Изучение синергии плазмонных структур, аффинных элементов и фотосенсибилизаторов с целью создания электросенсоров на фармацевтические препаратыНИР

Synergy of plasmonic structures, affinity elements and photosensitizers for electrosensing of pharmaceuticals

Соисполнители НИР

University of Antwerp Координатор
Iuliu Haţieganu University of Medicine and Pharmacy Соисполнитель

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 февраля 2018 г.-1 февраля 2019 г. Изучение синергии плазмонных структур, аффинных элементов и фотосенсибилизаторов с целью создания электросенсоров на фармацевтические препараты
Результаты этапа: 1. Разработаны селективные методы синтеза 3-(этилтио)фенил-замещенных фталоцианинатов лантанидов с использованием двух подходов: темплатного синтеза на основе замещенного о-фталонитрила и двухстадийный подход на основе фталоцианинового лиганда. На основе комплекса лютеция получены гибридные наночастицы золота, обладающие нелинейнооптическими свойствами третьего порядка. 2. Разработаны селективные и эффективные (выходы вплоть до 98%) подходы к синтезу неописанных ранее галогензамещенных, монофталоцианиновых комплексов лантанидов (III) на основе темплатного метода и исходя из фталоцианинового лиганда. Показано, что использование микроволнового излучения для активации процесса макроциклизации позволяет уменьшить время протекания реакции с 4 ч до 8 мин по сравнению с термической активацией. Получены гибридные наночастицы на основе гексадекахлорзамещенных фталоцианинатов лантанидов и наночастиц Au диаметром 20 и 30нм. 3. Разработан эффективный подход к синтезу новых фенилзамещенных тетрапиразинопорфиразиновых комплексов лантанидов на основе темплатного метода (выходы вплоть до 75%), с использованием гидрохинона как среды протекания реакции и восстановителя, активирующего сборку макрокольца. Показано, что для активации процесса макроциклизации может быть использовано как термическое, так и микроволновое воздействие. 4. Исходя из полученного ранее монофталоцианина А3В типа синтезирован димер 2 по разработанной методике в мягких условиях (комнатная температура) и с высоким выходом (85-89%). 5. Для синтеза четырёхпалубных комплексов на основе лиганда clamshell-типа и соответствующего монофталоцианина лантанида(III), была адоптирована ранее разработанная нами стратегия для селективного получения различных гетеролептических производных фталоцианина. 6. Одним из направлений работы по данному проекту было получение трет-бутилзамещенных фталоцианинов Al, Ga, In. Показано, что синтезированные соеинения обладают высокими квантовыми выходами и зависят от природы экстралигандов. 7. Совместно с Бельгийскими коллегами приступили к испытаниям синтезированных фталоцианиновых комплексов с целью поиска наиболее эффективных фотосенсибилизаторов и композиционных наноматериалов, способных проявлять фотокаталитические свойства, а также элементов афинного распознавания: • Отработана методика получения наночастицы золота в водной фазе, переноса наночатиц из водной фазы в органический растворитель, а также синтез наночастиц непосредственно в органической фазе. • Разработана новая методика тестирования фотокаталитической активности синтезированных фталоцианинов и их аналогов в метаноле путем амперометрического измерения в присутствии модельного донора электронов (гидрохинона). Исследовано влияние рабочих параметров (потенциал рабочего электрода, концентрация активных компонентов, толщина слоя раствора фталоцианина над электродом) на измеряемый сигнал. • Обнаружено, что димерный A3B гидрокси фталоцианин алюминия имеет более чем в два раза выше фотокаталитическую активность по сравнению с мономерным комплексом при одинаковой концентрации растворов. • Протестированы три субфталоцианина с различными заместителями (нитро-, фенокси-, трет-бутил-), среди которых наиболее перспективным оказался субфталоцианин с фенокси-группами.
2 1 февраля 2019 г.-1 февраля 2020 г. Изучение синергии плазмонных структур, аффинных элементов и фотосенсибилизаторов с целью создания электросенсоров на фармацевтические препараты
Результаты этапа: Поставленные в рамках Проекта задачи решались с применением широкого круга методов и подходов, прежде всего, синтетических, физико-химических (идентификация, исследование свойств), теоретических (прогнозирование свойств и практических приложений). Синтез предшественников макроциклических соединений осуществлялся с применением классического набора синтетических методов органической химии по известным или ранее разработанным и/или оптимизированным нами методикам. Для синтеза макроциклических производных были использованы классические подходы темплатного и прямого синтеза, в том числе, описанных нами в обзоре (Coord. Chem. Rev., 2016, 319, 110–179, DOI: 10.1016/j.ccr.2016.04.005)). Проектом предусматривалась их возможная оптимизация для получения конкретных, в том числе, функционально замещенных соединений. В частности, были разработаны синтетические подходы к получению бромзамещенных фталоцианинов редкоземельных элементов. Для получения ковалентных коньюгатов были, прежде всего, использованы и оптимизированы реакции этерификации, переэтерификации, описанные нами (Macroheterocycles, 2015, 8, 233–238, DOI: 10.6060/mhc150767p), нуклеофильного замещения (Tetrahedron Lett., 2009, 50, 4848–4850, DOI: 10.1016/j.tetlet.2009.06.048) и др. Создание коньюгатов состава макроцикл-наночастица проводился путем адаптации разработанных нами методов поверхностной модификации (J. Phys. Chem. C, 2016, 120, 1816–1823, DOI: 10.1021/acs.jpcc.5b08804). Оценка степени чистоты получаемых макроциклов, их предшественников, а также новых типов целевых наноразмерных производных, особенно на ключевых синтетических стадиях осуществлялась с привлечением широкого круга современных методов, прежде всего, одно- и двумерных ЯМР экспериментов, рентгеноструктурного анализа, электрохимии и спектроэлектрохимии, которые также помогли в установлении характера внутри- и межмолекулярных взаимодействий, а обнаруженные особенности подсказали пути дальнейших спектральных исследований с целью установления механизмов физико-химических процессов и поиска факторов управления свойствами, имеющими прикладное значение. В частности, исследования редокс свойств получаемых соединений с привлечением электрохимических методик позволили прогнозировать эффективность фотосенсибилизаторов и композиционных наноматериалов, способных проявлять фотокаталитические свойства, а также элементов афинного распознавания. Для решения основной задачи настоящего проекта необходимо было разработать эффективные подходы к синтезу фотосенсибилизаторов (новых функционально-замещенных порфиразинов и фталоцианинов), а также гибридных наноматериалов на их основе. При создании фотоактивных гибридных наноматериалов необходим рациональный подбор пары фотосенсибилизатор – наночастица, включающий в себя теоретическое моделирование и выявление экспериментальных корреляций структура-свойство для лучшего понимания природы возникновения плазмон-индуцированного усиления абсорбции и фотокатализа. Затем полученный материал в композиции с аптамерами, необходимыми для специфического связывания антибиотиков путём аффинного распознавания, был использован для разработки фотоэлектрохимического сенсора. Одной из основных особенностей стратегии фотоэлектрохимического определения является возможность измерения сигнала и фона в одной и той же ячейке параллельно измерению аналитического отклика, то есть в присутствии аналита, путём включения и выключения источника света соответственно. Это позволяет точнее компенсировать фоновый сигнал, делает измерения более надёжными и позволяет проводить эксперимент в условиях изменяющегося фона при минимальных затратах времени на пробоподготовку. Кроме того становится возможным создать сенсор, работающий автономно без пробоподготовки в режиме on-line сбора данных. В конечном итоге сенсор должен иметь предел обнаружения не хуже 1 нмоль*л-1, количественно определять концентрацию антибиотика в воде в диапазоне 1-1000 нмоль*л за время не более 1 мин и подходить для многократных измерений. Кроме этого были использованы и такие методы, как масс-спектрометрия