Синтез водорастворимых иммобилизатов металлопорфиринов и исследование их антибактериальной активности тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.06 ВАК РФ

На правах рукописи Алешина Елена Владимировна

СИНТЕЗ ВОДОРАСТВОРИМЫХ ИММОБИЛИЗАТОВ МЕТАЛЛОПОРФИРИИОВ И ИССЛЕДОВАНИЕ ИХ АНТИБАКТЕРИАЛЬНОЙ АКТИВНОСТИ

02.00.06 - высокомолекулярные соединения

18 НОЯ 2013

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Иваново 2013

005541044

005541044

Работа выполнена на кафедре химии и технологии высокомолекулярных соединений федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ивановский государственный химико-технологический университет»

Научный руководитель:

кандидат химических наук, доцент

Агеева Татьяна Арсеньевна

Белых Дмитрий Владимирович

Институт химии Коми научного центра Уральского отделения РАН, старший научный сотрудник

Шейнин Владимир Борисович

Институт химии растворов имени Г.А. Крестова РАН, ведущий научный сотрудник

ФГБУ « Научно-исследовательский институт биомедицинской химии имени В.Н. Ореховича РАМН», г. Москва

Защита состоится «¿сг» декабря 2013 г. на заседании диссертационного совета Д 212.063.03 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ивановский государственный химико-технологический университет» по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 7.

Тел.: (4932) 41-66-93, факс: (4932) 41-66-93, e-mail: dissovet@isuct.ru

С диссертацией можно ознакомиться в информационном центре Ивановского государственного химико-технологического университета по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 10.

Текст автореферата размещен на сайте ВАК и сайте ИГХТУ: www.isuct.ru Автореферат разослан «_//* » ноября 2013 г.

Официальные оппоненты:

доктор химических наук, доцент

кандидат химических наук, старший научный сотрудник

Ведущая организация:

Ученый секретарь совета , / Шарнина Любовь Викторовна

Д 212.063.03 e-mail: sharnina@isuct.ru

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Благодаря своей уникальной химической природе порфирины и их аналоги находят применение во множестве областей науки и техники. Среди синтетических порфиринов одним из наиболее доступных остается ме-зо-тетрафенилнорфирин (Н2ТРР) и его функциональные замещенные, металло-комплексы которых применяются как основные компоненты функциональных материалов, используемых в катализе, экстракции, качественном и количественном анализе, нелинейной оптике, молекулярном дизайне и медицине. Известно, что порфирины и их аналоги являются активными и биологически совместимыми фотосенсибилизаторами, генерирующими при освещении синглетный кислород, который активно окисляет субстрат опухолевых тканей. С целью получения лекарств комплексного и пролонгированного действия с радиопротекторным действием были использованы порфиринполимеры на основе гемина и медного комплекса хлорина е6.

Однако Н2ТРР и его металлокомплексы не растворимы в воде, что практически не позволяет реализовать их в качестве перспективных фармацевтических препаратов. Постадийный синтез стабильных порфиринполимеров, которые принято называть иммобилизатами, обычно заключается в предварительной модификации порфиринов с введением функциональных групп, способных взаимодействовать с полимерной матрицей и последующей их иммобилизацией с образованием ковалентных связей с полимером-носителем. В связи с этим представляется актуальной задача создания новых функциональных материалов на основе порфиринов с целью повышения их биосовместимости, придания антимикробных и сорб-ционных свойств, водорастворимости, а также фотостабилыюсти.

В настоящее время вопрос об исследовании антимикробных свойств новых материалов на основе порфиринов остается актуальным, особенно благодаря появлению сведений о том, что введенные в организм синтетические порфирины могут распозноваться бактериями и включаться, вместо природных, в обмен веществ бактериальных клеток. Поскольку синтетические порфирины отличаются по строению от природных, такое включение может привести к нарушению процессов жизнедеятельности микроорганизмов и их дальнейшей гибели. Таким образом, с помощью водорастворимых иммобилизатов с синтетическими порфиринами можно добиться дезактивации патогенных микробов без вредного влияния на микрофлору организма.

В связи с этим является актуальной разработка синтеза новых водорастворимых порфиринполимеров, обладающих антимикробным действием и изучение их структуры и физико-химических и функциональных свойств.

Цель работы. Направленный синтез водорастворимых порфиринполимеров, содержащих в качестве исходных структурных элементов металлокомплексы ме-зо-арилпорфиринов, и исследование их физико-химических и биологических свойств.

Для достижения поставленной цели были поставлены и решены следующие задачи:

S оптимизация метода формилирования металлокомплексов мезо-тетрафенилпорфиринов по условиям реакции и составу реагентов;

S синтез 2-формил-5,10,15,20-тетрафенилпорфирина Н2ТРР-СНО и его медного (II) СиТРР-СНО, кобальтового (II) СоТРР-СНО, никелевого (И) NiTPP-CHO и цинкового (II) ZnTPP-CHO комплексов, как исходных структурных единиц для получения водорастворимых порфиринполимеров;

■S квантово-химическое и экспериментальное изучение процесса иммобилизации л/езо-арилпорфиринов на водорастворимом полимерном носителе: поливиниловом спирте (ПВС);

S синтез 2-формил, 10(15)-(4'-нитрофенил)-5,15(10),20-трифенилпорфирина H2TPP-CH0(phenyl-N02) и его медных (И) CuTPP-CH0(phenyl-N02), кобальтовых (II) CoTPP-CH0(phenyl-NO2), никелевых (II) NiTPP-CH0(phenyI-N02) и цинковых (II) ZnTPP-CH0(phenyl-N02) комплексов и их иммобилизация на ПВС;

S исследование реологических свойств разбавленных водных растворов полученных порфиринполимеров;

S первичное исследование биологической активности полученных иммоби-лизатов, определение их антибактериальной активности на бактериальных культурах E.coli, Staphylococcus aureus и Candida albicans, а также дрожжевой культуре Candida sp.

Исследование проводилось с использованием методов электронной абсорбционной, ИК- и !Н ЯМР - спектроскопии, а также элементного анализа, вискозиметрии, биологических и квантово-химических методов.

Научная новизна. С. целью получения водорастворимых порфиринполимеров заданного состава исследован и оптимизирован процесс ковалентной иммобилизации л/азо-арилпорфиринов на ПВС.

Исследованы реологические свойства разбавленных водных растворов полученных иммобилизатов. Показано, что с ростом количества порфирита в иммобилизате увеличивается размер макромолекулярного клубка, но при этом структура введённого иммобилизованного порфирина не влияет на характер взаимодействия полимера с растворителем.

С целью получения материалов, обладающих значительной антибактериальной активностью, синтезированы новые водорастворимые порфиринполимеры, содержащие H2TPP-CH0(phenyl-N02) и его медные (II), кобальтовые (II), никелевые (II), и цинковые (11) комплексы.

Сравнительное изучение антибактериальных свойств полученных иммобилиза-тов показало, что металокомплексы порфиринполимеров в присутствии соответствующих ацетатов металлов (Ю-4 - 10"6 моль/л) обладают более выраженной антибактериальной активностью в отношении исследуемых культур. Исследования водных растворов, содержащих только ПВС, только ацетат цинка или ацетат никеля или ацетат кобальта, только ПВС с ацетатом металла показали, что никакого эффекта не наблюдается ни для одной из перечисленных тест-культур бактерий.

