Фосфаты углеводов как активаторы роста растений и способ их получения

Изобретение относится к способу получения активатора роста растений, заключающемуся в обработке целлюлозы или содержащего ее исходного материала 85% мас. ортофосфорной кислотой в количестве не менее 16,6 мас. частей кислоты на 1 часть целлюлозы при температуре 18-30°С в течение 20-150 часов и дальнейшей нейтрализации продукта аммиаком для выделения фосфатов углеводов из реакционной смеси. Изобретение также касается способа выделения фосфатов углеводов из смеси с фосфорной кислотой и активатора роста растений. Технический результат - простой и недорогой способ получения фосфатов углеводов, а также исследование их активности в качестве активаторов роста растений. 3 н. и 2 з.п. ф-лы, 16 пр., 2 табл., 3 ил.

 

Изобретение относится к химии органических соединений типа углеводов, получению их сложных эфиров и веществам, катализирующим получение таких эфиров.

Целью изобретения является разработка простого и недорогого способа получения фосфатом сахаров, а также исследование их активности в качестве активаторов роста растений.

Известно, что глюкоза - основной энергетический субстрат живых организмов, который образуется в листьях растений в результате фотосинтеза. В растениях глюкоза полимеризуется до целлюлозы и крахмала, создавая несущий каркас растения и формируя семена. Целлюлоза составляет более половины массы растения. Синтез целлюлозы протекает медленно о определяет скорость роста и созревания растения. Полимеризации подвергается фосфат глюкозы, образующийся при действии на глюкозу АТФ. При солнечной погоде активен фотосинтез. В растениях много глюкозы, однако недостаточно воды для ее фосфорилирования. При дождливой погоде образуется мало глюкозы. Дефицит фосфата глюкозы тормозит развитие растений. Поступление углеводов путем корневого питания ускоряет рост растений. Это происходит на богатых перегноем почвах (черноземах) и при внесении органических удобрений.

Фосфат глюкозы, или 1 глюкозофосфат (1-глюкозофосфорная кислота), иногда называемый эфиром Кори, образуется из полисахаридов - крахмала и гликогена - при их расщеплении ферментом фосфорилазой в присутствии неорганических фосфатов. В свою очередь глюкозофосфат является исходным веществом при биосинтезе крахмала и гликогена.

Доступным исходным материалом для синтеза фосфатов углеводов является целлюлоза. Промышленностью выпускается древесная волокнистая целлюлоза, а также бумага. Хлопковая вата и хлопчатобумажные ткани, являются чистой целлюлозой. Древесные опилки и солома более чем на половину состоят из целлюлозы.

Новый способ синтеза фосфатов моно и дисахаридов предлагает ранее неизвестное использование целлюлозы как исходного материала для синтеза фосфатов углеводов и новый метод выделения целевых фосфатов углеводов из реакционной смеси.

Известные способы фосфорилирования целлюлозы изложены, например, в работах [1, 2]. Отмечено, что традиционные методы с использованием ангидридов и хлорангидридов фосфора малопригодны для фосфорилирования целлюлозы.

Удовлетворительные результаты дает использование фосфорной кислоты в присутствии азотистых оснований, например, мочевины. Реакцию проводят при нагревании до 130-200°С в течение нескольких часов [10]. В продуктах, получаемых в идентичных условиях, содержание фосфора непредсказуемо меняется от 4 до 13%. Это соответствует фосфорилированию 0,5 или 2 гидроксильных групп в элементарном звене. В результате нагрева продукт сильно осмоляется и чернеет.

При фосфорилировании ортофосфорной кислотой (ОФК) одновременно с фосфорилированием происходит гидролиз целлюлозы, наблюдаемый даже в 100%-ной кислоте, так как вода выделяется в ходе фосфорилирования. Такой процесс можно охарактеризовать как гидролитическое фосфорилирование.

Обнаружено, что взятая в избытке 85%-ная ОФК гладко растворяет целлюлозу при 18-30°C. При этом образуется смесь фосфатов моносахаридов и фосфат целлобиозы, растворенные в избытке фосфорной кислоты. Получаемые продукты слабо окрашены.