MALDI-TOF/TOF высокого разрешения, ИК- и Рамановская спектроскопия. Спектральные свойства получаемых фталоцианинов были изучены при помощи ЭСП в УФ, видимом и ближнем ИК диапазонах, а также спектрофлуориметрии. Агрегация и тенденция к формированию наночастиц в твердой фазе были изучены при помощи просвечивающей (TEM), сканирующей электронной (SEM, FE-SEM) и атомно-силовой микроскопии (AFM), а в растворе – с привлечением методики динамического светорассеяния (DLS). Стабильность макрокомплексов, а также характер их термической деструкции, определены с использованием термогравиметрии и дифференциальной сканирующей калориметрии. Изучение полупроводниковых свойств и регистрация фотовольтаического отклика пленок, а также композитных составов на основе получаемых соединений проводились с использованием универсальных высокоточных источников - измерителей и осциллографов, для индикации были использованы датчики со световым или звуковым сигналом. Изучение плазмонных эффектов на Au поверхностях осуществлялся при совместном использовании методов ЭСП, флуориметрии, теоретических расчетов. Времена жизни возбужденных состояний определены с использованием метода время-коррелированного счета фотонов. Квантово-химические расчеты выполнены на вычислительном кластере МСЦ РАН на базе процессоров Intel/Linux в среде параллельного программирования MVAPICH с применением комплекса современных программных пакетов для квантовой химии – ПРИРОДА 2012, GAMESS US, Orca, Mopac и др. Были использованы методы DFT, TDDFT, RHF/CIS, TDHF и др. В результате, получены новые данные о количественной взаимосвязи электронного строения изучаемых макрогетероциклов и соответствующих наноразмерных производных и их фотофизическими свойствами. Это позволило прогнозировать возможность практического внедрения наноразмерных комплексов на основе фталоцианинов и родственных макроциклических аналогов различной сложности в качестве активных рабочих компонентов при разработке экспрессного и чувствительного подхода к определению антибиотиков тетрациклинового ряда в воде посредством электрохимических измерений. В целом же новизна полученных физико-химических и теоретических исследований состоит, прежде всего, в их комплексном характере, который обеспечил более глубокий уровень понимания изучаемых свойств и высокий уровень достоверности наблюдаемых корреляций структура-свойство, а следовательно, позволил надежно прогнозировать прикладной потенциал исследуемых объектов при создании эффективных сенсоров для определения фармацевтических препаратов в поверхностных водах. Метод измерения основан на стратегии фотоэлектрохимического определения с использованием плазмонного усиления, аффинного распознавания и новых эффективных фотосенсибилизаторов. Полученные в 2019 году результаты: 1. Разработана эффективная методика синтеза галоген-замещенных субфталоцианинов бора, что позволило получить серию хлор- и фтор-замещенных субфталоцианинов. Стоит отметить, что гексафторзамещенный субфталоцианин получен впервые с высоким выходом (67%). Хлор-замещенные субфталоцианины ранее уже были описаны в литературе [J. Porphyrins Phthalocyanines 3, 453–467 (1999); Electrochimica Acta 255 (2017) 239–247], однако выходы целевых соединений составляли лишь несколько процентов. В частности, додекахлорзамещенный субфталоцианин был получен в высококипящем 1-хлорнафталине и его выделение потребовало использования препаративной ТСХ [J. Porphyrins Phthalocyanines 3, 453–467 (1999)]. Достичь приемлемых выходов гелоген-замещённых субфталоцианинов удалось за счёт проведения реакции в кипящем о-ДХБ. Использование более мягких условий (кипящий п-ксилол) приводило к снижению выходов субфталоцианинов. Схема1. Синтез галоген-замещенных субфталоцианинов бора. Нормированные спектры поглощения галоген-замещенных субфталоцианинов бора, зарегистрированные в C6H6. На фотографии представлены растворы субфталоцианинов при дневном освещении и при освещении УФ лампой (λex=365 нм). Целевые соединения обладают максимумом поглощения в интервале 500-600 нм. Обнаружено, что максимум поглощения Q полосы смещается батохромно в ряду: F6SubPCBCl< F12SubPCBCl~ Cl6SubPCBCl< Cl12SubPCBCl. Таким образом, наблюдаются две основные закономерности: во-первых, максимум поглощения смещается батохромно при переходе от гекса- к додека-замещенным комплексам. Данный эффект наблюдался нами ранее для хлор-замещенных фталоцианиновых комплексов [Macroheterocycles, 2017, 10(4-5) 520-525]. Во-вторых, гипсохромный сдвиг Q полосы наблюдается при переходы от хлор- к фтор-замещенным субфталоцианинам, что объясняется большим отрицательным индуктивным эффектом фтора по сравнению с хлором. Благодаря введению в субфталоцианиновое макрокольцо электроноакцепторных функциональных групп, они более устойчивы к кислороду воздуха, чем исследованные нами ранее арил- и арилокси-замещенные субфталоцианины. Кроме того, максимум поглощения субфталоцианинов находится в видимой области, что соответствует рабочей длине волны зелёного лазера (λ=532 нм). Это позволило успешно использовать данные соединения в качестве фотосенсибилизаторов в реакции окисления гидрохинона до бензохинона с помощью синглетного кислорода. Наилучшие характеристики (величина фототока и квантовый выход генерации синглетного кислорода) проявил гексафтор-замещенный субфталоцианин бора. Важно отметить, что субфталоцианины проявляют фотокатилитическую активность селективно только при облучении зелёным лазером. При облучении красным лазером с рабочей длиной волны 659нм фотокаталитический эффект не проявляется, так как у субфталоцианиновых комплексов поглощение при данной длине волны отсутствует. Таблица. 1. Значения фототока и ΦΔ для различных замещенных субфталоцианинов и образца сравнения, использовавшегося для расчёта ΦΔ (краситель Бенгальский розовый). Субфталоцианин λmax(нм) Q полосы для раствора в CH3OH Поглощение на рабочей длине волны лазера Величина фототока (μA) Квантовый выход генерации синглетного кислорода ΦΔ F6SubPCBCl 550 0.236 -0.683 0.76 F12SubPCBCl 565 0.170 -0.200 0.19 Cl6SubPCBCl 568 0.071 -0.137 не измерялся Cl12SubPCBCl 584 0.015 -0.024 не измерялся t-BuSubPcBCl 565 0.236 -0.462 0.45 PhOSubPcBCl 569 0.245 -0.586 0.67 Бенгальский розовый (образец сравнения) 557 0.249 -0.744 0.80 Результаты данного исследования представлены статье [ChemPhotoChem., 2020, 4, 300–306 doi:10.1002/cptc.201900275] и доложены на конференциях. 2. Получен неописанный ранее 2-нафтил-замещенный нафталоцианиновый комплекс цинка с высоким выходом (87%). Данное соединение обладает интенсивным максимумом поглощения в ближней ИК области, батохромно смещенным на 6 нм, относительно фенил-замещенного нафталоцианинового аналога. Схема 2. Синтез 2-нафтил-замещенного нафталоцианинового комплекса цинка. С использованием методов циклической (ЦВА) и квадратно-волновой (КВВА) вольтамперометрии изучены электрохимические свойства целевого комплекса. Электрохимические исследования проводились для раствора комплекса в о-ДХБ (с=5×10-4 M), а также в о-ДХБ с добавкой пиридина. Для исследуемого соединения в катодной области наблюдается 3 пика восстановления, а в анодной – 2 пика окисления. Важно отметить, что первый пик окисления расщеплён и это расщепление становится более выраженным при регистрации вольтамперограммы в присутствии добавки пиридина, который является дезагрегирующим агентом, за счёт координации по центральному иону цинка. Рис.1. ЦВА и КВВА (на вставке) растворов 2-нафтил-замещенного нафталоцианина цинка. Данное явление расщепления первого пика окисления ранее описано в литературе для фталоцианиновых и нафталоцианиновых комплексов [Inorganic Chemistry, 1987, 26, 548-553; Chemistry – A European Journal, 2004, 10, 6294-6312; ], и, вероятно, оно связано с образованием устойчивых агрегатов одноэлектронно-окисленной и нейтральной форм 2,3-нафталоцианина. Таким образом, расщепление первого пика окисления отвечает редокс переходам мономерной формы нафталоцианина (первый пик) и агрегата (второй пик). Важно отметить, что даже в присутствии добавки пиридина агрегация возможна, так как электрохимический эксперимент проводился при достаточно высокой концентрации нафталоцианинового комплекса (с=5×10-4 