Группа "Синтез и исследование супрамолекулярных порфиринсодержащих систем"
В рамках темы научно-исследовательских работ проводятся исследования химических свойств и химических превращений порфиринсодержащих макрогетероциклических соединений и создание на основе полученных результатов перспективных материалов с заданными ионно-обменными, координационными и каталитическими свойствами.
Порфирины и их металлокомплексы, обладающие многообразными и уникальными свойствами, могут выступать в качестве наиболее оптимальной основы для создания новых супрамолекулярных систем, обладающих заданными свойствами. По сравнению с другими классами соединений тетрапиррольный макрогетероцикл, наряду с интересными хромофорными свойствами, дает возможность для широкой химической модификации с целью введения необходимых реакционных центров, число, природу и ориентацию которых можно изменять, регулируя тип и силу взаимодействий (координационные, электростатические, водородные, ван-дер-ваальсовые, донорно-акцепторные и т.д.).
Оригинальным направлением создания новых функциональных материалов, потенциально интересных для использования в технологиях живых систем, является создание “гибридных” полимер-порфириновых иммобилизатов типа природный полимер – синтетический порфирин и природный порфирин – синтетический полимер. Получение таких “гибридов” в настоящее время исчерпывается лишь единичными примерами, а сами они остаются практически не изученными.
Группа "Электрохимические и электрокаталитические свойства порфиринов, металлопорфиринов и других металлсодержащих соединений"
Для решения задачи по установлению взаимосвязи химических свойств и реакционной способности порфиринов (металлопорфиринов), определяемых их структурными особенностями, весьма важным представляется использование сочетания спектральных (электронная, флуоресцентная) и электрохимических (циклическая вольтамперометрия, вольтовы разности потенциалов, вращающийся дисковый электрод, электродный импеданс и другие) методов исследования.
Использование каждого из перечисленных методов при исследовании порфиринов и их комплексов с металлами определяется задачами, стоящими перед исследователем. Круг решаемых при этом вопросов может быть следующим.
1. Изучение окислительно-восстановительных свойств изучаемых соединений, определение электрохимических констант (потенциал полуволны, редокс-потенциал). При этом в условиях протекания электрохимических реакций при поляризации электрода могут происходить изменения электронного строения порфиринов и их металлокомплексов и донорно-акцепторных свойств этих соединений. Главное здесь то, что в зависимости от строения изучаемых соединений в окислительно-восстановительных процессах могут принимать участие как органический лиганд, так и центральный ион-комплексообразователя.
2. Кинетика и механизм электрохимических процессов, и, в частности, реальные электрохимические характеристики пористых катодов. Порфирины и металлопорфирины являются электроактивными веществами, имеющими характерные потенциалы восстановления, а их катион- и анион-радикалы обладают высокой устойчивостью. Поэтому порфиринов и их производных целесообразно использовать в реакциях, протекающих в низкотемпературных топливных элементах (химических источниках тока с высокими удельными характеристиками, т.е. большими запасами энергии на единицу веса или объема). В этом плане актуальной задачей является создание катодов, активированных комплексами порфиринов с металлами. Основная цель проводимых исследований – установление взаимосвязи строения и электрокаталитической активности порфиринов и металлопорфиринов при определении наиболее перспективных направлений создания высокоэффективных промышленных источников тока.
Основная тема НИР лаборатории:
«Синтез, химическая модификация и реакционная способность макрогетероциклических соединений для создания новых веществ и материалов с практически полезными свойствами»
Основные результаты исследований:
- Методами UV-VIS-спектрофотометрии, потенциометрии, ДСК, гравиметрии, атомно-силовой и поляризационной микроскопии (ПМ) исследованы процессы формирования, строение и свойства рН-селекивной триацетилцеллюлозной мембраны, допированной J-агрегатами 5,10,15,20-тетракис(4-сульфофенил)порфина и обладающей способностью обратимого оптического рН-отклика. Полученные результаты могут быть использованы для разработки хемосенсорных материалов для оптодов.
