureus haemolyticus 209, увеличивается от 2,1 мкг/мл при п=3 до 133,3 мкг/мл при п=2 и 266,6 мкг/мл при п=1. Бактериостатическая активность этиленовых и ацетиленовых пирролидино- и пиперидинопроизводных, в отличие от фунгистатической, выше, чем у соответствующих алкильных производных.

По отношению к Staphylococcus aureus haemolyticus 209 зависимости активности от природы радикалов, связанных с атомом кремния, близки к тем, которые наблюдались при исследовании фунгистатической активности Бактериостатическая активность в различных рядах соединений в зависимости от R меняется в следующем порядке:

для CH3R2SiCH2CH2CH2NH2

С6H13>С4H9>С3Н7, С7Н15>С2Н5>С9Н19>С6Н11 СН3;

для CH3R2SiCH2CH2CH2NC5H10

С4Н9>С5Н11 >С3Н7>С2Н5>СН3;

для C2H5R2SiCH2CH2CH2NH2

С3Н7, С4Н9>С6Н5>С5Н11 С2Н5;

для (C2H5)2RSiCH2CH2CH2NH2

С5Н11>С4Н9, С3H7>С2Н5.

Обращает на себя внимание порядок изменения бактериостатической активности соединений R3Si(СН2)3Н2, отличающийся от ряда фунгистатической активности: C5H11> C6H13> C3H7> С4Н9> С2Н5.

Хорошей активностью по отношению к S. aureus haemolyticus 209 обладают третичные амины - 3-(метилдибутилсилил) пропилпроизводные пиперидина (2,1 мкг/мл) и диэтиламина (1,1 мкг/мл), что находится па уровне антибиотика метициллина (1,3 мкг/мл). Бактериостатическая активность других третичных кремнийорганических аминов в зависимости от характера радикала, связанного с атомом азота, уменьшается в следующем ряду

С2Н5> (CH2)5> (СН2)4> С4Н9> СН3> (СН2)6> С3Н7, (СН2)2O(СН2)2.

Более активны гидрохлориды бис(3-аминопропил) силанов типа R[(СН3)2Si(CH2)3NH2-НСI]2, где R=(CH2)n с n=1-3 или C6H4. Так, минимальная ингибирующая концентрация 1,2-бис (3- аминопропилдиметилсилил) этана составляет лишь 0,13 мкг/мл, а для аналогичного 1,3-производного пропана - 0,26 мкг/кг. Однако эти соединения неактивны по отношению к Вас. mycoides. Некоторое бактериостатическое действие на последние оказывают метилдигексил(3-аминопропил) силан (2,5 мкг/мл), метилдигексил (3-диэтиламииопропил) силан (7,8 мкг/мл) и этилдипропил(3-аминопропил) силан (8,3 мкг/мл).

По отношению к грамотрицательным бактериям Escherichia coli, Proteus vulgaris и Pseudomonas aeruginosa кремнийорганические амины значительно менее активны. При действии на Е. coli лишь у метилдибутил (3-аминопропил) силана и метилдиэтокси (3-амипопропил) силана минимальная ингибирующая концентрация достигает соответственно 5,2 и 10,4 мкг/мл. Несколько более активны некоторые диамины, а по патентным данным, 1,3,3,3-тетраметил-1- (2`-метил-3'-метил- аминопропил) дисилоксан-1-ол задерживает рост Е. coli и Ps. aeruginosa при концентрации 0,01 мкг/мл. Минимальная концентрация триэтил (2-триэтоксисилилпропиопоилокси) стапиапа, подавляющая рост Е. coli, составляет 0,4 мкг/мл, a Proteus vulgaris - 0,6 мкг/мл. Метилдиэтил (диэтиламинометилтиометил) силан и ряд других соединений подобной структуры R3Si(CH2)nSCH2NR'2 активны по отношению к возбудителям брюшного тифа 5. typhi abdotninales и дизентерии Shigella sonnei (0,7 мкг/мл) [9].

Кремнийорганические аммониевые соли, содержащие алкокси- или силоксигруппы у атома кремния, можно использовать для создания антимикробных покрытий на стекле, тканях и других материалах. Например, при обработке стекла, стекловолокна, шерстяных, хлопчатобумажных, льняных, полиэфирных, акрилатных и других тканей, кожи, дерева, резины, алюминия и нержавеющей стали раствором хлористого 3-(триметоксисилил)пропилметилоктадециламмония на их поверхности образуется антибактериальная силоксановая пленка, надежно защищающая поверхность этих материалов от поражения грамположительными бактериями Staphylococcus aureus, Streptococcus faecalis, Bacillus subtilis, грамотрицательными бактериями Salmonella choleraesuis, Salmonella typhosa, Escherichia coli, Mycobacterium tuberculosis, Pseudomonas aeruginosa, Aerohacter aerogenes, а также различными грибами (Aspergillus niger, Aspergillus verrucaria, Penicillium funiculosum, Trichophyton interdigital, Cephalodiscus fragrans, Candida albicans) и водорослями (Cyanophyta: Oscillatoria; Chrysophyta; Chlorophyta: Protococcus). Применение для обработки поверхности меченной ИС кремнийорганической аммониевой соли показало, что антимикробная активность определяется соединением, связанным с поверхностью, а не медленным удалением его в окружающую среду. Антимикробная активность поверхности стекла и тканей, обработанных этим кремнийорганическим препаратом, сохранялась после многократных стирок водой.

