Biomedical Chemistry: Research and Methods 2018, 1(3), e00042
К 40-летию Института физиологически активных веществ РАН

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

РЕЗУЛЬТАТЫ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

БЛАГОДАРНОСТИ

ЛИТЕРАТУРА

Рисунок 1 Структурные формулы окта- и тетра-(бензо-15-краун-5)фталоцианинов.

Рисунок 2 Структурные формулы исследованных ПАВ.

Рисунок 3 Спектры поглощения водных растворов Cocr8Pc/5.5 x 10-3 М KCl над кристаллическим Pc (1), Cocr8Pc/5.5 x 10-3 М KCl после разбавления Н2О и центрифугирования (7000 об/мин, 0.4 ч). (2), Cocr8Pc/8.6 x 10-3 М CTAB до и после центрифугирования (7000 об/мин, 0.4 ч), спектры 3 и 4 соответственно.

Рисунок 4 Спектры поглощения водных растворов Cocr8Pc (7.45 x 10-6 М) и H2cr8Pc (6.9 x 10-6 М) в 5.5 x 10-2 М KCl (1 и 2 соответственно). Концентрации приведены для димерных форм Pc. На вставке - модель кофациального димера, (Mcr8Pc)2K+8

Рисунок 5 Спектры поглощения CTAB (1), Cocr8Pc/CTAB (2) и H2cr8Pc/CTAB (3). Концентрации Cocr8Pc, H2cr8Pc и CTAB равны 1.25 x 10-5, 9 x 10-6 и 8.6 x 10-3 М соответственно.

Рисунок 6 Спектры поглощения Cocr8Pc в водном растворе: 1 – 8.6 x 10-3 М СTAB; 2 – 1 x 10-3 М СТАВ + 4.2 x 10-3 М KCl (для 1 и 2 [Cocr8Pc] = 1.25 x 10-5 М); 3 – 5.5 x 10-2 M KCl ([Cocr8Pc] = 1.3 x 10-5 М).

Рисунок 7 Спектры поглощения 0.67х10-5 М Cocr4Pc в CH2Cl2 (1) и смешанном растворителе C2H5OH/CH2Cl2 = 1:1 по объему (2).

Рисунок 8 Спектры поглощения: (1) 0.67 x 10-5 М Cocr4Pc в CH2Cl2; (2-5) - 0.67 x 10-5 М Cocr4Pc в смешанном растворителе CH2Cl2/C2H5OH = 1:1 по объему без СТАВ и после добавления СТАВ (8 x 10-3 М) во времени.

Рисунок 9 Спектры поглощения Cocr4Pc в водных растворах 0.01 М (1) и 0.085 М (2) SDS, в водном 0.0086 М растворе CTAB (3) и дихлорметане (4).

Рисунок 10 Спектры поглощения H2cr8Pc в дихлорметане (1) и водных растворов H2cr8Pc в присутствии SDS (2 и 3): 1 – [H2cr8Pc] = 5.5x10-6 М; 2 – [H2cr8Pc] = 3.66x10-5 M, [SDS] = 1.7x10-3 M; 3 - [H2cr8Pc] = 1.1x10-5 M, [SDS] =0.01 M. Кварцевые кюветы 1.0 и 0.2 см для 1 и 2 (3) соответственно.

Рисунок 11 Спектры поглощения систем Cocr8Pc-Na-CMC (1) и Cocr8Pc-Na-CMC - KCl (2) в водном растворе. Концентрация KCl равна 0.42 М.

Рисунок 12 Спектры поглощения систем Cocr8Pc-NaCMC (1) и Cocr8Pc-NaCMC -NaCl (2). Спектры сняты относительно воздуха, растворитель Н2О, кювета 0.2 см.

Рисунок 13 Спектры поглощения Mgcr8Pc в дихлорметане (1) и смешанном растворителе {C2H5OH/CH2Cl2 = 1:1 (2) и C2H5OH/CH2Cl2 = 4:1 (3)}.

Рисунок 14 Спектры поглощения Mgcr8Pc в водном растворе SDS (1-5) и растворе CH2Cl2 (6). Концентрации Mgcr8Pc составляют 8.8х10-6 и 7.7х10-6 М в растворах SDS и CH2Cl2 соответственно, концентрации SDS - 0.46х10-3 (1), 1.85х10-3 (2), 5.1х10-3 (3), 6.9х10-3 (4) и 9.7х10-3 М (5). Вставка - Mgcr8Pc – SDS (1) и Mgcr8Pc-СТАВ (2) в водной среде. Концентрации Mgcr8Pc составляют 9.2х10-5 и 1.1х10-4 М (для 1 и 2 соответственно), концентрации SDS и СТАВ – 2.25х10-2 и 8.6х10-3 М соответственно.

