Влияние межмолекулярных взаимодействий на спектральные и фотохимические свойства производных тетраазахлорина тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ
|
Ластовой, Антон Павлович
АВТОР
|
||||
|
кандидата химических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Москва
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2014
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
02.00.04
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
На правах рукописи Ластовой Антон Павлович
Влияние межмолекулярных взаимодействий на спектральные и фотохимические свойства производных тетраазахлорина
02.00.04 - Физическая химия
АВТОРЕФЕРАТ
диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук
Москва - 2014
005548ОЗ*
1 5 МАП 2014
005548034
Работа выполнена на кафедре технологии химико-фармацевтических и косметических средств (ТХФиКС) Российского химико-технологического университета имени Д.И. Менделеева и в лаборатории 10 ФГУП «ГНЦ «НИОПИК».
Научный руководитель: доктор химических наук, профессор
Авраменко Григорий Владимирович, заведующий кафедрой ТХФиКС Российского химико-технологического университета имени Д.И. Менделеева
Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор
Шапиро Борис Исаакович, ведущий научный сотрудник кафедры физической химии Московского государственного университета тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова
кандидат химических наук, доцент Тифлова Людмила Александровна, доцент кафедры физической химии химического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова
Ведущая организация: Ивановский государственный химико-
технологический университет
Защита состоится 17 июня 2014 года в заседании диссертационного совета
Д 212.204.11 при РХТУ им. Д. И. Менделеева (125047 г. Москва, Миусская пл., д. 9) в 443 ауд. (конференц-зал).
С диссертацией можно ознакомиться в Информационно-библиотечном центре РХТУ им. Д.И. Менделеева.
Автореферат диссертации разослан « £$~у> апреля 2014 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.204.11
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. В настоящее время большое внимание уделяется исследованию агрегации порфиринов, иммобилизованных в различных матрицах, например, пленках высокомолекулярных соединений и водных растворах поверхностно-активных веществ (ПАВ). В то же время, в большинстве литературных источников не рассматривается межмолекулярное взаимодействие этих матриц и порфиринов, которое играет большую роль в их агрегации. Исследование причин агрегации и способов ее предотвращения позволяет расширить границы применения порфиринов и их аналогов, а также разработать теоретическую базу для проектирования на их основе супра-молекулярных систем с заданными спектральными и фотохимическими свойствами.
Объектом исследования в настоящей работе является ряд представителей нового класса порфиразинов с ^-гибридными ^-положениями одного из пиррольных фрагментов тетрапиррольного макроцикла - тетраазахлоринов (TAC). Физико-химические свойства данного класса функциональных красителей мало изучены и представляют большой интерес для раскрытия потенциала их применения в медицине и технике. Уникальные спектральные свойства, а именно наличие полос с высоким молярным коэффициентом поглощения на границе видимой и ближней инфракрасной области спектра, где собственное поглощение биологических тканей минимально (700-800 нм, «терапевтическое окно»), открывают перспективы применения TAC в фотодинамической терапии (ФДТ).
Цель работы заключалась в выяснении влияния межмолекулярных взаимодействий на спектрально-люминесцентные, фотохимические, кислотно-основные и окислительно-восстановительные свойства ряда водонерастворимых замещенных TAC, а также установлении общих причин, приводящих к их агрегации в различных системах, в частности в бинарных смесях полярных растворителей и мицеллярных растворах неионогенных ПАВ (НПАВ). Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
• выявить влияние среды и структуры молекул TAC на их склонность к агрегации;
• установить причины агрегации TAC, солюбилизированных в мицеллах НПАВ;
• выяснить влияние агрегации на спектрально-люминесцентные, фотохимические характеристики и кислотно-основные свойства TAC;
• определить закономерности окислительной деструкции мономеров и агрегатов TAC;
• разработать простой способ солюбилизации водонерастворимых замещенных TAC в растворах неионогенных ПАВ для проверки их фотодинамической активности;
• оценить влияние степени агрегации TAC на их фотодинамическую активность;
• выявить наиболее перспективные сенсибилизаторы из исследуемого ряда и предложить рекомендации по их практическому применению.
Научная новизна. Впервые исследованы фотохимические и кислотно-основные свойства, а также склонность к окислительной деструкции мономеров и агрегатов ряда конденсированных замещенных TAC, синтезированных в ФГУП «ГНЦ «НИОПИК». Изучены спектральные свойства их агрегатов в бинарных смесях растворителей, растворах НПАВ и кристаллическом состоянии. Предложены способы оценки мономерности, фотохимических характеристик и молярного коэффициента поглощения димеров TAC в растворах НПАВ. Представлен ряд новых методов солюбилизации водонерастворимых пор-фиринов. Установлены общие причины, приводящие к агрегации TAC в растворах НПАВ.
Практическая значимость. Полученные в работе результаты позволяют в перспективе разработать метод управляемой агрегации для создания препаратов для фототермальной сенсибилизации с использованием в качестве фотосенсибилизаторов (ФС) TAC и других порфириноподобных соединений или же получать растворы с высоким содержанием мономерной формы для применения в ФДТ. Показано, что изучение спектрально-люминесцентных свойств гидрофобных ФС, солюбилизированных в растворах НПАВ, позволяет прогнозировать их фотодинамическую активность и перейти от in vitro и in vivo скрининга к целенаправленному исследованию только предположительно эффективных композиций гидрофобных ФС. Используя один из методов солюбилизации, рассмотренных в работе, приготовлены композиции диамидного производного хлорина ее и тетра-3-пиридилбактериохлорина в растворе НПАВ, которые показали высокий фотодинамический эффект. Полученные в работе данные об устойчивости к окислению некоторых TAC открывают перспективы использования их для катализа и фотокатализа.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на научно-практической конференции «Новые химико-фармацевтические технологии» (Москва, 2012); VIIÍ и IX Международном конгрессе молодых ученых по химии и химической технологии (Москва, 2012, 2013); первой Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Проблемы разработки новых лекарственных средств» (Москва, 2013); первой Российской конференции по медицинской химии с международным участием (Москва, 2013).
Публикации результатов. По теме диссертации опубликованы 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК, 2 статьи в сборнике «Успехи в химии и химической технологии» и тезисы 3 докладов на различных конференциях. На основе материалов работы поданы 2 заявки на получение патентов РФ.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 150 страницах машинописного текста и состоит из введения, литературного обзора, экспериментальной части, обсуждения полученных результатов, выводов и списка литературы, включающего 160 наименований; содержит 11 таблиц, 56 рисунков.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы основная цель и задачи, научная новизна и практическая значимость.
В первой главе представлен обзор литературных данных. Рассматриваются причины агрегации порфиринов и их аналогов, а также способы ее предотвращения путем введения периферических и аксиальных заместителей в макроцикл или добавлением диспергаторов. Приводится подробное объяснение влияния агрегации на спектрально-люминесцентные и фотохимические свойства порфириноподобных соединений с точки зрения теории молекулярных экситонов. Обсуждаются перспективы применения мономерных и агрегированных форм аналогов порфиринов в медицине и технике.
Во второй главе приведены характеристики исследуемых TAC1, солюбилизаторов и других реагентов. Объектами исследования является ряд РДР'.Р -тетраметилпроизводных TAC (рис. 1): -трибензотетраазахлорин (ШТВТАС); -три(4-трет-бутилбензо)гетраазахлорин (ШТВТАС); -три(3-фенилсульфанилбензо)тетраазахлорин (H2(3PhS)3TBTAQ; -триП,2-нафто)тетраазахлорин (H2-l,2-NfTAC); -7,8,12,13,17,18-гексафенилтетраазахлорин (HzTACPhe).
