Синтез и свойства амфифильных длинноцепных производных мезо-арилзамещенных порфиринов тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.10 ВАК РФ

На правах рукописи

ФОРМИРОВСКИЙ КИРИЛЛ АЛЕКСАНДРОВИЧ

СИНТЕЗ И СВОЙСТВА АМФИФИЛЬНЫХ ДЛИННОЦЕПНЫХ ПРОИЗВОДНЫХ ЛЖЗО-АРИЛЗАМЕЩЕННЫХ ПОРФИРИНОВ

02.00.10 - Биоорганическая химия АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

3 0 МАЙ 2013

0050«иА

Москва - 2013

005060229

Работа выполнена на кафедре Химии и технологии биологически активных соединений им. H.A. Преображенского Московского государственного университета тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова

Научный руководитель:

кандидат химических наук, доцент Брагина Наталья Александровна

Официальные оппоненты: доктор химических наук, старший

научный сотрудник Института физиологически активных веществ РАН Толбин Александр Юрьевич

кандидат химических наук, доцент кафедры органической химии

Ивановского государственного химико-технологического университета Шухто Ольга Владимировна

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное

предприятие «Государственный научный центр «Научно-исследовательский

институт органических полупродуктов и красителей» ФГУП «ГНЦ «НИОПИК»

Защита состоится «17» июня 2013 г. в 16.30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.120.01 при Московском государственном университете тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова по адресу 119571, Москва, пр. Вернадского, 86.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИТХТ им. М.В. Ломоносова по адресу 119571, Москва, пр. Вернадского, 86.

Автореферат разослан «ДР..» Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат химических наук, старший научный сотрудник

мая 2013 г.

Лютик А.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

В настоящее время синтез аналогов природных тетрапиррольных соединений и дизайн на их основе новых функциональных структур посредством самосборки и самоорганизации молекул представляет собой активную область исследований. Синтетические порфирины являются перспективными кандидатами в качестве компонентов фотоэлектронных материалов, таких как сенсоры, электронные устройства, фотосинтетические солнечные батареи и органические светоиспускающие устройства. Амфифильная структура молекул является определяющей для самосборки надмолекулярных ансамблей за счет нековалентных взаимодействий. Особый интерес в этом плане представляют амфифильные мезо-арилпорфирины, содержащие как гидрофобные заместители, способствующие поверхностной иммобилизации молекул и придающие им мезогенные свойства, так и полярные группы, обеспечивающие растворение соединений в полярных средах и определяющие способность к самосборке и самоорганизации за счет водородных связей. Терминальные функциональные группы также можно подвергать различным химическим превращениям и использовать как центры связывания с различными лигандами, в т.ч. с наночастицами.

Порфирины, функционализированные высшими алифатическими заместителями, проявляют мезоморфные или жидкокристаллические (ЖК) свойства и формируют высокоупорядоченные термотропные дискотические фазы. В аспекте структурообразования жидкокристаллическое состояние рассматривается как один из способов достижения самопроизвольной структурной самоорганизации молекул. Было показано, что порфириновые ЖК ансамбли порфиринов перспективны для оптоэлектроники, создания устройств отображения и хранения информации. Лиотропные жидкие кристаллы в растворах рассматриваются и изучаются в качестве структурно-направляющих сред.

Флуорофоры на основе производных порфиринов играют важную роль в различных фотобиологических процессах, а также широко используются для конструирования фотохимических сенсоров. Значительный интерес с точки зрения биомедицинского применения представляет взаимодействие порфиринов и металлопорфиринов с биомакромолекулами - белками и нуклеиновыми кислотами. Катионные производные порфиринов проявляют высокое сродство к РНК и ДНК и изучаются в качестве сенсоров для определения их структуры.

В связи с этим особый интерес и актуальность приобретают вопросы химии и направленного поиска синтетических амфифильных производных порфиринов, изучения влияния элементов молекулы на проявляемые структурообразующие свойства. Представленная работа является частью фундаментальных научных исследований, проводимых на кафедре Химии и технологии биологически активных соединений МИТХТ им. М.В. Ломоносова в рамках темы № 1Б-4-355 «Разработка химических и биотехнологических методов модификации биологически активных соединений с целью моделирования жизненно важных процессов в природе и создания новых лекарственных препаратов».

Цель работы. Разработка методов синтеза амфифильных длинноцепных мезо-арилзамещенных порфиринов, изучение физико-химических свойств и возможности создания на их основе супрамолекулярных структур.

Научная новизна. Разработан эффективный подход к синтезу амфифильных мезо-арилпорфиринов на основе монопиррольной конденсации при использовании замещенных бензальдегидов с длинноцепными заместителями с последующей модификацией терминальных функциональных групп. Синтезированы серии новых амфифильных производных тетрафенилпорфиринов (ТФП), содержащих в мезо-арильных заместителях остатки высших жирных кислот и спиртов с терминальными гидрофильными группами. В ходе работы получено 30 новых соединений, проведено исследование физико-химических, в том числе, жидкокристаллических свойств синтезированных соединений. Впервые получены термотропные жидкокристаллические амфифильные порфирины и их металлокомплексы. Изучено комплексообразование катионных порфиринов с ДНК, рассчитаны константы связывания и установлено их высокое сродство к ДНК. Показана возможность создания супрамолекулярных структур при образовании гетероагрегатов между разноименно заряженными порфиринами.

Практическая значимость. Предложен метод синтеза амфифильных длинноцепных производных мезо-арилпорфиринов, позволяющий получать их в препаративных количествах. Исследование жидкокристаллических свойств полученных соединений выявило термотропные, лиотропные, а также стеклующиеся мезогены, которые являются перспективными объектами для создания устройств отображения и хранения информации и наноструктурированных материалов для оптоэлектроники. Было показано, что на проявление жидкокристаллических свойств оказывают влияние длина алифатического фрагмента, природа и расположение полярных групп, наличие металла-комплексообразователя. Катионные производные, имеющие высокое сродство к ДНК, могут быть использованы как датчики структуры и динамики молекул ДНК и фототерапевтические агенты.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Разработка метода синтеза симметричных длинноцепных производных мезо-арилпорфиринов с терминальными полярными группами.

2. Синтез катионных .мезо-арилзамещенных порфиринов и их металлокомплексов.

3. Синтез порфиринов с карбметоксильными, карбоксильными и гидроксильными полярными группами, металлокомплексов на их основе.

4. Изучение способности полученных анионных и катионных производных порфиринов к образованию агрегатов в различных средах.

5. Исследование жидкокристаллических свойств полученных соединений.

6. Исследование комплексообразования катионных порфиринов с линейной и ЖК ДНК.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на VIII Школе конференции молодых ученых стран СНГ по химии порфиринов и родственных соединений (Гагра 2009), на II Международной молодежной школе конференции по физхимии краун-соединений, порфиринов и фталоцианинов (Туапсе 2010), на XIII

международной научно-технической конференции "Наукоемкие химические технологии" (Суздаль 2010), на III Международной молодежной школе-конференции по физической химии краун-соединений, порфиринов и фталоцианинов (Туапсе 2011).

Публикации. По материалам работы опубликовано 6 статей и тезисы 5 докладов на российских и международных конференциях.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на /23 стр. текста, содержит 8 таблиц, 80 рисунков, и состоит из введения, литературного обзора, обсуждения полученных результатов, экспериментальной части, выводов и списка цитируемой литературы, включающего IJ3 ссылок.

Результаты работы и их обсуждение

В последние годы отмечается повышенный интерес к получению и использованию в различных областях синтетических производных тетрапиррольных соединений с амфифильными свойствами. Для достижения искомых свойств в молекулу порфирина вводят полярные заместители, обеспечивающие возможность растворения в водных растворах и способствующие самосборке, в основном, за счет водородных связей, а также других нековалентных взаимодействий. Дополнительное введение длинноцепных углеводородных заместителей при наноструктурировании в различных средах способно обеспечить вклад ван-дер-ваальсовых сил и п-л взаимодействий, а также придает жидкокристаллические свойства, способствует встраиванию в мембранные структуры и поверхностной иммобилизации на различных носителях (подложках). Сочетание вышеперечисленных элементов амфифильной структуры обеспечивает проявление необходимых физико-химических свойств и открывает новые области использования таких порфиринов. В литературе описаны амфифильные порфирины, имеющие заряженные группы непосредственно в фенильных кольцах (сульфо-, карбоксипроизводные, четвертичные аммониевые и пиридиниевые катионы), а также полярные группы, расположенные вблизи порфиринового макроцикла - на расстоянии 1-3 метиленовых звеньев.