Рисунок 15 Изменение оптической плотности водного раствора H2cr8Pc (7.56 x 10-6 M) в присутствии SDC, SDBS и NaCl во времени. 1: [SDC] = 5 x 10-4 M, [SDBS] = 0.014 M; 2: [SDC] = 5 x 10-4 M, [SDBS] = 0.054 M; 3: [SDC] = 5 x 10-4 M, [SDBS] = 0.054 M, [NaCl] = 0.094 M. Под спектральными кривыми приведено разложение на составляющие с использованием функций Гаусса.

Рисунок 16 Изменение ЭСП мицеллярного раствора Mgcr8Pc/SDBS во времени при облучении.

Рисунок 17 Кинетика фотовыцветания растворов Mgcr8Pc/SDS, Mgcr8Pc/SDBS и Н2cr8Pc/SDS.

Краун-содержащие фталоцианины – потенциальные сенсибилизаторы для фотодинамической терапии. Синтез, свойства и роль нековалентных взаимодействий

В.Е. Баулин1*, Н.Ф. Гольдшлегер2, Д.В. Баулин3, И.П. Калашникова1

1Институт физиологически активных веществ Российской академии наук 142432 Черноголовка Московской обл., Северный проезд, 1; *e-mail: mager1988@gmail.com
2Институт проблем химической физики Российской академии наук, 142432 Московская обл., Черноголовка, просп. акад. Семенова, 1
3Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина Российской академии наук, 119071 Москва, Ленинский проспект, 31, кор. 4.

Ключевые слова: фталоцианины; фотодинамическая терапия; микрогетерогенные среды; спектроскопия

DOI: 10.18097/BMCRM00042

ВВЕДЕНИЕ

Поиск эффективных сенсибилизаторов при фотодинамической терапии (ФДТ) онкологических заболеваний является актуальной задачей. Метод ФДТ основан на совместном использовании сенсибилизатора, молекулярного кислорода и света определенной длины волны. Координационные соединения на основе фталоцианинов (ФЦ), благодаря их уникальным свойствам (стабильности, низкой токсичности, интенсивному поглощению в красной и ближней ИК-областях электромагнитного спектра, фотофизическим и фотохимическим эффектам) являются весьма перспективными соединениями для разработки фотосенсибилизаторов для фотодинамической терапии [1,2]. Триплетные свойства (квантовый выход и время жизни) для фталоцианинов, содержащих диамагнитные ионы металлов, высоки, что приводит к эффективной генерации синглетного кислорода (1О2) и эффективному разрушению опухолей. Поскольку активные формы кислорода в растворе генерируются только при участии мономерной формы ФЦ, агрегация в полярных средах и низкая растворимость в воде являются основными ограничениями использования фталоцианинов в медицине [3]. Наличие агрегатов приводит к безызлучательной релаксации поглощенной энергии, уменьшая квантовый выход люминесценции и время жизни возбужденных состояний [4]. Одним из подходов к увеличению растворимости ФЦ в воде является введение периферических заместителей, содержащих фрагменты краун-эфиров. Известно, что краун-эфиры – аннелированные [5] или присоединенные к макроциклу ФЦ через кислородный мостик [6] – приводят к катион-индуцированной агрегации ФЦ путем формирования супрамолекулярных комплексов «гость-хозяин» с катионами металлов. Формирование таких комплексов способствует растворению краун-содержащих фталоцианинов в полярных средах, когда в качестве «гостя» выступают катионы щелочных металлов. Далее состояние ФЦ в водном растворе определяется эффектами с участием солюбилизирующего агента, в качестве которого принято использовать поверхностно–активные вещества (ПАВ) различной природы – низкомолекулярных (синтетических) ПАВ, липидов и компонентов полимерных мицелл [7]. В данной работе исследованы ФЦ, содержащие четыре или восемь фрагментов бензо-15-краун-5 (рис. 1), в том числе, возможности применения ПАВ для предотвращения тенденции краун-ФЦ агрегировать в водной среде.

Рисунок 1. Структурные формулы окта- и тетра-(бензо-15-краун-5)фталоцианинов.

В качестве ПАВ исследованы как синтетические, так и биосовместимые природные соединения. При анализе структуры и свойств организованных супрамолекулярных комплексов с участием краун-ФЦ были преимущественно использованы электронные спектры поглощения (ЭСП), в которых четко отражаются изменения в состоянии ФЦ, происходящие при введении ионов щелочных металлов, ПАВ или варьировании полярности среды.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Реактивы.