Практическая значимость. Предложенный способ модификации мезо-тетрафенилпорфирина с последующей иммобилизацией его на полимерах-носителях может служить одним из путей получения физиологически активных полимеров на основе порфиринов, в том числе антибактериального действия, включающих в свой состав фрагменты, каждый из которых придает порфиринполимеру определенные свойства (растворимость, биологическую активность и т.д.) в гомогенных условиях. Исследования антимикробной активности полученных порфиринполимеров открывают перспективы использования данных соединений в качестве терапевтических средств с антибактериальным действием широкою спектра действия.

Личный вклад автора. Непосредственное участие на всех этапах работы: постановка цели и задач работы, планирование эксперимента, обсуждение полученных результатов.

Работа выполнена на кафедре химии и технологии высокомолекулярных соединений Ивановского химико-технологического университета при поддержке гранта РФФИ 12-03-01014 и федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, соглашение № 14.В37.21.0840.

Апробация работы. Основные результаты исследований были представлены на конференциях 35lh Inorganic Reaction Mechanisms Meeting (IRMM-35) (Krakov, Poland, 2006), X International Conference on the Problems of Solvation and Complex Formation in Solutions (Suzdal, 2007), IV и VII Международных конференциях молодых учёных «Современные проблемы науки о полимерах» (С-Петербург, 2008, 2011), IV школы-семинара молодых ученых «Квантово-химические расчеты: структура и реакционная способность органических и неорганических молекул» (Иваново, 2009), X и XI Международных конференциях по физической и координационной химии порфиринов и их аналогов (ICPC-10, 1СРС-11) (Иваново, 2009; Одесса, Украина 2011), XIII Международной научно-технической конференции «Наукоемкие химические технологии-2010» (Суздаль, 2010), II Международной конференции «Техническая химия. От теории к практике» (Пермь, 2010), VI Международной на-

учно-практической конференции «Новые полимерные композиционные материалы» (Нальчик, 2010), XIV Молодежной конференции по органической химии (Екатеринбург, 2011), Всероссийской научной конференции «Современные проблемы и инновационные перспективы развития химии высокомолекулярных соединений» (Уфа, 2012), Всероссийской научной конференции «Органический синтез: химия и технология» (Екатеринбург, 2012), IX Международной молодежной научной школе «Химия порфиринов и родственных соединений» (Иваново, 2012), XVI Молодежной школы-конференции по органической химии (Пятигорск, 2013), III Международной научной конференции «Новые направления в химии гетероциклических соединений» (Пятигорск, 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 статьи в изданиях рецензируемых ВАК и тезисы 16 докладов на международных и российских конференциях.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 129 страницах машинописного текста и включает введение, литературный обзор, экспериментально-методическую часть, обсуждение результатов, выводы. Работа содержит 14 таблиц, 23 рисунка, 6 схем и 2 диаграммы. Список цитируемой литературы состоит из 160 работ.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, указаны научная новизна и практическая значимость полученных результатов, которые выносятся на защиту.

В первой главе проведен анализ литературных данных об особенностях модификации тетрапиррольных макрогетероциклов, а также рассмотрены методы ковалентной иммобилизации порфиринов на полимеры с целью получения водорастворимых порфиринсодержащих полимеров, теоретическое исследование механизма антибактериального воздействия бактерицидных материалов, особенности поливинилового спирта и его применение, растворимость и реологические свойства разбавленных водных растворов порфиринполимеров (ПП), применение ПП.

Во второй главе работы описаны объекты исследования и используемые реактивы. В качестве тетрапиррольных макрогетероциклов использованы - Н2ТРР-СНО и НгТРР-СНСНрЬепуШОг) и их цинковые (II), медные (II), кобальтовые (II) и никелевые (II) комплексы, синтез которых осуществлялся в соответствии со схемой 1. В качестве основного полимера-носителя для синтеза водорастворимых иммобилизатов металлокомплексов порфиринов использовали поливиниловый спирт с разной молекулярной массой (от 2 000 до 88 000). Изложены методы синтеза, выделения, очистки и физико-химические характеристики (ЭСП, ИК, 'Н ЯМР, элементный анализ) полученных соединений, а также методы определения биологической активности и используемые методы кваптово-химического исследования.

В третьей главе, включающей шесть разделов, представлено обсуждение результатов проведенного исследования. Первый из них посвящен модификации ме-зо-тетрафенилпорфиринов и получению их металлокомплексов. Приведены доказательства чистоты и идентификации химического строения полученных соединений. Во втором разделе рассмотрен процесс иммобилизации полученных мезо-арилпорфиринов на ПВС. Приведены доказательства ковапентного закрепления исследуемых л<езо-арилпорфиринов на ПВС и оптимизация условий иммобилизации формилпроизводного тетрафенилпорфирина на ПВС. В третьем разделе описано получение металлокомплексов ПП в водной среде. В четвертом разделе представлено исследование реологических свойств разбавленных водных растворов иммобилизатов и определение молекулярной массы полученных ПП. С целью теоретического исследования структуры модельных комплексов порфиринов и механизма ковапентного закрепления исследуемых макрогетероциклов на ПВС в пятом разделе приведены квантово-химические исследования: теоретическое исследование строения лгезо-арилпорфиринов, исследование механизма реакции иммобилизации и моделирование системы «Порфирин-ПВС». В шестом разделе приведено обсуждение результатов первичной оценки биологической активности полученных водорастворимых ПП.

Модификация .мгзо-тетрафенилпорфиринов и получение их металлокомплексов. Формилирование Н2ТРР 1а и его мононитропроизводного 2а провели известным методом форми-лирования по Вильсмайеру (схема 1) из соответствующих медных комплексов 1Ь и 2Ь. Синтез порфиринов 4а,Ь проводили двумя способами: а) путем нитрования л«?зо-тетрафе-нилпорфирина Н2ТРР 1а с последующим форматированием его медного (II) комплекса 2Ь и б) путем нитрования Н2ТРР-СНО 3.

Н2ТРР(рЬепу1-Ы02) 2а синтезировали нитрованием Н2ТРР 1а. Формилирование СиТРР(рЬепу1-Н02)

4а - Х=Ы02, У=Н 4Ь - У=Ж>2, Х-Н

Схема 1

2b и нитрование Н2ТРР-СНО 3 приводит к смеси изомерных порфиринов 4а,b которую не удается разделить хромотографическими методами. В результате, положение нитрогрупп в макрогетероцикле в полученной смеси изомерных порфиринов 4а,b на настоящий момент точно не установлено.

Полученные H2TPP-CH0(phenyl-N02) 4а,b и его медные (II) СиТРР-CH0(phenyl-N02), кобальтовые (II) CoTPP-CHO(phenyl-N02), никелевые (II) NiTPP-CH0(phenyl-N02) и цинковые (II) ZnTPP-CH0(phenyl-N02) комплексы были охарактеризованы электронной ИК - и 'н ЯМР - спектроскопией (только для 4а,Ь). ИК-спектры порфиринов и ПВС были получены на спектрометре AVATAR E.S.P. в области 3500 -400 см"1. В ИК - спектрах порфиринов 4а,b присутствуют полосы валентных колебаний N-O нитрогруппы при 1345 и 1520 см"1, а также полоса валентных колебаний связи С=0 формильной группы при 1669 см"1.