В представленной работе в качестве объекта исследований были получены и использованы для изучения структурообразующих и мезоморфных свойств симметричные тетразамещенные л<езо-арилпорфирины с длинноцепными заместителями, имеющими терминальные полярные группы, а также комплексы этих порфиринов с металлами. Для сравнения свойств и оценки влияния элементов амфифильной структуры на проявляемые свойства был получен ряд замещенных тетрапиридилпорфиринов. Основные направления структурной модификации синтезированных порфиринов показаны на рис. 1.

Варьирование металла

Рис.1. Основные сайты модификации структуры тетразамещенных л<езо-арилпорфиринов.

1. Синтез симметричных длинноцепных производных мезо-арилиорфиринов с терминальными полярными группами

Монопиррольная конденсация и ее современные модификации остаются востребованными методами при получении симметрично замещенных порфиринов. Однако амфифильные синтетические порфирины различной структуры, широко используемые в супрамолекулярной химии и других областях, зачастую не могут быть получены данным методом, поэтому поиск новых синтетических подходов остается актуальным на сегодняшний день.

В данной работе были разработаны эффективные пути синтеза амфифильных длинноцепных .иезо-арилзамещенных порфиринов с терминальными полярными группами, основываясь на ранее предложенном в нашей лаборатории подходе к синтезу липопорфиринов. Общая схема синтеза амфифильных длинноцепных порфиринов включает получение на начальных стадиях бензальдегидов с остатками бромзамещенных жирных кислот, конденсацию полученных синтонов с пирролом в мягких условиях по методу Линдсея (J.S. Lindsey et al., Tetrahedron Lett., 1986, 27, 496) и последующую химическую модификацию терминальных групп в длинноцепных заместителях. В качестве метода монопиррольной конденсации был использован усовершенствованный метод Линдсея, позволяющий использовать некоторые лабильные альдегиды. Согласно разработанному подходу был осуществлен синтез нескольких серий длинноцепных производных мезо-арилпорфиринов с терминальными заряженными и полярными группами и металлокомплексов на их основе.

1.1 Синтез ключевых синтонов - замещенных бензальдегидов

На первой стадии построения амфифильной структуры порфиринов необходимо было ввести в бензальдегиды метиленовые спейсеры различной длины. В качестве удобных синтонов были выбраны бромзамещенные кислоты и их метиловые эфиры, использование которых позволило варьировать как тип

связывания длинноцепных заместителей с фенильными остатками, так и осуществить химическую модификацию терминальных групп спейсеров (Схема 1).

Бензальдегиды 1а,Ь были получены ацилированием 4-гидроксибензальдегида хлорангидридами соответствующих кислот в присутствии диметиламинопиридина (ОМАР) в хлористом метилене с выходами 80 и 92% (Схема 1). Замещенные бензальдегиды 2а,Ь получали алкилированием 4-гидроксибензальдегида метиловыми эфирами бромзамещенных кислот в присутствии диазабициклоундецена (БВи) в ДМФА по модифицированной нами методике с выходами 80 и 85%. Структура и индивидуальность соединений была подтверждена методами ТСХ, ИК-спектроскопии и данными элементного анализа.

Схема 1.

ОН

ОСО(СН2)пВг

Вг(СН2)пСОС1 ОМАР, СНС13

Вг(СН 2)пСООМе ОВи, ОМ РА

1а: п = 5 (80%) 1Ь: п = 10 (92%)

сно

О (СН2)пСООМе

СНО

2а: п = 5 (80%) 2Ь: п = 10 (85%)

СНО

1.2. Синтез катнонных производных л*езо-замещенных порфнринов

1.2.1. Синтез катнонных Л1езо-ацилоксиарилзамещенных порфирипов и их

металлокомплексов

К настоящему времени синтезировано большое число л<езо-замещенных порфиринов, несущих положительно заряженные гетероциклические, алифатические и фосфониевые группы на коротких спейсерных фрагментах или непосредственно присоединенные к макроциклической системе. Большинство из описанных соединений имеют сильную тенденцию к образованию агрегатов в водных растворах, которая зависит от структуры молекулы, температуры, рН и ионной силой среды, наличия детергентов. Процессы агрегации-дезагрегации оказывают большое влияние на фотофизические свойства порфиринов, например, квантовый выход флуоресценции порфиринов в составе агрегатов снижается более чем на порядок по сравнению с мономерной формой.

В синтезированных порфиринах 3-14 мы ввели спейсеры между макроциклом и катионной группой длиной в пять и десять углеродных атомов, использовали сложноэфирный тип связывания спейсера с фенильным остатком порфирина, варьировали атомы металлов в металлокомплексах. Как мы ожидали, варьирование этих элементов структуры должно было отразиться на способности соединений к агрегации в водной среде и других свойствах. Поскольку положительно заряженные

мезо-заместители могут оказывать влияние на распределение заряда порфиринового кольца только через индуктивные эффекты, их удаление от макроцикла увеличивает основность порфирина.

До настоящего времени основным подходом к получению симметричных длинноцепных л*езо-замещенных порфиринов являлся метод алкилирования или ацилирования гидроксипроизводных ТФП. Данная схема отличается многостадийностью, использованием дорогостоящих деметилирующих агентов, низкой растворимостью промежуточных соединений и относительно невысокими общими выходами. Синтез порфиринов За,Ь был осуществлен согласно предложенному в данной работе подходу к получению амфифильных длинноцепных .мезо-арилзамещенных порфиринов - на основе монопиррольной конденсации замещенных бензальдегидов la,b и пиррола по методу Линдсея (J.S. Lindsey et al., Tetrahedron Lett, 1986, 27, 496) с последующей модификацией заместителей в ароматических кольцах (Схема 2). Это существенно упрощает схему синтеза, позволяет избежать проблем, которые связаны с низкой растворимостью промежуточных гидроксифенилпорфиринов, облегчает очистку целевых продуктов, дает возможность осуществлять синтез в мягких условиях и получать замещенные порфирины с высокими выходами. Схема 2.

Реагенты и условия проведения реакции:! - пиррол, ВРз^гО, СНгСЬ, ООО; и - Ру (РРЬз); ш -ацетаты металлов; ¡V - Ру (РР1ъ), ДМФА, 110 °С.

Предшественниками целевых катионных порфиринов 4-5 служили мезо-тетракис(4-(6-бром-гексаноилоксифенил))- и тиезо-тетракис(4-(11-

бромундеканоилоксифенил))порфины За,Ь, полученные с выходами 35^10 %. 5,10,15,20-Тетра(4-(6-пиридил(гексаноил))оксифенил)порфирин тетрабромид 4а и 5,10,15,20-тетра(4-(11-пиридилундеканоил)оксифенил)порфирин тетрабромид 4Ь получали кватернизацией пиридина бромзамещенными предшественниками с выходами 93-95 %. Катионные порфирины 5а, Ь - 5,10,15,20-тетра(6-трифенилфосфингексаноил)оксифенил)порфирина тетрабромид и 5,10,15,20-тетра(11-трифенилфосфинундеканоил)оксифенил)порфирина тетрабромид получали кипячением интермедиатов За,Ь в ДМФА с трифенилфосфином с выходами 55-60%. Металлокомплексы порфиринов 10-14 получали на стадии бромзамещенных синтонов, что обеспечивало более легкую очистку конечных соединений.

На основе соединений За,Ь по стандартным методикам были получены цинковые, кобальтовые, никелевые и медные металлокомплексы 6-9а,Ь с выходами 85-90 %. Индивидуальность и структура полученных соединений подтверждены данными элементного анализа, ТСХ, УФ-, 'Н-ЯМР-спектроскопии и масс-спектрометрии.

Таблица 1. Структура и выходы соединений 3-14.

№ М Обозначение я л, %

За ЗЬ - С5Вг СюВг - 31 33

4а 4Ь - С5Ру С,0Ру 95 96

5а 5Ь - С5ТРР С|0ТРР —Р-РЬ РЬ 60 55

6а 6Ь Хп гпс5Вг гпСюВг - 92 94

7а 7Ь Со СоС5Вг СоСюВг - 89 92

8а 8Ь Си СиС5Вг СиСюВг - 93 94

9а 9Ь № №С5Вг №С,0Вг - 60 55

10а 10Ь гп гпс5Ру гпСюРу "О 72 68

11а 11Ь Со СоС5Ру СоСюРу -О 69 67

12а 12Ь Си СиС5Ру СиСюРу 71 63

13а 13Ь N'1 №С5Ру К1С,0Ру 51 46

14а 14Ь Тп гпс5трр гпСюТРР +.рь —Р-РЬ РЬ 61 56

1.2.2. Синтез катионных производных .мез0-тетра(4-пиридил)порфирина

Серия длиниоцепных катионных производных тетрапиридилпорфирина была получена для того, чтобы оценить влияние расположения элементов амфифильной структуры порфирина на жидкокристаллические свойства. В литературе описано использование коммерческого катионного 5,10,15,20-тетра-(Ы-метил-4-пиридил)порфирина для различных биологических испытаний, в частности, в качестве агента для ФДТ. Некоторые исследователи используют это соединение как стандарт биологической активности катионных порфиринов. Однако, длинноцепные аналоги этого соединения упоминаются крайне редко. Нами была поставлена задача найти эффективные пути синтеза этих соединений, используя возможность функционализации 5,10,15,20-тетра-(4-пиридил)порфирина 15 (ТПП).