M) – выше концентрации, при которой наблюдается отклонение от закона Бугера-Ламберта-Бера (сlim=6×10-5 M). Рассчитано значение E = Eo’Ox1-Eo’Red1, которое коррелирует с разницей энергий ВЗМО и НСМО и соответственно положением максимума Q полосы. Полученное значение E примерно на 0.2 В меньше, чем в случае фталоцианиновых комплексов, что согласуется с батохромным сдвигом Q полосы при переходе от фталоцианинов к 2,3-нафталоцианинам. Показано, что введение 2-нафтильных функциональных групп приводит к смещению первого потенциала окисления в анодную область по сравнению с фенил-замещенным аналогом. Это свидетельствует об усилении электроноакцепторных свойств 2-нафтильных функциональных групп по сравнению с фенильными. Таблица 2. Значения потенциалов окисления-восстановления относительно ферроцена Eo’ (vs Fc+/Fc) в o-ДХБ, содержащем NBu4+PF6 (0.1 M). Соединение Red3 Red2 Red1 Ox1 Ox2 Ox3 ΔE, В 3/o-ДХБ −2.15 −1.97 −1.63 −0.27, −0.18; −0.23[b] +0.53 1.40 3/o-ДХБ+1об% Py −2.15 −1.92 −1.59 −0.22, −0.03 − 1.37 Ph8NcMg [а] −2.31 −1.99 −1.62 −0.29 +0.45 +0.93 1.33 Ph8PcMg [а] − −1.90 −1.52 +0.05 +0.67 − 1.57 [a] Dyes and Pigments, 2012, 93, 1471-1480 [b] – среднее значение между двумя пиками Спектроэлектрохимические исследования проводились для первого и второго пиков окисления. Первый пик окисления является полностью обратимым, для него характерно наличие серии изобестических точек при 348, 445, 733 и 835 нм. При этом по ЭСП наблюдается образование одноэлектронно-оксиленной формы с характерными полосами поглощения при 695 и 845 нм, отвечающими наличию в молекуле нафталоцианинового радикала. Окраска раствора нафталоцианинового комплекса при этом изменяется от оливковой до ярко-зелёной. Вторая волна окисления не является обратимой, так как по данным ЭСП не наблюдается полного восстановления интенсивности исходной формы. Рис. 2. Спектроэлектрохимическое исследование, проведенное для первого и второго потенциалов окисления раствора 2-нафтилзамещенного нафталоцианинового комплекса цинка в о-ДХБ (c  7×10-5): изменение ЭСП в результате первой стадии окисления (Ox1) (А), восстановление характера ЭСП после первой стадии окисления (В), вторая стадия окисления (Ox2), значение величины поглощения при 787 нм в зависимости от значения потенциала в диапазоне, отвечающем Ox1. Результаты данного исследования представлены в статье [New Journal of Chemistry, 2020, DOI: 10.1039/D0NJ00987C] и доложены на конференции. 3. Осуществлен синтез октафтор- и октабром-замещенных фталоцианиновых комплексов лантанидов. Введение во фталоцианиновые комплексы электроноакцепторных групп способствует улучшению нелинейнооптических характеристик целевых соединений, таких как нелинейный коэффициент поглощения и/или сечение поглощения первого возбуждённого состояния, что позволяет рассматривать их как перспективные материалы при создании эффективных сенсоров для определения фармацевтических препаратов в поверхностных водах. Наличие в молекуле тяжелых атомов способствует увеличению заселенности триплетного состояния, что важно для улучшения нелинейнооптического отклика. Новые октабром-замещенные фталоцианины середины и конца ряда лантанидов получены темплатным методом исходя из 4,5–дибромфталонитрила. Исходный фталонитрил 1 синтезирован исходя из 1,2-дибромбензола. Первая стадия синтеза представляла собой йодирование в присутствии окислителя (NaIO3), затем проводилось палладий-катализируемое цианирование. Установлено, что наиболее эффективной системой для проведения цианирования является каталитическая система Pd2(dba)3 и 1,1′-бис(дифенилфосфино)ферроценовый (dppf) лиганд, а цианирующий агент Zn(CN)2. Отмечено, что при увеличении времени протекания реакции вплоть до 72 ч в качестве побочного продукта реакции образовывался октабром-фталоцианинат Pd(II). Темплатный синтез соединений 2a-c проводился в кипящем изоамиловом спирте (i-AmOH), в присутствии 1,8-диазабицикло[5.4.0.]ундец-7-ена (DBU) в качестве основания. Схема 3. Синтез октафтор- и октабром-замещенных фталоцианиновых комплексов лантанидов. В случае фтор-замещенных аналогов условия синтеза, использованные для бром-замещенных комплексов, оказались неэффективны. Это обусловлено нуклеофильным замещением фторов на изоамилатные группы в присутствии основания. Для подтверждения данной гипотезы проведён направленный синтез изоамилокси-замещенного фталоцианината тербия в присутствии изоамилата натрия. Заключительной стадией в процессе сборки фталоцианинового макрокольца является окислительно-восстановительная реакция, сопровождающаяся окислением алкоголята до альдегида, и восстановлением ароматической 18 пи-электронной системы фталоцианина. В связи с этим, для того чтобы направить реакцию по пути синтеза октафтор-замещенных фталоцианиновых комплексов 3 в качестве восстановителя и одновременно среды проведения реакции использовался гидрохинон. Для октабром-замещенных фталоцианиновых комплексов исследованы нелинейнооптические свойства – определены значения нелинейных коэффициентов поглощения. Продемонстрировано наличие у целевых соединений эффекта обратного насыщения поглощения (RSA). Таблица. 3. Нелинейнооптические характеристики октабром-замещенных фталоцианиновых комплексов. Образец Коэффициент линейного поглощения, см-1 Коэффициент нелинейного поглощения, см/ГВт Пороговая интенсивность, МВт/см2 Br8PcEuOAс 2a 0.93 11.45 0.01 Br8PcTbOAс 2b 0.52 8.42 0.014 Br8PcLuOAс 2c 0.41 16.51 166.4 Наибольшее значение коэффициента нелинейного поглощения наблюдалось для комплекса лютеция, что вероятно связано с эффектом тяжёлого атома. По результатам данных исследований подготовлена статья и подан тезис на конференцию Ломоносов 2020, которая перенесена в связи с короновирусом на осень 2020 г. 4. Проведен синтез неописанных ранее арил-замещенных тетрапиразинопорфиразиновых комплексов лютеция. В рамках проекта синтезированы 4-метоксифенил- (MeOPh8PyPzLuOAc) и 4-трет-бутилфенилзамещенные (tBuPh8PyPzLuOAc) пиразинопорфиразины лютеция в несколько стадий, исходя из коммерчески доступных 1,2-дикетонов. Стадия формирования литиевых комплексов проводилась в расплаве гидрохинона, который являлся одновременно и средой протекания реакции и агентом, активирующим сборку порфиразинового макрокольца. Реакция проводилась под действием микроволнового излучения.Введение центрального иона лютеция осуществлялось путём металлирования соответствующих порфиразиновых лигандов ацетатом лютеция в кипящем о-ДХБ, в присутствии ДБУ, в качестве основания. Выходы лютециевых комплексов на стадии металлирования составляли 90-95%. Схема 4. Синтез тетрапиразинопорфиразиновых комплексов лютеция С использованием разработанного подхода к получению пиразинопорфиразиновых лигандов: деметаллированием литиевого комплекса новым деметаллирующим агентом – полифосфорной кислотой, удалось повысить выход 4-трет-бутилфенилзамещенного тетрапразинопорфиразинового лиганда с 11% до 75% (суммарные выходы по стадиям синтеза литиевого комплекса и его деметаллирования) по сравнению с литературными данными [Coordination Chemistry Reviews. 2016. 309. P. 107-179]. Как и в случае монофталоцианинатов лантанидов, природа центрального лантанид-иона не влияет на положение Q полосы. Введение трет-бутильных и метокси-групп в пара положения фенильных заместителей также практически не влияет на положение Q полосы. Однако показано, что по сравнению с фенилзамещенными фталоцианиновыми комплексами Q полоса фенилзамещенных пиразинопорфиразинов РЗЭ гипсохромно смещена примерно на 30 нм. Это обусловлено стабилизацией ВЗМО орбитали при переходе от фталоцианинов к пиразинопорфиразинам за счёт наличия в периферической пи-системе пиразинопорфиразинов атомов азота. Рис. 3. ЭСП tBuPh8PyPzLuOAc (сплошная линия), Ph8PyPzLuOAc (точечная линия) и Ph8PcLuOAc (пунктирная линия). Результаты данного исследования вошли в диссертационную работу участника проекта Косова А.Д., защищённую 20 ноября 2019 года по специальности 02.00.03 Органическая химия, также подготовлена статья, которая в настоящий момент находится на рецензии. 