Электронные спектры поглощения (ЭСП) регистрировали на спектрофотометре Hewlett Packard HP 8453, спектры флуоресценции - на спектрофлуориметре Caiy Eclipse (Varían). Гидродинамические радиусы молекулярных ансамблей (далее для краткости - мицелл) НПАВ определяли методом фотонной корреляционной спектроскопии (ФКС) на спектрометре
' Автор выражает благодарность сотрудникам лаб. 3-1 ФГУП «ГНЦ «НИОПИК»: вед. н. е., к. х. н. Макаровой Е.А. и н. е., к. х. н. Дудкину C.B. за предоставленные образцы TAC; зав. лаб., д. х. н., проф. Лукьянцу Е.А. за помощь в организации исследований и полезную дискуссию.
Photocor Complex, оснащенном Не-Ые-лазером (632,8 нм). Фотохимические исследования проводили на лабораторной установке со светодиодным источником излучения (LED) с максимумом полосы излучения 754 нм и полушириной -28 нм, мощность которого варьировалась.
Н2ТВТАС Н2ТВ'ТАС H2-l,2-NfTAC H2(3PhS)3TBTAC
Рис. 1 — Струюурные формулы исследуемых TAC.
Описаны методики определения спектральных, фотохимических, кислотно-основных свойств и биологической активности исследуемых систем и их склонности к окислительной деструкции. Предложены различные способы солюбилизации TAC в растворах НПАВ.
В третьей главе изложены результаты исследования и проводится их обсуждение.
Изучение специфической сольватации TAC в смесях растворителей
TAC обладают хорошей растворимостью в таких неполярных растворителях, как бензол, толуол, хлорбензол, пиридин, хлорметаны, ТГФ, что обусловлено наличием в их молекуле двух пар геминальных метальных заместителей в /i-положениях, что существенно затрудняет ^-^-взаимодействие между макроциклами TAC, и ограниченной растворимостью в ДМСО, спиртах, ацетонитриле и алифатических углеводородах. Все TAC в бензоле находятся в форме мономера в широком интервале концентраций (до 5,65 -10"5 М для Ih-l ,2-NfTAC, до 1,15 -10"4 М для других TAC).
В электронных спектрах поглощения (ЭСП) TAC в бензоле (рис. 2а) отмечается присутствие нескольких интенсивных полос, обусловленных ж-к переходами. Длинноволновая g-полоса представлена в виде дублета (Qi с колебательными спутниками в области 700-800 нм ñQja области 550-650 нм), что связано с несимметричностью молекулы тетраазахлорина, вызванной гидрированием одного из пиррольных фрагментов. При переходе к бинарным растворителям ДМССНСгШОНн-НгО форма ЭСП TAC меняется (рис. 26). Наблюдаемые изменения характерны для процесса образования //-агрегатов (face-to-face). В смеси ДМСО-НгО для H2(3PhS)3TBTAC и для всех TAC в смеси протонодонор-ных растворителей С2Н5ОН—НгО с увеличением объемной доли воды максимум длинно-
волновой компоненты (^-полосы батохромно сдвигается на величину до 11 нм относительно полосы Q, в спектре TAC в ДМСО или С2Ы5ОН (табл. 1), что говорит о специфической сольватации при агрегации TAC с образованием слабой водородной связи с .мезо-
атомами азота и третичными атомами азота координационного центра.
Н,ТВТАС
Н2тв'ТАС
H,(3PhS),TBTAC
Hrl,2-NfTAC
H,TACPh,
500 600 700 Длина волны (нм)
¡S
0
1
с
| 0,20 й 0.15
О 0-05
- Н,ТВТАС Н2ТВ'ТАС H,(3PhS)sTBTAC ■ Нг-1,2-NfTAC H,TACPh,
500 600 700 Длина волны (нм)
Рис. 2 - ЭСП мономеров TAC в СбНб (а) и их агрегатов в бинарных смесях ДМС0(СгН50Н>-Н20 (б).
Таблица 1.
Спектральные характеристики полосы Qj TAC в смесях растворителей.
Соединение Состав бинарной смеси ДМСО-НгО Ámax, нм е,шх, М-1 см-1 Состав бинарной смеси с2н5он-н2о Атах, нм Етах, M'' -СМ"1
НгТВТАС 5:0 747 - 5:0 743 -
3:2 746 - 1:4 753 -
НгТВТАС 5:0 753 80400 5:0 750 122300
4:1 755 17600 3:2 753 30400
H2(3PhS)3TBTAC 5:0 782 75000 5:0 779 18400
3:2 791 25100 3:2 790 4300
H2-l,2-NfTAC 5:0 765 69700 5:0 760 -
4:1 764 12300 3:2 - _
HzTACPhfi 5:0 723 50900 5:0 739 _
1:4 721 16100 3:2 740 -
Изучение изменения количества мономера НгТВТАС в бензоле при добавлении метанола и ацетонитрила (рис. 3) показало, что НгТВТАС формирует равновесные системы смешанного состава (мономер, димер, агрегаты высокого порядка). Область значений диэлектрической проницаемости от 10 до 22 для бинарной смеси СбНб-СНзОН и от 10 до 28 для СбНб-СНзСЫ соответствует области существования димера; при более высоких значениях НгТВТАС находится преимущественно в форме/асе-Ю-/асе агрегата высокого порядка. При одинаковой диэлектрической проницаемости НгТВТ АС
имеет более высокую степень агрегации в смесях с протонодонорным метанолом.
Кислотно-основные свойства мономеров и агрегатов TAC
Спектрофотометрическое титрование растворов мономерной формы TAC в бензоле трифторуксусной кислотой приводит к образованию монопротонирован-ной формы (табл. 2). Результаты протони-рования NiTBTAC свидетельствуют о локализация протона при монопротонировании по мезо-атому азота.
Таблица 2.
Изменение спектральных характеристик полосы Qi при образовании первой протони-рованной формы TAC и константы монопротонирования.
Л-max £max AVmax A^niax Коэф-т
Соединение (TAC), (TAC), (TACH+), (TACH+), n lg Ь корреля-
нм М-'-см"1 CM"1 M-W ции
НзТВТАС 748 152900 -466 -70500 2,66 4,45 0,9997
НгТВ'ТАС 754 132000 459 -58200 2,38 4,77 0,9995
H2(3PhS)3TBTAC 782 131600 -869 -53100 2,57 4,04 0,9977
H2-l,2-NfTAC 767 178400 -662 -56800 2,52 3,40 0,9997
H2TACPh6 727 105200 -475 -39500 3,27 3,68 0,9989
Сравнение констант протонирования позволило расположить TAC в ряд по уменьшению основных свойств: НгТВ'ТАС > ШТВТАС > H2(3PhS)3TBTAC > H2TACPhe> Нг-1,2-NfTAC. Количество присоединенных молекул кислоты п равное 2 означает, что протониро-ванный комплекс стабилизируется за счет гомосопряжения аниона CF3COO" с молекулой CF3COOH и образования комплексного аниона. Дробное же значение п свидетельствует, по-видимому, о побочных реакциях, протекающих с участием СТзСООН, что связано с деструкцией TAC при протонировании и наиболее заметно для НгТАСРИб, где значение п > 3.