Схема 3.

Таблица 2. Структура и выходы соединений 15-22.

№ Обозначение R тъ%

15 ТРуР - 14

16 ТРуР-4С2 -с2н5 78

17 ТРуР-4С6 -С6Н13 56

18 ТРуР-4С8 -СвНп 91

19 TPyP-4Ci2 -С12Н25 93

20 ТРуР-4Си -С]4Н29 88

21 ТРуР-4С16 -C16H33 86

22 ТРуР-4С18 -C18H37 86

Исходный ТПП 15 синтезировали методом монопиррольной конденсации по Адлеру в кипящей пропионовой кислоте (Схема 3). Для получения замещенных порфиринов 16—22 использовали реакцию алкилирования порфирина 15 алкилгалогенидами. В литературе сообщалось об использовании алкилбромидов для алкилирования ТПП. При кипячении в ДМФА в течение 4 ч авторам (Окипо Y., et al., Chem. Commun., 1980, 10, 537-539.) удалось получить смесь из 15% moho-, 25% ди-, 23% три- и 8% тетразамещенных продуктов, которую разделяли гель-фильтрацией на Sephadex LH-20. Мы усовершенствовали существующую методику, значительно

увеличили выход целевых .д(ето-тетра-(Д'-алк'ил-4-пиридил)порфирино» 16-22 и упростили процедуру выделения и очистки, использовали более доступный сорбент - окись алюминия. В результате проведенных исследований были найдены оптимальные условия алкилирования ТПП длинноцепными апкилбромидами: проведение реакции в атмосфере инертного газа при температуре 100 °С в свежеперегнанном ДМФА в течение 2 ч при 40-кратном избытке алкилбромида. Попытка осуществить алкилирование в среде подходящих органических растворителей, обладающих более низкими по сравнению с ДМФА температурами кипения, привела к получению несимметрично замещенных продуктов. Исходя из растворимости исходного ТПП и конечных продуктов алкилирования, была выбрана система хлороформ - этанол 3:1. Было обнаружено, что в данных условиях преимущественно образуются монозамещенные порфирины, например, 5-(А'-октил-4-пиридил)-10,15,20-трис-(4-пиридил)порфирин, его получали с выходом 58%. Выходы тетразамещенных продуктов были низкими (<6%).

Выходы тетра-л<езо-пиридилзамещенных порфиринов 16-22 с алкильными заместителями с длиной цепи от 6 до 18 углеродных атомов составили 56-90%. Индивидуальность и структуру полученных порфиринов 15-22 подтверждали с помощью ТСХ, УФ- и *Н ЯМР-спектроскопии.

Полученные порфирины 16-22 в зависимости от длины алкильных заместителей склонны к растворению в различных средах. Так, порфирины 16, 17 растворимы в воде в широком интервале рН, а порфирины 18-22 с длиной цепи 8 углеродных атомов и более способны растворяться только в системах хлороформ:метанол:вода.

1.2.3 Синтез л/езо-арилзамещенных порфиринов и их металлокомплесов с карбоксильными, карбметоксильными и гидроксильными полярными

группами

На следующем этапе работы были синтезированы алкоксиарилпорфирины с длинноцепными заместителями, имеющими терминальные карбоксильные, карбметоксильные и гидроксильные группы, а также комплексы этих порфиринов с переходными металлами. Согласно литературным данным (С.М. Drain et al. Chem. Rev. 2009, 109, 1630-1658), амфифильная структура молекул является определяющей для самосборки надмолекулярных ансамблей за счет нековапентных взаимодействий, а полярные гидроксильные и карбоксильные группы наиболее часто используются для формирования на основе порфиринов супрамолекулярных ансамблей, где основной движущей силой являются водородные связи.

Синтез порфиринов 23а,b был осуществлен монопиррольной конденсацией с использованием замещенных бензальдегидов 2а и 21) с выходами 31 - 34 % согласно подходу, разработанному нами для получения катионных порфиринов 3a,b - 14а,b (Схема 4). Щелочным гидролизом в двухфазной водно-органической системе с количественным выходом были получены амфифильные порфирины 24а,b с терминальными карбоксильными группами. Восстановление алюмогидридом лития терминальных карбметоксильных групп до спиртовых в соединениях 23а,b давало порфирины 25а,Ь. На основе свободных лигандов 23а,b и 24а,b - 25а,b по стандартным методикам с выходами 75—90 % получали комплексы с цинком, кобальтом, медью и никелем, представленные в таблице 3. Индивидуальность и

структуру полученных соединений подтверждали данными ТСХ, УФ-, 'Н-ЯМР-спектроскопии и хромато-масс-спектрометрии. Полученные соединения представляют собой кристаллические вещества, растворимые в органических растворителях, порфирины с карбоксильными группами окрашивают водные щелочные растворы.

Схема 4.

Реагенты и условия проведения реакции: ¡- пиррол, ВРз^гО, СНгСЬ, ЭОС>; П — 50%Ка(ЭН, 60 °С; Ш- ЫАШ4, ТГФ; ¡V - ацетаты металлов; V - ацетаты металлов, ДМФА, 60 °С.

Таблица 3. Структура и выходы соединений 23-34.

N М Обозначение* Я л (%)

23 а - С5СООМе - 31

23 Ь СюСООМе 34

24 а - С5СООН -соон 87

24 Ь СюСООН 88

25 а - С6ОН -сн2он 96

25 Ь С,,ОН 83

26 а гп гпСбСООМе - 94

26 Ь 2пСК|СООМе 92

27 а Со СоС5СООМе - 89

27 Ь СоСюСООМе 88

28 а Си СиС5СООМе - 85

28 Ь СиСюСООМе 89

29 а Ъ\ СоС5СООН -СООН 92

29 Ь СоС,0СООН 94

30 а Со С0С5СООН -соон 78

30 Ь СоСюСООН 75

31 а Си СиС5СООН -СООН 82

31 Ь СиСюСООН 80

32 а Ъп /,пС6ОП -сн2он 79

32 Ь гпСпОН 75

33 а Со СоСбОН -сн2он 84

33 Ь СоСпОН 80

34 а Си СиСбОН -СН2ОН 75

34 Ь СиСпОН 71

*Данные обозначения соединений используются при обсуждении жидкокристаллических свойств в разделе 2.2.

2.1. Исследование структурообразования амфифильных длинноцепных порфиринов с терминальными катионными и анионными группами

Известно, что водорастворимые порфирины способны образовывать различные молекулярные комплексы в водных растворах за счет нековалентных взаимодействий. На этот процесс оказывает влияние температура, рН, ионная сила, наличие детергентов. В литературе имеются сообщения об изучении агрегационных свойств амфифильных порфиринов, имеющие в фенильных кольцах сульфо-, карбоксигруппы и четвертичные атомы азота, а также формировании гетероагрегатов на основе разноименно заряженных молекул. Подобные супрамолекулярные агрегаты имеют упорядоченную структуру и благодаря уникальным фотофизическим свойствам порфиринов могут найти применение не только как модели светособирающих природных систем, но и как стандартные блоки для создания разнообразных функциональных фотонных устройств.

Методом УФ-спектроскопии нами были проведены исследования образования в водной среде гетероагрегатов на основе двух пар амфифильных мезо-арилзамещенных порфиринов 4а,Ь и 24а,Ь, имеющих длинные метиленовые спейсеры и терминальные положительно (4а,Ь) и отрицательно (24а,Ь) заряженные группы. Агрегаты формировали при значении рН 10 соответственно из положительно заряженного порфирина 4а и отрицательно заряженного 24а, а также из порфиринов 4Ь и 24Ь. Выбор значения рН диктовался растворимостью порфиринов 24а,Ь, катионные порфирины 4а,Ь обладают хорошей растворимостью в водных растворах в широком интервале рН.