- В результате исследования условий ионной самосборки J-агрегатов тетрасульфофенилпорфирина, разработаны методики и впервые получены оптически прозрачная пленка, которая имеет упорядоченную волокнистую структуру и отдельные волокна из J-агрегатов диметром около 1 мкм. Пленки и волокна на основе J-агрегатов 5,10,15,20-тетракис(4-сульфофенил)порфина могу быть использованы для создания наноструктурированных оптических, хемосенсорных и полупроводник материалов.
- Впервые методами компьютерной химии (DFT/B3LYP, PM3) исследовано строение супрамолекулярных полимеров, образующихся в результате ионной самосборки цвиттерионов мезо-сульфофенилпорфиринов, приводящей к образованию J-агрегатов. Показано, что молекулярное самораспознавание и самосборка J-агрегатов основаны на кулоновском взаимодействии двух сульфонатных атомов кислорода с кольцевым зарядом дипротонированной порфириновой платформы, водородном связывании с NH-группами в двух сайтах 1,3-альтетрната макроцикла, а также на π-π взаимодействии. Полученные данные позволяют объяснить причины формировании порфириновых нанотрубок из J-агрегатов мезо-тетрасульфофенилпорфирина.
- Выполнены синтез и изучение спектральных свойств новых 5,15-дифенил-октаалкилпорфирината марганца(III), хрома(III) и железа(III). Спектрофотометрически исследован процесс межмолекулярного взаимодействия синтезированных соединений с азотсодержащими органическими основаниями. Определены состав и величины констант устойчивости образующихся молекулярных комплексов. Показано влияние природы металла, порфиринового макрогетероцикла и органического основания на устойчивость молекулярных комплексов. Результаты исследования реакционной способности порфиринатов высокозарядных металлов могут быть использованы для создания управляемых комплексных макрогетероциклических систем, как основы эффективных каталитических систем, фотопреобразующих устройств, молекулярных выключателей и т.д.
- Спектрофотометрически изучена реакция взаимодействия 5,15-дифенил-2,8,12,18-тетраметил-3,7,13,17-тетрабутилпорфиринатов марганца и железа с перекисью дикумола в бензоле. Исследования показали, что в ходе реакции образуется стерически напряженный интермедиат, разрушающийся до бесцветных продуктов. Изучен механизм и определены кинетические характеристики данного процесса. Показано, что присутствие имидазола в составе реагентов приводит к изменению скорости реакции. Полученные результаты представляют интерес для создания моделей биологических процессов и асимметричного окисления органических соединений различной природы в мягких условиях.
- На основе разработанных новых эффективных методов синтеза мезо-арилзамещенных дипиррометанов и 10-арилзамещенных биладиен-а,с дигидпробромидов синтезированы каликс[4]арен-бис[транс-дихлорид b-октаалкилпорфиринат олова (IV)] и каликс[4]арен-бис[транс-дигидрокси b-октаалкилпорфиринат олова (IV)]. За счёт наличия как «внешних», так и «внутренних» гидроксигрупп, второе соединение обладает как рецепторными свойствами по отношению к малым органическим молекулам, таким как щавелевая кислота и пирокатехин, так и способностью к самосборке с порфиринатами других металлов (Ru(II), Zn(II)) через полифункциональные лиганды в порфириновые ассоциаты, обладающих свойствами молекулярных функциональных устройств.
- Спектрофотометрическим методом изучена кинетика восстановления тетрасульфофталоцианина и октасульфофенилтетрапиразинопорфиразина кобальта аскорбиновой кислотой. Определены кинетические и активационные параметры реакций восстановления. Показано, что реакция тетрасульфофталоцианина с аскорбиновой кислотой протекает только в щелочных средах. Установлено, что, в отличие от тетрасульфофталоцианина, октасульфофенилтетрапиразинопорфиразин кобальта легко восстанавливается аскорбиновой кислотой в нейтральных и слабокислых средах. Показано, что данные различия обусловлены сильными электроноакцепторными свойствами порфиразинового лиганда.