При использовании в качестве растворителя и протежирующего агента концентрированной H2SO4 была получена четвертая протонированная форма TAC (рис. 4). Для Hi(3PhS)3TBTAC, H2-1,2-NÍTAC и НгТАСРЬб наблюдается агрегация их четвертой
Рис. 3 - Зависимость относительной концентрации мономера от диэлектрической проницаемости бинарного растворителя.
-Н,ТВТАС
----HjTB'TAC
НДЗРйв^ТВТАС
------H2-l,2-NfTAC
------- H,TACPh.
300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 Длина волны (нм)
Рис. 4 - ЭСП TAC в концентрированной H2SO4.
—752 нм
1,0-
0,9-
л 0,8-
^344 нм 724 hn N,
С 0,5- / 1 .,345 нм
1 0,4- О "0,3-s È0,2-О 0,1 - / ÍS-350HM 609 нм 694нм.: 599 нм\, \
0,0-
г
300 400 500 600 700 800 Длина волны (нм)
Рис. 5 - ЭСП депротонированных фор« HiTB'TAC.
протонированной формы. Батохромный сдвиг полосы Q¡ H2(3PhS)3TBTAC более чем на 200 нм при тетрапротонировании связан, по-видимому, с дополнительным протонированием S-атома фенилтиофраг-мента. Все TAC оказались чрезвычайно нестабильными в концентрированной H2SO4.
При титровании раствором Н+[А1Вг4]" в C6H5NO2 для ряда TAC идентифицированы вторая и третья протежированные формы, причем для Н2(3PhS)3TBTAC и H2-l,2-NfTAC детектировали только их агрегаты. НгТАСРЬб при взаимодействии с Н+[А]Вг4]" подвергается чрезвычайно быстрой деструкции.
Взаимодействие TAC с неорганическими (NaOH/KOH) и органическими (тетрабутиламмония гидроксид) основаниями приводит к образованию дианионов
(рис. 5). Кроме того, при депротонировании были зарегистрированы спектры, отличающиеся расщеплением полосы Q¡ на две компоненты при сохранении формы полосы Q2 (рис. 5), что, вероятно, соответствует переходу моноаниона в дианион.
Взаимодействие агрегатов TAC в системе бинарных растворителей ДМСО-НгО с NaOH/KOH во всех случаях, за исключением НгТАСРЬб, приводит к образованию дианиона мономерной формы. Изучение взаимодействия агрегатов TAC, полученных в бинарных смесях ДМСО-Н2О и С2Н5ОН-Н2О, с J I2SO4 показало их низкую склонность к протонированию, что обусловлено плотной упаковкой молекул TAC. Агрегация TAC, солюбилизированных в растворах НПАВ Сравнение способов солюбилизации TAC в НПАВ на примере Cremophor EL (CrEL) проводилось посредством оценки мономерности и степени солюбилизации. Мономерность оценивалась путем сравнения молярного коэффициента поглощения (е) TAC в максимуме полосы Q¡ в бензоле и растворе НПАВ или по данным флуоресцентных измерений.
При приготовлении растворов по методу «в расплаве» TAC растворялись в расплаве НПАВ, который затем гидратировался. В этом случае на степень мономерности и со-любилизации основное влияние оказывает температура расплава (оптимально 65-70°С). При солюбилизации по методу «в пленке» TAC и НПАВ растворялись в органическом растворителе (бензол, толуол), который затем выпаривался, а образовавшаяся пленка гидратировалась. Использование данного метода привело к увеличению степени солюбилизации TAC до 100% во всех случаях и молярного коэффициента поглощения в максимуме полосы Qi в 1,1-2,1 раза по сравнению с результатами, полученными «в расплаве» (табл. 3). Важной особенностью метода «в пленке» является то, что
на стадии приготовления растворов TAC находятся в мономерном состоянии.
Таблица 3.
Сравнение способов солюбилизации 1,12 -10"4 М TAC в 4% CrEL.
Соединение EirnxQj В бензоле, М-'см'1 «В расплаве» CrEL «В пленке» CrEL
£max Ql , М"1' СМ"1 Степень солюбилизации, % гтах^.М-'-см"1
НгТВТАС 152900 71180 73,3 96550
НгТВ'ТАС 132000 79220 100 115530
H2(3PhS)3TBTAC 131600 81780 100 91480
H2-l,2-NfTAC 178400 42480 68,4 44330
НгТАСРИв 105200 41810 53,1 88970
Форма ЭСП всех TAC, кроме H2-l,2-NfTAC, в растворе 4% CrEL обладает практиче-
ски полным сходством с формой спектров мономеров данных TAC в бензоле. Отмечается незначительное уширение основания полосы Qi (особенно заметно для НгТВТАС на рис. 6а), что связано с частичной агрегацией этих TAC, которая подтверждается меньшей ин-
тенсивностью флуоресценции TAC в CrEL по сравнению растворами в бензоле (рис. 66).
Рис. 6 - ЭСТТ (а) и спектры флуоресценции (б) НгТВТАС в 4%-ных растворах различных НПАВ
В ЭШ TAC, солюбилизированных в растворах 4% Эмуксола 3 (ЕшиЗ), наблюдается уншрение основания полосы Q¡, размытие ее колебательных спутников и существенное уменьшение интенсивности. H2-l,2-NfTAC во всех рассматриваемых растворах НПАВ сильно агрегирован.
Форма ЭСП всех TAC в 4% Pluronic F-68 (P1F68), а также практически полное отсутствие флуоресценции свидетельствует об образовании face-to-face агрегатов. В ЭСП агрегата H2TACPh6 в PIF68 наблюдается заметный гипсохромный сдвиг максимумов всех полос поглощения относительно спектра мономера в бензоле. Агрегация H2-l,2-NfTAC и НгТВТАС (рис. 6а) сопровождается появлением новой полосы при 824 и 802 нм, соответственно, что объясняется увеличением плотности упаковки макроциклов и переходом в состояние, близкое к кристаллическому, и описывается с точки зрения теории СГ-экситона Спектры face-to-face агрегатов в целом аналогичны спектрам, полученным в смесях растворителей (рис. 16).
Спектры TAC в конденсированном состоянии, полученные путем кристаллизации из толуола и гептана на пластинке КВг, имеют форму, характерную для face-to-face агрегатов высокого порядка в бинарных смесях растворителей или растворах P1F68, что подтверждает предположение о переходе TAC в кристаллическое состояние при агрегации в этих средах. Отсутствие объемистых периферических заместителей в НгТВТАС и H2-l,2-NfTAC вызывает некоторые различия в спектрах при кристаллизации из гептана и толуола, что может быть связано с полиморфизмом полученных кристаллов.
Исследование спектральных свойств НгТВТАС (5,74-Ю"5 М), солюбилизированного в 0,04 М растворах различных НПАВ, показало влияние структуры НПАВ на процесс агрегации. Было отмечено, что чем длиннее неполярный фрагмент молекулы НПАВ и чем больше объем гидрофобного ядра (например, у CrEL), тем лучшей способностью к мономеризации солюбилизата он обладает. Попарное сравнение НПАВ с одинаковой структурой, но разным гидрофильно-липофильным балансом (ГЛБ), выявило отсутствие корреляции степени агрегации НгТВТАС с численным значением ГЛБ. НгТВТАС в растворах P1F68 (ГЛБ 29), Pluronic РЕ6400 (PIPE6400, ГЛБ 13,4) и Lutrol F127 (LuF127, ГЛБ 18-23) имеет абсолютно одинаковые ЭСП, соответствующие спектрам агрегата. При сравнении спектров НгТВТАС в НПАВ с одинаковым ГЛБ, но разной структурой (Lutensol ХР80 и AOll, ГЛБ 14), оказалось, что НгТВТАС агрегирован в ХР80 практически полностью, а в АО 11 лишь частично.