Цель экспериментов состояла в том, чтобы установить образование гетероагрегатов в данных условиях (водная среда, рН 10, соотношение порфиринов 1:1, концентрация порфиринов 0.6 - 1.21 • 10"5М), а также оценить влияние длины спейсерных метиленовых звеньев на агрегацию порфиринов.

На первом этапе исследования изучали агрегационные свойства индивидуальных порфиринов, поведение этих соединений в водной среде и влияние рН среды на способность к агрегации. Значительное отклонение от закона Бугера-

Ламберта-Бера при 516 нм для соединения 4а наблюдалось при концентрации свыше 8-10"4 М, для соединения 4Ь - свыше 2-10"4 М, т.е. Согласно литературным данным, это указывает на то, что при более высоких концентрациях эти катионные порфирины существуют в водном растворе в виде самоорганизующихся агрегатов высоких порядков. Для порфиринов с терминальными карбоксильными группами при 520 нм для соединения 24а наблюдалось отклонение при концентрации свыше 2-10"4 М, для соединения 24Ь - свыше 0.84-10"4 М.

На втором этапе эксперимента проводили изучение образования гетероагрегатов между порфиринами 4а и 24а, 4Ь и 24Ь в стехиометрических соотношениях 1:1. УФ-спектры индивидуальных порфиринов и образующихся гетероагрегатов регистрировали при рН 10, концентрации соединений составляли 0.6- Ю-5 М (4а и 24а) и 1.2- Ю-5 М (4Ь и 24Ь).

В УФ-спектре образующегося гетероагрегата между порфиринами 4а и 24а (С5Ру-С5СООН) (на рис.2 обозначен как 1) наблюдали уширение и

значительный батохромный сдвиг полосы Соре до 436 нм, а также небольшое уширение и батохромные сдвиги для (^-полос гетероагрегата, что, согласно литературным данным, указывает на образование в растворе упорядоченных .1-агрегатов между противоположно заряженными молекулами порфиринов.

Рис. 2. Спектры поглощения водных растворов соединений 4а и 24а (С1=С2=0.6-10"5 М), 4Ь и 24Ь (С1=Сг=1.2-10"5 М) и их гетероагрегатов Не! 12 при рН=10.

В УФ-спектре образующегося гетероагрегата СюРу-СюСООН (на рис. 2 обозначен как Не! 2) наблюдается значительное уширение и небольшой батохромный сдвиг полосы Соре до 442 нм (на 3 нм относительно СюСООН). Наблюдается также небольшое уширение и батохромные сдвиги для С^-полос гетероагрегата. Все это, вероятно, может свидетельствовать об образовании в растворе смеси агрегатов различной степени упорядоченности, включая .Г-агрегаты. Наблюдаемые отличия в спектрах, очевидно, связаны со строением порфиринов -увеличением длины метиленовых спейсеров с 5 до 10 углеродных атомов и, соответственно, увеличением вклада гидрофобных взаимодействий в полярной среде.

Для изучения стабильности полученных структур спектры поглощения гетероагрегатов регистрировали соответственно через 1 и 24 ч. Для гетероагрегата

Не! 1 практически не наблюдается изменений, что свидетельствует об образовании стабильного агрегата непосредственно сразу после смешивания исходных растворов порфиринов (рис. 3). В случае увеличения длины метиленовых спейсеров для гетероагрегата Не! 2 через 24 ч наблюдается уменьшение интенсивности поглощения, что свидетельствует об увеличении количества и, возможно, неупорядоченности образующихся гетероагрегатов (рис. 3), что обусловлено большим вкладом гидрофобных взаимодействий в сумму движущих сил их образования в водной среде.

Рис. 3. Спектры поглощения водных растворов гетероагрегата Не!1 и Не! 2через 1 и 24 часа.

На следующем этапе изучали агрегационные взаимодействия в органической среде. Для этого регистрировали УФ-спектры в растворе ДМФА при равных конценцентрациях (5.2 10"6 М) соединений 4Ь и 24Ь. В УФ-спектре образующегося гетероагрегата СюРу-СюСООН (Не! 2) наблюдается уширение полосы Соре, а также батохромные сдвиги СЬполос на 2-5 нм, что указывает на образование гетероагрегата в органической среде.

1,00

$90 А

0,80 11

0,70 11

0,60 1 1

0,50 0,40 0,30 -От 500 550 600 650 — •Не! 2

0,20 0,10 "у/ .\ - — СЮСООН (24Ь) • -С10Ру+(4Ь)

0,00

380 430 480 530 580 630 680 А, НМ

Рис. 4. Спектры поглощения растворов соединений 4Ь и 24Ь (С,=С2=5.2-10"6 М) вДМФА и их

гетероагрегата Не! 2

2.2. Жидкокристаллические свойства порфиринов и их металлокомплексов1

К настоящему времени описаны мезогенные липофильные тетрапиррольные соединения, проявляющие жидкокристаллические свойства при нагревании или охлаждении, амфифильные производные (например, тетрасульфофенилпорфирины) обладают лиотропным мезоморфизмом в растворах. О термотропном мезоморфизме амфифильных порфиринов не сообщалось. Для достижения термотропного мезоморфизма мы ввели в структуру амфифильных порфиринов спейсерные метиленовые группы (СН)П (п = 5,10), отделяющие полярные группы от порфиринового макроцикла.

Жидкокристаллические свойства соединений 4а,b - 34а,b изучали методом оптической поляризационной микроскопии в двух режимах: нагревании до 300 °С (рис. 6, 7) и охлаждении до комнатной температуры. Результаты исследования термотропного мезоморфизма серии катионных производных 4а,b — 14а,b представлены на рис.5, порфиринов с терминальными полярными группами 23а,b — 29а,b - на рис. 7.

Установлено, что амфифильные катионные порфирины, как лиганды 4а,Ь, так и их металлокомплексы 6а,b - 9а,b, обладают термотропным мезоморфизмом. Жидкокристаллические мезофазы при нагревании и охлаждении формируют все порфирины с терминальными пиридиниевыми группами как с содержанием 5 углеродных атомов в алифатическом фрагменте полярного заместителя, так и содержащие 10 углеродных атомов. Значительное влияние на интервал мезофазы оказывает природа металла-комплексообразователя. Соединения 4а,b, 10b, 11а,b, 12b обладают лиотропным мезоморфизмом в бинарных системах с органическими растворителями.

В отличие от катионных порфиринов 4а,b - 14а,b, несущих заряд на периферии молекулы, порфирины 18-22 с заряженными группами, находящимися непосредственно у макроцикла, обладали только лиотропным мезоморфизмом с органическими растворителями, за исключением порфирина 19, который обладает как лиотропным, так и термотропным мезоморфизмом в интервале 29.0 - 182.6 °С.

Было показано, что в ряду порфиринов с терминальными карбоксильными, карбметоксильными и гидроксильными группами мезоморфными свойствами обладает ограниченное число соединений по сравнению с их катионными аналогами. Соединения 26Ь и 24Ь оказались мезоморфны при охлаждении, 27а и ЗЗЬ мезоморфны при нагреве. Соединение 26а мезоморфно при нагреве и при охлаждении. Введение координационно ненасыщенных металлов (Zn и Со) так же, как и в случае липофильных производных (I.N. Fedulova et al., Mendeleev. Commun., 2008, 18, 324) значительно изменяло свойства немезоморфных свободных лигандов 23а, 23b, 25Ь. Наиболее склонными к проявлению жидкокристаллических свойств оказались металлокомплексы порфиринов с терминальными карбметоксильными группами, кроме того, для них наблюдались более широкие интервалы мезофаз. Металлокомплексы с цинком 26а и 26Ь при охлаждении формировали застеклованное состояние с сохранением текстуры мезофазы. Порфирины данной серии 24b, 26Ь, ЗЗЬ, содержащие 10 углеродных атомов в алифатическом

'Экспериментальная работа была выполнена в НИИ Наноматериалов Ивановского государственного университета под руководством проф. Н.В. Усольцевой

фрагменте, как свободные лиганды, так и металлокомплексы, способны самопроизвольно формировать жидкокристаллические фазы, в то время как их структурные аналоги с меньшей длиной алифатического спейсера 26а, 27а проявляют мезоморфные свойства только в виде металлокомплексов. Соединения 23Ь, 27а, 27Ь, ЗЗЬ и ЗЗЬ обладают лиотропным мезоморфизмом в бинарных системах с хлористым метиленом, ДМФА и ДМСО.

Таким образом, в результате исследования было установлено проявление термотропного мезоморфизма для серий новых амфифильных длинноцепных мезо-арилпорфиринов с терминальными полярными группами различной природы и выявлено значительное влияние на жидкокристаллические свойства элементов структуры данных соединений: протяженности алифатического спейсера, природы полярных групп и места локализации заряда, металла-комплексообразователя.