- Определены кинетические параметры реакций азапорфиринов кобальта и железа с моносахаридами. Показано, что восстановление металлофталоцианинов протекает только в сильнощелочных средах. Установлена последовательность уменьшения восстановительной активности моносахаридов: ксилоза > фруктоза > рибоза > глюкоза. Показано, что фактором, определяющим восстановительную активность моносахаридов в водном растворе, является содержание фуранозной и открытой форм.
- Изучена кинетика реакции нитрита с восстановленными формами металлоазапорфиринов. Показано, что, как и в случае процессов восстановления этих металлокомплексов, кинетика реакций с участием нитрита описывается уравнением Михаэлиса-Ментен, при этом каталитический цикл в присутствии октасульфофенилтетрапиразинопорфиразина кобальта включает две стадии – восстановление комплекса и взаимодействие восстановленного комплекса с нитритом.
- Осуществлен синтез ряда новых мета- и пара-алкоксизамещенные тетрафенилпорфина. Индивидуальность соединений установлена с привлечением элементного анализа, ИК-, 1Н ЯМР и электронной спектроскопии. Методами оптической поляризационной микроскопии и дифференциальной сканирующей калориметрии исследованы мезоморфные свойства синтезированных соединений. Установлено, что семь соединений – мезоморфны, а четыре соединения обладают лиотропным мезоморфизмом в системах с хлороформом, толуолом и ДМФА.
- С целью создания новых функциональных материалов произведена модификация поверхности полипропиленовых пленок действием водным раствором щелочи. Установлено, что химическая активация ПП приводит к образованию на поверхности пленки первичных спиртовых групп, а также глобулярных структур, формирующихся за счет повышения содержания в материале поперечных связей. Образовавшиеся на поверхности полипропилена функциональные кислородсодержащие группы были использованы как реакционные центры для иммобилизации порфирината серебра, ионов серебра (I) и меди (II). Полученные материалы обладают бактерицидной активностью в отношении патогенных микроорганизмов
- С целью раскрытия механизма инициирования радикальной полимеризации виниловых мономеров с участием тетрапиррольных соединений были изучены особенности взаимодействия цинкового комплекса тетрафенилпорфирина с пероксидом бензоила в хлороформе методом ЯМР. Установлено, что металлокомплекс подвергается глубокому окислению с образованием специфической изопорфириновой формы.
- Для модельных систем мезоморфный компонент-полярный немезоген методом DFT B3LYP6-311 получены оптимизированные структуры супермолекул и их термодинамические параметры, а также спектральные (ИК и ЯМР) характеристики. Изучены диэлектрические и ориентационные характеристики смешанных анизотропных композиций.
- Создан автоматизированный аппаратно-програмный электрометрический комплекс для проведения электрохимических исследований методами циклической и импульсной вольтамперометрии на стационарном и вращающемся дисковом электроде.
- Методом спектроскопии электрохимического импеданса исследованы свойства межфазной границы углеграфитового электрода (УГЭ), модифицированного тетракис(4-метоксифенил)порфином и его комплексами с Co(II) и Co(III) в щелочной среде. В рамках модели импеданса Варбурга с ограниченной толщиной диффузионного слоя рассчитаны сопротивление диффузионному переносу и характеристическое время диффузионного переноса заряда в широком интервале поляризующих потенциалов.
- На основе интерпретации данных спектроскопии электрохимического импеданса в условиях наложения частот в диапазоне 10-2 – 107 Гц показано, что в растворах 2,3,7,8,12,13,17,18-октаэтилпорфина и его комплексов с цинком (ZnOEP) и медью (CuOEP) в осушенном этаноле на платиновом электроде происходит наложение частотных диапазонов электрохимической стадии переноса заряда и объемной релаксации раствора. Рассчитанная величина точки смещения потенциала нулевого заряда электрода соответствует ряду каталитической активности Н2ОЕР<CuОЕР<ZnОЕР в реакции восстановления дикислорода в щелочной среде.