5. Осуществлен синтез фталоцианинов А3В типа В качестве основных предшественников фталоцианинов несимметричного строения использовали 4-бензилоксифталодинитрил 1 и трет-бутилфталодинитрил 2. Данный выбор обусловлен тем, что фталоцианины с подобными заместителями хорошо растворимы в органических растворителях, что позволяет проводить хроматографическую очистку с целью получения их в индивидуальном состоянии. Лиганд 4 получали обработкой соединения 3 концентрированной серной кислотой: Схема 5. Получение фталоцианина А3В типа. Полученное соединение было использовано при синтезе димера J-типа и металлокомплексов алюмининия 6. Осуществлен синтез димера J-типа и металлокомплексов алюминия Синтез целевых соединений показан на схеме 6. Трансформация мономерного лиганда 4, полученного по ранее разработанной методике, в димерную форму 5 была впервые проведена по недавно разработанному нами одностадийному способу, с высоким выходом и в мягких условиях: его можно выполнить даже при комнатной температуре. Следует отметить, что ранее соединение 5 получали в две стадии с общим выходом ~ 53%, при этом процесс включал кипячение в изоамиловом спирте и дальнейшую обработку промежуточного магниевого комплекса сильной кислотой. Металлирование лигандов 4 и 5 хлоридом алюминия в присутствии метилата лития в качестве основания приводит к образованию комплексов 6 и 7, соответственно. Схема 6. Синтез фталоцианинового димера J-типа металлокомплексов При исследовании строения полученных металлокомплексов 6 и 7 методом спектроскопии ЯМР нами впервые применена система CD3ONa/CD3OD, так как оказалось, что эти соединения обладают умеренной растворимостью и склонны к агрегации в таких классических растворителях для ЯМР как CDCl3 и DMSO-d6. Экспериментальные образцы готовили путем суспендирования порошков 6 и 7 в CD3OD с последующим добавлением металлического натрия, который наряду с образованием метилата натрия, также способствует формированию фенолят-анионов на основе OH-замещенных фталоцианинов А3В-типа, тем самым, существенно увеличивая их растворимость и способствуя преодолению межмолекулярной агрегации. При этом следует отметить, что процесса диссоциации димера 7 в найденных условиях не наблюдается, что позволяет считать данный подход универсальным инструментом для исследований как мономерных, так и димерных ОН-замещенных металлокомплексов фталоцианинов. Формирование фенолят-анионов на основе 6 и 7 приводит к существенному экранированию протонов фталоцианинового макроцикла при О замещенном фрагменте, что особенно четко видно в 1Н ЯМР спектре мономерного комплекса 6 (Рис. 4). Однозначное отнесение сигналов в 1Н спектрах 6 и 7 проведено с привлечением двумерных методик. Так, в спектре 1Н1Н COSY соединения 6 наблюдаются четкие корреляции протонов -HAr и -HAr, а также их аналогов при О-фрагменте – 1-HAr и 1-HAr, сигналы которых смещены в сильное поле (Рис. 4). Рис. 4.1Hи1H1Н COSY спектры комплекса 6 в системе CD3ONa/CD3OD (область ароматических протонов). Области отнесения для каждого типа протонов обозначены прямоугольниками; для протонов, коррелирующих в 1H1H COSY, прямоугольники соединены линиями. Протоны -HAr в отличие от 1-HAr коррелируют с протонами трет-бутильных групп HtBu согласно данным методики 1Н1НNOESY, аналогичные кросс-пики также наблюдаются для протонов -HAr (Рис. 5). Отнесение сигнала 1-HAr осуществлено по методике 1Н1Н TOCSY, в условиях которой данные протоны имеют корреляции с 1-HAr и 1-HAr (Рис. 2). Рис. 5.1Н1Н TOCSY и1H1Н NOESY спектры комплекса 6 в системе CD3ONa/CD3OD (область ароматических протонов). Аналогичные закономерности также наблюдаются в 1Н ЯМР спектрах димера 7 (Рис. 7,8). Вместе с тем, наличие выраженных -стэкинговых взаимодействий между составляющими димер макроциклами, которые, как и мономер 6, являются смесью позиционных изомеров, приводят к существенному усложнению вида 1Н спектров 7 с наложением сигналов различных групп протонов. Поэтому данные двумерных спектров позволяют выделить лишь области, в пределах которых находятся определяемые сигналы (Рис. 7,8). Отличительной особенностью 7, наблюдаемой в его 1Н1Н NOESY спектре является появление кросс-пиков 1-HArHtBu и 1 HArHtBu. Несмотря на более низкую интенсивность данных пиков в сравнении с ожидаемыми сигналами ()-HArHtBu и -HArHtBu само их наличие является прямым свидетельством выраженного пространственного взаимодействия между фталоцианиновыми субъединицами в димерном комплексе. Рис.6.1H и 1H1Н COSYспектры комплекса 7 в системе CD3ONa/CD3OD (область ароматических протонов). Рис. 7.1H1Н NOESY спектр комплекса 7 в системе CD3ONa/CD3OD (область ароматических протонов). Масс-спектры MALDI-TOF/TOF комплексов 6 и 7 (Рис.8 и 9) показывают фрагментацию молекулярных ионов. В случае мономерного соединения 6 спектр (Рис.8) показывает один основной пик иона [M–Cl]+, дополненный двумя второстепенными сигналами, которые, очевидно, принадлежат вторичным ионам: [M–Cl+CCA]+, образованному взаимодействием [M–Cl]+ с матрицей, и [2M–2Cl]+, обусловленному димеризацией основного иона. Пик иона[M–Н–2Cl+CCA]+, полученного при взаимодействии первичного иона с фрагментом матрицы, оказался основным сигналом в спектре димерного комплекса 7 (Рис.9). Полученные изотопные картины основных пиков в спектрах 6 и 7 находятся в хорошем соответствии с рассчитанными. Рис. 8. Масс-спектр MALDI-TOF/TOF комплекса 6 (матрица – НССА) и изотопное расщепление для иона [M–Cl]+: наблюдаемый пик (вставка A), теоретически рассчитанный пик (вставка B). Рис. 9. Масс-спектр MALDI-TOF/TOF комплекса 7 (матрица – НССА) и изотопное расщепление для иона [M–H–2Cl+CCA′]+:наблюдаемый пик (вставка A), теоретически рассчитанный пик (вставка B). В спектрах полученных соединений 4-7 наблюдаются характерные полосы поглощения (Рис. 10). В случае мономерного лиганда 4 это полосы Qx и Qy, при 662 и 697 нм, соответственно. Спектр димерного лиганда 5 наряду с Q полосой характеризуется наличием J полосы при 715 нм. Вследствие повышения молекулярной симметрии изменяется характер спектров для комплексов 6 и 7. Так, в ЭСП комплекса 6 присутствует одна Q полоса (686 нм), при этом J полоса комплекса 7 наблюдается при 707 нм как батохромное плечо поглощения основной полосы Q. Рис. 10. ЭСП для соединений 4–7 в ТГФ (C= 8.8×10-6–1.6×10-5M). Квантово-химический расчет структуры димерного комплекса с алюминием Для модели, основанной на впервые полученном димерном комплексе алюминия 7, проведены теоретические исследования с целью поиска строения, отвечающего глобальному минимуму. Для этого были рассмотрены два процесса  скольжение и разворот макроциклов. Финальный 3D вид поверхности потенциальной энергии (ППЭ) и структура, отвечающая глобальному минимуму, представлены на рис. 11. Рис. 11. 3D потенциальная энергия поверхности и структура, соответствующие глобальному минимуму для 7. Полученная в ходе анализа димерная структура характеризуется высоким значением угла скольжения макроциклов (45°), при этом каких-либо дополнительных внутримолекулярных контактов, помимо  взаимодействий, в форме координационных или водородных связей не обнаружено. Результаты расчетов хорошо согласуются с экспериментальными структурными данными, полученными методом 1Н ЯМР. Таким образом, структурные параметры DFT оптимизированного димерного комплекса 7 соответствуют данным спектра NOESY, где протоны 1 HAr и HtBu показывают корреляцию и поэтому должны быть расположены на расстоянии меньшем, чем 5 Å, а значение этого расстояния в оптимизированной DFT структуре 7 примерно равно 4,3 Å. Рис. 12. DFT оптимизированная структура одной из изомерных форм 7 с обозначениями выбранных протонов и расстояний. Исследование в тонких пленках С помощью метода AFM исследованы тонкие пленки на основе соединений 6 и 7. Пленки получены осаждением на покровное стекло из растворов в ТГФ с концентрацией 10-5 М. Обнаружено, что полученные пленки обладают зернистой структурой (рис. 13). В случае соединения 6 высота оказалась 6 нм, а средний диаметр гранул составил 50 нм (рис. 13 A,B). У соединения 7 высота гранул составила 8 нм, а средний диаметр - 100 нм (рис. 13 C,D). Рис.13.Топографические контрастные изображения AFM для 6 (A и B), 7 (C и D). A, C – тонкие пленки; B, D - 3D изображения. Таким образом, можно сделать вывод, что согласно AFM в тонких пленках агрегаты, образованные димером 7, в среднем имеют в два раза больший размер, чем те, которые образуются мономером 6. Результаты данного исследования вошли в диссертационную работу исполнителя проекта Коростей Ю.