Наличие формильной и нитрогруппы приводит к изменению симметрии молекулы, что в свою очередь приводит к усложнению 'Н ЯМР спектра. Сигнал протона, соседнего с формильной группой, проявляется при 9.5 м.д. Сигналы остальных 6 p-протонов проявляются в виде мультиплета в области 9 м.д. Сигналы протонов незамещенных фенильных фрагментов не претерпевают значительных изменений по сравнению с исходными тетрафенилпорфином 1а и его моно-нитропроизводным 2а. Регистрация спектров ЯМР на ядрах 'Н и измерение химических сдвигов велось на импульсном спектрометре высокого разрешения «AVANCE 500» (с рабочей частотой 500 МГц при измерениях на ядрах ]Н).

Исследование процесса иммобилизации проводилось на (3-формил-порфиринах и их металлокомплексах. Металлокомплексы порфиринов были получены по реакции комплексообразования безметального .пезо-ар илпорфирина с ацетатами меди (II), кобальта (II), никеля (II) и цинка (II) в смеси хлороформ-этанол. Контроль за полнотой протекания реакции комплексообразования осуществляли по электронным спектрам поглощения. Очистку полученных металлоком-плексов порфиринов проводили с помощью колоночной хромотографии.

Иммобилизация полученных лсезо-арилпорфиринов на ПВС. С целью получения водорастворимых ПП с определенным содержанием порфирина в полученном иммобилизате ковалентно иммобилизовали формилпроизводные мезо-арилпорфирина и их металлокомплексов на ПВС с использованием реакции ацета-лирования (схема 2). Процесс ковалентного закрепления формилпроизводного ме-зо-арилпорфирина на ПВС осуществляли в водно-органических средах с использованием минеральных кислот в качестве катализатора.

Доказательством ковалентного связывания формилпорфиринов с ПВС служит неизменность состава иммобилизатов после многократных переосаждений из водных растворов в ацетон, определяемая с помощью ЭСП. Доказательством того, что порфирин иммобилизован на ПВС именно за счет ацетальной связи служит то, что при проведении реакции с л(езо-тетрафенилпорфирином, не содержащим формальной группы, не удалось получить ПП, состав которого не менялся после переосаждения.

Влияние полимерного окружения порфирина проявилось в уширеиии Соре и С?-полос. На основании сравнения интенсивностей полос Соре и О в спектрах поглощения продуктов иммобилизации и исходного металлокомплекса было оценено массовое содержание закрепленного порфирина и мольная степень иммобилизации (МСИ) порфирина на полимере.

Оптимизация условий ковалентного закрепления формилпроизводного тетрафенилпорфирина на ПВС. Поиск оптимальных условий синтеза иммобилизатов порфиринов на ПВС с заданным количеством порфирина или его металлокомплекса заключалось в определении следующих параметров: соотношение начальных концентраций реагентов, определение оптимального времени реакции; определение влияния молекулярной массы ПВС на эффективность процесса иммобилизации ме-таллопорфирина, влияние среды на ковалентную иммобилизацию мезо-арилпорфиринов и его металлокомплексов на ПВС. Контроль за эффективностью ковалентного закрепления порфирина на полимере определялся по содержанию порфирина или его металлокомплекса в иммобилизате.

Определение оптимального соотношения концентрации исходного полимера и порфирина в реакционной смеси проводили в интервале от [10:1] до [21:1] соот-

Схема 2

Наблюдались незначительные отличия электронных спектров поглощения растворов ПП от ЭСП растворов незакрепленного порфирина в присутствии ПВС: а именно сдвиг максимума поглощения полосы Соре иммобилизата на 10-11 нм в коротковолновую область характерен для образования ацеталя по СОН-группе порфирина.

ветственно. Оптимальным является соотношение [ПВС]:[порфирин] 18:1. Было установлено, что содержание СиТРР-СНО в ПП выше 10 масс. % приводит к понижению растворимости иммобилизата.

Зависимость массового содержания металлопорфирина в иммобилизате от времени процесса иммобилизации проводили в интервале 3-11 часов, увеличивая каждый раз время иммобилизации порфирина на полимер на один час. При этом оптимальное время, при котором достигается максимальное связывание медного комплекса 2-формил-5,10,15,20-тетрафенилпорфирина с ПВС составляет 9 часов.

В результате применения изначально в качестве среды бинарной смеси растворителей (ДМФА-хлороформ) в процессе иммобилизации мезо-арилпорфиринов на ПВС получили порфиринполимеры с невысоким содежанием порфирина (1-2%).

С целью увеличения массового содержания порфирина в порфиринполимере был исследован процесс иммобилизации СиТРР-СНО на ПВС в этиленгликоле и смеси ДМФА-этиленгликоль.в соотношениях 1:1, 2:1, 1:2 соответственно. Процесс иммобилизации металлопорфирина проводили при температуре 60° С в течение 6 часов, с концентрацией полимера - 3 г/л. В результате получили иммобилизат с мольной степенью иммобилизации МСИ=0.4 порфирина с использованием смеси ДМФА: эти-ленгликоль (1:2) при иммобилизации СиТРР-СНО на ПВС.

Изменение состава реакционной среды приводит к увеличению в 3-4 раза массового содержания порфирина в иммобилизате. Причина, очевидно, состоит в том, что размеры глобул ПВС в этиленгликоле меньше, чем в чистом ДМФА, благодаря чему, массовое содержание порфирина в иммобилизате в смеси этиленгликоля и ДМФА и в этиленгликоле в 3-4 раза больше, чем в ДМФА.

Характер и положение полос в электронных спектрах поглощения иммобили-затов в ДМФА и в воде совпадают. Это свидетельствует о том, что закрепление порфирина на полимере-носителе исключает процессы ассоциации порфиринов в растворе. Попытки провести иммобилизацию СоТРР-СНО на ПВС в уксусной кислоте привели к получению нерастворимых в воде ПП. Очевидно, это связано с побочным процессом этерификации ПВС уксусной кислотой и появлением винилацетатных звеньев. Таким образом, показано, что варьирование среды реакции, соотношения реагентов и времени процесса позволяет получать иммобилизаты с заданным содержанием металлокомплекса.

С целью определения влияния молекулярной массы ПВС на эффективность процесса иммобилизации металлопорфирина провели фракционирование поливинилового спирта с наибольшей молекулярной массой (ММ=88 ООО) дробным осаждением на пять основных фракций и определили их молекулярную массу вискози-метрическим методом: 33 000-35 000, 46 000-49 000, 50 000-53 000, 55 000-58 000 и 65 000. Полученный ПВС с разной ММ использовали для иммобилизации СиТРР-СНО (табл. 1).