Найдено, что фосфаты углеводов могут быть отделены от избытка ОФК. Для этого в реакционную смесь добавляют водный или газообразный аммиак до полной нейтрализации кислот. Фосфаты аммония выпадают в осадок, а аммониевые соли фосфатов углеводов остаются растворенными. Согласно данным элементного анализа избыток фосфорной кислоты полностью превращается в белый осадок (NH₄)₂PO₄H. Отфильтрованный осадок был высушен и проанализирован:

Целлобиоза - структурный фрагмент целлюлозы, фосфат целлобиозы (анион ФЦ) С₁₂Н₂₆О₁₃Р - основной продукт при гидролитическом фосфорилировании целлюлозы.

ФЦ - основной анионный компонент аммониевых солей составов по приведенным ниже примерам.

Фосфат целлобиозы димер фосфата глюкозы активен в дальнейшем синтезе целлюлозы.

Ниже приведены примеры получения составов фосфорилированных углеводов.

Общая методика выделения фосфатов углеводов

К жидкой смеси фосфорной кислоты и продукта фосфорилирования полиола, образовавшейся в результате реакции фосфорной кислоты и целлюлозы, добавляют небольшими порциями в большом избытке аммиачную воду (25% NH₃) или газообразный аммиак. Образуется суспензия осадка диаммонийфосфата и водно-аммиачный раствор аммониевой соли фосфата углевода. Осадок отфильтровывают, промывают дополнительной порцией аммиачной воды и высушивают. В отфильтрованном растворе определяют содержание нелетучих веществ и проводят анализ остатка фосфата углеводов. Используют фосфорную кислоту с концентрацией 83-85%. Фактически это моногидрат Н₃РО₄⋅H₂O или Н₅РО₅. Такая кислота обеспечивает полное превращение целлюлозы в растворимые продукты гидролиза и фосфорилирования.

Примеры.

Пример 1. В химический стакан помещают бумажные салфетки 2,9 г, а затем 97,1 г экстракционной фосфорной кислоты, упаренной при 150°С до концентрации 85%. На 1 часть целлюлозы берут 33,5 частей 85%-ной Н₃РО₄. Реакционная смесь содержит 2,9% целлюлозы, 82,5% ОФК и 14,6% воды. Смесь выдерживают в стакане в течение 96 часов при 20°С. Образуется вязкая прозрачная светло-коричневая жидкость. Выход олигомерных продуктов 105% от массы целлюлозы.

Пример 2. В колбу Эрленмейра помещают 3 г целлюлозы в виде бумажных салфеток и 100 г экстракционной фосфорной кислоты, упаренной до концентрации 83% Н₃РО₄. Смесь выдерживают 3 суток при температуре 18-22°С. Происходит полное растворение бумаги с образованием светло-коричневого раствора (103 г).

Пример 3. В химический стакан помещают бумажные салфетки 5,1 г, а затем 84,9 г экстракционной фосфорной кислоты, упаренной при 150°С до концентрации 85%. На 1 часть целлюлозы берут 16,6 частей 85%-ной Н₃РО₄. Реакционная смесь содержит 5,1% целлюлозы, 80,7% ОФК и 14,2% воды. Смесь выдерживают в стакане в течение 150 часов при 20°С. Образуется вязкая прозрачная светло-коричневая жидкость. Выход продуктов гидролитического фосфорилирования 5,4 г. 100% превращения целлюлозы

Пример 4. В химический стакан помещают древесные опилки 6,1 г, а затем 93,9 г экстракционной фосфорной кислоты, упаренной при 150°С до концентрации 85%. На 1 часть целлюлозного сырья, считая что в опилках его 50%, берут 33,5 частей 85%-ной Н₃РО₄. Реакционная смесь содержит 2,9% целлюлозы, 82,5% ОФК и 14,6% воды. Смесь выдерживают в стакане в течение 96 часов при 20°С. Образуется вязкая прозрачная светло-коричневая жидкость. Выход готового продукта 100 г.

Эффективно катализирует фосфорилирование обезвоженный сульфат магния (пример 5).

В указанных условиях фосфорилируется не только целлюлоза, но и другие сахара или многоатомные спирты, например, пентаэритрит или сахароза.

Пример 5. В химический стакан помещают хлопья древесной товарной небеленой целлюлозы 3,9 г, а затем 87,5 г экстракционной фосфорной кислоты, упаренной при 150°С до концентрации 85%. Товарный гидрат сульфата магния прокаливают до постоянного веса при 250°С и 8,7 г MgSO₄ вносят в реакционную смесь. На 1 часть целлюлозного сырья берут 22,4 части 85%-ной Н₃РО₄. Реакционная смесь содержит 3,9% целлюлозы, 66,6% ОФК, 8,7% MgSO₄ и 20,9% воды. Смесь выдерживают в стакане в течение 150 часов при 20°С. Образуется вязкая непрозрачная белая суспензия. Выход продукта готового для нейтрализации 100,1 г

Пример 6. В колбу Эрленмейра помещают целлюлозу в виде бумажных салфеток 2 г, Н₃РО₄ (85%) 49,8 г и NH₂CONH₂ технической чистоты 8 г. Смесь выдерживают в закрытой колбе при комнатной темпера туре в течение 8 суток. Образуется вязкая однородная смола в количестве 59,7 г.

