Карбаматы

Карбаматы — это класс химических соединений, производных карбаминовой кислоты (NH₂COOH), в которых один или два атома водорода в аминогруппе замещены на органические радикалы, а гидроксильная группа — на различные остатки (чаще всего эфирные или тиоэфирные). Общая формула карбаматов — R¹R²N‑CO‑OR³, где R¹, R² и R³ — органические заместители (алкильные, арильные или гетероциклические группы). Карбаматы широко распространены в природе и используются в промышленности, сельском хозяйстве и медицине, однако многие из них обладают токсичностью, в том числе нейротоксическим действием.

История

Первые сведения о карбаматах относятся к середине XIX века. В 1828 году Фридрих Вёлер синтезировал мочевину (карбамид), которая является простейшим диамидом карбаминовой кислоты. Однако систематическое изучение эфиров карбаминовой кислоты началось позже. В 1860-х годах немецкий химик Август Вильгельм фон Гофман описал синтез этилкарбамата (уретана) и его свойства. В 1870-х годах были открыты первые природные карбаматы, такие как физостигмин (эзерин) — алкалоид из калабарских бобов, обладающий ингибирующим действием на холинэстеразу.

В XX веке карбаматы стали объектом интенсивных исследований в связи с их использованием в качестве пестицидов. В 1940-х годах были синтезированы первые карбаматные инсектициды, такие как карбарил (севин), а в 1950-х — пропоксур. В 1960-х годах началось применение карбаматов в качестве лекарственных средств: например, карбамазепин (производное карбамата) был одобрен для лечения эпилепсии. В конце XX века были разработаны карбаматные фунгициды и гербициды, а также новые поколения ингибиторов холинэстеразы для медицины.

Классификация

Карбаматы классифицируют по нескольким признакам: по происхождению, по химической структуре и по области применения.

По происхождению

• Природные карбаматы — встречаются в живых организмах. Примеры: физостигмин (алкалоид растений), неостигмин (синтезирован на основе природных аналогов), а также некоторые аминокислоты и коферменты (например, биотин, содержащий уреидное кольцо).
• Синтетические карбаматы — получают химическим синтезом. К ним относятся большинство пестицидов, лекарственных средств и полимеров.

По химической структуре

• Эфиры карбаминовой кислоты (R¹R²N‑CO‑OR³) — наиболее распространённый класс. Примеры: уретан (этилкарбамат), карбарил.
• Тиокарбаматы (R¹R²N‑CO‑SR³) — содержат серу вместо кислорода в эфирной группе. Используются как гербициды и фунгициды (например, эпикам).
• Дитиокарбаматы (R¹R²N‑CS‑SR³) — содержат серу в обеих функциональных группах. Применяются как фунгициды и ускорители вулканизации каучука (например, цинеб, манеб).
• N-замещённые карбаматы — с различными радикалами у азота. К ним относятся многие лекарственные средства (например, карбамазепин).

По области применения

• Пестициды (инсектициды, акарициды, фунгициды, гербициды).
• Лекарственные средства (противоэпилептические, миорелаксанты, ингибиторы холинэстеразы).
• Промышленные химикаты (пластификаторы, стабилизаторы полимеров, растворители).
• Природные метаболиты (участвуют в биосинтезе аминокислот и нуклеотидов).

Свойства

Физические свойства

Карбаматы представляют собой твёрдые кристаллические вещества или вязкие жидкости. Температура плавления и кипения зависит от молекулярной массы и структуры заместителей. Многие карбаматы хорошо растворимы в органических растворителях (спиртах, ацетоне, хлороформе), но плохо — в воде. Однако некоторые низкомолекулярные карбаматы (например, уретан) растворимы в воде.

Химические свойства

Карбаматы обладают амфотерными свойствами: они могут реагировать как с кислотами, так и с основаниями. При гидролизе (в кислой или щелочной среде) карбаматы распадаются на амин, углекислый газ и спирт (или тиол). Эта реакция лежит в основе их биологической активности и токсичности. Карбаматы также вступают в реакции переэтерификации, ацилирования и конденсации.