Как следует из данных табл. 1, степень связывания СиТРР-СНО с ПВС растет с ростом ММ полимера-носителя. Подтверждением того, что МСИ металлопорфи-рина сильно зависит от размеров глобул ПВС, является тот факт, что при закреплении порфирина на молекулярно-дисперсном ПВС с ММ = 65 ООО резко увеличивается массовое содержание его в иммобилизате. т с- , ,, Изначально в синтезе водораство-

1аЬлица 1. Условия проведения процесса им- " г

мобилизации и характеристики получении* рНМЫХ иммобплизатов в качестве ката-иммобилшатов СиТРР-СНО на ПВС л1пат0Ра МЫ ИСПОДЬЗОвалИ безводную с [кш= Н2504]=0,з моль/л серную кислоту, которую добавляли в

реакционную смесь с концентрацией [ка1]=0,3 моль/л. Определение оптимальной концентрации и состава катализатора показало, что использование катализатора состава Н2304 + НС1 с концентрацией 0,3+0,15 моль/л соответственно позволяет увеличить МСИ порфирина. Дальнейшее увеличение концентрации катализатора приводит к увеличению кислотности среды, тем самым снижая степень иммобилизации.

Максимальная степень иммобилизации (2,72) СиТРР-СНО на ПВС с молекулярной массой 55 ООО с использованием катализатора состава Н2804 + НС1 с концентрацией 0,3+0,15 моль/л достигается при условии проведения данного процесса в индивидуальном растворителе, что может быть реализовано лишь при условии существования макромолекул ПВС в реакционной смеси в разбавленных растворах.

Таким образом, оптимальными условиями для получения ПП с наибольшим содержанием порфирина в иммобилизате являются: соотношение концентраций [ПВС]: [СиТРР-СНО] 18:1, время реакции - 9 ч., катализатор с концентрацией [Н2804+ НС1]=0,3+0,15моль/л, молекулярная масса ПВС - 55 ООО, среда - ДМФА, ДМФА-этиленгликоль (1:2).

Получение металлокомплексов ПП. Среди исследованных металлоком-плексов порфиринов цинковый комплекс является наименее устойчивым в прото-но-донорных средах и легко деметаллирует до безметалыюго порфирина. Поэтому в процессе иммобилизации гпТРР-СНО и гпТРР-СН0(рЬепу1-К02) на ПВС в присутствии серной кислоты в качестве катализатора (0,3 моль/л) к полимеру-носителю присоединяется безметальный порфирин. Поэтому получение цинк-содержащего ПП проводили из предварительно полученного безметального анало-

11

№ Молекуляр- [ПВС]: МСИ га,%

ная масса [СиТРР-

ПВС СНО]

Время реакции 6 часов

1 16 000 10:1 0.106 1.67

2 33 000 10:1 0.114 1.79

3 55 000 10:1 0.123 1.93

Время реакции 7 часов

1 16 000 21:1 0.203 3.16

2 33 000 21:1 0.222 3.43

3 55 000 21:1 0.264 4.06

4 65 000 21:1 0.532 8.32

Время реакции 9 часов

2 33 000 18:1 0.28 4.3

3 55 000 18:1 0.75 10.67

4 65 000 18:1 0.84 11.84

га путем реакции координации его с ацетатом цинка (схема 3) в воде с последующим осаждением модифицированного полимера в ацетон. Показано, что таким образом можно получить все исследуемые металлокомплесы ПП.

снз—СН-СН2—сн-снг-сн 2 сн-снг—сн-снг—сн— сн,—сн—сну-сн-снг—сн * сн-снг-сн-снг—сн-

X - NOj, Y - Н ( ог Y - NO;, X - Н)

Схема 3

Полученные металлокомплексы ПП охарактеризовали электронными спектрами поглощения.

Определение молекулярной массы полученных ПП и реологические свойства разбавленных водных растворов иммобилизатов. Определение молекулярной массы ПП проводили вискозиметрическим методом. Реологические свойства разбавленных водных растворов изучали при температурах 20-35°С. С ростом температуры значения характеристической вязкости [т|] уменьшаются, что свидетельствует о сжатии макромолекулярного клубка. Подчинение указанных растворов подобной зависимости свидетельствует о том, что все они являются системами с нижней критической температурой растворения (НКТР).

Отнесение исследованных растворов к системам с НКТР подтверждается и зависимостью константы Хагтинса К^ от температуры. Очевидно, что Кх в нашем случае связана с взаимодействием в растворе сегментов макромолекулы. Поскольку раствор разбавленный и макромолекулярные клубки в нем не взаимодействуют друг с другом с одной стороны, а с другой стороны рост температуры ведет к сжатию клубка, следовательно, его отдельные сегменты будут сближаться. На наш взгляд, это увеличение взаимодействия сегментов в макромолекулярном клубке в среде растворителя и фиксирует Кх. С ростом количества порфирина в иммобилизате увеличивается размер макромолекулярного клубка. Таким образом, проведенные исследования позволили определить характер поведения в растворе макромолекул полученных ПП.

Квантово-химические исследования. С целью теоретического исследования структуры модельных комплексов порфиринов и механизма ковалентного закрепления исследуемых макрогетероциклов на ПВС проведены квантово-химические исследования. Изучение геометрического строения молекул «лгезо-тетрафенилпорфирин - ß-формил-тетрафенилпорфирин - лгезо-шпрофенил-Р-формил-трифенилпорфирин» и их комплексов с металлами Си (II), Со(П), Ni(II), Zn(II) проводилось с использованием метода теории функционала электронной плотности в варианте B3LYP и стандартного базисного набора 6-31G(d,p) при помощи программ PC GAMESS и GAUSSIAN-03.

12

Рассмотрено образование четырех возможных изомеров ZnTPP-CH0(phenyl-N02) в результате нитрования ZnTPP-CHO. Расчет показал, что состав смеси порфириновых изомеров 4а,b равновероятен при комнатной температуре (Т=298 К). Анализ равновесных значений геометрических параметров показывает, что параметры пиррольного цикла изменяются при переходе Н2ТРР - Н2ТРР-СНО - H2TPP-CH0(phenyl-N02), причем введение нитрогруппы оказывает более сильное искажение макроцикла по сравнению с формильной группой. Исследование строения металлокомплексов порфиринов позволило показать влияние металла, заместителей на плоскость макроцикла, а значит и на физико-химические свойства порфиринов - исходных структурных единиц порфиринполимеров. Для выяснения механизма ацеталирования ПВС формилпорфирином при помощи сканирования поверхности потенциальной энергии ППЭ определяли строение переходного состояния этой реакции. Расчеты показали, что механизм ковалентного закрепления л<езо-арилпорфиринов на полимер соответствует классическому описанию реакции образования ацеталей с использованием протонодонорной кислоты.

В процессе моделирования методом молекулярной динамики получили модели «ZnTPP-CH0(phenyl-N02) - ПВС», «ZnTPP-CHO - ПВС». Установлено, что при иммобилизации нитропроизводного порфирина на ПВС полимерный клубок формируется вокруг тетрапиррольного макрогетероцикла. Тогда, как в модели «ZnTPP-CHO -ПВС» порфирин выходит на поверхность клубка иммобилизата.

Обсуждение результатов первичной оценки биологической активности водорастворимых порфиринполимеров. Первоначально полученные водорастворимые иммобилизаты, содержащие Н2ТРР-СНО и СиТРР-СНО на ПВС не проявляли значимой биологической активности, и полученные соединения не оказывали практически никакого ингибирующего воздействия на рост бактерий (как грамположитель-ных, так и грамотрицательных). Влияние полученных ПП мы определяли на бактериальных культурах E.coli, Candida albicans, Staphylococcus aureus и дрожжевой культуре Candida sp. луночным, диско-диффузионным и оптическим методами определения антибактериальной активности.