Смолу обрабатывают аммиачной водой (25% NH₃) 308,6 г. Смесь закипает, теряя 155,4 г массы. Она содержит:

Выпадает обильный осадок, идентифицируемый как (NH₄)₂HPO₄. Его теоретический выход 56,2 г. Фактически после фильтрования и сушки в течение 3 суток при комнатной температуре получили 93,1 г осадка, т.е. содержание примесей в нем 36,9 г (40%). Если считать примеси водой, то продукт соответствует пентагидрату диаммонийфосфата.

Фильтрат упаривают при комнатной температуре, получая 11,2 г нелетучих веществ. Считая, что он содержит 8 г исходной мочевины выход дополнительного вещества 3,2 г. Теоретический выход C₁₂H₁₉O₁₀PO₃NH₄H равен 2,5 г. Таким образом фильтрат содержит все соли фосфатов углеводов и небольшое количество примесей - возможно, фосфатов мочевины.

Пример 7. В колбу Эрленмейра помещают волокнистую древесную целлюлозу 7,2 г (0,022 моля в пересчете на мономер в форме дисахарида), Н₃РО₄ (85%) 145,8 г (1,27 м ФК) и MgSO₄*7H₂O (0,13 моля) 33,2 г. Смесь выдерживают в закрытой колбе при комнатной температуре в течение 6 суток. Образуется вязкая киселеобразная полупрозрачная жидкость массой 186,2 г. Эту жидкость в несколько приемов обрабатывают аммиачной водой в количестве 584,8 г. Образовавшуюся суспензию фильтруют, получая 251,7 г фильтрованного раствора и 230,1 г влажного или 184,3 сухого осадка в форме преимущественно (NH₄)₂PO₄H. Выход без сульфата магния 168 г (1, 27 моля) - количественное выделение всего избытка фосфорной кислоты. Потери аммиака и воды в процессе фильтрования и сушки осадка 246,6 г. Отфильтрованный раствор содержит 6% нелетучих веществ, т.е. 11 г аммониевой соли фосфатов углеводов (0,02 моля) Выход 100%.

Пример 8. К 17,9 г фосфата по примеру 2 добавляют 100 мл (93,8 г) аммиачной воды, выпавший осадок фильтруют и промывают аммиачной водой (53,9 г), Осадок высушивают при комнатной темпера туре в течение 2 недель. Выход сухого осадка 18,4 г (0,16 моля считая на аммофос NH₄PO₄H₂). По расчету продукт содержал 14,8 г ортофосфорной кислоты (0,15 моля). Таким образом достигнуто полное отделение избытка фосфорной кислоты.

Фильтрат - выход 69,6 г. Содержание нелетучих веществ 2%. Выход сухого остатка 1,4 г при содержании целлюлозы в отобранной пробе 0,5 г. Внешний вид упаренного фильтрата - игольчатые кристаллы.

Фосфат аммония является ценным побочным продуктом, но при использовании полученного вещества для сельскохозяйственных целей, его можно не отделять, так как он является известным фосфорным удобрением.

Пример 9. В колбу Эрленмейра помещают древесную целлюлозу в виде хлопьев 9,8 г (0,03 моля в пересчете на мономер в форме дисахарида), пирофосфорную кислоту Н₄Р₂О₇ 39,8 г (0,22 м) и MgSO₄*H₂O (0,032 моля) 3,8 г. Перемешивают смесь и выдерживают в закрытой колбе при комнатной температуре в течение 20 суток. Образуется черная вязкая масса в количестве 58 г.