Если длина гидрофильного фрагмента молекулы НПАВ слишком мала (Lutensol А07 и ТОЮ), то мицелла не способна удерживать НгТВТАС от агрегации. НПАВ с большой гидрофильной частью (P1F68, Р1РЕ6400, LuF127, Emu) склонны к сильной гидрата-
ции, что приводит к проникновению воды в ядро мицелл и вызывает агрегацию IЬТВТЛС. Высокая липофильность макромолекулы (например, CrEL) обеспечивает хорошее экранирование НгТВТАС от взаимодействий с водой. Периферические заместители в ШТВТАС, Нг(ЗРЬ8)зТВТАС и НгТАСРИб препятствуют взаимодействию по 7г-7Г-типу, что увеличивает их степень мономерности по сравнению с ШТВТАС и H2-l,2-NfTAC (табл. 3 и 4).
При увеличении соотношения НПАВ/ТАС возрастает степень мономерности со-любилизата. В частности, при солюбилизации одного и того же количества ФС в растворах с разной концентрацией CrEL с ростом его концентрации отмечается увеличение интенсивности спектров поглощения TAC (табл. 4).
Таблица 4.
Оценка мономерности TAC в растворах с разной концентрацией CrEL.
Соединение Концентрация TAC, М ¿'max ПОЛОСЫ Ql, М-1 CM-1 Степень моно-мерносги TAC в 4% CrEL, %
Бензол 1% CrEL 4% CrEL 10% CrEL
НгТВТАС 1,91 10^ 152900 20800 70600 84300 42
НгТВТАС 1,45-Ю"4 132000 85300 97200 119600 68
H2(3PhS)3TBTAC 1,18-Ю"4 131600 67800 78800 96300 35
H2-l,2-NfTAC 1,49-104 178400 28000 42300 55100 16
НгТАСРЬб 1,211а4 105200 12900 82300 96000 85
Также было замечено, что полной или частичной диссоциации агрегатов TAC в CrEL, Emu и P1F68 можно добиться добавлением некоторого количества НПАВ, в растворах которого TAC обычно находятся преимущественно в мономерной форме (например, CrEL). Наблюдаемая дезагрегация свидетельствует о динамичности исследуемых систем. На явлении диссоциации агрегатов TAC при увеличении соотношения НПАВ/ТАС основан метод определения е димера, представленный в работе на примере НгТВТАС. Вычисленный е димера составил 29600±3500 М"1 -см"1, а константа димеризации НгТВТАС в 4% CrEL 2840t 120 л/моль (lgKd=3,45).
Измерение среднечисленного гидродинамического радиуса мицелл Tween 801 (Tw80) с солюбилизированными TAC методом динамического светорассеивания после агрегации TAC, вызванной нагреванием растворов до температуры помутнения, показало изменение профиля распределения мицелл по размерам и общее увеличение их размеров после агрегации (рис. 7), что подтверждает связь динамичности мицеллярных систем с агрегацией TAC.
1 Автор благодарит н. с. лаб. лазерной биоспектроскопии ИОФ РАН, к. ф.-м. н. Рябову A.B. за помощь в проведении исследования мицеллярных систем методом ФКС.
Устойчивость мономеров и агрегатов TAC к окислительной деструкции
Окислительная деструкция мономеров TAC моделировалась при их взаимодействии с перекисью бензоила. Анализ зависимости скорости окисления от начальной концентрации TAC (рис. 8) позволил выстроить TAC в ряд по их стабильности: НгТАСРЬб» H2-l,2-NfTAC > IЫВТАС > H2(3PhS)3TBTAC > [ЬТВТЛС. НгТАСРЫ показал аномальную устойчивость к окислению даже при взаимодействии с 0,01 М перекисью бензоила в течение 18 часов.
Взаимодействие мономеров Н2ТВ'ТАС, H2(3PhS)3TBTAC, I ЬТВТЛС в 2,67% CrEL при комнатной температуре с 0,01 М раствором K2S20e выявило незначительное окисление этих TAC. На примере Н2ТВТАС было показано, что уменьшение количества мицел-лярной фазы в 10 раз (до 0,267% CrEL) практически не ускоряет окисление. Скорость окислительной деструкции агрегатов НгТВ'ТАС и H2(3PhS)3TBTAC в P1F68 сравнима с скоростью деструкции их мономеров в CrEL. Скорость окисления агрегатов НгТВТАС в P1F68 оказалась значительно ниже скорости окисления его мономеров, что, вероятно, связано со стерическими препятствиями для взаимодействия с окислителем из-за плотной упаковки макроциклов Н2ТВТАС в агрегате.
Исследование фотохимических свойств TAC в бензоле и растворах НГТАВ1 Невысокие значения квантового выхода генерации еинглетного кислорода (Фд) для всех TAC за исключением IЬТЛСРЬ, и квантового выхода флуоресценции (Фу) (табл. 5) свидетельствуют
0 существовании альтернативных безызлучательных путей дезактивации возбужденного состояния для большинства исследованных TAC. Значение ФдН2ТАСРЬ (0,70) коррелируете Фд близкого ему
1 Автор благодарит руководителя научной части Долгопрудненской площадки ФГУП «ГНЦ «НИОПИК», д. х. н. Кузнецову H.A. за полезную дискуссию.
0,06
0,05
£0,04
о
о
М0,03
Э
i 4% Tw80 с солюбшшзированным Н,ТВТАС 14% Tw80 после агрегации Н,ТВТАС
10"
Гидродинамический радиус (нм)
9.0x10'' 8,0x10'* 7,0x10 6,0x10
^ 5.0x10
ТЗ
и 4,0x10"' 3,0x10' 2,0x10'* 1,0x10'5
Рис. 7 - Распределение мицелл Ти 80 по размерам до и после агрегации НгТВТАС, солю-билизированного в них. Н/ГВТАС^-2,01 10"4с"' Н2ТВ'ТАС ¿^-6,0910"4 Н2(ЗРЬ8)3ТВТАС к!а - 3,. Н,-1,2-МП-АС к
0.0
2,0x10' 4,0x10 й 6,0x10' 8,0х10л 1,0x10"* 1,2x10'' 1,4x10"' Концентрация (М) Рис, 8 - Скорость окисления TAC как функция концентрации.
по строению хлорина ее (0,61). Наибольшим квантовым выходом фотодеструкции (Фр) в бензоле обладает IЬТВТАС, тогда как НгТАСРЫ имеет самую высокую устойчивость к фотодеструкции (таби. 5). Безызлучательная дезактивация синглетного возбужденного состояния путем внутренней конверсии усиливается для аннеяированных производных TAC по сравнению с НгТАСРЫ.
Для установления механизма фотодеструкции TAC изучали их фотообесцвечивание в растворителях с разным временем жизни 'Ог (например, в СбНб - т = 3,0-10"5 с, в C5H5N -т = 1,6-10"5 сив CeDe - т = 6,8- КГ1 с) и при добавлении в раствор ингибиторов 'Ог.
