własności fizykochemiczne peraminy i jej pochodnych jako

Progress in Plant Protection/Postępy w Ochronie Roślin 48 (2) 2008
WŁASNOŚCI FIZYKOCHEMICZNE PERAMINY
I JEJ POCHODNYCH JAKO ALTERNATYWNEGO
ŚRODKA OCHRONY ROŚLIN
ALINA T. DUBIS1, ANDRZEJ ŁAPIŃSKI2
1
Uniwersytet w Białymstoku, Instytut Chemii
Piłsudskiego 11/4, 15-443 Białystok
[email protected]
2
Polska Akademia Nauk, Instytut Fizyki Molekularnej
Smoluchowskiego 17, 60-179 Poznań
[email protected]
I. WSTĘP
Od kilku dekad spektroskopia w podczerwieni FT-IR jest bardzo ważną metodą badania próbek pochodzenia biologicznego w tym lipidów, białek, membran, kwasów
nukleinowych, tkanek zwierzęcych, komórek mikrobów oraz roślin (Gremlich i Yan
2000). Rośliny składają się głównie z węglowodanów w tym z celulozy, glukozy i sacharozy co stanowi ok. 80% ich suchej masy. Metody spektroskopowe w obszarze
średniej podczerwieni umożliwiają pełną identyfikację szeregu związków organicznych
(Mascarenhas i wsp. 2000). Znakomitym przykładem praktycznego zastosowania technik spektroskopowych są badania rośliny paszowej – lucerny siewnej (Medicago sativa
L.). Przy pomocy mikroskopii w podczerwieni stwierdzono istnienie istotnych różnic
w budowie celulozy młodej i starej lucerny (Messerschmidt i Harthcock 1988). Ma to
szczególne znaczenie w ocenie wieku roślin, a co za tym idzie określenie ich wartości
pokarmowej.
Tradycyjna analiza spektroskopowa w podczerwieni materiału roślinnego, oparta na
pomiarze widm transmisyjnych, wymaga odpowiedniego przygotowania materiału do
badań, polegającego na chemicznej modyfikacji ścian komórkowych. W przypadku,
gdy zależy nam na bezpośrednim, nieniszczącym badaniu roślin, możemy zastosować
inne zaawansowane techniki spektroskopowe: np. technikę odbicia dyfuzyjnego czy
całkowitego wewnętrznego odbicia (ATR – Attenuated Total Reflectance).
Technika ATR wykorzystuje zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia promieniowania. W układzie pomiarowym składającym się z kryształu ZnSe oraz ułożonej na
jego powierzchni próbki, wiązka światła podczerwonego wielokrotnie odbijając się
wewnątrz kryształu penetruje na niewielką głębokość materiał roślinny (Dubis i wsp.
1999). Otrzymane widmo odbiciowe dostarcza, podobnie jak klasyczne widmo transmisyjne, informacji o obecności grup funkcyjnych w badanym materiale (Dubis i wsp.
2001).
716
Progress in Plant Protection/Postępy w Ochronie Roślin 48 (2) 2008
Celem badań jest wykorzystanie techniki ATR do detekcji antyfidantu peraminy
(Rowan i wsp. 1986) na podłożu biologicznym. Charakterystyczne pasma analityczne
badanej substancji zostały zidentyfikowane przez autorów tej pracy z wykorzystaniem
licznych eksperymentalnych technik pomiarowych oraz analizy teoretycznej opartej na
metodach chemii kwantowej (Łapiński i Dubis 2008).
II. MATERIAŁ I METODY
Obiektem badań jest pirolopirazynowy alkaloid – peramina, wykazujący działanie
antyfidantne w stosunku do owadów trawożernych oraz w stosunku do niektórych
szkodników magazynowych. Ze względu na potencjalnie duże znaczenie peraminy jako
nowoczesnego, ekologicznego środka ochrony roślin podjęto próbę bezpośredniej analizy spektroskopowej peraminy na podłożu roślinnym.
W pracy zastosowano technikę całkowitego wewnętrznego odbicia w zakresie średniej podczerwieni (ATR FT-IR). Wykorzystano do tego celu spektrometry: FT-IR Bruker Equinox 55 (od 400 do 9 000 1/cm) oraz Nicolet Magna IR 550 Series II (od 400 do
4 000 1/cm). Interpretacja widm IR została oparta na teoretycznie obliczonych widmach
w podczerwieni metodą DFT (B3LYP) przy zastosowaniu bazy obliczeniowej 6-311++
G(d,p) (Łapiński i Dubis 2008).
III. WYNIKI I ICH OMÓWIENIE
Charakterystycznymi elementami struktury antyfidantu peraminy przedstawionej na
rysunku 1. jest nienasycony pierścieniowy układ pirolopirazynowy z ugrupowaniem
karbonylowym oraz łańcuchem bocznym zakończonym polarną grupą guanidynową.
Rys. 1. Struktura chemiczna peraminy
Fig. 1. Chemical structure of peramine
W pracy zastosowano metodykę analityczną polegają na porównaniu widma czystej
peraminy z widmem peraminy na podłożu biologicznym. Takie podejście pozwala na
ocenę obecności substancji aktywnej na roślinie, którą chcemy chronić przed szkodnikami. Rysunek 2. przedstawia widma odbiciowe peraminy, liścia trawy jako podłoża
roślinnego oraz peraminy znajdującej się na liściu.