2,3,9,10,16,17,23,24-Окта[(4´-бензо-15-краун-5)окси]фталоцианин, (1a, H2cr8Pc) и 2,3,9,10,16,17,23,24-oкта[(4´-бензо-15-краун-5)окси]фталоцианинат кобальта (Cocr8Pc) и магния (Mgcr8Pc) синтезированы по методикам, приведенным в работе [7], тетра-краун-содержащие Pс кобальта (Cocr4Pc) и магния (Mgcr4Pc) независимо получены по методике, аналогичной [8]. В работе использовали гексадецилтриметиламмоний бромистый (C16H33N(CH3)3Br, CTAB, «Aldrich», США), додецилсульфат натрия (СН3(СН2)11OSO3Na (SDS), 85%, додецилбензолсульфонат натрия (SDBS) «Fluka», Швейцария, (95%), натриевую соль карбоксиметилцеллюлозы (Na-СМС), «Aldrich», дезоксихолат натрия (≥97%) «Aldrich»), КСl и NaCl (марки «чда» для электрохимии). Растворы KCl (0.0055 и 0.05 М), CTAB (0.0086 и 0.018 М) и карбоксиметилцеллюлозы (0.64%) готовили на бидистиллированной воде. Дихлорметан (марки для спектрофотометрии, «Aldrich») перед употреблением перегоняли. Этиловый спирт обезвоживали согласно [9]. Спектрофотометрические измерения проведены на спектрофотометре Specord М-40 в растворах и на пленках {покрытие/подложка (ITO, кварц)}. Для растворов использовали 1, 2 и 10 мм кварцевые кюветы.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Методом оптической спектроскопии исследовано поведение окта-[(4'-бензо-15-краун-5)]фталоцианина (H2cr8Pc), окта- и тетра-[(4'-бензо-15-краун-5)] фталоцианинатов кобальта (Cocr8Pc и Cocr4Pc) в водных растворах электролитов и в присутствии катионных и анионных поверхностно-активных веществ: гексадецилтриметиламмония бромистого (СТАВ), натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы (Na-СMС), додецилсульфата натрия (SDS) [10], додецилбензолсульфоната натрия (SDBS), дезоксихолата натрия (SDС) [11]. Структуры этих соединений представлены на рисунке 2.

Рисунок 2. Структурные формулы исследованных ПАВ.

Способность краун-эфиров к комплексообразованию с катионами щелочных металлов, в частности К+ (диаметр катиона 2.66 Å), была использована для растворения краун-содержащих ФЦ в полярных средах, в том числе, и в воде. Скорость и полнота растворения Cocr8Pc в водном растворе KCl зависят от концентрации последнего [10,12]. На рисунке 3 приведен спектр раствора (1) над кристаллами соединения Соcr8Pc, характерный для низкой концентрации KCl (< 5.5•10-3 М). Поглощение в области 630 нм, а также плечо около 750 нм вместе с уширением полосы при более коротких длинах волн свидетельствуют о формировании в этих условиях агрегатов разного состава и строения. Наблюдаемое батохромное смещение максимума до λ = 750 нм относительно максимума с λ = 673 нм для мономера Cocr8Pc в CH2Cl2, равное 0.189 эВ, может являться косвенным подтверждением присутствия в растворе наночастиц ФЦ. Высокое значение оптической плотности раствора Cocr8Pc/KCl в области агрегации кофациального типа (λ = 630 нм) свидетельствует, что в этих условиях димерные гетероядерные ионные комплексы соединения Cocr8Pc являются наиболее растворимыми. Понижение концентрации KCl до 1.2•10-3 - 3•10-4 М приводит к осаждению значительной части ФЦ, спектр поглощения которого характерен для мономера Cocr8Pc в СH2Cl2 (λ = 673 нм, ε = 1.47·105 л моль-1см-1).

При этом спектр (2) водного раствора над осадком отвечает состоянию Cocr8Pc в виде устойчивой высокодисперсной водной суспензии с KCl в качестве стабилизатора (рис. 3).

Рисунок 3. Спектры поглощения водных растворов Cocr8Pc/5.5•10-3 М KCl над кристаллическим Pc (1), Cocr8Pc/5.5•10-3 М KCl после разбавления Н2О и центрифугирования (7000 об/мин, 0.4 ч). (2), Cocr8Pc/8.6•10-3 М CTAB до и после центрифугирования (7000 об/мин, 0.4 ч), спектры 3 и 4 соответственно.

Повышение ионной силы раствора (концентрации KCl от 5.5•10-2 М и выше) в сочетании со способностью краун-эфиров к комплексообразованию с катионами щелочных металлов, в данном случае с К+, приводит к быстрому растворению Cocr8Pc и формированию гомогенного раствора (рис. 4, спектр 1). В этих условиях и соединение Н2cr8Pc также растворяется (рис. 4, спектр 2), то есть присутствие металла в макроцикле ФЦ не является необходимым условием процесса растворения.

Рисунок 4. Спектры поглощения водных растворов Cocr8Pc
(7.45•10-6 М) и H2cr8Pc (6.9•10-6 М) в 5.5•10-2 М KCl (1 и 2 соответственно). Концентрации приведены для димерных форм Pc. На вставке - модель кофациального димера, (Mcr8Pc)2K+8.