Таблица 5.
Фотохимические характеристики TAC в бензоле.
Соединение Ф/ Апих/, нм Стоксов сдвиг, СМ"' Фд Фгс Фр„х105
НгТВТАС 0,160 755 124 0,28 0,56 1,69
НгТВТАС 0,180 763 156 0,23 0,59 2,98
Ih(3PhS)3TBTAC 0,110 794 176 0,21 0,68 0,73
H2-l,2-NfTAC 0,135 777 168 0,35 0,51 0,03
HzTACPhs 0,080 742 278 0,70 0,22 <0,02
Сравнение кинетических кривых фотодеструкции TAC в СбШ и Се Об показало увеличение скорости фотообесцвечивания для НгТВТАС и I ЬТВ'ТАС в 1,7 раза при переходе к C6D6; для H2(3PhS)3TBTAC значительного изменения кинетики в дейтерирован-ном растворителе не наблюдалось. Замена бензола на пиридин привела к существенному (почти на порядок) ускорению фотодеструкции для всех TAC, что, вероятно, связано с изменением механизма фотообесцвечивания на свободнорадикальный. Изучение кинетики фотодеструкции НгТВТАС, НгТВТАС и Нг(ЗРЬ8)зТВТАС в присутствии 10"3 М 1,4-диазабицикло-[2,2,2]-октана также показало лишь частичное уменьшение скорости фотообесцвечивания. Таким образом, прямое окисление хромофора кислородом не является единственным путем фотодеградации, а обнаруженные радикальные механизмы могут быть рассмотрены как наиболее вероятный путь фотодеструкции для TAC. При этом вклад 'Ог в фотодеструкцию TAC определяется структурой субстрата.
Определение фотохимических свойств TAC в растворах НПАВ осложняется сильным рассеиванием света в данных системах, поэтому полученные результаты являются относительными. Было установлено, что природа HTLAB не влияет на эффективность ге-
1 Автор выражает благодарность ст. н. с. лаб. 3-1 ФГУП «ГНЦ «НИОПИК», к. х. н. Сливке Л.К. за помощь в определении Ф/
нерации 'О?.. Поэтому оценка фотостабильности и Фд TAC проводилась в коллоидных растворах НПАВ (5% и 10% CrEL), где все TAC мономерны при концентрации 10"6 М.
Результаты исследования генерации 'Ог TAC в 5% CrEL с применением гидрофобной ловушки 1,3-дифенилизобензофурана (DPBF) и гидрофильной а,а'-(антрацен-9,10-диил)бис(метилмалоната) тетранатриевой соли (ADMA) удовлетворительно согласуются с относительными значениями Фд в бензоле (табл. 6). При увеличении концентрации НПАВ в растворе скорость окисления DPBF замедляется из-за увеличения рассеивания возбуждающего излучения и появлении новых путей дезактивации 'Ог.
В опытах по определению Фд агрегатов и мономеров TAC с ADMA (табл. 6) установлено, что наименьшей способностью к генерации 'Ог обладают агрегаты НгТВТАС и Hz(3PhS)3TBTAC, для которых отмечается уменьшение относительного Фд по сравнению с мономерами в 50 и 74 раза соответственно; доя агрегатов НгТВТАС в 10,4 раза, а для Нг-1 Д-NfTAC в 13,9. Агрегация НгТАСРЬб привела к уменьшение относительного Фд всего лишь в 3,3 раза.
Таблица 6.
Относительный Фд TAC в бензоле и растворах НПАВ.
Соединение Бензол 5% CrEL с DPBF 5% CrEL с ADMA 4% P1F68 с ADMA
НгТВТАС 1,22 1,28 1,25 0,12
НгТВТАС 1,00 1,00 1,00 0,02
H2(3PhS)3TBTAC 0,91 0,72 0,74 0,01
H2-l,2-NfTAC 1,52 2,48 2,22 0,16
НгТАСРЬв 3,04 8,29 11,00 3,39
При переходе от бензола к растворам НПАВ, несмотря на рассеивание света, уменьшение растворимости кислорода и времени жизни 'Ог на порядок, происходит заметное падение фотостабильности TAC, что, по-видимому, объясняется изменением механизма фотодеструкции в мицеллярных растворах НПАВ в присутствии полярного растворителя.
Биологические испытания перспективного фотосенсибнлизатора НгТВТАС1 Накопление НгТВТАС в клетках А549 исследовали при добавлении в инкубационную среду его растворов в 10% CrEL, 10% Tw80,4% Emu3 и 4% PIF68. НгТВТАС проникает в цитоплазму клеток А549, слабо диффузно окрашивает ее и интенсивно концентрируется в гранулярных структурах. Накопление мономерной флуоресцирующей формы НгТВТАС из растворов в
1 Автор благодарит сотрудников лаб. оптической микроскопии и спектроскопии биомолекул ИБХ РАН: зав. лаб., д. б. н., доц. Феофанова A.B. и м. н. с. Игнатову A.A.; сотрудников НИМБЦ № 11 при ФГУП «ГНЦ «НИОПИК»: зав., к. б. н. Иванову-Радкевич В.И. и м. н. с. Мачинскую Е.А.
Концентрация ФС в инкубационной среде (мкМ)
Рис. 9 - Зависимость средней концентрации НгТВТАС в цитоплазме клеток А549 от концентрации в инкубационной среде (инкубация 2 ч).
СгЕЬ и Т\у80 практически не отличается и значительно превосходит накопление из раствора в Р1Р68, что коррелирует с содержанием мономерной формы ЩГВТАС в исходных растворах НПАВ (рис. 9). Таким образом, агрегаты НгТВТАС либо не способны проникать через мембрану клеток, либо не диссоциируют в цитоплазме. Очевидно, что содержание мономерной формы НгТВТАС в растворах НПАВ будет определять уровень фотоиндуцированной цито-
токсичности данного ФС. Насыщение внутриклеточного накопления наступает через 2 ч инкубации клеток с раствором НгТВТАС. Установлено, что цитотоксичность Т\у80 в 5 раз больше, чем у СгЕЬ, что делает использование композиции НгТВТАС в 10% СгЕЬ предпочтительным.
При изучении фотодинамической активности НгТВТАС в 10% СгЕЬ установлено, что при внутривенном введении данной композиции животным в дозе 1,2 мг/кг и дальнейшем сеансе облучения через 2 ч после введения с суммарной дозой облучения 300 Дж/см2 отмечается биологически значимое торможение роста опухоли (60-67%) на всем протяжении наблюдения за животными. Внутривенное введение экспериментальных образцов в отсутствии облучения не вызывает подавления роста опухолевого очага. Облучение несенсибилизированных опухолей в используемом для проведения ФДТ режиме также не приводило к уменьшению скорости роста опухоли.
ВЫВОДЫ
1. Изучено влияние межмолекулярных взаимодействий на спектральные и фотохимические свойства триаренозамещенных тетраазахлоринов и их аналогов в бинарных смесях растворителей и растворах неионогенных ПАВ. Установлено, что исследованные тетраазахло-рины склонны к/асе-Ю-/асе агрегации в данных системах.