С., которая в связи с коронавирусрм перенесена на осень 2020 г., также отправлена в печать статья, которая в настоящий момент находится на рецензии. Фотокаталитические реакции на основе фталоцианинов алюминия Разработан электрохимический метод для испытания фотокаталитической активности фотосенсибилизаторов на основе фотокаталитического окисления электроактивного фенольного соединения (гидрохинон, HQ) с последующим амперометрическим восстановлением окисленного продукта (бензохинон, BQ) на электроде (Схема 7). Последующее восстановление на поверхности электрода вызывает фототок и связано с квантовым выходом синглетного кислорода (1O2). Стоит заметить, что подобный метод является быстрым (<3 мин.) и не требует накопления продукта реакции, перемешивания раствора или сложного измерительного оборудования, что позволяет избежать основных недостатков традиционных экспериментальных методов (оксигенация; обесцвечивание органического красителя или использование ловушек для синглетного кислорода). Схема 7 Обнаружено. Что комплексы с алюминием 6 и 7 обладают ярко выраженной фотокаталитической активностью. Подобная активность изучалась на печатных электродах и в растворах на обычных электродах под действием лазеров. В случае использования печатного электрода для его модификации использовали суспензию из диоксида титана и фталоцианина. На модифицированный таким образом электрод наносили раствор гидрохинона и облучали лазером. Другой путь проведения эксперимента —электрохимические измерения в стандартной трехэлектродной ячейке (рис. 14). Рабочий раствор электролита готовили путем смешивания 3675 мкл CH3OH, 500 мкл LiCl (0,1 М), 25 мкл CH3COOH (5 мМ), 250 мкл CH3COONa (5 мМ), 500 мкл фотосенсибилизаторов (50 мкМ) и 50 мкл HQ (1 мМ), что составляет 5 мл. Исходные растворы всех компонентов готовили в CH3OH. Для холостых измерений, то есть в отсутствие HQ или фотосенсибилизатора, общий объем 5 мл поддерживали путем добавления CH3OH. Луч светодиодного лазера направлялся на рабочий электрод для измерения фототоков. Рис. 14. Схематическое изображение фотоэлектрохимического элемента и окислительно-восстановительного цикла гидрохинона (HQ) в сочетании с его фотосенсибилизированным окислением. Концентрация комплекса 5.0х10-6 М. На рис. 15 показано типичное амперометрическое измерение. После стабилизации фонового тока в течение 1-2 мин свет включается, что приводит к фототоку 130 мА, когда в растворе присутствуют фотосенсибилизатор (например, OH,tBuPcAlCl6) и HQ (красная кривая). При наличии только HQ фототок не регистрируется, а при наличии только фотосенсибилизатора (PS), наблюдается минимальный фототок (рис. 15b). Последнее можно объяснить электрохимическим восстановлением 1O2, образующимся в непосредственной близости от поверхности электрода (из-за короткого времени жизни в 7 мкс в CH3OH, ожидаемое расстояние диффузии не должно превышать 200 нм), или образованием соответствующих вторичных частиц (супероксид анион или перекись водорода). Примечательно, что включение и выключение диодного лазера позволяет немедленно измерять фототок, вычитаемый из фона. Фототок стабилен во времени, что свидетельствует о том, что система достигает своего стационарного состояния практически мгновенно, поскольку метод не требует накопления продукта реакции. Это выгодно отличает предложенный метод от спектроскопических методов с использованием оптических или парамагнитных ловушек. Рис. 15. (а) Амперометрическое поведение ОН,tBuPcAlCl в присутствии и в отсутствие HQ и HQ в отсутствие PS.Применяемый потенциал -0,1 В; красный лазер 659 нм; 30 мВт.(б) Средние фототоки HQ, OHPcAlCl и OHPcAlCl + HQ (с поправкой на фон). Таким образом, на основе ОН-замещенного фталоцианинового лиганда А3B-типа разработаны селективные методы синтеза высокорастворимых фталоцианиновых комплексов алюминия A3B-типа и его супрамолекулярного димера J-типа в мягких условиях практически с количественным выходом. Состав и строение полученных соединений изучены с привлечением одно- и двумерной 1H ЯМР спектроскопии, UV–Vis- спектроскопии, MALDI-TOF/TOF масс-спектрометрии и данных термогравиметрии. Морфология поверхности образуемых ими тонких пленок изучена методами микроскопии FE–SEM атомной силовой микроскопии (AFM). Согласно данным AFM, размеры образуемых гранул составляют 50 и 100 нм в диаметре для мономерного и димерного комплексов, соответственно. Данные ТГ–MS свидетельствуют о высокой стабильности полученных комплексов вплоть до 350°C. Для модели, основанной на впервые полученном димерном комплексе алюминия J-типа, проведены теоретические исследования с целью поиска строения, отвечающего глобальному минимуму. Полученная в ходе анализа димерная структура характеризуется высоким значением угла скольжения макроциклов (45°), при этом каких-либо дополнительных внутримолекулярных контактов, помимо  взаимодействий, в виде координационных или водородных связей не обнаружено. Результаты расчетов находят хорошее согласование с экспериментальными структурными данными, полученными методом 1Н ЯМР. Разработана методика тестирования фотокаталитической активности синтезированных фталоцианинов и их аналогов в метаноле путем амперометрического измерения в присутствии модельного донора электронов (гидрохинона). Исследовано влияние рабочих параметров (потенциала рабочего электрода, концентрации активных компонентов, толщины слоя раствора фталоцианина над электродом) на измеряемый сигнал. Обнаружено, что фталоцианиновые комплексы алюминия обладают ярко выраженной фотокаталитической активностью. Данная активность изучалась на печатных и обычных электродах под действием лазеров, при этом наиболее сильный отклик наблюдался для димерного комплекса алюминия. Результаты данного исследования представлены статье [ChemPhotoChem., 2020, 4, 300–306 doi:10.1002/cptc.201900275]. 7. Осуществлён синтез тетрайодзамещенного фталоцианина цинка (II) и несимметрично замещенного фталоцианина А3В типа. В рамках данного Проекта на основе 4-йодфталонитрила осуществлён синтез тетрайодзамещенного фталоцианина цинка (II) и несимметрично замещенного фталоцианина А3В типа. Исходный 4-йодфталонитрил получен из коммерчески доступного фталимида с использованием оптимизированного пятистадийного метода. Темплатный синтез тетрайодзамещенного фталоцианина цинка осуществляли в отсутствии растворителя под действием микроволнового облучения, что позволило получить целевое соединение за несколько мин. Фталоцианин А3B типа получен по реакции смешанной циклизации 4-йодфталонитрила и 4-трет-бутилфталонитрила. Деметаллирование цинкового комплекса тетрайодзамещенного фталоцианина осуществлено в относительно мягких условиях в среде полифосфорной кислоты по нашей оригинальной методике, позволяющей избежать использования пиридинийгидрохлорида в кипящем пиридине или концентрированной серной кислоты. На основе симметричного тетрайодзамещенного фталоцианина цинка (II) реакцией кросс-сочетания получен тетракис(триметилсилил)фталоцианин цинка (II). Схема 8. Синтез тетрайодзамещенного фталоцианина цинка (II) и тетракис(триметилсилил)фталоцианин цинка (II). По полученным результатам подготовлен тезис на конференцию Ломоносов 2020. Данное исследование планируется продолжить в следующем году. 8. Одним из направлений работы по данному Проекту было получение трет-бутилзамещенных фталоцианинов металлов 13 группы (Al, Ga, In). Как известно, фталоцианины являются хорошими фотосенсибилизаторами, в клинике уже используется препарат, действующим веществом которого является замещенный фталоцианин алюминия. На основе этого было принято решение получить их для исследования в различных фотокаталитических процессах. Для получения tBuPcAlCl был выбран метод металлирования трет-бутилзамещенного фталоцианинового лиганда безводным хлоридом алюминия III. Металлирование проводили при нагревании (кипячение в о-дихлорбензоле), а также при воздействии микроволнового излучения. При использовании последнего время реакции сократилось с 7 часов до 5 мин. tBuPcGaCl был получен несколькими способами. Мы