Наличие максимума при 628 нм указывает на протекание преимущественно катион-индуцированной агрегации кофациального типа. Отметим, что кислородный мостик между макроциклом и заместителем, содержащим краун-эфирную группу, не препятствует формированию, как и в случае аннелированного с фталоцианином краун-эфирного фрагмента, упорядоченной структуры Mcr8Pc при комплексообразовании последних с К+ [6,12]. Спектральные характеристики (длина волны максимума поглощения λ, значение коэффициента молярного погашения ε, форма и полуширина полосы поглощения) для растворов Cocr8Pc и Н2cr8Pc в водном KCl близки (632 и 628 нм, 77000 и 76400 л моль-1см-1, 114 и 132 нм соответственно).

При концентрации СТАВ (диаметр полярной группы ~ 5.8 Å), равной 8.6•10-3 М, которая заметно выше его критической концентрации мицеллобразования (ККМ) в водной среде (1.0•10-3 М [13]), окта-(бензо-15-краун-5)фталоцианинат кобальта растворяется в воде.

Максимальная оптическая плотность в области Q-полосы в спектре (3) наблюдается при 614 и 750 нм (рис. 3), то есть, Pc находится в агрегированном состоянии. Центрифугирование (7000 об/мин, 0.4 ч) приводит к незначительному количеству твердого Cocr8Pc (ε = 1.47•105 л моль-1см-1 для Q-полосы в ЭСП в растворе СH2Cl2) и спектру 4 для раствора с полосами при 614, 674 и 750 нм (см. рис. 3). Аналогичная картина характерна и для Cocr8Pс в 0.018 М водном растворе СТАВ. Соединение H2cr8Pc также растворяется в водной среде в присутствии CTAB. На рисунке 5 приведены спектры поглощения для H2cr8Pc и Cocr8Pc в 8.6•10-3 M водном растворе CTAB с максимумами при 625 и 614 нм соответственно.

Рисунок 5. Спектры поглощения CTAB (1), Cocr8Pc/CTAB (2) и H2cr8Pc/CTAB (3). Концентрации Cocr8Pc, H2cr8Pc и CTAB равны 1.25•10-5, 9•10-6 и 8.6•10-3 М соответственно.

Введение KCl (0.055 М) в раствор Cocr8Pc с концентрацией CTAB порядка 8.6•10-3 М приводит к появлению поглощения гетероядерного димера Cocr8Pc/K+ с максимумом при 632 нм (рис. 6, спектр 2).

Рисунок 6. Спектры поглощения Cocr8Pc в водном растворе:
1 – 8.6•10-3 М СTAB; 2 – 1•10-3 М СТАВ + 4.2•10-3 М KCl (для 1 и 2 [Cocr8Pc] = 1.25•10-5 М); 3 – 5.5•10-2 M KCl ([Cocr8Pc] = 1.3•10-5 М).

Спектр поглощения тетра(бензо-15-краун-5)фталоцианината кобальта (Cocr4Pc), в дихлорметане, в котором присутствует интенсивный π-π * переход при 680 нм (ε = 0.72•105 л моль-1см-1) со спутником более низкой интенсивности со стороны меньших длин волн (Q-полоса) и второй, интенсивный и более широкий, π-π * переход в ближней УФ-области (полоса Соре), типичен для ФЦ, находящегося в растворе в виде мономера (рис. 7, спектр 1), что свидетельствует о гидрофобном механизме взаимодействия молекул слабо полярного растворителя (значение εо для СН2Cl2 составляет 8.9) и ФЦ. Полуширина Q-полосы равна ~ 600 см-1. В интервале концентраций 2.5•10-6 – 2.5•10-5 М для растворов Cocr4Pс не наблюдается отклонения от закона Бугера-Ламберта-Бера. Как и в случае Cocr8Pc, СТАВ при соотношении СТАВ : Pc = (20÷40):1 не влияет на характер спектра Cocr4Pc (1.35•10-5 М) в растворе СН2Cl2, то есть эффект поляризации среды при таких концентрациях тетраалкиламмонийной соли и ФЦ не играет заметной роли. В смешанном растворителе, этиловый спирт–дихлорметан {C2H5OH/CH2Cl2 = 1:1 (об.)} спектр Cocr4Pс по сравнению с таковым в CH2Cl2 меняется, и падение интенсивности Q-полосы в области поглощения мономера при 680 нм вместе с её уширением и гипсохромным смещением свидетельствует об агрегации молекул Cocr4Pс и при низких концентрациях ФЦ (рис. 7).

Рисунок 7. Спектры поглощения 0.67х10-5 М Cocr4Pc в CH2Cl2 (1) и смешанном растворителе C2H5OH/CH2Cl2 = 1:1 по объему (2).

Введение в этот раствор СТАВ не оказывает влияния на степень агрегации соединения (рис. 8), обусловленной изменением полярности среды (εо для СН2Cl2 и С2Н5ОН равна 8.9 и 24 соответственно). Отметим, что Cocr4Pc плохо растворяется в водном 8.6•10-3 М CTAB и находится преимущественно в виде суспензии.