- Методом циклической вольтамперометрии и вращающегося дискового электрода исследованы электрохимические и электрокаталитические свойства тетракис(4-метоксифенил)порфина и его комплексов с Со(II) и Со(III) в щелочном растворе.
- Рассчитаны значения стационарной константы скорости электрохимической реакции восстановления молекулярного кислорода k0•(Н2Т(р-МеОРh)Р)=0,166•10-3 м/с, k0•(СоIIТ(р-МеОРh)Р) =0,315•10-3 м/с, k0•(CoIIIСl(Т(р-МеОРh)Р))=0,504•10-3 м/с. Значения этих констант увеличиваются в ряду•(Н2Т(р-МеОРh)Р < СоIIТ(р-МеОРh)Р < CoIIIСl(Т(р-МеОРh)Р). Аналогичная последовательность имеет место при сравнении величин «потенциала полуволны» восстановления кислорода в щелочной среде. При использовании электродов, активированных кобальтовыми комплексами тетракис(4'-метоксифенил)порфина, процесс электровосстановления дикислорода лимитируется стадией диффузии и стадией непосредственно электрохимической реакции восстановления кислорода на электроде.
- Методом циклической вольтамперометрии в области поляризующих потенциалов от -1.7 до +0.5 В проведены исследования электрохимических свойств тетракис(4'-хлорфенил)порфина и тетракис(4'-метилфенил)порфина в диметилформамиде в атмосфере инертного газа. Для тетракис(4'-хлорфенил)порфина и тетракис(4'-метилфенил)порфина наблюдаются два процесса, соответствующие восстановлению органической части молекулы с присоединением первого электрона и образованием моноанионной формы (E1/2= -1.00 В, E1/2= -1.13 В) и присоединением второго электрона и образованием дианионной формы (E1/2= -1.45 В, E1/2= -1.55 В), соответственно.
- В рамках феноменологического подхода установлена аналитическая зависимость, описывающая ионный массоперенос к фрактально неоднородному, вследствие модификации его поверхности макрогетероциклическими соединениями, вращающемуся дисковому электроду в условиях смешанного диффузионно-кинетического контроля. Предложен метод определения тока электрохимической реакции, фрактальной размерности поверхности и коэффициента диффузии реагирующих частиц.
Основные результаты исследований, полученные в 2022 году:
- С целью дальнейшей химической модификации синтезирован, очищены и охарактеризованы 5,15-дибромфенилзамещенные порфирины и их цинковые комплексы. Проведено исследование реакции арилирования цинковых комплексов порфиринов 5,15-дибромфенилзамещенных порфиринов при различных каталитических условиях и получены дифенилзамещенные порфирины, имеющие на периверии молекулы остатки малых гетероциклических молекул - 1,3,7-триметилксантана, бензотиазола, бензоксазола и N-метилбензимидазола. Показано, что каталитическая система Pd(OAc)2/Cu(OAc)2/PPh3 - наиболее эффективна и применима к различным парам реагентов. Более успешное арилирование производных пара-бромфенил- по сравнению с мета-бромфенил- замещёнными порфиринами обусловлено большей реакционной способностью галогена в этих соединениях. В большинстве соединений бензоксазол и N-метилбензимидазол демонстрируют преимущество перед бензотиазолом. Однако следует отметить высокие выходы 1,3,7-триметилксантиновых соединений, что вероятно связано с их лучшей координацией с ионом меди за счёт большого наличия атомов азота.