Таблица 4. Исследованные катионные порфирины.

0(.0(с:н,)п к ОСО(СН2)п к № Обозначение и М

4а 4Ъ С5Ру С10Ру 2Н

5а 5Ь С5ТРР С10ТРР —|>'-|>Ь VII Ъп

6а 6Ь гпс5вг гпСюВг -Вг Ъг\

7а 7Ь СоС5Вг СоСюВг -Вг Со

8а 8Ь СиС5Вг СиС10Вг -Вг Си

9а 9Ь №С5ВГ №С,0ВГ -Вг к;

10а 10Ь гпС5Ру гпС10Ру

11а 11Ь СоС5Ру СоСюРу -О Со

12а 12Ь СиС5Ру СиС10Ру Си

13а 13Ь №С5Ру №С10Ру N1

14а 14Ь гпСзТРР гпСюТРР —Р-РЬ РЬ Ъъ

Рис. 6. Результаты оптической поляризационной микроскопии: температуры фазовых переходов мезогенных катионых порфиринов при нагревании (левые столбцы) и охлаждении (правые

столбцы).

Таблица 5. Исследованные порфирины с терминальными полярными группами

Структурная формула № Обозначение я м

0(СН2)пЯ О^ТГЛ /—\ м у—( V0 ^^ >=1< Х—7 (СЩпИ ЩСН2)п'° 23а 23Ь С5СООМе СшСООМе -СООМе 2Н 2Н

24а 24Ь С5СООН СюСООН -СООН 2Н 2Н

25а 25Ь СбОН С] |ОН -СН2ОН 2Н 2Н

26а 26Ь гпС5СООМе гпСюСООМе -СООМе гп гп

27а 27Ь СоС5СООМе СоСюСООМе -СООМе Со Со

Я .О 00 00 СиС5СООМе СиСюСООМе -СООМе Си Си

29а 29Ь СоС5СООН СоСюСООН -СООН Хп Ъъ

30а ЗОЬ С0С5СООН СоСюСООН -СООН Со Со

31а 31Ь СиС5СООН СиСюСООН -СООН Си Си

32а 32Ь гпС6он гпСпОн -СН20Н Ъл гп

33а ЗЗЬ СоСбОН СоСпОН -СН20Н Со Со

34а 34Ь СиСбОН СиСцОН -СН20Н Си Си

□ Застеклованное состояние 0 Изотропная жидкость ШМезофаза ■ Кристалл

Рис. 7. Результаты оптической поляризационной микроскопии: температуры фазовых переходов мезогенных порфиринов при нагревании (левые столбцы) и охлаждении (правые столбы).

2.3. Исследование комплексообразования катионных порфиринов с линейной и ЖК ДНК2

В последние годы положительно заряженные порфирины и их металлокомплексы привлекают значительное внимание благодаря их способности выступать в качестве фототерапевтических агентов. Большой интерес вызывает взаимодействие производных порфиринов с биомакромолекулами, в частности с молекулами ДНК, с которыми они образуют прочные комплексы.

В ИБХФ им. Н.М. Эммануэля РАН методами спектрофотометрического анализа и кругового дихроизма (КД) было исследовано взаимодействие катионных порфиринов 4а,b и их цинковых металлокомплексов 10а,b с двухцепочечной нативной ДНК тимуса теленка в фосфатном буфере.

На рис.8 представлены спектры поглощения металлокомплекса порфирина 10а (ZnC5Py) в присутствии двухцепочечной нативной ДНК. Наблюдается возрастание интенсивности поглощения полосы Соре (Х=431нм) (рис. 8А) и Q-полос (Х=563нм и Х=605нм) (рис. 8Б) по мере увеличения концентрации ДНК. Одновременно с этим происходит небольшой батохромный сдвиг всех полос поглощения (2нм), что свидетельствует об образовании комплекса ZnC5Py - ДНК.

■^Экспериментальная работа была выполнена в ФГ'БУН Институте биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН, под руководством проф. В. А. Кузьмина

длина волны,нм

-[0МА1=0

-рчАИиОе-ОЗ

..... [ОМА]=3,55еОЗ

-ЮМКИЗеШ

-¡О^А1=7,2СМ8

.........[О.ЧАИ,52е-03

-[О^А|=и0е^7

.....~[0МА] = 1.гЗе-07

.........[0!«М.56г-0?

-[ОГСАИ,80е-07

длина волны,нм

Рис. 8. Спектры поглощения 10а (1 • 10"5 М) в 10 шМ Ка+-фосфатном буферном растворе (рН~7,0) при различных концентрациях ДНК: СДНк= 1,2-1(Г8; 3,5510'8; 6,0310-8; 7.210"8; 8,52-Ю"8; 1,1-10"7;

1,28-10"7; 1,56-10"7; 3,8-10"7М

Используя данные спектрофотометрнн, для исследуемых порфиринов были рассчитаны константы связывания с ДНК по уравнению Бенеши-Гильдебранда (таблица 6).

Таблица 6. Значения эффективных констант связывания исследуемых соединений с ДНК.

№ Обозначние Константа связывания с ДНК (Кь), М"1

4а С5Ру 8,4-105

4Ь С,0Ру 8,2-104

10а гпс5Ру 2,33-107

10Ь гпс10ру 1,1 ■ 104

Сравнительный анализ полученных констант связывания показал, что их значения сильно зависят от строения порфиринов. Очевидно, что склонность к комплексообразованию определяется наличием стерических препятствий, которые обусловлены имеющимися в мезо-положениях молекул порфиринов спейсерными метиленовыми фрагментами различной длины. При переходе от соединения 4а со спейсерами длиной пять СН2-групп к соединению 4Ь, имеющему спейсеры с десятью СНг-группами, увеличение стерических препятствий приводит к резкому уменьшению константы комплексообразования (Кь(4а)=8,4-105 М"1; Кь(4Ь)=8,2-104 М"'). В случае комплексообразования с цинковым производным 10а наблюдается самое высокое значение константы связывания порфирина с ДНК. Можно предположить, что наличие двухзарядного иона Ъх\~¥ в порфириновом кольце соединения 10а увеличивает способность порфирина к комплексообразованию за счет дополнительного положительного заряда катиона металла по сравнению с его безметалльным аналогом (Таблица 6). При сравнении безметального порфиринового производного со спейсерами из десяти СНг-групп 4Ь и его металлокомплекса, наблюдается обратная корелляция констант связывания (Кь(10а)=8,2-104 М"1; КЬ(ЮЬ) = 1,1 * 104 М"1). Данный результат объясняется, по-видимому, тем, что эффект дополнительного заряда катиона металла Хп2+ в порфириновом кольце нивелируется стерическим фактором - значительным увеличением длины спейсера от пяти до

десяти СН2-групп, который препятствует интеркаляции молекулы между парами оснований ДНК и возникновению дополнительного взаимодействия катиона металла с основаниями нуклеиновой кислоты.

По данным КД был сделан вывод о характере связывания катионных производных ТФП с ДНК. Экспериментально доказано образование двух типов комплексов всех порфиринов с ДНК: интеркалированного и внешнего залегания по малой бороздке. Менее стерически затрудненное производное 4а проявляет преимущественно интеркаляционный тип связывания, тогда как наиболее затрудненное производное 4Ь образуют с ДНК два типа комплексов. На рис. 9(А, Б), приведены спектры КД холестерической жидкокристаллической дисперсии ДНК (хжкд-ДНК) до (кривая 1) и после (кривая 2) обработки 4а и 4Ь, соответственно. Образование комплекса 4а с хжкд-ДНК сопровождается появлением в спектре КД интенсивной отрицательной полосы (А.-270 нм), расположенной в области поглощения азотистых оснований (кривая 1). Знак основной полосы поглощения в случае лиганда 4а (А.—410 нм) - отрицательный, как и в случае с классическим интеркалятором - тетра(4-1Ч-метилпиридил)порфирином (рис. 9А, кривая 2). Это свидетельствует о том, что молекулы порфирина 4а, взаимодействуя с ДНК, преимущественно интеркалируют между парами азотистых оснований и размещаются при этом перпендикулярно к оси двойной спирали нуклеиновой кислоты. Сигнал индуцированной оптической активности хромофора 4Ь (рис. 9Б, кривая 2) имеет составляющие с положительным (А.-420 нм) и отрицательным (А.-400 нм) знаками приблизительно с равными амплитудами. Это можно интерпретировать таким образом, что молекулы 4Ь образуют с ДНК два типа комплексов (интеркаляционный и внешний) с примерно одинаковым вкладом.