Иная картина наблюдается при растворении краун-содержащих ФЦ с участием анионного ПАВ – додецилсульфата натрия (SDS).

Рисунок 8. Спектры поглощения: (1) 0.67•10-5 М Cocr4Pc в CH2Cl2;
(2-5) - 0.67•10-5 М Cocr4Pc в смешанном растворителе
CH2Cl2/C2H5OH = 1:1 по объему без СТАВ и после добавления
СТАВ (8•10-3 М) во времени.

Иная картина наблюдается при растворении краун-содержащих ФЦ с участием анионного ПАВ – додецилсульфата натрия (SDS).

Отметим, что диаметр иона Na+ (1.9 Å) соответствует диаметру полости 15-членного бензо-15-краун-5 (1.7-2.2 Å). В водной среде при концентрации SDS, близкой к ККМ, Cocr4Pc присутствует в виде смеси мономерной и димерной форм, причем доля последней является значительной (рис. 9, спектр 1), а при концентрации SDS ~ 0.1 М (то есть >> ККМ) – в «чистой» мономерной форме (спектр 2). Отметим, что в этом случае параметры спектра близки к спектральным характеристикам Cocr4Pc в дихлорметане (спектр 4).

Рисунок 9. Спектры поглощения Cocr4Pc в водных растворах 0.01 М (1) и 0.085 М (2) SDS, в водном 0.0086 М растворе CTAB (3) и дихлорметане (4).

При сравнении поведения H2cr8Pc и Cocr4Pc в водной среде в присутствии SDS также видно их отличие, свидетельствующее о роли восьми краун-групп в ФЦ. Так, в микрогетерогенной среде – водном растворе SDS – окта-(бензо-15-краун-5)фталоцианин, H2cr8Pc, при концентрациях SDS ≈ ККМ находится в мономерной форме (рис. 10, спектр 3), а при концентрации SDS < ККМ – преимущественно в димерной (спектр 2).

Рисунок 10. Спектры поглощения Cocr4Спектры поглощения H2cr8Pc в дихлорметане (1) и водных растворов H2cr8Pc в присутствии SDS (2 и 3): 1 – [H2cr8Pc] = 5.5x10-6 М; 2 – [H2cr8Pc] = 3.66x10-5 M, [SDS] = 1.7x10-3 M; 3 - [H2cr8Pc] = 1.1x10-5 M, [SDS] =0.01 M. Кварцевые кюветы 1.0 и 0.2 см для 1 и 2 (3) соответственно.

Из приведенных данных следует, что присутствие ПАВ – уникальных диспергирующих реагентов [13], способных адсорбироваться на границе раздела фаз – приводит к понижению поверхностного потенциала между кристаллическим ФЦ и раствором и способствует солюбилизации (растворению) краун-содержащих ФЦ в водной среде.

Анализ поведения краун-содержащих ФЦ в водной среде проведен и в присутствии анионного полиэлектролита – натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы (Na-CMC), водорастворимого биополимера широкого применения с гидрофильно-гидрофобными свойствами. Для Na-CMC характерны суспендирующие, стабилизирующие, пленкообразующие и др. свойства, что позволяет ожидать ее участия в создании, подобно ПАВ, микрогетерогенного окружения вокруг молекул ФЦ. Согласно спектрам поглощения для соединения Cocr8Pc в 0.64% водном растворе Na-CMC (~5•10-2 М, считая на формульную единицу при х = 1) формируется раствор, в котором присутствуют молекулы ФЦ, в том числе и в виде агрегатов разных типов (см. рис. 11, спектр 1). Соединение H2cr8Pc ведет себя аналогично.

На рисунке 11 представлены также спектральные изменения, сопровождающие добавление твердого KCl к системе Pc/Na-CMC: введение KCl приводит к формированию кофациального димера Cocr8Pc с характерным гипсохромным сдвигом Q-полосы (спектр 2). При комнатной температуре они происходят немедленно, и спектр в дальнейшем не меняется. Отметим, что, как и в случае системы Cocr8Pc-СТАВ, в спектре присутствует полоса при 672 нм для мономера Cocr8Pc (рис. 11). По-видимому, это является результатом гидрофобных взаимодействий при организации молекул Cocr8Pc в присутствии Na-CMC. Тем не менее, исходя из коэффициентов молярного погашения (7.7•104 и 1.47•105 л моль-1см-1 для димера и мономера ФЦ, соответственно), именно кофациальный димер является основной частицей. Благодаря участию Na-CMC может быть получена пленка, модифицированная гетероядерным димером Cocr8Pc/KCl. Как раствор состава Cocr8Pc-KCl-Na-СМС, так и пленка этого композита были стабильны на воздухе.

Рисунок 11. Спектры поглощения систем Cocr8Pc-Na-CMC (1) и Cocr8Pc-Na-CMC - KCl (2) в водном растворе. Концентрация KCl равна 0.42 М.