2. Выбран наиболее эффективный способ солюбилизации производных тетрааза-хлорина. Установлено, что использование СгешорЬог ЕЬ в качестве солюбилизатора позволяет добиться наиболее высокой степени солюбилизации и мономерности тетраазахлоринов в водно-мицеллярных растворах неионогенных ПАВ.
3. На основании данных о спектрально-люминесцентных свойствах и светорассеянии водно-мицеллярных растворов с солюбилизированными тетраазахлоринами показано, что динамичность исследуемых гетерогенных систем является одним из факторов, приводящих к агрегации солюбилизированных фотосенсибилизаторов. Установлено, что с увеличением соотношения ПАВ/тетраазахлорин, ростом длины неполярного фрагмента молекулы неионоген-ного ПАВ и увеличением объема гидрофобного ядра мицеллы возрастает степень мономерно-сги и замедляется агрегация солюбилизированных тетраазахлоринов.
4. Исследованы кислотно-основные свойства мономеров и агрегатов тетраазахлоринов; определены константы протонирования. Наиболее основным по мезо-атому азота оказался ДД/?',/?
'-тетра\1етилтри(4-трет-бутилбензо)тетраазахлорин. Показано, что агрегаты протонируются заметно сложнее, чем мономеры, в то время как депротонирова-ние агрегатов во всех случаях, за исключением 2,2,3,3-тетраметил-7,8,12,13,17,18-гекса-фенилтетраазахлорина, приводит к образованию дианиона мономерной формы.
5. Изучена склонность производных теграазахлорина к окислительной деструкции; определены константы скорости окисления в реакции тетраазахлоринов с перекисью бензоила. Установлено, что 2^,3,3-тетраметил-7,8,12,13,17,18-гексафенилтеграазахлорин обладает исключительной устойчивостью к окислению при взаимодействии с перекисью бензоила Агрегаты тетраазахлоринов в растворах НПАВ в большинстве случаев склонны к окислению наравне с мономерами, за исключением ДДД ',Д -тетрамегалтрибензотетраазахлорина, плотная упаковка макроциклов в агрегатах которого замедляет окислительную деструкцию.
6. Исследованы фотохимические свойства тетраазахлоринов в бензоле и растворах НПАВ. Установлено, что 2,2,3,3-тетраметил-7,8,12,13,17,18-гексафенилтетраазахлорин,
обладающий наибольшей устойчивостью к фотообесцвечиванию (Фр < 210"7) и квантовым выходом генерации '02 (Фд = 0,7), но низким квантовым выходом флуоресценции (Ф/ = 0,08) в бензоле, способен генерировать 'СЬ даже в виде face-to-face агрегатов. Для аннели-рованных производных тетраазахлорина усиливается безызлучательная дезактивация син-глетного возбужденного состояния. Обнаруженные радикальные механизмы рассматриваются как наиболее вероятный путь фотодеградации для тетраазахлоринов.
7. Проведена оценка фотодинамической активности композиции ДДД\fi '-тетраметилтрибензотетраазахлорина в 10% растворе Cremophor EL в опытах от vivo, которая показала значительное и достоверное торможение роста опухоли (60-67%).
Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:
' • Ластовой А.П., Авраменко Г.В. Исследование ассоциации тетраметилтрибензотетрааза-хлорина в бинарных смесях полярных растворителей и в коллоидных растворах НПАВ // Мак-рогетероциклы. 2013. Т. 6. №. 1. С. 98-105.
2. Ластовой А.П.. Авраменко Г.В. Спектрально-люминесцентные свойства замещенных тетраазахлоринов, солюбилизированных в растворах поверхностно-активных веществ // Мак-рогегероциклы. 2013. Т. 6. № 2. С. 137-143.
3. Ластовой А.П.. Авраменко Г.В. Солюбилизация водонерастворимых замещенных тетраазахлоринов в водных растворах неионогенного ПАВ Cremophor EL // Химическая технология. 2014. №. 1. С. 16-24.
4. Негримовский В.М., Макарова Е.А., Михаленко С.А. Соловьева Л.И., Южакова O.A., Донягина В.Ф., Волков К.А., Комиссаров А.Н., Шевченко E.H., Дудкин C.B., Березина А.П., Ластовой А.П.. Лукьянец Е.А. Поиск новых синтетических фотосенсибилизаторов // Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. общ. Им. Д.И. Менделеева). 2013. Т. 57. № 2. С. 31-54.
5. Ластовой А.П.. Игнатова A.A., Феофанов A.B., Мачинская ЕЛ., Иванова-Радкевич В.И. Исследование свойств нового фотосенсибилизатора ß,ß,ßß -тетраметилтрибензотетраазахло-рина // Химико-фармацевтический журнал. 2014. Т. 48. №2. С. 7-12.
6. Ластовой А.П.. Авраменко Г.В., Лукьянец Е.А. Ассоциация тетраметилтрибензотетра-азахлорина в водных растворах неионогенных ПАВ. Успехи в химии и химической технологии: сб. науч. тр. / М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2012. T. XXVI. № 2. С. 27-31.
7. Ластовой А.П.. Авраменко Г.В. Полуэмпирический метод определения молярного коэффициента поглощения димера тетраметилтрибензотетраазахлорина и констант его димери-зации в бинарных смесях растворителей. Успехи в химии и химической технологии: сб. науч. тр. / М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2013. T. XXVII. № 2. С. 21-29.
8. Ластовой А.П.. Авраменко Г.В., Лукьянец ЕЛ. Исследование солюбилизации и агрегации тетраметилтрибензотегграазахлорина в водных растворах неионогенных ПАВ. Новые химико-фармацевтические технологии: сб. науч. тр. / М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2012. №184. С. 215-217.
9. Ластовой А.П.. Авраменко Г.В. Сравнение способов солюбилизации конденсированных замещенных тетраазахлоринов в растворах неионогенного ПАВ Cremophor EL. Первая Всероссийская научно-практическая конференция молодых ученых «Проблемы разработки новых лекарственных средств»: тез. докладов / М.: ФГБУ «НИИ фармакологии им. В.В. Заку-сова», 2013. С. 58.
10. Ластовой А.П.. Игнатова A.A., Мачинская ЕЛ., Авраменко Г.В. Фотодинамическая активность тетраметилтрибензотетраазахлорина Первая Российская конференция по медицинской химии (MedChem Russia): тез. докладов / М.: РАН, 2013. С. 227.
Заказ № 24_Объем 0.92 п.л._Тираж 100 экз.