7x7

п

•хДч-Ч

4Ь

Рис. 9. Спектры КД ЖКД ДНК (4,5 10° М) с соединениями 4а (А), 4Ь (Б) (1,2-10"5 М) в 2 шМ фосфатном буфере (рН~7,0), 0,3 М №С1 и ПЭГ (4,25 -10"2 М)

Методом флуоресценции был исследован процесс самотушения порфирина 4а в системе хжкд-ДНК (рис. 10 А, Б). Зависимость интенсивности флуоресценции от концентрации при длине волны ^=651нм оказалась нелинейной (рис. 10 Б), что позволило сделать вывод о наличии самотушения в данной системе. Возможность осуществления этого процесса объясняется тем, что молекулы нуклеиновой кислоты в составе хжкд-ДНК компактизованы, следовательно, расстояние между интеркалированными в ДНК молекулами порфирина 4а становится достаточным для осуществления переноса энергии между ними, что и вызывает эффект самотушения флуоресценции.

ширине щели на возбуждение 8]=1,5 и регистрации 82=15); (Б) - зависимость интенсивности флуоресценции от концентрации при длине волны Л=651нм, спектральной ширине щели на возбуждение 81=1,5 и регистрации 8г=15.

Таким образом, было исследовано взаимодействие водорастворимых тетракатионных производных порфиринов с двухцепочечной нативной ДНК тимуса теленка и определены константы связывания порфиринов с нуклеиновой кислотой. Установлено, что такие факторы, как длина метиленового спейсера и включение металла в макроцикл порфирина, влияют на степень связывания лиганда с ДНК. Методом КД было показано, что исследуемые соединения могут образовывать с ДНК комплексы двух типов: интеркаляционный и внешний, процентное соотношение которых определяется структурой порфирина.

ВЫВОДЫ

1. Предложен новый эффективный метод синтеза амфифильных длинноцепных лгезо-арилпорфиринов, позволяющий получать их в препаративных количествах.

2. Синтезированы серии новых амфифильных производных ТФП, отличающихся типом терминальных полярных и заряженных групп, длиной метиленовых спейсеров и способом их присоединения к фенильным остаткам в мезо-положениях макроцикла.

3. Оптимизирован метод получения положительно заряженных длинноцепных производных тетрапиридилпорфирина.

4. Проведено исследование жидкокристаллических свойств синтезированных соединений, выявлено влияние элементов структуры амфифильных ТФП на проявляемые мезоморфные свойства; впервые показано, что амфифильные порфирины и их металлокомплексы могут обладать термотропным мезоморфизмом.

5. Изучено комплексообразование катионных порфиринов с ДНК, рассчитаны константы связывания и установлено их высокое сродство к ДНК. По данным КД сделан вывод о характере связывания полученных катионных производных ТФП с ДНК.

6. Показана возможность создания супрамолекулярных структур в водной и органической средах на основе разноименно заряженных производных мезо-арилпорфиринов.

Основные результаты работы изложены в следующих публикациях:

1. Новиков Н.В., Старков В.В., Формировский К.А., Брагина Н.А., Ушакова И.П. Миронов А.Ф. Синтез и свойства катионных производных лгезо-тетра(4-пиридил)порфирина.// Вестник МИТХТ. 2009. Т.4. № 4. С. 26-30.

2. N. V. Novikov, К. A. Formirovsky, N. A. Bragina, A. F. Mironov, G. A. Anan 'eva, V. V. Bykova, N. V. Usol'tseva. Synthesis and mesomorphism of cationic derivatives of /яе.то-aryl-substitutcd porphyrins and their metal complexes. // Mendeleev. Commun. 2010. V.20. N 4. P.239-242.

3.Брагина H.A., Новиков H.B., Формировский K.A., Быкова В.В., Ананьева Г.А., Усольцева Н.В. Мезоморфизм катионных водорастворимых мезо-замещенных тетрафенилпорфиринов и их металлокомплексов. // Жидкие кристаллы и их практическое использование. 2010. Вып. 4. С. 5-11.

4. Formirovsky К.А., Bragina N.A., Mironov A.F., Anan'eva G.A., Bykova V.V., Usol'tseva N. V.. Novel Alkoxyaryl Substituted Porphyrins with Terminal Carboxymethyl and Carboxy Groups: Synthesis and Mesomorphic Properties. // Macroheterocycles. 2011. 4 (2). P.127-129.

5. Формировский К. А., Жданова К. А., Брагина H. А., Миронов А. Ф., Быкова В. В., Ананьева Г. А., Усольцева Н. В.. Мезоморфизм амфифильных мезо-арилпорфиринов и их металлокомплексов. // Жидкие кристаллы и их практическое использование. Вып. 2 (40). 2012. С. 44-50.

6. Formirovsky К.А., Bragina N.A., Mironov A.F., Anan'eva G.A., Bykova V.V. and Usol'tseva N.V.. Synthesis and liquid-crystal properties of new amphiphilic long-chainderivatives of meso-arylporphyrins with terminal polar groups. // Mendeleev Commun. 2012. V.22. P. 278-280.

7. Мишкина K.A., Формировский K.A., Брагина H.A. Новые подходы к синтезу амфифильных .мезо-арилзамещенных порфиринов. // В Сб. тезисов II Международной молодежной школы конференции по физхимии краун-соединений, порфиринов и фталоцианинов, г. Туапсе, 2010 г., с.63.

8. Формировский К.А., Мишкина К.А., Брагина Н.А. Разработка методов синтеза амфифильных .мезо-арилзамещенных порфиринов. // В Сб. тезисов докладов XIII международной научно-технической конференции Наукоемкие химические технологии, г. Суздаль, 2010 г., с.61.

9. Formirovsky К. A., Bragina N. A., Mironov A.F., Anan'eva G.A., Bykova V.V., Usol'tseva N.V.. Synthesis and mesomorphic properties of new alkoxyaryl substituted porphyrins with terminal carboxymethyl and carboxyl groups. // В Сб. тезисов докладов XI Международной конференции по физической и координационной химии порфиринов и их аналогов, г. Одесса, 2011 г., с. 76.

10. Формировский К.А., Мишкина К.А., Брагина Н.А. Изучение агрегационных свойств амфифильных порфиринов. // В Сб. тезисов докладов III Международной молодежной школы-конференции по физической химии краун-соединений, порфиринов и фталоцианинов. г. Туапсе, 2011 г., с.39.

11. Фролова М.А., Лисицына Е.С., Формировский К.А., Брагина Н.А., Миронов А.Ф., Кузьмин В.А. Исследование процессов комплексообразования производных тетрафенилпорфиринов с ДНК. Самотушение производных тетрафенилпорфиринов в комплексе с различными формами ДНК. // В Сб. тезисов докладов XI ежегодной международной молодежной конференции ИБХФ РАН-Вузы "Биохимическая физика" и школы "Современные проблемы биохимической физики ", г. Москва, 2011 г., с.43.

Формировский К.А. Синтез и свойства амфифильных длинноцепных производных арилзамещенных порфиринов

Формат 60x90/16 Тираж 100 экз. Подписано в печать 30.04.2013. Заказ № 91 Типография ООО «Генезис» 8 (495) 434-83-55 119571, г. Москва, пр-т Вернадского, 86

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТОНКИХ ХИМИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ М.В. ЛОМОНОСОВА

На правах рукописи

04201357933

ФОРМИРОВСКИЙ КИРИЛЛ АЛЕКСАНДРОВИЧ

СИНТЕЗ И СВОЙСТВА АМФИФИЛЬНЫХ ДЛИННОЦЕПНЫХ ПРОИЗВОДНЫХ МЯ30-АРИЛЗАМЕЩЕННЫХ ПОРФИРИНОВ

02.00.10 - Биоорганическая химия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук

Научный руководитель: кандидат химических наук, доцент Брагина Н.А.