Обратный порядок введения компонентов - добавление Na-CMC к раствору гетероядерных комплексов ФЦ (Cocr8Pc/KCl) - не приводит к разрушению агрегатов фталоцианина, то есть димер – гетероядерный ионный комплекс типа “сэндвич” [(Cocr8Pc)2/(K+)x] (Cl-)x – в водном растворе в присутствии Na-СМС сохраняется. Это свидетельствует о высоком значении его константы образования, что и обеспечивает растворение окта-краунсодержащих ФЦ в водной среде в присутствии KCl.

Состояние агрегации Cocr8Pc в водном растворе Na-CMC сохраняется и при 0.5 М концентрации NaCl (рис. 12). В отличие от поведения системы Cocr4Pc (Cocr8Pc)/ SDS в воде (см., например, рис. 9), мономерный заряженный комплекс Cocr8Pc/Naх+ в водной среде не образуется ни с участием катионов натрия из Na-СМС, ни при дополнительном введении их в виде NaCl. Таким образом, формирование агрегированных форм краун-содержащих ФЦ в присутствии Na-CMC также свидетельствует, что определяющую роль в форме существования краун-содержащих ФЦ в водной среде играет сочетание соответствия размера катиона солюбилизирующего реагента диаметру полости краун-эфира и наличия гидрофобного окружения ФЦ.

Рисунок 12. Спектры поглощения систем Cocr8Pc-NaCMC (1) и
Cocr8Pc-NaCMC -NaCl (2). Спектры сняты относительно воздуха, растворитель Н2О, кювета 0.2 см.

Электронный спектр поглощения Mgcr8Pc в дихлорметане типичен для мономера металлофталоцианина (рис. 13, кривая 1). Он состоит из ряда полос в УФ- и видимой областях: уширенных N-полосы при 288 нм и полосы Соре при 360 нм, а также интенсивной Q-полосы при 690 нм (ε = 2.09•105л•моль-1см-1) с вибронной полосой при 620 нм. По сравнению с незамещенным металлофталоцианином, Q-полоса для Mgcr8Pc смещена в длинноволновую область [14]. В интервале концентраций 2.5•10-6–2.5•10-5 М для растворов Mgcr8Pc не наблюдается отклонения от закона Бугера–Ламберта–Бера.

Рисунок 13. Спектры поглощения Mgcr8Pc в дихлорметане (1) и смешанном растворителе {C2H5OH/CH2Cl2 = 1:1 (2) и
C2H5OH/CH2Cl2 = 4:1 (3)}.

Интенсивность Q-полосы в области поглощения мономера падает с ростом концентрации спирта при титровании последним раствора Mgcr8Pc в дихлорометане (кривые 2 и 3). Появление максимума при λ = 630 нм (кривая 3) свидетельствует о кофасиальной агрегации макроциклов Pc при повышении полярности среды (повышении донорного числа растворителя) {εо (СH2Cl2) = 8.9 и εо (C2H5OH) = 24.3}). В микрогетерогенной среде Mgcr8Pc при концентрациях SDS, примерно равных ККМ, находится в мономерной форме, а при концентрации ниже ККМ – в димерной и (или) более агрегированных формах (рис. 14).

Рисунок 14. Спектры поглощения Mgcr8Pc в водном растворе SDS (1-5) и растворе CH2Cl2 (6). Концентрации Mgcr8Pc составляют 8.8х10-6 и 7.7•10-6 М в растворах SDS и CH2Cl2 соответственно, концентрации SDS - 0.46х10-3 (1), 1.85•10-3 (2), 5.1•10-3 (3), 6.9•10-3 (4) и 9.7•10-3 М (5). Вставка - Mgcr8Pc – SDS (1) и Mgcr8Pc-СТАВ (2) в водной среде. Концентрации Mgcr8Pc составляют 9.2•10-5 и 1.1•10-4 М (для 1 и 2 соответственно), концентрации SDS и СТАВ – 2.25•10-2 и 8.6•10-3 М соответственно.

Показано, что окта-[(4´-бензо-15-краун-5)-окси]фталоцианины солюбилизируются в водных растворах анионного SDS с образованием мономеров и димеров при концентрации поверхностно-активного вещества (ПАВ), близкой к критической концентрации мицеллообразования и ниже её, соответственно.

Однако в биологических системах логичнее использовать биосовместимые и биоразлагаемые ПАВ, такие как дезоксихолат натрия (SDC, рис. 2) для предотвращения агрегации фталоцианинов [11]. Установлено, что H2cr8Pс растворяется в мицеллярном растворе анионного SDC с сохранением преимущественно агрегированного состояния Pc, в том числе при разбавлении с последующим введением натриевой соли полистиролсульфоновой кислоты (SPSS) (рис. 2) или повышением ионной силы раствора (введение NaCl). Однако замена SPSS на анионный додецилбензолсульфонат натрия (SDBS) приводила к мономеризации H2cr8Pс (рис. 15).