Большое количество других исследованных кремнийорганических V, р- и у-аминов, аминоспиртов, фталимидов, мочевин, изоцианатов, карбаматов и аминокислот бактериостатической активностью практически не обладает.

3.5 Регулирование роста растений

Метил (галогенметил) диалкоксисиланы и метил (хлорметил)- дигалогенсиланы ХnСН3-n(СН3)SiY2, где Х=СI, Вr, I, a Y=CH3O, С2Н5О, i-С3Н70, CI, F, проявляют сильное гербицидное действие на одно- и двудольные растения как при обработке почвы перед прорастанием семян, так и при опрыскивании растений.

Из этих соединений наиболее активны хлорметилпроизводные (X=CI), менее активны - йод- и бромпроизводные. Природа заместителей Y, связанных с атомом кремния, почти не влияет на эффективность гербицидного действия. Это и понятно, так как при всех значениях Y гидролиз в почве приводит к образованию одних и тех же силанолов или растворимых в воде олигомеров HО[XCH2Si(CH3)O]nH (возможно, n=1-3), которые, по-видимому, и обладают гербицидной активностью (соответствующие полисилоксаны на растения практически не действуют).

При обработке почвы метил(хлорметил)диэтоксисиланом семена двудольных растений прорастают и нормально образуют первые листья.

Однако затем листья приобретают коричневую окраску, становятся уродливыми и в ряде случаев опадают. При опрыскивании двудольных растений метил (хлорметил) диэтоксисиланом, диспергированным вводе, рост растений затормаживается, листья желтеют и опадают. В некоторых случаях растения погибают. Однодольные растения (трава, ячмень, пшеница) в результате такой обработки также желтеют, и их рост останавливается [11].

Подобные же хлорметилпроизводные, содержащие у атома кремния одну или три алкоксигруппы, никакой гербицидной активностью не обладают. Не активны также 3-хлорпропилтриметоксисилан, метил (1,2-дихлорэтил) диметоксисилан, метилтриметоксисилан, метилтрихлор-и диметилдихлорсилан. В то же время соединения с двумя или тремя бромметильными группами R4-nSi (СН2Вr) и (n=2,3) проявляют гербицидную активность даже в том случае, когда атом кремния связан только с алкильными или арильными группами.

Эффективными стимуляторами роста различных растений (цитрусовых, томатов, Hevea brasiliensis) являются 2-галогенэтилсиланы XCH2CH2SiY(OR)2, где Х=СI, Вr, I; Y=OR', SR'; R, R'=алкил, циклоалкил, аралкил, арил, ацил, способные образовывать этилен в результате ? распада, Например, применение 2-хлорэтилтрис(4'-метоксибензилокси) силана в концентрации 0,2% в начале созревания помидоров увеличило урожай на 70%. 2-Хлорэтилтриалкоксисиланы увеличивают выход каучука, получаемого от каждого дерева Hevea brasiliensis в течение 7 недель, в среднем на 160-190%. Аналогичным действием обладают 2-замещенные триорганилэтилсиланы, содержащие в ?-положении по отношению к атому кремния триорганиламмомвую, диорганилфосфатную или диорганилсульфониевую группу. Эти ?-замещенные кремнийорганические соединения имеют определенные преимущества по сравнению с известным фосфорорганическим стимулятором этрелем (2-хлорэтилфосфоновая кислота): большие активность и продолжительность действия на образование латекса, меньшую токсичность, повышенную липофильность, препятствующую смыванию препарата дождем. Кроме того, возможность широкого варьирования радикалов у атома кремния позволяет находить наиболее подходящий стимулятор этого типа для каждого вида растений.