использовали метод темплатной сборки без использования растворителя. Реакция проводилась 6 часов. Эта же реакция была проведена под действием микроволнового излучения. Время реакции сократилось до 5 мин. Для получения tBuPcInCl был выбран метод металлирования трет-бутилзамещенного фталоцианинового лиганда безводным хлоридом индия III. Нами впервые показана возможность получения tBuPcInCl с выходом более 80 % под действием микроволнового излучения. Мы получили соединение по классической методике (кипячение в о-дихлорбензоле), но это заняло 4 часа, к тому же соединение требовало дополнительной очистки от смол, образовавшихся в ходе реакции. При очистке комплексов было обнаружено, что при использовании окиси алюминия для tBuPcAlCl и tBuPcGaCl происходит частичная или полная замена аксиального лиганда Сl на ОН. При этом обратная замена возможна при воздействии на tBuPcAlОН и tBuPcGaОН 4М раствором НСl. Для tBuPcInCl такой замены не обнаружено. Далее было принято решение с учетом подвижности аксиального лиганда в образцах на другие лиганды и изучить их влияние на свойства полученных комплексов. Для гидрокси-, хлор- и трифлатзамещенных фталоцианинов галлия(III) (tBuPcGaOH, tBuPcGaСl и tBuPcGaOTf , соответственно) были зарегистрированы спектры поглощения и флуоресценции в дихлорметане и приведены на рисунках ниже. Строение соединений подтверждено методами ИК и MALDI TOF/TOF. Рис.16. Спектры флуоресценции и поглощения tBuPcGaOH Рис.17. Спектры флуоресценции и поглощения tBuPcGaСl Рис.18. Спектры флуоресценции и поглощения tBuPcGaOTf На основании полученных спектров для исследуемых соединений были рассчитаны такие параметры, как стоксов сдвиг и квантовый выход флуоресценции: Табл. 4. Параметры спектров поглощения и флуоресценции для различных образцов фталоцианиновых комплексов галлия Соединение Qexc, нм Qem, нм Стоксов сдвиг, нм ФF tBuPcGaOH 707 694 13 0.05 tBuPcGaСl 702 694 8 0.11 tBuPcGaOTf 705 695 10 0.27 Полученные значения квантовых выходов имеют тенденцию роста в ряду экстралигандов OH, Cl, OTf, причем значение квантового выхода соединения tBuPcGaOTf превышает значения для соединения tBuPcGaOH в 5 раз. Результаты данного исследования вошли в диссертационную работу исполнителя проекта Платлновой Я.Б., защита которой запланирована на осень 2020 г., отправлена в печать статья, которая в настоящий момент находится на рецензии. 9. Отработана методика получения наночастицы золота в водной фазе, переноса наночатиц из водной фазы в органический растворитель, а также синтез наночастиц непосредственно в органической фазе. Печатные электроды модифицировали композиционным материалом, состоящим из гомогенизированной смеси TiO2 и комплексов фталоцианинов или их аналогов. Использовались фталоцианиновые комплексы планарного и сэндвичевого строения; димеры фталоцианинов A3B типа и субфталоцианины: : В качестве модельных соединений для сравнения интенсивности сигнала использовали фторированные фталоцианинаты цинка и метилфеофорбид a. Таким образом, показана возможность использования полученных электродов в реакции фотокаталитического окисления гидрохинона под действием лазерного излучения. Получены смеси наночастиц золота и феноксизамещенного субфталоцианина, фталоцианинов и суфталоцианинов в метаноле путем амперометрического измерения в присутствии модельного донора электронов (гидрохинона). Исследовано влияние рабочих параметров (потенциал рабочего электрода, концентрация активных компонентов, толщина слоя раствора фталоцианина над электродом) на измеряемый сигнал. Совместно с Бельгийскими коллегами провели испытания синтезированных фталоцианиновых комплексов с целью поиска наиболее эффективных фотосенсибилизаторов, способных проявлять фотокаталитические свойства. Наиболее перспективными оказались биядерные и субфталоцианиновые комплексы. Эти исследования будут продолжены в следующем году. Нет сомнений, что при определенной финансовой поддержке все задачи, поставленные в рамках проекта, будут выполнены в срок и на высоком уровне.
3 1 февраля 2020 г.-14 октября 2021 г. Изучение синергии плазмонных структур, аффинных элементов и фотосенсибилизаторов с целью создания электросенсоров на фармацевтические препараты
Результаты этапа: Результаты, полученные в рамках выполнения Проекта российской группой, можно подразделить на несколько направлений. Рассмотрим каждое из них подробно. 1.Синтез новых фталоцианинов и их аналогов – фотосенсибилизаторов для фотокаталитических процессов Разработаны направленные методы синтеза новых фотосенсибилизаторов (фталоцианинов и их аналогов), способных к генерации синглетного кислорода, что является необходимым для создания на их основе фотоэлектрохимических сенсоров. Получены представители следующих классов фталоцианинов: (1)функционально замещенные фталоцианины симметричного и низкосимметричного строения, (2)пиразинопорфиразины, (3)комплексы непланарного строения (димеры), (4)субфталоцианины бора (рис.1). В рамках первого этапа выполнения Проекта (2019г.) синтезирована серия окта- и гексадекахлор-замещенных фталоцианиновых комплексов лантанидов с использованием фталоцианинового лиганда (схема 1). Галоген-замещенные комплексы привлекли наше внимание в связи с тем, что наличие в молекуле фталоцианина электроноакцепторных групп способствует увеличению его устойчивости к окислению. Введение объёмного центрального лантанид-иона приводит к тому, что лантанид расположен над плоскостью фталоцианинового макрокольца и частично препятствует агрегации, что увеличивает растворимость целевых соединений. Показано, что при синтезе фталоцианиновых комплексов элементов начала ряда лантанидов (неодим, празеодим) темплатная сборка на основе о-фталонитрила может привести к образованию комплекса сэндвичевого строения. Направленный метод синтеза комплекса осуществлен на основе готовых синтетических блоков – монофталоцианинового комплекса и соответствующего лиганда. (схема 2). Результаты данной работы доложены исполнителем Е.А. Горбуновой(Кузьминой) на международной конференции по химии порфиринов и их аналогов (XIII International Conference “Synthesis and Application of Porphyrins and Their Analogues“, 24-27 июня 2019, “Серебряный Плес” Костромская область). На втором этапе выполнения Проекта (2020 г) получена серия новых октабром- и октафтор-замещенных фталоцианиновых комплексов лантанидов. В случае бром-замещенных фталоцианинов потребовалась предварительная оптимизация метода синтеза исходного 4,5-дибромфталонитрила. Установлено, что наиболее эффективной системой для проведения цианирования является каталитическая система Pd2(dba)3 и 1,1′-бис(дифенилфосфино)ферроценовый (dppf) лиганд, а цианирующий агент Zn(CN)2. В случае фтор-замещенных аналогов условия синтеза, использованные для бром-замещенных комплексов, оказались неэффективны. Это обусловлено нуклеофильным замещением фторов на изоамилатные группы в присутствии основания. Для подтверждения данной гипотезы проведён направленный синтез изоамилокси-замещенного фталоцианината тербия в присутствии изоамилата натрия. Заключительной стадией в процессе сборки фталоцианинового макрокольца является окислительно-восстановительная реакция, сопровождающаяся окислением алкоголята до альдегида, и восстановлением ароматической 18 пи-электронной системы фталоцианина. В связи с этим, для того чтобы направить реакцию по пути синтеза октафтор-замещенных фталоцианиновых комплексов 3 в качестве восстановителя и одновременно среды проведения реакции использовался гидрохинон. Полученные результаты опубликованы в виде статьи [E.A. Kuzmina, T.V. Dubinina, et al. // Dyes and Pigments, 185 (2021) 108871], а также доложены исполнителем Е.