Рисунок 15. Изменение оптической плотности водного раствора H2cr8Pc (7.56•10-6 M) в присутствии SDC, SDBS и NaCl во времени.
1: [SDC] = 5•10-4 M, [SDBS] = 0.014 M; 2: [SDC] = 5•10-4 M,
[SDBS] = 0.054 M; 3: [SDC] = 5•10-4 M, [SDBS] = 0.054 M,
[NaCl] = 0.094 M. Под спектральными кривыми приведено разложение на составляющие с использованием функций Гаусса.

Поведение молекул ФЦ на свету, в том числе и при облучении, используется для изучения их стабильности, поскольку это является важным условием применения в ФДТ. В обычных условиях (комнатная температура, рассеянный видимый свет) водные мицеллярные растворы H2cr8Pc (ФЦ в форме мономера) стабильны на воздухе. Напротив, для мицеллярных систем с участием Mgcr8Pc наблюдается уменьшение оптической плотности раствора (в случае Mgcr8Pc/SPSS/SDC/NaCl до ~50% в течение недели). Аналогично ведет себя Mgcr8Pc, солюбилизированный в виде мономера в растворах других анионных ПАВ – SDS и SDBS. Изменение ЭСП организованной микрогетерогенной системы Mgcr8Pc/SDBS при облучении светом с λ = 578 нм в воде приведено на рисунке 16, а рисунок 17 показывает поведение длинноволновой Q-полосы ряда мицеллярных ФЦ-содержащих растворов во времени. Падение оптической плотности происходит без изменения формы В- и Q-полос относительно исходного раствора, без появления новых полос в этой области и сопровождается ростом поглощения при более коротких длинах волн, то есть наблюдается истинное фотовыцветание раствора ФЦ [15,16]. Оценка квантового выхода фотодеструкции мономера Mgcr8Pc в этих условиях дает величину порядка 4•10-4, то есть, по фотостабильности Mgcr8Pc относится к умеренно стабильным ФЦ [17,18].

Рисунок 16. Изменение ЭСП мицеллярного раствора Mgcr8Pc/SDBS во времени при облучении.

Рисунок 17. Кинетика фотовыцветания растворов Mgcr8Pc/SDS, Mgcr8Pc/SDBS и Н2cr8Pc/SDS.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследовано поведение окта- и тетра-(бензо-15-краун-5)фталоцианинов в водных растворах электролитов в присутствии поверхностно-активных веществ (ПАВ): синтетического (гексадецилтриметиламмоний бромида), додецилсульфата натрия, биосовместимых натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы и дезоксихолата натрия. Взаимодействие СТАВ и краун-содержащих ФЦ обеспечивает растворение H2cr8Pc, Cocr8Pc и в значительно меньшей степени Cocr4Pc с формированием агрегированных форм, в том числе, кофациальных гетероядерных димеров. Наличие металла в макроцикле не является необходимым условием растворения краун-содержащих ФЦ в присутствии ПАВ или KCl. Карбоксиметилцеллюлоза Na-CMC способствует растворению ФЦ и позволяет получать из водных растворов пленки, модифицированные К+/Mcr8Pc. В водном растворе SDS – микрогетерогенной среде – H2cr8Pc при концентрациях SDS ≈ ККМ находится в мономерной форме, а при концентрации SDS < ККМ – в димерной. В аналогичных условиях (среда, содержащая ПАВ) Cocr4Pc существует в мономерной форме при концентрации SDS >> ККМ. На примере H2cr8Pc показано влияние размера катиона солюбилизирующего компонента на форму существования краун-содержащего фталоцианина в водной среде. Установлено, что в обычных условиях (комнатная температура, рассеянный видимый свет, водные мицеллярные растворы) H2cr8Pc (ФЦ в форме мономера) стабилен на воздухе. Напротив, для мицеллярных систем с участием Mgcr8Pc наблюдается уменьшение оптической плотности раствора (в случае Mgcr8Pc/ SPSS/SDC/NaCl до ~50% в течение недели). Аналогично ведет себя Mgcr8Pc, солюбилизированный в виде мономера в растворах других анионных ПАВ – SDS и SDBS. Оценка квантового выхода фотодеструкции мономера Mgcr8Pc в этих условиях дает величину порядка 4•10-4, то есть, по фотостабильности Mgcr8Pc относится к умеренно стабильным Pc.

БЛАГОДАРНОСТИ

Работа выполнена в рамках  Государственного задания 2018 года (темы  № 0090-2017-0024 и 0081-2014-0015),  Программы Президиума РАН № 34  и при частичной поддержке  РФФИ (грант № 18-03-00743).