Издательский центр РХТУ им. Д.И. Менделеева
Российский химико-технологический университет имени Д. И. Менделеева
На правах рукописи
04201456117
Ластовой Антон Павлович
Влияние межмолекулярных взаимодействий на спектральные и фотохимические свойства производных тетраазахлорина
02.00.04 - Физическая химия
Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук
Научный руководитель: доктор химических наук, профессор Г.В. Авраменко
Москва - 2014
Оглавление
ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................5
1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.......................................................................................8
1.1 Агрегация молекул и электронная структура надмолекулярных ансамблей8
1.2 Причины агрегации порфиринов и их аналогов и способы ее предотвращения.........................................................................................................14
1.2.1 Агрегация порфириноподобных соединений в растворах.....................14
1.2.2 Изменение степени агрегации порфириноподобных соединений путем введения диспергаторов.........................................................................................22
1.3 Применение самоорганизующихся систем на основе порфиринов и их аналогов.......................................................................................................................29
1.4 Выводы из литературного обзора...................................................................30
2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.......................................................................32
2.1 Материалы.........................................................................................................32
2.1.1 Конденсированные замещенные тетраазахлорины................................32
2.1.2 Солюбилизирующие агенты.....................................................................32
2.1.3 Квалификация растворителей и других реагентов.................................36
2.2 Методы...............................................................................................................37
2.2.1 Описание спектроскопических методик..................................................37
2.2.2 Методы солюбилизации TAC в растворах НПАВ..................................38
2.2.3 Полуэмпирический метод определения молярного коэффициента поглощения димера НгТВТАС и констант его димеризации в бинарных смесях полярных растворителей........................................................................................40
2.2.4 Методика изучения кислотно-основных свойств TAC..........................41
2.2.5 Методика определения констант окисления...........................................42
2.2.6 Методы определения квантового выхода генерации синглетного
кислорода и фотодеструкции.................................................................................44
2.2.7 Методика определения квантового выхода флуоресценции.................50
2.2.8 Методика исследования накопления FfeTBTAC в клетках А549..........51
2.2.9 Методика исследования фотодинамической активности in vivo..........52
3 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ...............................54
3.1 Агрегация TAC в бинарных смесях растворителей......................................54
3.1.1 Влияние природы растворителя на агрегацию TAC..............................54
3.1.2 Кислотно-основные свойство мономеров TAC......................................62
3.1.3 Кислотно-основные свойства агрегатов TAC.........................................72
3.1.4 Окисление мономеров TAC перекисью бензоила..................................74
3.2 Агрегация TAC в коллоидных растворах НПАВ..........................................75
3.2.1 Влияние способа солюбилизации на степень агрегации TAC..............75
3.2.2 Спектрально-люминесцентные свойства TAC, солюбилизированных в растворах некоторых НПАВ..................................................................................79
3.2.3 Влияние концентрации CrEL на степень солюбилизации и агрегацию TAC ......................................................................................................................88
3.2.4 Влияние структуры и свойств НПАВ на агрегацию НгТВТАС............91
3.2.5 Изучение кинетики окисления TAC, солюбилизированных в растворах НПАВ ......................................................................................................................96
3.3 Исследование агрегации в конденсированном состоянии...........................99
3.4 Влияние внешних факторов на изменение степени агрегации TAC в растворах НПАВ......................................................................................................101
3.4.1 Изучение агрегации методом ФКС........................................................101
3.4.2 Агрегации TAC в растворах НПАВ при нагревании............................102
3.4.3 Влияние изменения состава композиции TAC в НПАВ на дезагрегацию TAC ....................................................................................................................105
3.5 Определение константы димеризации и молярного коэффициента поглощения димера на примере НгТВТАС...........................................................111
3.6 Исследование фотохимических свойств TAC.............................................116
3.6.1 Флуоресценция TAC в бензоле...............................................................116
3.6.2 Квантовые выходы генерации сингл етного кислорода TAC в бензоле....................................................................................................................118
3.6.3 Механизм фотодеструкции и квантовые выходы фотообесцвечивания в бензоле....................................................................................................................119
3.6.4 Фотохимические свойства TAC, солюбилизированных в растворах НПАВ ....................................................................................................................122
3.7 Биологические испытания нового фотосенсибилизатора НгТВТАС........126
3.7.1 Исследование особенностей внутриклеточного накопления Н2ТВТАС в опытах in vitro........................................................................................................126
3.7.2 Исследование фотодинамической активности композиции НгТВТАС в 10% CrEL in vivo....................................................................................................129
4 ВЫВОДЫ...............................................................................................................132
5 СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ........................134
6 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ....................................................................................135
ВВЕДЕНИЕ
Тетраазахлорины (TAC) - один из классов тетраазапорфинов с sp3-гибридными ^-положениями одного из пиррольных фрагментов тетрапиррольного макроцикла-являются новым перспективным рядом функциональных красителей, которые благодаря своим физико-химическим свойствам имеют большой потенциал для применения в медицине и технике. Преимущества TAC по сравнению с фталоцианинами для применения в качестве фотосенсибилизаторов (ФС) для фотодинамической терапии (ФДТ) заключается в их уникальных спектральных свойствах, а именно наличии одной из полос поглощения с высоким молярным коэффициентом поглощения (s) на границе видимой и ближней инфракрасной области спектра (700-800 нм), где собственное поглощение живых тканей минимально, что обеспечивает более глубокое проникновение возбуждающего излучения и увеличивает терапевтический эффект ФС.
Наличие межмолекулярных взаимодействий (силы Ван-дер-Ваальса, ж-ж-стэкинг, водородная связь) для порфириноподобных соединений в растворах и конденсированном состоянии приводит к возникновению молекулярных ансамблей - агрегатов, спектрально-люминесцентные, фотохимические и кислотно-основные свойства которых заметно отличаются от свойств этих соединений в мономолекулярном состоянии, что влечет за собой изменение фотодинамической и каталитической активности. Наибольшее влияние на самоорганизацию порфиринов и их аналогов оказывают взаимодействия по ж-ж-типу, такие как face-to-face, edge-to-edge и face-to-edge, что приводит к образованию димеров и олигомеров, полимеров, дендримеров и других супрамолекулярных массивов.
В настоящее время большое внимание уделяется исследованию агрегации конъюгатов порфиринов с фуллеренами, углеродными нанотрубками, а также порфиринов, иммобилизованных в различных матрицах, например, пленках высокомолекулярных соединений (ВМС) и растворах поверхностно-активных
веществ. В то же время в большинстве литературных источников не рассматривается межмолекулярное взаимодействие этих матриц и порфиринов, которое играет большую роль в их агрегации.
Исследование причин агрегации и способов ее предотвращения позволяет расширить границы применения TAC, а также разработать теоретическую базу для проектирования на их основе супрамолекулярных систем с конкретно заданными спектральными и фотохимическими свойствами, что даст возможность использовать TAC в новых областях медицины, таких как фототермическая сенсибилизация, и техники (создание новых фотоактивных элементов или катализаторов).
Цель работы заключалась в выяснении влияния межмолекулярных взаимодействий на спектрально-люминесцентные, фотохимические, кислотно-основные и окислительно-восстановительные свойства ряда водонерастворимых замещенных TAC, а также установлении общих причин, приводящих к их агрегации в различных системах, в частности в бинарных смесях полярных растворителей и мицеллярных растворах неионогенных поверхностно-активных веществ (ПАВ).
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
- выявить влияние среды и структуры молекул TAC на их склонность к агрегации;
- установить причины агрегации TAC, солюбилизированных в мицеллах неионогенных ПАВ (НПАВ);
- выяснить влияние агрегации на спектрально-люминесцентные, фотохимические характеристики и кислотно-основные свойства TAC;
- определить закономерности окислительной и фотодеструкции TAC в различных средах;
- разработать простой способ солюбилизации водонерастворимых замещенных TAC в растворах НПАВ для оценки их фотодинамической активности;
- оценить влияние степени агрегации TAC на их фотодинамическую активность;
- выявить наиболее перспективные сенсибилизаторы из исследуемого ряда соединений и предложить рекомендации по их практическому применению.