W widmie peraminy najbardziej intensywne pasma oscylacyjne zaobserwowano
przy liczbach falowych 1 667 1/cm oraz 1 607 1/cm (5 999 nm oraz 6 223 nm). Sygnały
te leżą blisko siebie tworząc dublet związany z drganiami wiązania podwójnego C=C
i grupy karbonylowej C=O. Powyższe pasma ze względu na znaczną intensywność
Własności fizykochemiczne peraminy...
717
Intensywność – Intensity
mogą być wykorzystane jako wskaźniki obecności peraminy na roślinie. Ponadto
w widmie występuje pasmo o średniej intensywności leżące przy 1 363 1/cm pochodzące od drgań rozciągających C-N w pierścieniu pirolowym. Jest ono charakterystyczne
dla związków zawierających atomy azotu w cząsteczce.
W widmie odbiciowym liścia trawy obserwuje się bardzo intensywne, o dużej szerokości połówkowej pasma absorpcyjne położone przy 3 300 1/cm i 1 637 1/cm pochodzące od wody oraz cukrów i protein (Stuart 2004). Najbardziej charakterystyczne pasma protein zwane I pasmem amidowym występuje w obszarze liczb falowych
1 700–1 600 1/cm. Ze względu na duże możliwości tworzenia wiązań wodorowych oraz
przyjmowania różnych konformacji przez cząsteczki protein, pasma amidowe mają
zazwyczaj dość złożoną strukturę będącą wypadkową nakładających się pasm. Należy
podkreślić, że ten obszar absorpcji protein pokrywa się z silną absorpcją wody, która
jest nieodłącznym składnikiem komórek roślinnych. Ponadto widoczne są również dwa
charakterystyczne pasma o małej intensywności przy 2 917 1/cm oraz 2 848 1/cm pochodzące od lipidów kutykularnych rośliny (Dubis i wsp. 1999).
700
1200
1700
2200
2700
3200
3700
Liczba falowa – Wave number [1/cm]
Rys. 2. Widmo odbiciowe ATR FT-IR peraminy (a), trawy (b) peraminy na powierzchni trawy (c)
Fig. 2. ATR FT-IR spectra of peramine (a), grass leaf (b), peramine on the grass surface (c)
W rezultacie naniesienia peraminy na powierzchnię rośliny w widmie zaobserwowano zmiany świadczące o obecności grupy karbonylowej i wiązania podwójnego.
W szerokim masywie pasma przy 1 637 1/cm pochodzącym od podłoża roślinnego,
pojawiło się przegięcie przy 1 667 1/cm, typowe dla widma czystej peraminy.
Przeprowadzone badania wskazują, że analiza peraminy na podłożu biologicznym
z wykorzystaniem techniki ATR FT-IR jest dobrą metodą diagnozującą obecność substancji aktywnej na roślinie uprawnej. Aby tego typu analizy można było przeprowadzać dla innych układów: roślina – substancja aktywna, należy wstępnie dokonać
718
Progress in Plant Protection/Postępy w Ochronie Roślin 48 (2) 2008
szczegółowej analizy spektroskopowej badanych obiektów zgodnie z metodyką zaproponowaną przez autorów pracy.
Praca naukowa finansowana ze środków na naukę KBN w latach 2006–2008 jako projekt badawczy nr N310 063 31/2813.
IV. LITERATURA
Dubis E.N., Dubis A.T., Morzycki J.W. 1999. Comparative analysis of plant cuticular waxes
using HATR FT-IR reflection technique. J. Mol. Struct. 511–512: 173–179.
Dubis E.N., Dubis A.T., Popławski J. 2001. Determination of the Aromatic Compounds in Plant
Cuticular Waxes Using FT-IR Spectroscopy. J. Mol. Struct. 596: 83–88.
Gremlich H.U., Yan B. 2000. Infrared and Raman Spectroscopy of Biological Materials. Marcel
Dekker, New York, 384 ss.
Łapiński A., Dubis A.T. 2008. Zastosowanie zaawansowanych metod spektralnych w badaniach
antyfidantu – peraminy, jako alternatywnego środka ochrony roślin. Prog. Plant Protection/Post. Ochr. Roślin 48: 730–733.
Mascarenhas M., Dighton J., Arbuckle G.A. 2000. Characterization of Plant Carbohydrates and
Changes in Leaf Carbohydrate Chemistry Due to Chemical and Enzymatic Degradation Measured by Microscopic ATR FT-IR Spectroscopy. Appl. Spectrosc. 54: 681–686.
Messerschmidt R.G., Harthcock M.A. 1988. Infrared Microspectroscopy: Theory and Applications. Marcel Dekker, New York, 312 ss.
Rowan D.D., Hunt M.B., Gaynor D.L. 1986. Peramine, a novel insect feeding deterrent from
ryegrass infected with the endophyte Acremonium loliae. J. Chem. Soc., Chem. Commun.:
12: 935–936.
Stuart B. 2004. Infrared Spectroscopy: Fundamentals and Applications. Analytical Techniques in
the Scienses Series, John Wiley & Sons, Chichester, 203 ss.
ALINA T. DUBIS, ANDRZEJ ŁAPIŃSKI
PHYSICOCHEMICAL PROPERTIES OF PERAMINE
AND ITS DERIVATIVES
SUMMARY
On the account of a great importance of peramine as novel insecticide the spectroscopic investigation of peramine placed on the plant surface was performed. The interpretation of IR spectra has been done using theoretical calculations of normal modes of vibrations. The spectral region where the bands related to stretching of carbonyl group C=O and double bond C=C was very
useful for the practical application of insecticide detection.
Key words: antifeedants, peramine, IR spectroscopy, ATR spectroscopy