Токсичность

Многие карбаматы, особенно эфиры карбаминовой кислоты, являются ингибиторами ацетилхолинэстеразы — фермента, гидролизующего нейромедиатор ацетилхолин. Блокируя этот фермент, карбаматы вызывают накопление ацетилхолина в синапсах, что приводит к гипервозбуждению нервной системы. Симптомы отравления включают слюнотечение, слезотечение, мышечные подёргивания, судороги, паралич дыхания. Токсичность карбаматов варьирует: некоторые (например, карбарил) относятся к умеренно опасным, другие (например, альдикарб) — к чрезвычайно опасным.

Применение

Сельское хозяйство

Карбаматы широко используются в качестве пестицидов. Инсектициды на основе карбаматов (карбарил, пропоксур, метомил) эффективны против широкого круга вредителей — тлей, клещей, гусениц, жуков. Фунгициды (цинеб, манеб) применяются для борьбы с грибковыми заболеваниями растений. Гербициды (эпикам, триаллат) подавляют рост сорняков. В России применение карбаматных пестицидов регулируется Федеральным законом «О безопасном обращении с пестицидами и агрохимикатами» (№ 109-ФЗ). Некоторые из них, например, карбарил, входят в список разрешённых к использованию, но с ограничениями.

Медицина

В медицине карбаматы используются в нескольких направлениях:

• Ингибиторы холинэстеразы (неостигмин, пиридостигмин) — применяются при миастении, атонии кишечника и мочевого пузыря, а также как антидоты при отравлении недеполяризующими миорелаксантами.
• Противоэпилептические средства — карбамазепин (производное иминостильбена с карбаматной группой) используется для лечения эпилепсии, невралгии тройничного нерва и биполярного аффективного расстройства.
• Миорелаксанты — например, мепробамат (в прошлом применялся как транквилизатор, но из-за побочных эффектов выведен из оборота в ряде стран).
• Антигельминтные средства — альбендазол (содержит карбаматную группу) эффективен против нематод и цестод.

Промышленность

Карбаматы используются в производстве полимеров (полиуретанов), пластификаторов (например, диметилкарбамат), стабилизаторов для синтетических смол и каучуков, а также в качестве растворителей (например, диметилформамид — хотя формально не является карбаматом, но близок по структуре). Дитиокарбаматы применяются как ускорители вулканизации в резиновой промышленности.

Примеры

Интересные факты

• Уретан (этилкарбамат) в XIX веке использовался как снотворное и анестетик, но из-за токсичности (канцерогенности) был выведен из медицинской практики.
• Физостигмин — один из первых природных ингибиторов холинэстеразы — был использован в 1860-х годах для лечения глаукомы.
• В 1970-х годах карбаматные инсектициды были частично заменены пиретроидами из-за развития устойчивости у насекомых и экологических проблем.
• Дитиокарбаматы, такие как манеб, могут вызывать контактный дерматит и аллергические реакции у людей, работающих в сельском хозяйстве.

Критика и ограничения

Применение карбаматных пестицидов вызывает обеспокоенность экологов и медиков. Некоторые карбаматы (например, альдикарб) обладают высокой токсичностью для млекопитающих и могут накапливаться в почве и воде. В России и других странах действуют строгие нормативы по содержанию остаточных количеств карбаматов в продуктах питания (МДУ — максимально допустимые уровни). В 2020-х годах в Европейском союзе были запрещены некоторые карбаматные инсектициды (например, метомил) из-за их опасности для пчёл и других опылителей. В Российской Федерации оборот карбаматных пестицидов регулируется СанПиН 1.2.3685-21 «Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания».

Источники

• Химическая энциклопедия. Том 2. — М.: Советская энциклопедия, 1990. — С. 345–348.
• Мельников Н. Н. Пестициды. Химия, технология и применение. — М.: Химия, 1987. — 712 с.
• Машковский М. Д. Лекарственные средства. — 16-е изд. — М.: Новая волна, 2012. — 1216 с.
• СанПиН 1.2.3685-21 «Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания». — М., 2021.
• Федеральный закон от 19.07.1997 № 109-ФЗ «О безопасном обращении с пестицидами и агрохимикатами».