Научная новизна. Впервые исследованы фотохимические и кислотно-основные свойства, а также склонность к окислению нового ряда производных TAC, синтезированных в ФГУП «ГНЦ «НИОПИК». Изучены спектральные свойства их агрегатов в бинарных смесях растворителей, растворах НПАВ и в кристаллическом состоянии. Исследованы кислотно-основные и окислительно-восстановительные свойства агрегатов производных TAC. Предложены способы оценки степени агрегации, фотохимических характеристик и молярного коэффициента поглощения TAC, солюбилизированных в растворах НПАВ. Предложен ряд новых методов солюбилизации водонерастворимых порфиринов. Установлены общие причины, приводящие к агрегации TAC в растворах НПАВ.
Практическая значимость. Теоретические выводы, сделанные в работе, позволяют в перспективе разработать метод управляемой агрегации для создания препаратов для фототермальной сенсибилизации с использованием в качестве ФС TAC и других порфириноподобных соединений или же получать растворы с высоким содержанием мономерной формы для применения в ФДТ. Доказано, что изучение спектрально-люминесцентных свойств гидрофобных ФС, солюбилизированных в растворах НПАВ, позволяет прогнозировать их фотодинамическую активность и перейти от in vitro и in vivo скрининга к целенаправленному исследованию только предположительно эффективных композиций гидрофобных ФС. Используя один из методов солюбилизации, рассмотренных в работе, приготовлены композиции водонерастворимых диамидного производного хлорина еб и тетра-3-пиридилбактериохлорина в растворе НПАВ, которые показали высокий фотодинамический эффект. Полученные в работе данные об устойчивости к окислению некоторых TAC открывают перспективы использования их для катализа и фотокатализа.
1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
1.1 Агрегация молекул и электронная структура надмолекулярных
ансамблей
Агрегация (самоорганизация) - образование молекулами надмолекулярных ансамблей в концентрированных растворах и конденсированном состоянии -широко известное явление в химии порфиринов и других красителей. Типичным примером изучения агрегации могут служить работы по исследованию цианиновых красителей West и соавт. [1], которые обнаружили, что при изменении концентрации 1,1'-диэтил-2,2'-цианин хлорида в растворе в его электронном спектре наблюдается появление новых полос поглощения. В сильно разбавленном растворе присутствует мономерная форма красителя; при возрастании концентрации интенсивность характеризующей ее полосы поглощения уменьшается и появляется новая полоса в более коротковолновой области, которая соответствует поглощению образовавшегося димера. С ростом концентрации отмечается дальнейший гипсохромный сдвиг с образованием полосы //-агрегата («Н» - hypsochromic). При очень высоких концентрациях спектр цианинового красителя показывает рост узкой интенсивной полосы в длинноволновой области относительно полосы поглощения мономера. Эта полоса обозначается буквой J (предположительно, по фамилии одного из первых исследователей полос с красным сдвигом Е. Jelley) и соответствует образованию полимерных агрегатов, включающих очень большое количество молекул. Появление этой J-полосы сопровождается сильной флуоресценцией и увеличением вязкости раствора. Описанные результаты в дальнейшем легли в основу при описании схожих явлений при агрегации других соединений.
Большинство органических красителей, включая порфирины и их аналоги, при агрегации проявляют подобно цианиновым красителям аномальные изменения в электронных спектрах поглощения. Наиболее свежие обзоры в области
исследования агрегации аналогов порфиринов принадлежат Snow [1], Harley [2], а также Nyokong и соавт. [3]. Агрегация представляет собой вызываемую нековалентными силами притяжения (силы Ван-дер-Ваальса, л>7г-«стэкинг», водородная связь) копланарную ассоциацию тетрапиррольных макроциклов порфиринов, приводящую к образованию димеров или комплексов более высокого порядка. Наиболее характерными взаимодействиями в случае макроциклов являются 7Г-л>«стэкинг» взаимодействия, приводящие к агрегации порфиринов как в растворах [4], так и в твердом состоянии [5-7]. Формирующиеся таким образом мультиструктуры могут образовывать жидкие кристаллы [8] и пленки Ленгмюра-Блоджетт [9, 10].
Обычно образование //-агрегатов (face-to-face) сопровождается не только гипсохромным сдвигом полос поглощения относительно спектра мономера, но и существенным уменьшением интенсивности поглощения, а также сильным уширением полос, особенно в длинноволновой области спектра [11, 12]. В отличие от ./-агрегатов, Я-агрегаты не флуоресцируют [13, 14]. В литературе описывается значительно большее количество случаев агрегации фталоцианинов по Н-типу, благодаря сильной склонности их молекул к face-to-face стэкингу в растворах [15, 16]. J-Агрегаты (edge-to-edge) порфиринов и других красителей отличаются появлением узкой интенсивной полосы поглощения, сдвинутой батохромно относительно полосы мономера [17-19].
Кроме того, при постепенном увеличении концентрации может появляться изобестическая точка, свидетельствующая о присутствии равновесной смеси мономер-димер. Фотоактивные агрегаты /-типа встречаются реже. Описываются случаи, когда металлические комплексы производных фталоцианинов, в зависимости от условий, образовывали агрегаты как J-, так и Н-типа, например, тетра(а-фенокси)фталоцианин цинка (рисунок 1.1) [20].
Объяснение изменения в спектрах поглощения порфириноподобных соединений при агрегации требует более подробного рассмотрения модели электронно-возбужденных состояний агрегированных молекул с точки зрения теории молекулярных экситонов, которую одним из первых предложил Kasha [21].
Согласно этой модели, представленной уравнением (1.1), возбужденное состояние молекулы димера будет расщеплено на два уровня с энергией ниже и, соответственно, выше энергии возбужденного состояния индивидуальной молекулы
где Е' и Е" - энергии возбужденного состояния димера; Ео - энергия основного состояния димера; е и - энергия основного и низшего синглетного возбужденного состояния молекулы; Е - экситонное расщепление - энергия взаимодействия, связанная с передачей энергии возбуждения между молекулами, формирующими димер, и определяющая расщепление электронного терма возбужденного состояния; /) - экситонный сдвиг — изменение энергии взаимодействия молекул, образующих димер, за счет возбуждения одной из них, определяющее сдвиг электронного терма возбужденного состояния относительно терма основного состояния. /) и Е вычисляют, зная дипольные моменты перехода молекул, образующих димер, из основного состояния димера в возбужденное экситонное состояние.
Е"=ЕС +(s+ — s) + D + Е E'=Ec+{s+ — s) + D — Е '
(1.1)
- Вода/ДМФ (45:55)
- СНС13 ДМФ
I 1
./-агрегат
Мономер
Я-агрегат
0,0 Н--.- ,-.-,-.-,-.-—|-.-1
550 600 650 700 750 800 850
Длина волны (нм)
Рисунок 1.1- Спектры поглощения мономерной формы тетра(а-фенокси)фталоцианина цинка и его Н- и ./-агрегатов [20].
Для объяснения гипсохромного и батохромного сдвига в спектрах димеров необходимо прибегнуть к рассмотрению их энергетических диаграмм (рисунок 1.2). Из формулы (1.1) видно, что разница между энергиями экситона АЕ (величина экситонного расщепления) равна 2Е, а сдвиг энергии возбужденного состояния димера относительно энергии возбужденного состояния мономера определяется величиной /) ± Е.
Существует несколько возможных вариантов относительного расположения диполей при образовании димера: «сэндвич», когда диполи параллельны друг другу (аналогично face-to-fa.ce расположению макроциклов порфиринов), и «в линию», когда диполи расположены вдоль одной оси (аналогично edge-to-edge, или side-to-side, расположению порфирино