- В рамках химического аспекта моделирования редокс-центров окислительных ферментов проведено исследование субстратной специфичности и перокидазной активности моно-фенилзамещенного порфирината цинка, содержащего ксантиновый фрагмент, по отношению к биологически активным субстратам и органическим пероксидам. Изучение субстратной специфичности 5-[3-(1,3,7-триметиксант-2-ил)фенил]-2,3,7,8,12,18-гексаметил-13,17-ди-н-амилпорфиринатом цинка ZnPXant было выполнено на примере образования молекулярных комплексов цинкпорфирина с широким рядом биологически активными субстратами – азотсодержащих оснований. Определены константы равновесных процессов. Показано влияние строения органического основания на устойчивость молекулярного комплекса. Изучен процесс активации трет-бутилпероксида и трет-бутилгидропероксида ZnPXant в ряде органических растворителей. Показано, что выбор условий активации пероксидов является важным фактором, определяющим тип реакционноспособных интермедиатов. Установлено, что природа макроцикла, растворителя и пероксида влияет на генерирование дикатиона. Получены кинетические характеристики и предложен возможный механизм исследуемых реакций. Показана каталитическая активность исследуемого порфирината цинка ZnPXant при окислении метиленового голубого трет-бутилгидропероксидом.
- Установлено, что при взаимодействии коллоидных наночастиц золота, стабилизированных цитратом, с металлокомплексами тетраметилпиридилпорфирина образуются гибридные наноконьюгаты постоянного состава. Комплексообразование между металлопорфирином и наночастицей Au/Cit довольно сильное и его можно достичь в относительно разбавленных растворах. Прочность и состав коньюгатов зависит от положения заместителей на периферии макроцикла, а также от типа аксиальных лигандов на центральном ионе металла. Связывание металлопорфириновых ФС с наночастицами золота существенно влияет на оптический отклик обоих компонентов, что приводит к снижению интенсивности флуоресценции и способности к генерации синглетного кислорода порфиринового ФС в составе гибридных коньюгатов по сравнению с несвязанным ФС, что является важным фактором при создании систем, обеспечивающих безопасную доставку терапевтических агентов к месту их функционирования в организме.
- Синтезированы комплексы катионного Sn(IV)-(5,10,15,20-тетра(4-метилпиридин)порфиринасимидазолфенолом (L1)и дигидроксипиридином (L2). Изучены процессы самосборки полученных комплексов с катионными порфиринатами кобальта CoР. Установлено, что основными продуктами самосборки являются тримерыпорфиринат кобальта-порфиринат олова-порфиринат кобальта. Исследованы люминесцентные свойства синтезированных комплексов порфиринатов Sn(IV) и тримеров на их основе. Установлено, что введение в аксиальные положения 5,10,15,20-тетра(4-метилпиридин)порфирината тектоновых мостиков L1 и L2 приводит к тушению флуоресценции на 16% и 12%, соответственно. При этом фотосенсибилизационные свойства соединения остаются высокими.Установлено, что координация на имидазольных и пиридиниевых фрагментахкомплекса катионного порфирината олова двух фрагментов порфирината кобальта существенного влияния на фотофизические свойства Sn-порфиринового фрагмента не оказывает. Вероятно, в исследованных триадах, в водных средах фотоиндуцированный перенос энергии между молекулярными фрагментами отсутствует.
- Спектрофотометрическим методом и методом динамического рассеивания света изучены процессы локализации одиночных порфиринатов и их ансамблей в гидрофобные области сферических мицелл [анионных ПАВ (додецилбензолсульфонати додецилсульфат натрия) и неионных ПАВ (сапонинов)]. Установлено, что гидрофобная среда, в которой оказываются порфиринаты и их ансамбли в мицеллах, оказывает более заметное,по сравнению с водной средой, влияние на их фотофизические свойства. В частности показано, что если самосборка исследованных порфиринатов Sn(IV) и Со(II) в водных средахпрактически не приводит к тушению флуоресценции образующихся ансамблей, то в составе сапониновых мицелл, тушение их флуоресценции при самосборке достигает почти 50%.