С целью повышения антибактериальной активности мы провели нитрование Н2ТРР-СНО с последующим ковалентным закреплением полученных нитропроизвод-ных мезо-арилпорфирина и его медного (II) комплекса на ПВС. Введение нитрогруппы в макрогетероцикл придает ему антибактериальную активность.

Другим фактором влияния на ингибирование бактериальных тест-культур оказалась концентрация закрепленного порфирина на полимере-носителе. Установлено, что ПП с ZnTPP-CH0(phenyl-N02), NiTPP-CH0(pheny1-N02), CoTPP-CHO(phenyl-N02) с меньшей концентрацией порфирина обладают наибольшей антибактериальной активностью на исследуемых тест-культурах. Мы предполагаем, что это связано с полимерным окружением порфирина. Чем меньше порфирина в составе полимера, тем меньше закручивается порфиринполимерный клубок и тем легче ПП взаимодействует с бактериями.

На ингибирование культур оказывает влияние природа металла, расположенного в координационном центре порфириного фрагмента ПП. Для исследования влияния природы металла на антибактериальные свойства иммобилизатов, нами были получены цинковые (II), кобальтовые (И) и никелевые (II) комплексы л/с'зо-интрофепил-f)-формилтрифенилпорфирин-ПВС. Установлено, что ПП с ZnTPP-CH0(phenyl-N02) и CoTPP-CHO(phenyl-N02) обладают наибольшей антибактериальной активностью на тест-культуре E.coli (86% и 89%).

Исследования водных растворов, содержащих только ПВС, только ацетат цинка или ацетат никеля или ацетат кобальта, только ПВС с ацетатом металла показали, что никакого эффекта не наблюдается ни для одной из перечисленных тест-культур бактерий. Одновременное присутствие ацетата металла в растворе с ПП дает более выраженный антибактериальный эффект при сохранении небольшой концентрации порфирина в ПП всех методах определения антибактериальной активности.

Таким образом, мы установили, что антибактериальная эффективность водных растворов ПП зависит от трех факторов: присутствия нитрогруппы в порфириновом макрогетероцикле, наличия металла в координационной плоскости порфирина и определенной концентрации ПП при воздействии на бактериальные культуры E.coli, Candida albicans и Staphylococcus aureus и дрожжевой культуре Candida sp.. Присутствие остаточного содержания ацетата металла (10 4 - 10"6 моль/л) в водном растворе иммобилизата приводит к повышению антибактериальной активности ПП.

Выводы

1. Оптимизирован метод форматирования комплексов 2-формил-тетрафенил-порфиринов меди (II) и кобальта (II) по условиям реакции и составу реагентов с целью получения исходных структурных единиц для последующего закрепления их на ПВС.

2. С целью получения полифункциональных соединений проведено модифицирование 2-формил-тетрафенилпорфирина и его металлокомплексов за счет введения нитрогруппы.

3. Разработан способ получения и определены оптимальные условия синтеза водорастворимых порфиринполимеров, содержащих синтетические мезо-арилпорфирины и их металлокомплексы путем ковалентного закрепления их на поливиниловый спирт.

4. В результате исследования реологических свойств разбавленных водных растворов иммобилизатов установили, что с ростом количества порфирина в иммобили-зате увеличивается размер макромолекулярного клубка за счет включения тетрапир-рольного макрогетероцикла в полимерную матрицу. Показано, что структура иммобилизованного порфирина не изменила характер взаимодействия полимера с растворителем.

5. С использованием квантово-химического моделирования установлено, что при иммобилизации нитропроизводного порфирина на ПВС полимерный клубок форми-

руется вокруг тетрапиррольного макрогетероцикла. Тогда, как в модели «ZnTPP-CHO - ПВС» порфирин выходит на поверхность клубка иммобилизата.

6. Исследование биологической активности водорастворимых иммобшшзатов ме-зо-арилпорфиринов показало, что полученные порфиринполимеры с мезо-нитрофенил-(3-формил-трифенилпорфирином и его медные (II), кобальтовые (II), никелевые (II) и цинковые (II) комплексы обладают антибактериальной активностью на бактериальных культурах E.coli, Candida albicans, Staphylococcus aureus, а также на дрожжевой культуре Candida Sp. Иммобилизаты с ^модифицированными порфири-нами не обладают биологической активностью в отношении исследуемых тест-культур. Наиболее ярко выражены антибактериальные свойства у иммобилизатов, содержащих цинковые (И) и кобальтовые (II) комплексы л/езо-нитрофенил-р-формил-трифенилпорфирина в присутствии ацетатов соответствующих металлов.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Ageeva, Т. A. Synthesis of cobalt (II), copper 01) forrailporphyrins and their covalent immobilization on polyvinyl alcohol in solutions / T.A. Ageeva, E.V. Alopina, E.V. Klein, E.A. Kolodina, O.I. Koifman // Journal of Porphyrins and Phthalocyanines. -2008. - V. 12. - № 3-6. - P. 436.

2. Алопина, E.B. Иммобилизация медного комплекса 2-формил-5,10,15,20-тетрафешипгорфирина на поливиниловый спирт / Е.В. Алошша, Т.А. Агеева, О.И. Койфман // Известия ВУЗов. Химия и химическая технология. -2011. - Т. 54. -№ 12. - С. 81-85.

3. Алопина, Е.В. Синтез и иммобилизация лезо-нитрофеиил-|1-формил-три-фенилпорфирин и его медного комплекса на поливиниловый спирт / Е.В. Алошша, Т.А. Агеева, А.В. Любимцев, О.Ю. Кузнецов, С.А. Сырбу, О.И. Койфман // Макрогетероциклы,-2012.-Т. 5(1). - С. 76-80.

4. Koifman, O.I. The Mechanism of Immobilization of Metal Porphyrinates and Plithalocyani-nates to the Surface of Polymer Substrates Using Reactive Magnetron Sputtered Thin Films / O.I. Koifman, B.L. Gorberg, T.A. Ageeva, V. V. Rybkin, A .A. Ivanov, E.V. Alopina, V.A. Titov // Book of abstracts «35th Inorganic Reaction Mechanisms Meeting». - Krakov. - Poland. - 2006. - P. 18.

5. Kolodina, E.A. The immobilization and investigation of photo physical properties of synthetic formylporphyrins on polyvinyl alcohol in solutions / E.A. Kolodina, S.A. Syrbu, T.A. Ageeva, E.V. Alopina, A.S. Semeykin, O.I. Koilinan // Abstr. of X international Conference on the Problems of Solvation and Complex Formation in Solutions. - Suzdal. - 2007. - P. 683.

6. Алошша, Е.В. Иммобилизация синтетических формилпорфиринов на поливиниловый спирт и образование порфиринполимерных пленок ш раствора / Е.В. Алошша, Е.В. Клейн, Е. А. Колодина, Т.А. Агеева, О.И. Койфман // Тез. докл. IV междунар. конф. молодых учёных «Современные проблемы науки о полимерах». - С-Петербург. - 2008. - С. 61.