Заметной гербицидной активностью обладают также тримeтилэтинилсилан (СН3)3SiС=СH, триметиленлилирониоловая кислота (CH3)3SiC=CCOOH, эфиры триалкилсилилметил (диалкиламиноэтил) малоновой кислоты R3SiCH2C(COOR/)2* CH2CH2NR"2, N-алкил-N-триметил силилметил-5-амино-2-алкоксибензиламины,4-[у-(триметилсилил) пропиламино]-7-фторхинолин, 2-бензимидазолилалкилсиланы и 5-метил-5-иитро-1,3-ди(триметилсилилметил) гексагидропиримидин. Введение силатрановой группировки в молекулы индолилуксусной или парахлорфеноксиуксусной кислот усиливает стимуляцию ими роста растений и пролонгирует ауксиновый эффект [13].

Некоторые алкоксисиланы оказались пригодными для подавления развития фитопланктона при «цветении» водоемов. Тетраэтоксисилан, винитриэтоксисилан и 3,3,3-трифторпропенил-1-метилдиэтоксисилан в концентрации 0,01 мг/л подавляют развитие клеток зеленых водорослей Scenedesmus quadricauda и Chlorella vulgaris на 93-96% в течение 15 дней. После этого численность водорослевых клеток увеличивается, но Не достигает первоначального уровня. 100%-ная гибель водорослей в течение 30 дней при действии этих кремнийорганических соединений наблюдается лишь при концентрациях 1-5 мг/л. Указанные алкоксисиланы в отличие от многих других альгицидов, применяемых для борьбы с «цветением» водоемов, при концентрациях 0,01-1 мг/л не влияют на выживаемость зоопланктона (Dafnia magna) и моллюсков (Liтпаеа stagnalis), что является их преимуществом при регулировании численности зоо- и фитопланктона в водоемах [13].

Вместе с тем следует отметить, что диатомовые водоросли Navicula pelliculosa могут быть культивированы на тетраэтоксисилане как единственном источнике кремния.

Тетраэтоксисилан в концентрации 0,1-1 мг/л подавляет рост различных представителей водорослей Chlorophyta, Cyanophyta и Crysophyta. Значительно более сильным альгицидным действием обладают хлориды 3-(триметоксисилил)пропилдиметилал- киламмония. Обработка поверхности стекла или тканей хлоридом 3-(тримстоксисилил) пропилдиметилоктадецил- аммония создает на их поверхности прочное альгицидное покрытие, препятствующее их обрастанию водорослями Oscillatoria borneti, Anabaena cylindrica, Selenastrum gracile, Pleurococ- cus sp., Gonium sp. и Volvox sp. Такая обработка фильтров из ацетата целлюлозы эффективно препятствовала проникновению водорослей в аквариум [14].

Полидиметилсилоксановые жидкости могут быть использованы в качестве антитранспирантов, препятствующих потере воды различными растениями (подсолнечником, сосной, елью, сахарным кленом, рябиной) в результате испарения. При этом эффективно действуют полидиметилсилоксаны с триметилсилильными концевыми группами (СН3)3SiO[(CH3)2SiO]nSi(СН3)3, содержащие от девяти до пятнадцати днметилсилоксигрупп, с максимумом активности при n=11. Аналогично действуют циклополисилоксаны, содержащие более девяти днметилсилоксигрупп, и линейные силоксандиолы. Обработка трехлетних Acer saccharum 5%-ной эмульсией полидиметилсилоксановой жидкости XF-4-3561 (Dow Corning) уменьшает испарение на 70% в течение 7 дней, а у Pinus resinosa даже на 90% более чем 10 дней, в то время как у Fraxinus americana при концентрации силоксана 1-10% испарение уменьшается лишь в течение одного дня. Обработка 3%-ной эмульсией силоксана снижает содержание хлорофилла и задерживает рост новых иголок у Pinus resinosa, а при использовании 50%-ной эмульсии все деревья погибли. Следовательно, применение полисилоксановых антитранспирантов требует соблюдения осторожности, правильно выбранной концентрации и предварительного определения токсичности в более продолжительных экспериментах [15, 16].

Механизм действия полисилоксановых антитранспирантов не может быть связан ни с образованием водонепроницаемой полисилоксановой пленки на поверхности листьев, пи с влиянием на метаболизм в листьях, ни с отражением падающего света, понижающим температуру листьев.

Такие пленки, задерживая жидкую воду, пропускают ее пары в 60 раз лучше, чем молекулы кислорода. Кроме того, полисилоксаны, имеющие низкое поверхностное натяжение, могут проникать в листья и, возможно, действовать на мезофильные клетки, препятствуя испарению воды.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе рассмотрены различные кремнийорганические соединения, представляющие собой биологически активные соединения, охарактеризованы виды их биологической активности.