Небольшими порциями к продукту фосфорилирования добавляют 200 г аммиачной воды. Выпавший осадок отфильтровывают. Выход: фильтрат 171,9 г, осадок влажный 143,4 г. Осадок сухой (NH₄)₂PO₄H в смеси с магний аммоний фосфатом 67,3 г (170% от пирофосфорной кислоты); растворимая аммониевая соль фосфата углеводов 9,8 г - 74% превращения целлюлозы

Пример 10. В колбу Эрленмейра помещают волокнистую древесную целлюлозу 9,8 г (0,03 моля в пересчете на мономер в форме дисахарида), пирофосфорную кислоту Н₄Р₂О₇ 39,8 г (0,22 м) и MgSO₄*H₂O (0,032 моля) 3,8 г. Перемешивают смесь и выдерживают в закрытой колбе при комнатной температуре в течение 20 суток. Образуется черная вязкая масса в количестве 58 г.

Небольшими порциями к продукту фосфорилирования добавляют 200 г аммиачной воды. Выпавший осадок отфильтровывают. Выход: фильтрат 171,9 г, осадок влажный 143,4 г. Осадок сухой (NH₄)₂PO₄H в смеси с магний аммоний фосфатом 67,3 г (170% от пирофосфорной кислоты); растворимая аммониевая соль фосфата углеводов 9,8 г - 74% превращения целлюлозы

На 1 часть целлюлозы требуется не менее 16,6 частей фосфорной кислоты 85%. При меньшем соотношении полного растворения целлюлозы не достигается. Проведение реакции при температуре выше 35°С приводит к почернению продукта вследствие осмоления. Сульфат магния облегчает и ускоряет проведение процесса.

Пример 11. В стеклянном стакане на 1 л заливают 82,9 г хлопчатобумажной ткани 285,7 г экстракционной упаренной H₃PO₄ (85%). Выдерживают смесь 5 суток при температуре 20-22°С. Большая часть ткани растворилась. Не растворившуюся часть отфильтровывают и промывают 555 г воды. К фильтрату добавляют 0,5 л водного аммиака 20%-ного. Выделившийся осадок диаммоний фосфата отфильтровывают, промывают водным аммиаком. Фильтрат содержит 31% фосфатов моно и дисахаридов.

Недостаточное количество фосфорной кислоты привело к неполному растворению целлюлозного материала. Следовало взять 1600 г фосфорной кислоты.

(НОСН₂)₃CCH₂OPO₃H₂ - фосфат пентаэритрита. Он легко образуется при фосфорилировании пентаэритрита в условиях по примерам 1-5.

С₁₂Н₁₉О₁₀РО₃Н₂ фосфат целлобиозы - основной продукт гидролитического фосфорилирования целлюлозы

Пример 12. Методом электроспрей масс-спектрометрии изучен раствор, образующийся после отделения диаммоний фосфата от продукта фосфорилирования по примеру 2. Масс-спектр представлен на рисунке 1:

Рисунок 1. Масс-спектр продукта по примеру 2

Пик аниона м/е 141 соответствует C₆H₅O₄ т.е. дважды дегидратированной глюкозе, пик 302 - целлобиоза С₁₂Н₁₄О₉. Пик 409 - фосфат целлобиозы С₁₂Н₂₆О₁₃Р. Пики 507 и 605 можно аттрибутировать как ди- и трифосфаты целлобиозы. В спектре раствора также имеются фрагменты с большой молекулярной массой, указывающие, что при гидролизе целлюлозы в фосфорной кислоте образуется много олигомерных продуктов.

Пример 14. Продукт по примеру 11 был использован для агрономического эксперимента.

Агрономический эксперимент был следующим. В начале мая коммерческую рассаду петуний посадили в цветочные ящики на балконе. Левый ящик однократно полили 0,1% состава по примеру 11, правый полили водой. Через три недели провели фотографирование и обнаружили, что растения в левом ящике намного крупнее и лучше развиты чем в правом.

Пример 15. В полимерную емкость с О-фосфорной кислотой (ФК) экстракционной упаренной до 85%, по ТУ 2143-002-34179766-97 (производства Фосагро Воскресенск) добавляют концентрированную серную кислоту, а затем хлопковую вату в виде небольших кусков. Используют: ФК 40 кг, серная кислота - 1 кг, вата хлопковая 2 кг.

Емкость с компонентами оставляют на 2 дня при температуре 18-23°С. Вата растворяется в кислоте.

25 кг водного аммиака (25% NH₃) подают медленно в реакционную смесь. После окончания подачи аммиачной воды продукт перемешивают и определяют pH, который должен быть не ниже 6. Выход суспензии белых кристаллов в коричневой жидкости 65 кг.