7. Алошша, Е.В. Квантово-химическое исследование процесса иммобилизации комплексов формилпорфиринов с переходными металлами на поливиниловом спирте / Е.В. Алошша, Г.А. Журко, Т.А. Агеева, О.И. Койфман // Тез. докл. в сб. материалов IV школы-семшшра молодых ученых «Квантово-химические расчеты: структура и реакционная способность органических и неорганических молекул». - Иваново. - 2009. - С. 257-258.

8. Алошша, Е.В. Исследование механизма процесса иммобилизации синтетических формилпорфиринов на поливиниловом сппрте / Е.В. Алошша, Г.А. Журко, Т.А. Агеева, О.И. Койфман // 10 Международная конференция по физической и координационной химии порфиринов и их

15

аналогов (ICPC-10). - Иваново. - 2009. - С. 83.

9. Алошша, Е.В. Синтез и исследование процесса иммобилизации цинкового комплекса формилпорфирина на поливиниловом спирте / Е.В. Алошша, A.B. Любимцев, Г.А. Журко, Т.А. Агеева, О.И. Койфман // ХШ Междунар. научно-техн. конф. «Наукоемкие химические технологии -2010». - Суздаль. - 2010. - С. 368.

10. Алопина, Е.В. Синтез и исследование процесса иммобилизации безметального формилпорфирина на поливиниловом спирте / Е.В. Алошша, AB. Любимцев, Г.А. Журко, Т.А. Агеева // II Междунар. конф. «Техническая химия. От теории к практике». - Пермь. - 2010. -С. 48-50.

11. Алопина, Е.В. Синтез, иммобилизация п исследование механизма закрепления синтетических формилпорфирпнов на поливиниловом спирте / Е.В. Алопина, Е.В. Клейн, Е. А. Ко-лодина, A.B. Любимцев, Г.А. Журко, Т.А. Агеева, О.И. Койфман // Материалы VI Международной научно-практической конференции «Новые полимерные композиционные материалы». - Нальчик. - 2010. - С. 3-12.

12. Алошша, Е.В. Синтез .«езо-нитрофенил-р-формилпорфиринов и их комплексов с металла-Mi / Е.В. Алошша, A.B. Любимцев, Т.А. Агеева, О.И. Койфман // Сб. материалов XTV Молодежной конференции по органической химии. - Екатеринбург. - 2011. - С. 37-39.

13. Алошша, Е.В. Иммобилизация .иезо-нитрофенил-р-формилпорфирцна и его медного комплекса на поливиниловый спирт / Е.В. Алопина, A.B. Любимцев, Т.А. Агеева, О.И. Койфман // Тез. докл. XI Международная конференция по физической и координационной химии порфиринов и их аналогов (ICPC-11). - Одесса. - Украина. - 2011. - С. 39.

14. Алошша, Е.В. Исследование влияния среды на процесс иммобилизации порфириновых соединений на поливиниловый спирт / Е.В. Алопина, Т.А. Агеева, О.И. Койфман // Тез. докл. 7-я Санкт-Петербургская конференция молодых ученых «Современные проблемы науки о полимерах». - С-Петербург. - 2011. - С.55.

15. Алошша, Е.В. Моделирование комплекса поливинпловый спирт - Ni (П)-2-формил-4"-нитро-5,10,15,20-тетрафенилпорфирин / Е.В. Алошша, Т.А. Агеева, О.И. Койфман // Тез. докл. в сб. материалов Всероссийской научной конференции «Современные проблемы и инновационные перспективы развития химии высокомолекулярных соединений». - Уфа. - 2012. - С, 80.

16. Алопина, Е.В. Синтез и исследование антибактериальной активности нитропроизвод-ных порфирин-полимерных металло комплексов / Е.В. Алопина, Е.С. Агеева, Т.А. Агеева, О.Ю. Кузнецов, О.И. Койфман // Тез. докл. в сб. материалов Всероссийской конференции «Органический синтез: химия и технология». - Екатеринбург. - 2012. - У2.

17. Алопина, Е.В. Антибактериальная активность ншропроизводных порфиринполпмерных металлокомплексов / Е.В. Алошша, Е.С. Агеева, Т.А. Агеева, О.Ю. Кузнецов, О.И. Койфман // Тез. докл. в сб. материалов IX Международной молодежной научной школе «Химия порфиринов и родственных соединений».- Иваново - 2012. - С. 6-7.

18. Алошша, Е.В. Модификация ß-формилтетрафешшпорфиринов / Е.В. Алошша, Т.А. Агеева, О.И. Койфман // Тез. докл. в сб. материалов XVI Молодежной школы-конференции по органической химии. - Пятигорск. - 2013. - С. 32.

19. Алопина, Е.В. Иммобилизация бро.мпроизводпых ß-формилгетрафенилпорфиринов на поливиниловый спирт / Е.В. Алошша, Т.А. Агеева, О.Ю. Кузнецов, Е.С. Агеева, О.И. Койфман // Тез. докл. в сб. материалов Щ Международной научной конференции «Новые направления в химии гетероциклических соединений»,- Пятигорск - 2013. - С. 132.

Подписано в печать 12.11.2013. Формат 60x84 1/16. Бумага писчая. Усл.печ.л. 1,00. Уч.-иэд.л. 1,03. Тираж 80 экз. Заказ 3411 ФПБОУ ВПО Ивановский государственный химико-технологический университет Отпечатано на полиграфическом оборудовании кафедры экономики и финансов ФГБОУ ВПО «ИГХТУ» 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 7

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования Ивановский государственный химико-технологический университет

04201453625

На правах рукописи

9

J

АЛОПИНА ЕЛЕНА ВЛАДИМИРОВНА

СИНТЕЗ ВОДОРАСТВОРИМЫХ ИММОБИЛИЗАТОВ МЕТАЛЛО-ПОРФИРИНОВ И ИССЛЕДОВАНИЕ ИХ АНТИБАКТЕРИАЛЬНОЙ

АКТИВНОСТИ

02.00.06. - Высокомолекулярные соединения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук

Научный руководитель: кандидат химических наук, доцент Агеева Татьяна Арсеньевна

Иваново - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

1 2 3

стр

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................................................................6

Глава 1. Литературный обзор 11

1 • 1 • Порфиринполимеры....................................................................................................................................11

1.1.. Классификация порфиринполимеров. Получение......................................................12

1.1.2 Ковалентная иммобилизация порфиринов на полимеры....................................15

1.2. Модификация тетрафенилпорфиринов................................................................................21

1.2.1 Мезо-замещенные р-формил-порфирины............................................................................21

1.2.2 Нитропроизводные .мезо-тетрафенилпорфирина..........................................................23

1.2.3 Синтез металлокомплексов порфиринов............................................................................25

1.3. Полимеры-носители в иммобилизации .мезо-арилпорфиринов....................27

1.3. Поливиниловый спирт в качестве полимера-носителя. Применение... 29

1.4. Растворимость и реологические свойства разбавленных водных растворов порфиринполимеров............................................................................................................34

1.4.1 Растворимость л^езо-арилпорфиринов и порфиринполимеров......................34

1.4.2 Реологические свойства разбавленных водных растворов порфиринполимеров ..........................................................................................................................................................37

1.4.3 Влияние природы растворителя на процесс закрепления порфирина наПВС..................................................................................................................................................................42

1.4.4 Бинарные растворители в процессе ковалентной иммобилизации ме-зо-арилпорфиринов на полимер..................................................................................................43