Кремний - один из важнейших элементов, который выполняет самую активную роль в жизненных процессах. Согласно выводам биохимиков, Кремний используется в организме человека восьмикратно, участвуя в различных промежуточных реакциях, как катализатор, "энергодатель", обеспечивая жизнь. После восьмикратного использования Кремний выводится. Если в организме содержание этого вещества не пополняется за счет пищи и воды, жизнь затухает в нем. Основная роль Кремния в организме человека участие в химической реакции, которая скрепляет маленькие субъединицы волокнистых тканей организма (коллагена и эластина) вместе, придавая им силу и упругость. Также он принимает непосредственное участие в процессе минерализации костной ткани. Кроме того, кремний вместе с белковыми структурами способствует образованию ферментов, аминокислот, гормонов; необходим для усвоения человеком кальция, фосфора, жиров, хлора, фтора, натрия, серы, алюминия, марганца, молибдена, кобальта и многих других элементов; влияет на проводимость нервных волокон и функцию некоторых структур головного мозга; подпитывает энергией мозжечок, который отвечает за контроль и координацию наших движений и равновесие.

Возникновение многих патологических процессов, в том числе рака, атеросклероза, туберкулеза, диабета, зоба, некоторых дерматитов, камней в мочевыводящих путях, связано с нарушением обмена в организме соединений кремния.

Кремний укрепляет сосудистую стенку, играя важную роль в профилактике сердечно-сосудистых заболеваний. Он формирует соединительную и эпителиальную ткани, обеспечивая им прочность и эластичность; также, требуется для процесса формирования костей; способствует биосинтезу коллагена и поддержанию здорового вида ногтей, кожи, волос.

Кремний, являясь биофильным элементом, позитивно влияет на рост и развитие растений. Основной его функцией можно считать адаптогенное действие к различным стрессам как абиотическим, так и биотическим.

Кремнийорганические соединения обладают бактерицидными, инсекцецидными и фунгицидными свойствами, обладают бактериостатической, регулирующей рост растений активностью.

Синтез природных аналогов, а так же синтез новых кремнийорганических соединений является очень перспективным, так как данное направление научных исследований открывает новые возможности для фармакологии.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Самсонов, Г.В. Силициды и их использование в технике / Г.В. Самсонов. - Киев, АН УССР, 1959.- 204 с.

2. Voronkov, M.G. Pure Appl. Chem. 13, 35 (1966).

3. Voronkov, M.G. Biological activity of silatranes / M.G. Voronkov, In: Biochemistry of silicon and related problems, pp.395-433. New York: Plenum Press, 1978

4. Воронков, М.Г. Кремний в живой природе / М.Г. Воронков, И.Г. Кузнецов. - Новосибирск: Наука, 1984. - 157 с.

5. Кремний и его соединения: учебн.-метод. указания для студентов биол. фак отд-ний «Химия и биология», «Биология и химия» / [сост.: Н.С. Ступень, В.В. Коваленко]; Брест. гос. ун-т им. А.С. Пушкина, Каф. химии. - Брест: БрГУ, 2010. - 43 с.

6. Воронков, М.Г. Удивительные элементы жизни / М.Г. Воронков, И.Г. Кузнецов - Иркутск, 1983.- 107 с.

7. Алешин, Н.Е. О биологической роли кремния у риса / Н.Е. Алешин // Вестник с.-х. науки. 1988. №10. С. 77-85.

8. Воронков, М.Г. Кремний и жизнь. Биохимия, фармакология и токсикология соединений кремния / М.Г. Воронков, Г.И. Зелчан, Э.Я. Лукевиц. - Рига: Зинатне, 2008. - 588 с.

9. Потатуева, Ю.А. О биологической роли кремния / Ю.А. Потатуева // Агрохимия. 1968. № 9. С. 111-116

10. Аллер, Л.Х. Распространенность химических элементов / Л.Х. Аллер. - М.: Изд-во иностранной литературы, 1963. - 357 с.

11. Аммосова, Я.М. Кремнезем в системе почва-растение / Я.М. Аммосова и др. // Агрохимия. 1990. №10. С. 103-108.

12. Баранов, А.В. Влияние кремния на рост, развитие и продуктивность яровой пшеницы при различных условиях минерального питания и водообеспечения: Автореф. дис. канд. биол. наук. - М., 2011 23 с.

13. Айлер, Р.К. Коллоидная химия кремнезема и силикатов / Р.К. Айлер. - М., 1959, гл. IX. - 261 с.

14. Гладкова, К.Ф. Роль кремния в фосфорном питании растений / К.Ф. Гладкова // Агрохимия. 1982. - N 2. - С. 133-144.

15. Попова, A.A. О роли силикатов в жизни растений / A.A. Попова // С/х за рубежом. растениеводство. 2011. - N 11. - С. 35-37.

16. Потатуева, Ю.А. О биологической роли кремния / Ю.А. Потатуева // Агрохимия. - 2008. - N9. - С. 56-63.

Размещено на Allbest.ur