Это целевой продукт: активатор роста растений Aqua vita. Он предназначен для увеличения урожая и скорости созревания огородных и садовых культур, представляет собой суспензию или жидкость, которую добавляют в воду для полива растений в количестве 20-50 г на 10-литровое ведро воды. При однократном за сезон применении увеличивает урожай огородных культур не менее чем в 2 раза. Его применение также способно оздоровить заболевшие деревья и кустарники и улучшить приживаемость саженцев плодовых деревьев. Уже через несколько дней после полива ослабленные растения дают новые побеги. Особенно эффективно применение этого активатора при выращивании теплолюбивых культур в теплицах.

Пример 16. 100 г суспензии по примеру 15 растворяют в 4 ведрах воды. Полученным раствором Aqua vita в начале мая до появления листвы поливают 4 куста смородины, занимающих 10 квадратных метров земли. 15 июля урожай созревает и собирают с 4 кустов 6 кг черной смородины (более ведра). Смородина крупная размером 6-10 мм, очень сладкая.

С 4 кустов почва под которыми не была обработана Aqua vita урожай составил 3,5 кг. Ягоды мелкие. Пик созревания наступил на 8-10 дней позже, чем у растений, почва под которыми была обработана активатором.

Таким образом, активатор можно вносить и под пропашные культуры, однократно обрабатывая почву одновременно с посевом или перед ним.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Рисунок 1. Масс-спектр продукта по примеру 2

Рисунок 2. Рассада петуний через 3 недели после высадки без обработки.

Рисунок 3. Рассада петуний через 3 недели после высадки при однократном поливе 0,1% раствором по примеру 11

Источники научно-технической информации:

1. Петропавловский Г.А., Котельникова Н.Е. Дегидратация и фосфорилирование целлюлозы оксидом фосфора (5) в среде диметилформамида // Cellulose chemistry and technology, 1985. №19. P. 591-600.

Научная библиотека КиберЛенинка: http://cyberleninka.ru/article/n/sintez-proizvodnyh-tsellyulozy-soderzhaschih-fosfatnye-aminoi-merkaptogruppy#ixzz2zWbq9TVL

2. Вейганд-Хильгетаг «Методы эксперимента в органической химии» М., Химия, 1968 стр. 357.

3. Нифантьев Э.Е., Коротеев М.П., Гудкова И.П., Предводителев Д.А. ДАН 173, №6, 1347-1351 (1967).

4. Нифантьев Э.Е. «Эфиры кислот трехвалентного фосфора и углеводов» в кн. Прогресс химии углеводов М., Наука, 1985 стр. 174-201.

5. Wagner-Jayregg Т. J. Am. Chem. Soc. 1953, 75, 2125-2130.

6. Арбузов Б.А., Зороастрова В.М., Сагитова Р.Х. Изв. АН СССР сер. хим., 1964, №3, 661-669.

7. Матевосян Г.Л., Завлин П.М. «Фосфорилированные 1,3 диазолы» Тр. VIII Всесоюзной конференции по химии ФОС М., Наука, 1987 стр. 216-220.

8. Ramirez F., Okazaki Н., Marecek J.J. Am. Chem. Soc. 1976, 98, 5310-5312.

9. Э.Е. Нифантьев «Фосфорилирование целлюлозы», Успехи химии т. 34, вып. 14, 2206-2219 (1965).

10. патент GB 838973, (1960) РЖХим 1961, 17П470.

1. Способ получения активатора роста растений, заключающийся в обработке целлюлозы или содержащего ее исходного материала 85% мас. ортофосфорной кислотой в количестве не менее 16,6 масс. частей кислоты на 1 часть целлюлозы при температуре 18-30°С в течение 20-150 часов и дальнейшей нейтрализации продукта аммиаком для выделения фосфатов углеводов из реакционной смеси.

2. Способ получения продукта по п. 1, где в качестве исходного материала используют древесную волокнистую целлюлозу, бумагу, хлопчатобумажную ветошь, солому или древесные опилки.

3. Способ получения продукта по п. 1. где при обработке ортофосфорной кислотой дополнительно в качестве катализатора используют серную кислоту, сульфат магния или мочевину.

4. Способ выделения фосфатов углеводов из смеси с фосфорной кислотой, полученной согласно п. 1, заключающийся в обработке реакционной смеси, полученной после обработки ортофосфорной кислотой, аммиаком и отделении образующегося осадка.

5. Активатор роста растений на основе продуктов гидролиза целлюлозы фосфорной кислотой, содержащий фосфаты углеводов, полученный способом по пп. 1-4.