1.5. Антибактериальное воздействие бактерицидных материлов..................................44

I 6 Применение порфиринполимеров................................................................................................47

1 2 3

Глава 2. Экспериментально-методическая часть 52

2.1. Объекты исследования............................................................................................................................52

2.2. Методы анализа полученных соединений..........................................................................56

2.2.1 Спектроскопия видимой и УФ области................................................................................56

2.2.2 ИК-спектроскопия......................................................................................................................................57

2.2.3 ЯМР-спектроскопия..................................................................................................................................58

2.2.4 Элементный анализ..................................................................................................................................58

2.3. Методика получения водорастворимых порфиринполимеров..........................59

2-4- Определение вязкости порфиринполимеров....................................................................60

Квантово-химические исследования........................................................................................63

2.5.1 Оптимизациял/езо-арилпорфиринов........................................................................................63

2.5.2 Сканирование поверхности потенциальной энергии реакции........................65

2.5.3 Компьютерное моделирование порфиринполимеров..............................................66

2.6. Методы определения антибактериальной активности............................................67

Глава 3. Результаты и обсуждение 71

3 1

' ' Модификация тиезо-тетрафенилпорфиринов и их металлокомплексов.... 71

3.2. Иммобилизация полученных лгезо-арилпорфиринов на ПВС..........................74

3.2.1 Оптимизация условий ковалентного закрепления формилпроизводно-

го тетрафенилпорфирина на ПВС................................................................................................78

3.3. Синтез металлокомплексов порфиринполимеров........................................................82

3.4. Определение молекулярной массы полученных порфиринполимеров и реологические свойства разбавленных водных растворов иммоби-

лизатов..................................................................................................................................................................84

и н I

1 2 3

3.5. Квантово-химичесие исследования..........................................................................................91

3.5.1 Теоретическое исследование строения .мезо-арилпорфиринов....................91

3.5.2 Исследование механизма реакции ацеталирования....................................................100

3.5.3 Моделирование системы «Порфирин-ПВС»..................................................................103

3.6. Обсуждение результатов первичной оценки биологической активно-

сти водорастворимых порфиринполимеров..............................................................104

Основные результаты и выводы 111

Спсок цитируемой литературы 112

Багодарности 129

4

II

> тшшт

СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ

Н2ТРР

СиТРР

СоТРР

гптрр

Н2ТРР-СНО

СиТРР-СНО

СоТРР-СНО

гптрр-сно

№ТРР-СНО

Н2ТРР-СНО

(рЬепу1-Ш2)

СиТРР-СНО

(рЬепу1-К02)

СоТРР-СНО

(рИепуШОг)

гптрр-сно

(рЬепу1-Ш2)

МТРР-СНО

(рЬепу1-И02)

МР

МТРР

ДМФА

ДМСО

ИК

мм

ММР

мси

ПАП

ПВС

ПВА

ВА

ПП

ЭСП

ЯМР

ППЭ

тетрафенилпорфирин

медный комплекс (II) тетрафенилпорфирина кобальтовый комплекс (II) тетрафенилпорфирина цинковый комплекс (II) тетрафенилпорфирина 2-формил-5,10,15,20-тетрафенилпорфирин медный комплекс (II) 2-формил-5,10,15,20-тетрафенилпорфирина

кобальтовый комплекс (II) 2-формил-5,10,15,20-тетрафенилпорфирина

цинковый комплекс (II) 2-формил-5,10,15,20-тетрафенилпорфирина

никелевый (И) комплекс 2-формил-5Д0,15,20

тетрафенилпорфирина

2-формил, 10( 15)-(4'-нитрофенил)-5,15 (10),20-

трифенилпорфирин

медный комплекс (II) 2-формилД0(15)-(4'-нитрофенил) 5,15(10),20-трифенилпорфирин

кобальтовый комплекс (II) 2-формил, 10(15)-(4' нитрофенил)-5,15(10),20-трифенилпорфирин цинковый комплекс (II) 2-формил, 10(15)-(4' нитрофенил)-5,15(10),20-трифенилпорфирин никелевый комплекс (II) 2-формил, 10(15)-(4' нитрофенил)-5,15(10),20-трифенилпорфирин металлопорфирин

металлокомплекс тетрафенилпорфина

диметилформамид

диметилсульфоксид

инфракрасный

молекулярная масса

среднемассовая молекулярная масса

молекулярно массовое распределение

мольная степень иммобилизации

полимераналогичные превращения

поливиниловый спирт

поливинил ацетат

винилацетат

порфиринполимер

электронный спектр поглощения

ядерный магнитный резонанс

поверхность потенциальной энергии

ВВЕДЕНИЕ

Порфирины, иммобилизованные на различные полимерные носители, которые принято называть порфиринполимерными иммобилизатами, находят применение для решения целого ряда проблем в биотехнологии, технике, медицине [1, 2]. Фундаментальный и прикладной интерес к порфиринсодержа-щим полимерам связан с широкими возможностями синтеза молекулярных структур, обладающих специфическими свойствами, легко контролируемыми и изменяемыми в соответствии с областью их использования [3]. В настоящее время одними из перспективных областей применения иммобилиза-тов порфиринов и их металлокомплексов являются медицина и фармакология. Интенсивно развиваются исследования порфиринполимерных иммоби-лизатов для диагностики и лечения онкологических заболеваний, обеззараживания крови и ее компонентов от патогенных вирусов [3, 4-9].

Помимо выше сказанного, в последнее время соединения из класса порфиринов и хлоринов, такие как протопорфирин, хлорофиллин натрия, комплексы хлорофиллина с аминокислотами и другие активно исследуются как потенциальные радиопротекторы и соединения, обладающие пострадиационным воздействием. Установлено так же лечебное действие различных порфиринов и их металлокомплексов при лучевом поражении организма. При этом показано, что эффективность радиозащитного и пострадиационного воздействия порфиринов существенно зависит от наличия в молекуле того или иного металла и полимерного окружения [10].

Актуальность темы. Благодаря своей уникальной химической природе порфирины и их аналоги находят применение во множестве областей науки и техники. Среди синтетических порфиринов одним из наиболее доступных остается .мезо-тетрафенилпорфирин (Н2ТРР) и его функциональные замещенные, металлокомплексы которых применяются как основные компоненты функциональных материалов, используемых в катализе, экстракции, качественном и количественном анализе, нелинейной оптике, молекулярном дизайне и медицине. Известно, что порфирины и их аналоги являются актив-

6

ными и биологически совместимыми фотосенсибилизаторами, генерирующими при освещении синглетный кислород, который активно окисляет субстрат опухолевых тканей.

Однако Н2ТРР и его металлокомплексы не растворимы в воде, что практически не позволяет реализовать их в качестве перспективных фармацевтических препаратов. Постадийный синтез стабильных порфиринполимеров, которые принято называть иммобилизатами, обычно заключается в предварительной модификации порфиринов с введением функциональных групп, способных взаимодействовать с полимерной матрицей и последующей их иммобилизацией с образованием ковалентных связей с полимером-носителем. В связи с этим представляется актуальной задача создания новых функциональных материалов на основе порфиринов с целью повышения их биосовместимости, придания антимикробных и сорбционных свойств, водо-растворимости, а также фотостабильности порфиринам.