А. Горбуновой(Кузьминой) на международной конференции Ломоносов 2020. В рамках первого и второго этапов выполнения Проекта (2019-2020 г) разработаны эффективные подходы к синтезу новых арил-замещенных тетрапиразинопорфиразиновых комплексов лантанидов на основе темплатного метода (выходы вплоть до 75%), с использованием гидрохинона как среды протекания реакции и восстановителя, активирующего сборку макрокольца, а также на основе порфиразинового лиганда. Для активации процесса макроциклизации может быть использовано как термическое, так и микроволновое воздействие. Разработана новая методика деметаллирования тетрапиразинопорфиразината дилития в среде полифосфорной кислоты. Для определения устойчивости целевых соединений к окислению при участии бельгийских партнёров Проекта изучены электрохимические свойства на примере фенил-замещенного эрбиевого комплекса методами циклической и квадратноволновой вольтамперометрии. По сравнению с описанным в литературе октафенилзамещенным фталоцианинатом лютеция первые потенциалы окисления и восстановления фенилзамещенного тетрапиразинопорфиразина смещены в анодную область. Это обусловлено влиянием электронодефицитных пиразиновых фрагментов и свидетельствует о большей стабильности по отношению к окислению, в том числе кислородом воздуха, у пиразинопорфиразинов относительно соответствующих фталоцианинов. Таким образом, полученные пиразинопорфиразиновые комплексы обладают большей стабильностью, чем соответствующие фталоцианиновые аналоги, что повышает перспективность их практического применения. Полученные результаты описаны в статье [A. D. Kosov, T. V. Dubinina, N. E. Borisova, A. V. Ivanov, K. A. Drozdov, S. A. Trashin, K. De Wael, M. S. Kotova, L. G. Tomilova (2019). New Journal of Chemistry, 43(7), pp.3153–3161] и доложены в виде устного доклада исполнителем Проекта А.Д. Косовым на международной конференции по химии порфиринов и их аналогов (XIII International Conference “Synthesis and Application of Porphyrins and Their Analogues“, 24-27 июня 2019, “Серебряный Плес” Костромская область). На первом этапе выполнения Проекта разработаны селективные методы синтеза 3-(этилтио)фенил-замещенных фталоцианинатов лантанидов с использованием двух подходов: темплатного синтеза на основе замещенного о-фталонитрила (комплексы эрбия и лютеция) и двухстадийный подход на основе фталоцианинового лиганда (комплекс тербия) (Схема 5). На основе комплекса лютеция в дальнейшем получены гибридные наночастицы золота (подробнее см.пункт 2 Основных результатов). На втором и на третьем этапах выполнения Проекта (2019-2021 гг) получена серия арил- и арилокси-замещенных 2,3-нафталоцианиновых комплексов магния и цинка. Исходные нитрилы получены впервые, с использованием реакций кросс-сочетания и нуклеофильного замещения. При введении арильных заместителей было показано, что при использовании меньшего избытка арилборной кислоты может образовываться продукт моно-замещения. Интересно отметить, что при переходе от арилокси-заместителей к 2-нафтильным наблюдается батохромное смещение Q полосы, которое соответствует изменению окраски растворов нафталоцианинов от зелёной к оливковой (рис. 3). Совместно с соисполнителями гранта из университета Антверпена изучены электрохимические свойства новых 2-нафтил и 2-нафтокси-замещенных 2,3-нафталоцианинов и проведено сравнение их электрохимических свойств с литературными данными для других алкил- и арил-замещенных 2,3-нафталоцианинов (Таблица 1). Электрохимические свойства целевых соединений исследовались методами циклической (ЦВА) и квадратно-волновой (КВВА) вольтамперометрии на Pt дисковом электроде. На вольтамперограммах наблюдаются 2 четко выраженных пика окисления и 2 пика восстановления. Кроме того, в катодной области наблюдается слабо выраженная третья волна восстановления, значение потенциала для которой может быть определено приблизительно (Таблица 1). Для нафтокси-замещенного комплекса магния NaphthONcMg наблюдается расщепление пика Red2, что может быть следствием агрегации. Интенсивность второго из расщепленных пиков при −2.13 В зависит от скорости развертки и продолжительности достижения равновесного состояния для нового рабочего электрода в растворе. Эти факты свидетельствуют о вкладе адсорбции в появление данного пика. Кроме того некоторое уширение пиков наблюдается и для Ox1 и Ox2. В связи с этим расщепление пика восстановления Red2 следует относить к проявлению процессов агрегации и адсорбции вещества на электроде, а не к дополнительной волне восстановления. Второй пик окисления Ox2 является обратимым, в отличие от фталоцианинов, для которых обычно вторая волна окисления необратима. При потенциалах выше чем Ox2, происходит пассивация электрода, которую возможно устранить путём кратковременного перемешивания раствора. Эта пассивация происходит, вероятно, за счёт сильной агрегации и олигомеризации окисленных форм нафталоцианина. По сравнению с предыдущими исследованными нафталоцианинами с электронодонорными заместителями, формальные потенциалы окисления и восстановления примерно похожи. В случае 2-нафтил-замещенного нафталоцианина 2-NpNcZn первый пик окисления расщеплён, и это расщепление становится более выраженным при регистрации вольтамперограммы в присутствии добавки пиридина, который является дезагрегирующим агентом, за счёт координации по центральному иону цинка. Данное явление расщепления первого пика окисления ранее наблюдалось в литературе для фталоцианиновых и нафталоцианиновых комплексов [Inorganic Chemistry, 1987, 26, 548-553; Chemistry – A European Journal, 2004, 10, 6294-6312], и, вероятно, оно связано с образованием устойчивых агрегатов одноэлектронно-окисленной и нейтральной форм 2,3-нафталоцианина. Таким образом, расщепление первого пика окисления отвечает редокс переходам мономерной формы нафталоцианина (первый пик) и агрегата (второй пик). Важно отметить, что даже в присутствии добавки пиридина агрегация возможна, так как электрохимический эксперимент проводился при достаточно высокой концентрации нафталоцианинового комплекса (с=5×10-4 M) – выше концентрации, при которой наблюдается отклонение от закона Бугера-Ламберта-Бера (сlim=6×10-5 M). Спектроэлектрохимические исследования проводились для первого и второго пиков окисления. Первый пик окисления является полностью обратимым, для него характерно наличие одной серии изобестических точек при 348, 445, 733 и 835 нм. При этом по ЭСП наблюдается образование одноэлектронно-оксиленной формы с характерными полосами поглощения при 695 и 845 нм, отвечающими наличию в молекуле нафталоцианинового радикала. Окраска раствора нафталоцианинового комплекса при этом изменяется от оливковой до ярко-зелёной. Вторая волна окисления не является обратимой, так как по данным ЭСП не наблюдается полного восстановления интенсивности исходной формы. Результаты данного исследования представлены в статьях [New J. Chem., 2020, 44, 7849-7857; New J. Chem., 2021,45, 14815-14821] и доложены в виде устного доклада исполнителем гранта Дубининой Т.В. на конференции XIII International Conference “Synthesis and Application of Porphyrins and Their Analogues“ (2019 г). Разработана эффективная методика синтеза галоген-замещенных субфталоцианинов бора, что позволило получить серию хлор- и фтор-замещенных субфталоцианинов. Стоит отметить, что гексафторзамещенный субфталоцианин получен впервые с высоким выходом (67%). Хлор-замещенные субфталоцианины ранее уже были описаны в литературе [J. Porphyrins Phthalocyanines 3, 453–467 (1999); Electrochimica Acta 255 (2017) 239–247], однако выходы целевых соединений составляли лишь несколько процентов. В частности, додекахлорзамещенный субфталоцианин был получен в высококипящем 1-хлорнафталине и его выделение потребовало использования препаративной ТСХ [J. Porphyrins Phthalocyanines 3, 453–467 (1999)]. Достичь приемлемых выходов гелогензамещённых субфталоцианинов удалось за счёт проведения реакции в кипящем о-ДХБ. Использование более мягких условий (кипящий п-ксилол) приводило к снижению выходов субфталоцианинов. Целевые соединения обладают максимумом поглощения в интервале 500-600 нм. Обнаружено, что максимум поглощения Q полосы смещается батохромно в ряду: F6SubPCBCl< F12SubPCBCl~ Cl6SubPCBCl< Cl12SubPCBCl. Таким образом, наблюдаются две основные закономерности: во-первых, максимум поглощения смещается батохромно при переходе от гекса- к додека-замещенным комплексам. Данный эффект наблюдался нами ранее для хлор-замещенных фталоцианиновых комплексов [Macroheterocycles, 2017, 10(4-5) 520-525]. Во-вторых, гипсохромный сдвиг Q полосы наблюдается при переходы от хлор- к фтор-замещенным субфталоцианинам, что объясняется большим отрицательным индуктивным эффектом фтора по сравнению с хлором. Благодаря введению в субфталоцианиновое макрокольцо электроноакцепторных функциональных групп, они более устойчивы к кислороду воздуха, чем исследовавшиеся ранее арил- и арилокси-замещенные субфталоцианины. Кроме того, максимум поглощения субфталоцианинов находится в видимой области, что соответствует рабочей длине волны зелёного лазера (λ=532 нм). Это позволило успешно использовать данные соединения в качестве фотосенсибилизаторов в реакции окисления гидрохинона до бензохинона с помощью синглетного кислорода. Результаты опубликованы в статье [ChemPhotoChem, 2020, vol.4, 300-306]. 