ЛИТЕРАТУРА

  1. Rechtman, E., Ciulla, T. A., Criswell, M. H., Pollack A., Harris, A. (2002). An update on photodynamic therapy in age-related macular degeneration. Expert Opin. Pharmacother, 3(7), 931-938. DOI
  2. Lukyanets, E. A. (1999). Phthalocyanines as Photosensitizers in the Photodynamic Therapy of Cancer. J. Porphyrins Phthalocyanines, 3(6), 424-433. DOI
  3. Wang, S., Gao, R., Zhou, F., Selke, M. (2004). Nanomaterials and singlet oxygen photosensitizers: potential applications in photodynamic therapy. J. Mater. Chem., 14(4), 487-493. DOI
  4. Zhang, X.F., Xi, Q., Zhao, J. (2010). Fluorescent and triplet state photoactive J-type phthalocyanine nano assemblies: controlled formation and photosensitizing properties. J. Mater. Chem., 20(32), 6726-6733. DOI
  5. Lang, K., Kubat, P., Mosinger, J., Wagnerova, D.M. (1998). Photochemical consequences of porphyrin and phthalocyanine aggregation on nucleoprotein histone. J. Photochem. Photobiol. A: Chem. 119(1), 47-52. DOI
  6. Tsivadze, A. Yu (2004). Supramolecular metal complex systems based on crown-substituted tetrapyrroles. Russ Chem. Rev., 73 (1), 6-25 DOI
  7. Logacheva, N. M., Baulin, V. E., Tsivadze, A. Yu., Basova, T. V., Sheludyakova, L. A. (2008). Synthesis and spectroscopic study of the d-metal complexes with new octa(benzo-15-crown-5)substituted phthalocyanine. Izvestiya Akademii Nauk. Seriya Khimicheskaya, (7), 1439–1447.
  8. Hamuryudan, E. (2006). Synthesis and solution properties of phthalocyanines substituted with four crown ethers. Dyes and Pigments. 68 (2–3), 151-157. DOI
  9. Gordon, A.J., Ford, R.A. (1972). A Handbook of practical data, technique, references. N.Y., London, Sydney, Toronto: Wiley & Sons
  10. Gol’dshleger, N. F. , Kalashnikova, I. P.  Baulin, V. E. , Tsivadze, A. Yu. (2011). Octa- and tetra-(benzo-15-crown-5)phthalocyanines in surfactant-containing solutions. Protection of Metals and Physical Chemistry of Surfaces. 47(4), 471–477. DOI
  11. Gol’dshleger N.F., Lobach, A.S., Gak, V.Yu., Kalashnikova, I.P. Baulin, V.E., Tsivadze, A.Yu. (2014) Magnesium Octa[(4'-Benzo-15-crown_5)oxy]phthalocyaninate in Water Micellar Solutions of Sodium Deoxycholate. Protection of Metals and Physical Chemistry of Surfaces. 50 (5), 496–505. DOI
  12. Ovsyannikova, E. V., Goldshleger N. F., Kurochkina N.M., Baulin, ., V. E. Tsivadze, A. Yu. and Alpatova N. M. (2010). Behavior of Octa(benzo-15-crown-5)substituted Metal Phthalocyanines in Polar Media and their Immobilization on Solid Supports. Macroheterocycles, 3 (2-3), 125-133. DOI
  13. Rosen, M. J.( 2004). Surfactants and Interfacial Phenomena. 3rd ed. Wiley_Int., 444. DOI:10.1002/0471670561.
  14. Goldshleger, N.F., Chernyak, A.V., Kalashnikova, I.P., Baulin, V.E., Tsivadze (2012 ) A.Yu Magnesium Octa(benzo-15-crown-5)phthalocyaninate in the sodium dodecyl sulfate solutions: A study using electron and 1H NMR spectroscopy. Russian Journal of General Chemistry. 82(5), 927-935. DOI
  15. Lastovoy A. P., Avramenko G.V. (2013). Spectral-Luminescent Properties of the Substituted Tetraazachlorins Solubilized in Solutions of Nonionic Surfactants. Macroheterocycles.6 (2), 137-143. DOI
  16. Slota, R., Dyrda, G. (2003). UV Photostability of Metal Phthalocyanines in Organic Solvents // Inorg. Chem., 42 (18), 5743-5750. DOI
  17. Lapkina, L.A., Gorbunova, Y.G., Gil, D.O., Ivanov, V.K., Konstantinov, N.Yu., Tsivadze A.Yu. (2013). Synthesis, spectral properties, cation-induced dimerization and photochemical stability of tetra-(15-crown-5)-phthalocyaninato indium(III). J. Porphyrins Phthalocyanines, 17 (6-7), 564-572. DOI
  18. Komissarov, A. N., Makarov, D. A., Yuzhakova, O. A., Savvina, L. P. , Kuznetsova, N. A., Kaliya, O. L., Lukyanets, E. А., Negrimovsky V. M. (2012). Synthesis and Some Properties of Phosphonomethyl Substituted Phthalocyanines. Macroheterocycles, 5 (2) 169-174. DOI