В настоящее время вопрос об исследовании антимикробных свойств новых материалов на основе порфиринов остается актуальным, особенно благодаря появлению сведений о том, что введенные в организм синтетические порфирины могут распозноваться бактериями и включаться, вместо природных, в обмен веществ бактериальных клеток. Поскольку синтетические порфирины отличаются по строению от природных, такое включение может привести к нарушению процессов жизнедеятельности микроорганизмов и их дальнейшей гибели.

Таким образом, целью настоящей работы является направленный синтез водорастворимых порфиринполимеров, содержащих в качестве исходных структурных элементов металлокомплексы лшзо-арилпорфиринов, и исследование их физико-химических и биологических свойств.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

^ оптимизация метода формилирования металлокомплексов мезо-тетрафенилпорфиринов по условиям реакции и составу реагентов;

7 ' » , „ \

•S синтез НгТРР-СНО и его медного (II), кобальтового (II), никелевого (И) и цинкового (II) комплексов, как исходных структурных единиц для получения водорастворимых 1111;

•S квантово-химическое и экспериментальное изучение процесса иммобилизации .мезоарилпорфиринов на водорастворимом полимерном носителе: ПВС;

S синтез Н2ТРР-СНО (phenyl-N02) и его медных (II), кобальтовых (II), никелевых (II) и цинковых (II) комплексов и их иммобилизация на ПВС;

исследование реологических свойств разбавленных водных растворов полученных ПП;

•S первичное исследование биологической активности полученных им-мобилизатов, определение их антибактериальной активности на бактериальных культурах E.coli, Staphylococcus aureus и Candida albicans, а также дрожжевой культуры Candida sp.

Исследование проводилось с использованием методов электронной абсорбционной, ИК- и ЯМР - спектроскопии, а также элементного анализа, вискозиметрии, биологических и квантово-химических методов.

Научная новизна. С целью получения водорастворимых порфиринпо-лимеров заданного состава исследован и оптимизирован процесс ковалент-ной иммобилизации .мезо-арилпорфиринов на ПВС.

Исследованы реологические свойства разбавленных водных растворов полученных иммобилизатов. Показано, что с ростом количества порфирина в им-мобилизате увеличивается размер макромолекулярного клубка, но при этом структура введённого иммобилизованного порфирина не влияет на характер взаимодействия полимера с растворителем.

С целью получения материалов, обладающих значительной антибактериальной активностью, синтезированы новые водорастворимые ПП, содержащие H2TPP-CH0(phenyl-N02) и его медные (II), кобальтовые (II), никелевые (II), и цинковые (II) комплексы.

Сравнительное изучение антибактериальных свойств полученных иммо-билизатов показало, что металокомплексы ПП в присутствии соответствующих ацетатов металлов (10"4 - 10'6 моль/л) обладают более выраженной антибактериальной активностью в отношении исследуемых культур. Исследования водных растворов, содержащих только ПВС, только ацетат цинка или ацетат никеля или ацетат кобальта, только ПВС с ацетатом металла показали, что никакого эффекта не наблюдается ни для одной из перечисленных тест-культур бактерий.

Практическая значимость. Предложенный способ модификации мезо-тетрафенилпорфирина с последующей иммобилизацией его на полимерах-носителях может служить одним из путей получения физиологически активных полимеров на основе порфиринов, в том числе антибактериального действия, включающих в свой состав составляющие фрагменты, каждый из которых придает порфиринполимеру определенные свойства (растворимость, биологическая активность и т.д.) в гомогенных условиях. Исследования антимикробной активности полученных порфиринполимеров открывают перспективы использования данных соединений в качестве терапевтических средств с антибактериальным действием широкого спектра действия.

Апробация работы. Основные результаты исследований были представлены на конференциях 35th Inorganic Reaction Mechanisms Meeting (IRMM-35) (Krakov, Poland, 2006), X International Conference on the Problems of Solvation and Complex Formation in Solutions (Suzdal, 2007), IV и VII Международных конференциях молодых учёных «Современные проблемы науки о полимерах» (С-Петербург, 2008, 2011), IV школы-семинара молодых ученых «Квантово-химические расчеты: структура и реакционная способность органических и неорганических молекул» (Иваново, 2009), X и XI Международных конференциях по физической и координационной химии порфиринов и их аналогов (ICPC-10, ICPC-11) (Иваново, 2009; Одесса, Украина 2011), XIII Международной научно-технической конференции «Наукоемкие химические технологии-

2010» (Суздаль, 2010), II Международной конференции «Техническая химия.

9 • • . 1 - .

„ , Т. ' 1 Г I , > ' t *

От теории к практике» (Пермь, 2010), VI Международной научно-практической конференции «Новые полимерные композиционные материалы» (Нальчик, 2010), XIV Молодежной конференции по органической химии (Екатеринбург, 2011), Всероссийской научной конференции «Современные проблемы и инновационные перспективы развития химии высокомолекулярных соединений» (Уфа, 2012), Всероссийской научной конференции «Органический синтез: химия и технология» (Екатеринбург, 2012), IX Международной молодежной научной школе «Химия порфиринов и родственных соединений» (Иваново, 2012), XVI Молодежной школы-конференции по органической химии (Пятигорск, 2013), III Международной научной конференции «Новые направления в химии гетероциклических соединений» (Пятигорск, 2013).

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 1.1 Порфиринполимеры

Порфиринполимеры представляют собой супрамолекулярные функциональные системы, специфические свойства которых определяются, прежде всего, природой и особенностями макрогетероциклического соединения, включенного тем или иным образом в эту систему. Одними из наиболее важных макрогете-роциклических соединений являются порфи-рины. Порфирины, относящиеся к многочисленным циклическим ароматическим полиаминам, содержат многоконтурную сопряжённую систему, в основе которой лежит 16-членный макроцикл с замкнутой сопряжённой системой, включающей 4-8 атомов азота. Характерной особенностью порфиринов является их разнообразие как следствие замещения атомов водорода в пиррольных кольцах, в мезо-положении на электроно- и про-тонодонорные, электроно- и протоноакцепторные группы [4]. Порфирины и их аналоги, благодаря своей многоконтурной ароматической структуре (рис. 1.1), характерным электронным спектрам, способности образовывать сверхпрочные внутрикомплексные соединения практически со всеми металлами периодической системы и способности к экстракоординации находят все большее применение в качестве катализаторов, фотосенсибилизаторов, органических полупроводников, сенсоров и т.д. Однако, большая часть этих соединений нерастворима в воде. В то же время все природные металлоком-плексы порфиринов осуществляют свои биологически важные функции в водных средах. Закрепление порфирина на полимере - носителе дает ряд преимуществ, которые отсутствуют при применении несвязанных порфиринов. К ним можно отнести кооперативные взаимодействия в полимерных цепях, разделение активных центров, возможность специфического связывания

«, ) П , - ,1 и / 1 '

Рис. 1.1. Порфирин, где (3-положение Я=Н, СНО, СН2=СН2, и тиезо-положение Я =Н, С6Нб, М=все координационно ненасыщенные металлы.

различных субстратов на активных центрах, повышение стабильности тетра-пиррольного пигмента, снижение его токсичности по отношению к биологическим средам [3]. Основными причинами модификаци