- Осуществлён направленный синтез несимметрично замещённых порфиринов – производных тетрафенилпорфина (5-(4’-аминофенил)-10,15,20-трифенилпорфина H2P1, 5-(4’-тирозинил-амидофенил)-10,15,20-трифенилпорфина H2P2, 5-(4’-N-третбутоксикарбонил-тирозинил-амидофенил)-10,15,20-трифенилпорфина H2P3, 5-(4’-глицинациламино-фенил)-10,15,20-трифенилпорфина H2P4, 5-(4’-N-третбутокси-карбонил-глицинаминофенил)-10,15,20-трифенилпорфина H2P5, 5-(4’-N,O-ди-третбутокси-карбонилтирозинил-амидофенил)-10,15,20-трифенилпорфина H2P6, 5-(4’-тирозиниламидофенил)-10,15,20-тритолилпорфина H2P7), содержащих в качестве функциональной группы аминокислотные остатки, которые могут быть использованы в качестве «якорных» групп, для встраивания в структуру белковой молекулы. При многостадийном синтезе были применены как известные литературные методики, так и собственные оригинальные разработки, позволяющие получить целевые продукты с большим выходом. Полученные соединения охарактеризованы комплексом спектральных методов, подтверждающих их строение и чистоту. Несимметричная архитектура замещения способствовала стабилизации дважды депротонированных форм, что позволило выделить и спектрально охарактеризовать дважды депротонированные формы синтезированных лигандов в системе ДМСО – КОН[222], рН- интервалы их существования и определить соответствующие константы кислотной диссоциации (298К). Образование дважды депротонированных форм сопровождалось сильными батохромными сдвигами в ЭСП (~27нм), что делает возможным быстро тестировать изменения рН-среды по цветовым реакциям. Электроно-донорная природа растворителя жидкофазной системы ДМСО – КОН[222] привела к нивелированию процессов депротонирования H2P1-H2P5. Выявлено, что в системе ДМСО – КОН[222], 298К интервал pH доминирования дважды депротонированной формы зависит от природы заместителя в пара-положении на периферии фенильного фрагмента порфиринового кольца: электронодонорные заместители расширяют интервал pH доминирования порфирина в форме дианиона (один порядок по рН в случае H2P1, H2P2 H2P3), электроноакцепторные заместители уменьшают (четверть порядка по рН в случае H2P4,H2P5). Скорость образования цинковых комплексов для H2P1 и замещенных « глицинового ряда» H2P4, H2P5 в ацетонитриле практически совпадает с рядом устойчивости этих соединений в системе ацетонитриле-хлорная кислота. Скорость образования цинковых комплексов H2P1 и лигандов «тирозинового ряда» H2P2, H2P3, H2P6, H2P7 изменялась в ряду ZnР1< ZnP2< ZnP3< ZnP6< ZnP7. Данные расчетов показали, что теоретически протонирование изученных лигандов может протекать как по внутрициклическим атомам азота макроцикла, так и по заместителям, содержащим центры локализации неподелённых электронных пар на ядрах азота, однако наиболее энергетически выгодными являются формы, протонированные по положениям внутрициклических атомов азота, что согласуется с экспериметом. Квантово-химические расчеты протонированных структур лигандов позволили определить H2P7 как наиболее основное соединение, с наилучшими комплексообразующими свойствами, что хорошо согласуется с данными эксперимента. Поставленные задачи НИР выполнены полностью. Полученные результаты полезны для более полного понимания особенностей процессов переноса протонов с участием порфиринов в природных системах. Это позволяет расширить фундаментальные представления о функционировании биопорфиринов in vivo и на основе этого моделировать биохимические процессы с участием порфиринов в сложном многокомпонентном донорно-акцепторном окружении.
- Электрохимическими методами получены полупроводниковые пленочные материалы на основе 5,15-ди(4-аминофенил)-10,20-дифенилпорфирина и 10,15-три(4-аминофенил)-20-фенилпорфирина методом супероксид-инициированного электрохимического осаждения в растворах ДМСО и методом прямого электрохимического окисления в дихлорметане. Полученные материалы протестированы в реакциях восстановления кислорода и углекислого газа.
Сотрудничество:
- Ивановский Государственный химико-технологический университет
- Бабеш-Больяй Университет (г. Клуж-Напока, Румыния)