Москва-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.......................................................................................................3

1. ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................................4

2. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР...................................................................................................6

2.1. Общие подходы к синтезу .мезо-замещенных порфиринов.........................................6

2.2. Свойства и области изучения амфифильных производных мезо-арилпорфиринов.......................................................................................................................13

2.3. Перспективы использования синтетических амфифильных порфиринов...........37

3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ......................................................................................64

3.1. Синтез симметричных длинноцепных производных лдезо-арилпорфиринов с терминальными полярными группами...............................................................................65

3.2. Синтез катионных производных лдезд-замещенных порфиринов...........................69

3.3. Изучение свойств полученных порфиринов................................................................82

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ................................................................................106

4.1. Синтез замещенных бензальдегидов............................................................................107

4.2. Синтез катионных лизо-алканоилоксиарилзамещенных порфиринов и их предшественников..................................................................................................................108

4.3. Синтез металлокомплексов катионных лгвзо-алканоилоксиарилзамещенных порфиринов и их предшественников..................................................................................111

4.4. Синтез катионных производных л*езо-тетра(4-пиридил)порфирина....................114

4.5. Синтез лгезд-арилзамещенных порфиринов с карбоксильными, карбметоксильными и гидроксильными полярными группами.................................117

4.6. Общая методика получения металлокомплексов порфиринов 26а,b - 28а,b......119

5. ВЫВОДЫ..............................................................................................................................122

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.....................................................................................................123

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

СТАВ — цетилтриметиламмонийбромид

DDQ - 2,3-дициано-5,6-дихлоробензохинон

SDS - додецилсульфат натрия

TCQ - тетрахлоробензохинон, р-хлоранил

TFA - трифторуксусная кислота

АСМ - атомно-силовая микроскопия

ВЭЖХ - высокоэффективная жидкостная хроматография

ДМАП - 4-диметиламинопиридин

ДМСО - диметилсульфоксид

ДПМ - дипирролилметан

ИК - инфракрасный

КД - круговой дихроизм

ЛД - линейный дихроизм

ПАВ - поверхностно активное вещество

ТГФ — тетрагидрофуран

ТСМ - туннельная сканирующая микроскопия

ТСХ - тонкослойная хроматография

ТФП - тетрафенилпорфирин

УФ - ультрафиолетовый

СТМ - сканирующая туннельная микроскопия

MS MALDI-TOF — масс спектр с матричной лазерной ионизацией

1. ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время синтез аналогов природных тетрапиррольных соединений и дизайн на их основе новых функциональных структур посредством самосборки и самоорганизации молекул представляет собой активную область исследований. Синтетические порфирины являются перспективными кандидатами в качестве компонентов фотоэлектронных материалов, таких как сенсоры, электронные устройства, фотосинтетические солнечные батареи и органические светоиспускающие устройства. Амфифильная структура молекул является определяющей для самосборки надмолекулярных ансамблей за счет нековалентных взаимодействий. Особый интерес в этом плане представляют амфифильные л/езо-арилпорфирины, содержащие как гидрофобные заместители, способствующие поверхностной иммобилизации молекул и придающие им мезогенные свойства, так и полярные группы, обеспечивающие растворение соединений в полярных средах и определяющие способность к самосборке и самоорганизации за счет водородных связей. Терминальные функциональные группы также можно подвергать различным химическим превращениям и использовать как центры связывания с различными лигандами, в т.ч. с наночастицами. Введение гидрофильных функциональных групп в молекулу порфиринов позволяет получать амфифильные соединения, в том числе способные к растворению в воде при различных значениях рН.

Порфирины, функционализированные высшими алифатическими заместителями, проявляют мезоморфные или жидкокристаллические (ЖК) свойства и формируют высокоупорядоченные термотропные дискотические фазы В аспекте структурообразования жидкокристаллическое состояние рассматривается как один из способов достижения самопроизвольной структурной самоорганизации молекул. Было показано, что порфириновые ЖК ансамбли порфиринов перспективны для оптоэлектроники, создания устройств отображения и хранения информации. Лиотропные жидкие кристаллы в растворах рассматриваются и изучаются в качестве структурно-направляющих сред.

Флуорофоры на основе производных порфиринов играют важную роль в различных фотобиологических процессах, а также широко используются для конструирования фотохимических сенсоров. Значительный интерес с точки зрения биомедицинского применения представляет взаимодействие порфиринов и металлопорфиринов с биомакромолекулами - белками и нуклеиновыми кислотами. Катионные производные порфиринов проявляют высокое сродство к РНК и ДНК и изучаются в качестве сенсоров для определения их структуры.

В связи с этим особый интерес и актуальность приобретают вопросы химии и направленного поиска синтетических амфифильных производных порфиринов, изучения влияния элементов молекулы на проявляемые структурообразующие свойства. Целью данной работы является разработка методов синтеза амфифильных длинноцепных мезо-арилзамещенных порфиринов, изучение их физико-химических свойств и возможности создания на их основе супрамолекулярных структур.

2. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

Амфифильные л^зя-арилзамещенные ТФП. Свойства и перспективы использования.

2.1. Общие подходы к синтезу л/<?30-замещенных порфиринов

Для современной химии порфиринов характерной чертой является наличие значительного числа разнообразных методов построения порфиринового макроцикла. Причем наряду с методами, предложенными в последние годы, достаточно широко используются приемы, разработанные 20, 30 и даже 60 лет назад. Новые методы синтеза, потеснив старые, полностью их не исключили. Такое, в общем, не характерное для иных классов биологически активных соединений состояние, связано главным образом с тем, что синтез порфиринов сильно зависит от характера имеющихся в порфирине заместителей и их расположения в макроцикле. Методы, позволяющие получать сравнительно простые порфирины, совершенно неприменимы к более сложным природным порфиринам. И, напротив, общие методы, предложенные в последние годы, нецелесообразно применять для ряда порфиринов, включая и некоторые природные, поскольку в этом случае неоправданно усложняя синтез исходных пирролов.

Существуют 3 основные пути синтеза тетра-л/езо-замегценных порфиринов, которые качественно отличаются друг от друга: монопиррольная конденсация, синтез через дипирролилметаны или дипирролилметены, ступенчатое наращивание цепи [1]. Выбор метода зависит, в первую очередь, от структуры порфирина, который нужно получить.

Монопиррольная конденсация

Ротемундом было обнаружено, что при взаимодействии пиррола с альдегидами образуются .мезо-замещенные порфирины (Схема. 1) [2]. Выходы первых реакций составляли 0.03 %. В последующих работах выход порфиринов был существенно улучшен за счет проведения реакции в пиридине в запаянных стеклянных ампулах при высокой температуре (140-240°С). Конденсацией пиррола с бензальдегидом был получен мезо-тетрафенилпорфирин (ЩТФП). Позднее метод был улучшен, однако, выход ТФП не превышал 18%, а жесткие условия реакции ограничивали число альдегидов, которые могли быть использованы в синтезе.

Адлер [3], исследуя влияние различных растворителей, обнаружил, что лучшими катализаторами реакции являются кислоты (по сравнению с основаниями). При проведении

реакции в кипящих, содержащих органическую кислоту растворителях в присутствии воздуха выход НгТФП составляет 40%.

Схема 1.

О

Линдсей разработал альтернативную процедуру, которая позволила получать небольшие количества порфиринов с высокими выходами, используя различные альдегиды, в том числе лабильные, в мягких условиях (в среде хлорорганических растворителей в присутствии кислотного катализатора при комнатной температуре) [4]. Было показано, что в условиях кислотного катализа при низкой концентрации пиррола и бензальдегида в реакционной массе устанавливается равновесие между исходными реагентами и соответствующим порфириногеном (Схема 2). В этом случае образование циклического тетраарилпорфириногена является термодинамически более выгодным по сравнению с линейными полипирролилметанами. На второй стадии синтеза при добавлении окислителя происходит необратимое превращение порфириногена в порфирин. Условия реакции являются мягкими, что позволяет использовать бензальдегиды с различными функциональными группами.

Схема 2.

Г)

^ш

+

Аг СНО

Н

[О]

■у

Обычно проводят конденсацию пиррола с бензальдегидом (10" М) при комнатной температуре в безводном хлористом метилене в токе азота в присутствии кислотного

1 л

катализатора (10* М ВРз-(ОС2Н5)2 или 10" М ТРА). Выход реакции в значительной мере

зависит от концентраций исходных реагентов, он резко падает как при увеличении (10" М, 14 %), так и при уменьшении (10"3 М, 16 %) концентрации бензальдегида и пиррола в реакционной массе. Данный метод был использован для синтеза порфиринов с различными заместителями, причем выходы составляли 30-40% [4].

Кислотно-катализируемая конденсация пиррола с альдегидом с последующим окислением - очень удобный метод синтеза л*езо-арилзамещенных порфиринов. Особая роль кислоты в этом процессе побудила авторов [5] исследовать влияние кислот Льюиса и Бренстеда на выходы мезо-замещенных ТФП (Схема 3). Было исследовано большое число кислотных катализаторов, в результате чего было показано, что выход ТФП в зависимости от катализатора варьируется от 5 до 58% (табл. 1).

1 acid

2 ООО

telraph Bfiylporphyrin (ТРР)

N-confused ТРР (NC-TPP)

Те(пзрЬегту1&яррЬут1п

(ТРЗ)

Таблица 1. Кислотные катализаторы, использованные в работе [5].

entry ас Id (arid! mil* solubility' time, h % ТРР NC ТРР'-'

1 BF з-cthcrate/NaCi 1 0* yes 1 58 2.7

2 TFA/BFj-cfherate 15« 32 у eb 1 53 5.5

3 р-СНзСЛйОзН-НгО 0.32 no 1 50 9.2

4 CHjSOiH 0 32 yes 1 16 8.3

5 KICK 20g.I no I 43 1 8

С MgBr2 32 no 2 43 5.8

7 SbFs 0.32 yes 2 43 5.1

8 GeBr, 10 yes 4 43 5.0

9 PBr< 0 10 yes 0 25 41 4 5

10 BBf; 010 yes 1 11 •4.3

¡1 riik, 0.70 no 1 mm 40 2.9

12 CCIjCOjH 32 yes 1 39 2,3

13 TFA 20 yes 1 38 3.0

11 CuCh 32 no OS 37 0

15 A1CI, 3.2 r>o 0 25 36 0.6

16 MgBi>et4ierate 32 no 05 34 0.9

17 Т1П, 1.0 yes 1 31 1 0

18 CaClj 10 yes 2 34 5.5

19 SnCI, 1.0 yes 2 31 4 8

НО FeCIj 1.0 no 4 34 1 4

21 HCl{g)' 32% satd yes 1 31 0.6

22 SCI< 0 32 yes 1 31 1,0

23 ВС la 1.0 yes 0.5 30 0.7

24 leCI. 1.0 no 1 30 0.6

25 BF rethet ate 1.0 yes 4 26 7.7

26 QFsCOzH 1000 no 1 26 0 9

27 Gel, 32 yes 2 23 0 8

28 BEtj 100 yes 8 23 0

29 HCIfaq)* 10 no 2-1 21 53

30 Nailon 100 g/l. no 4 19 5.0

31 TIF, 3.2 no 8 17 68

32 CFiSOjH 1.0 yes 2 10 8 4

33 YbiOTfij 100 no 1 9.6 5.2

34 SdOTfl, 3.2 no Я 9 5 6.7

35 SnF, 32 no 8 50 2 3

В работе [6] авторы сообщают о получении ТФП в мягких условиях при комнатной температуре с высокими выходами, используя СРзЗСЬСЛ в качестве катализатора. Синтез проходит без использования ББС^, в качестве окислителя выступает воздух. При этих условиях производные ТФП получали с выходами 25 - 67 % (Таблица 2).

Таблица 2. Выходы замещенных ТФП в работе [6].

Ишгу Аг Ргоёис! Иеааюп Йте (И) УкИ 1

1 РЬ 1 3 62

2 /ИМеСб Н4 т 3 60

3 р-ШОС*!!* 3 3 67

4 /МПСб! 1$ 4 3 ■«»Э^Э

5 />-ВгСб1Ц 5 3 64

6 /^-СЫСбИд 6 3.5 40

1 /»♦КО^СЙ!^ 4 34

8 р4 юрюру10И4 Ш 3 60

9 т-МеОЛл 9 3 57

10 т-МеООНд 10 3 411

11 т-С КГ61Ц II 3.5 41

12 12 4 40

13 13 3 40

14 ¿А-ОСбНд 14 3 35

15 <>N0X^11.4 15 4 27

16 16 4 25

При получении ТФП с гетерогенным кислотным катализатором - монтмориллонитом (каталитическая глина) выход также был высоким (43%). В последнее время появилось много работ, в которых при синтезе порфиринов используются гетерогенные кислотные катализаторы - каталитические глины (монтмориллонит) [7] и ионообменные смолы [8]. Можно выделить следующие преимущества их применения в органическом синтезе: упорядоченная структура, большая адсорбционная поверхность по отношению к органическим субстратам в межслойном пространстве, способность концентрировать субстраты, находящиеся поблизости, способность служить темплатом для полимеризации и способность стабилизировать неустойчивые интермедиаты.

Синтез на основе дипирролилметанов

Существенньм преимуществом метода синтеза порфиринов через дипирролилметаны являются высокие выходы последних, особенно при наличии электроноакцепторных заместителей. ДПМ без стабилизирующих электроноакцепторных заместителей являются лабильными, и их синтез в этой связи сильно затруднен. В случае использования ДПМ схема

синтеза включает 2 стадии (Схема 3), однако при этом увеличиваются выходы целевого тетрафенилпорфирина. После стадии конденсации дипирролилметанов, в результате которой получается порфириноген, проводят стадию окисления, причем окисление можно проводить без выделения порфириногена путем добавления окислителя в реакционную массу [9].

О

Аг—^ Н

В работе [10] описывается исследование реакции конденсации типа 2+2 между 5-замещенным дипирролилметаном и альдегидом, с целью подавления кислотно-катализируемой реакции пиррольной перестановки в синтезе транс-порфиринов. Быстрый скрининговый метод на основе масс-спектрометрии давал возможность определить степень перестановки в зависимости от типа кислотного катализатора, температуры, концентрации и соотношения количеств реагентов, выбора растворителя, присутствия солей. Для реакций конденсации с использованием стерически затрудненных дипирролилметанов, были выявлены условия, которые не приводили к перестановке. На основе этих данных были разработаны препаративные методы, которые давали значительные выходы чистых транс-порфиринов (Схема 4).

Схема 3.

X О

аЛ. ¡J

1:25

1) TFA (0.1 eq), 5 min

2) Distillation

3) Recrystafflzation

68 - 27% Analytically pure Multi-gram scale

^ -NH HN- "

О B-^H

1) Condensation

2) Oxidation

Ступенчатое наращивание цепи

Для синтеза сложных порфиринов существуют методы получения порфиринов через промежуточные незамкнутые тетрапиррольные соединения (Схема 5).

Схема 5.

Среди тетрапиррольных соединений, используемых в синтезе порфиринов, известны оксобиланы-6 (1), билены-6 (2), биладиены-а,с (3) и несколько других соединений, имеющих различную степень окисления (Схема 6) [11].

(3)

N ^ N ^ N N

н н н н

(2)

2.2. Свойства и области изучения амфифильных производных

лдезо-арилпорфиринов.

2.2.1. Сульфо-производные ТФП

Для различных целей, в особенности для биологических испытаний, важно наличие порфириновых соединений, растворимых в воде при значениях рН, близких к нейтральным. В 1962 г. Винкельман, исследуя способность порфиринов селективно накапливаться в опухолевых тканях, впервые провел сульфирование тетрафенилпорфина (НгТРР) и получил водорастворимый л/езо-тетра(4-сульфофенил)порфин (4) с выходом 70% (Схема 7) [12]. Реакцию проводили при 100°С, в качестве сульфирующего агента использовали концентрированную серную кислоту. Впоследствии было обнаружено, что наряду с (4), образуется также порфирин с сульфогруппами в трех фенильных кольцах.

Схема 7.

4

Выделение соединения (4) из реакционной смеси сопряжено с рядом трудностей, однако, возможно через его натриевые или аммониевые соли путем многократного переосаждения из метанольно-ацетонового раствора в виде нерастворимой кальциевой соли, а также с использованием диализа [12]. Электронодонорные группы в фенильных кольцах облегчают сульфирование. Так, при сульфировании олеумом Р-октабром -мезо-тетрамезитилпорфина при 120°С сульфируются все 8 свободных положений фенильных групп. Данный порфирин предполагалось использовать в качестве водорастворимого катализатора в реакциях переноса кислорода.

Описано также получение сульфированных производных с гидрокси- и метоксигруппами в о- и и-положениях фенильных колец и л/ез0-тетракис(2-тиенил)порфина (5). Эти порфирины предполагалось использовать в аналитических целях. Интересно

отметить, что сульфирование лг<?зо-тетракис(2,6-диметилфенил)порфина проходит в м-положения фенильных колец, образуя соединение (6), а не в «-положения, как предполагалось ранее. Сульфирование моно-и-нитрофенилтрифенилпорфина олеумом приводит к 5,10,15-трис(4-сульфонилфенил)-20-(4-нитрофенил)порфину, который был очищен хроматографически на сефадексе О-10 [13].

Трудностей выделения сульфокислотных производных ТФП можно избежать, получая последние гидролизом соответствующих сульфохлоридов, которые образуются при реакции Н2ТРР с хлорсульфоновой кислотой при комнатной температуре [13].

Хлорсульфирование в тех же условиях мезо-тетракис(2,6-дихлорфенил)-порфина дает смесь моно-, ди-, и три-я-сульфони