2.Получение гибридных диоксидов титана путём иммобилизации фталоцианинов В рамках реализации 2-го и 3-го этапов выполнения Проекта разработаны эффективные протоколы получения гибридных материалов состава фотосенсибилизатор-TiO2. Получены гибридные материалы на основе диоксидов титана(IV) P25, P25 и PC500 с различной площадью поверхности и фазовым составом (анатаз/рутил) и фталоцианиновых комплексов симметричного строения (трет-бутил-замещенные), низкосимметричных (А3В комплексы с гидрокси-группами и тиенильными группами), а также замещенных субфталоцианинов бора. Отработка методики получения гибридных материалов на основе диоксида титана производилась на примере синтезированных в рамках выполнения Проекта трет-бутил-замещенных фталоцианинов алюминия (t-BuPcAlCl), цинка (t-BuPcZn) и соответствующего лиганда (t-BuPcН2). Работы проводились в рамках стажировки в Университете Антверпена Т.В. Дубининой и Ю.С. Коростей. Красители адсорбировались на поверхность TiO2 из раствора в органическом растворителе. Затем органический растворитель удалялся (рис.7), и приготавливалась суспензия модифицированного диоксида титана в воде, которая в дальнейшем и наносилась на электрод с целью проведения экспериментов по определению гидрохинона, Амоксициллина и Тетрациклина. Показано, что данным методом удаётся нанести до 3 масс.% фталоцианина. Это значение подтверждалось спектрофотометрически, путем обратного извлечения красителя из пропитанных материалов растворителем, в котором фталоцианин хорошо растворим, до тех пор, пока TiO2 не обесцвечивается полностью. Наличие взаимодействий между молекулами фталоцианина и подложкой (TiO2) подтверждалось с помощью ИК спектроскопии и спектроскопии диффузного отражения в УФ и видимом диапазоне (UV-DR). Например, в спектре поглощения фталоцианинового лиганда (t-BuPcH2) (Рис.8f) в растворе наблюдается расщепление Q полосы на две составляющие, при 697 нм и 660 нм за счёт понижения симметрии структуры относительно металлокомплексов (для которых характерна только одна Q полоса). Однако в спектрах UV-DR фталоцианинового лиганда иммобилизованного на диоксид титана t-BuPcH2@TiO2 (Рис.8g) не наблюдается такого чёткого разрешения, полоса поглощения сильно уширена. Подобное уширение Q полосы находится в соответствии с ожидаемой агрегацией t-BuPcH2 на поверхности TiO2 за счёт стэкинга. В ИК спектрах гибридных частиц диоксида титана наблюдаются колебания, отвечающие наличию ароматических протонов фталоцианинового макрокольца. В случае фталоцианинового лиганда характерные колебания NH групп. Одновременно сохраняются полосы валентных колебаний ОН групп воды (валентные колебания при 3400 см-1), адсорбированной поверхностью диоксида титана(IV). Полученные результаты оформлены в виде статьи, которая на настоящий момент готовится к отправке в журнал. 3.Получение гибридных материалов на основе золота, модифицированного молекулами фталоцианинов На первом этапе выполнения Проекта исполнителем Е.А. Горбуновой(Кузьминой) получены гибридные наночастицы на основе гексадекахлорзамещенных фталоцианинатов лантанидов и наночастиц золота диаметром 20 и 30нм. Образование оболочки на поверхности наночастиц Au подтверждено данными ПЭМ. Электроноакцепторные заместители во фталоцианиновом макрокольце способствуют лёгкому протеканию процесса замены аксиального лиганда на цитрат ион из оболочки наночастиц, кроме того возможен π-π стэкинговый характер взаимодействия, обеспечивающий дальнейшее нарастание оболочки из фталоцианинов на поверхности наночастицы. В спектрах поглощения гибридных наночастиц, в видимом диапазоне наблюдались две основные полосы поглощения: в области 520-540 нм, которую можно отнести к полосе поглощения наночастиц золота, и около 700 нм, которую можно отнести к Q полосе фталоцианиновой части гибридов (таблица 2). По сравнению с индивидуальными комплексами 1 Q полосы гибридных наночастиц батохромно смещены вплоть до 705 и 706 нм в случае комплексов 1a и 1с соответственно (таблица 5). Примечательно, что наибольший батохромный сдвиг обнаружен у гибридов с Au (30 нм). В случае гибридов с Au (20 нм) Q полоса смещена лишь на несколько нанометров относительно индивидуального комплекса. Образование гибридов подтверждено данными просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), кроме того показано, что элементный состав соответствует заявленной структуре (рис.7). Методом EDX показано наличие элементов Cl и Eu из фталоцианина и Au – из наночастиц. С использованием аналогичного подхода получены гибридные наночастицы, покрытые оболочкой из 3-(этилтио)фенил-замещенных фталоцианинов и фенил-замещенных пиразинопорфиразинов лютеция. Однако на втором этапе выполнения Проекта было обнаружено, что данный тип связи между наночастицами золота и фотосенсибилизатором не обеспечивает достаточной эффективности работы получающегося фотосенсибилизатора. В связи с этим, в рамках третьего этапа выполнения Проекта (2020-2021г) исполнителем Проекта Косовым А.Д. получены фталоцианиновые комплексы, содержащие ацетиленовые фрагменты по периферии макроколец. В качестве исходного соединения использовался 4-нитро-фталонитрил, из которого в несколько стадий был получен 4-йод-фталонитрил. Сначала реакцию Соногашира проводили непосредственно для 4-йод-фталонитрила. Однако тетрамеризация ацетилен-содержащего фталонитрила приводила преимущественно к образованию продуктов олигомеризации исходного нитрила. Поэтому ацетиленовые фрагменты было решено ввести после стадии циклотетрамеризации 4-йод-фталонитрила (постсинтетическая модификация). Таким образом был получен фталоцианиновый комплекс цинка с четырьмя ацетиленовыми группами по периферии макрокольца (схема 8). Для получения фталоцианина с тиольными группами была проведена реакция азид-алкинового циклоприсоединения с in situ снятием триметилсиллильных защитных групп (схема 9). Полученный фталоцианин содержит по периферии длинноцепочечные линкеры, позволяющие обеспечивать эффективное связывание с поверхностью наночастиц золота. Очистку наночастиц от несвязанного красителя проводили вымыванием последнего органическим растворителем до постоянства соотношения интенсивностей полос в спектре поглощения. Полученные наночастицы охарактеризованы данными спектроскопии поглощения и просвечивающей электронной микроскопии. Показано, что для спектра поглощения гибридных наночастиц характерны полосы поглощения, отвечающие наличию связанных молекул фталоцианина (Q полоса) и широкой полосы поглощения наночастиц (рис. 8). Осуществлен трёхстадийный синтез низкосимметричного моно-(пропаргил-тиоацетил)-замещенного фталоцианинина цинка из 4-йодфталонитрила. Фталоцианин А3B-типа получен по реакции смешанной циклизации 4-трет-бутил- и 4-(пропаргил-тиоацетил)-замещенного фталонитрилов, с последующим разделением смеси изомеров путем колоночной хроматографии. Фталоцианин был нанесен на поверхность золотого электрода двумя способами: с удалением ацетатной защиты в дихлорметане в присутствии пирролидина и без предварительного удаления защиты. Полученные саморганизованные монослои исследованы методами циклической вольтамперометрии и хроноамперометрии, при этом рассчитано количество молекул фталоцианинов сорбированных на поверхности электрода. Обнаружен фототок, при облучении электрода лазером с длиной волны 650 нм, советующей характеристичной длине волны максимума поглощения max фталоцианиновых красителей, что также является подтверждением факта адсорбции молекул фталоцианина на поверхности золотого электрода. 4.Тестирование фотокаталитической активности фотосенсибилизаторов В рамках 1-го и 2-го этапов выполнения Проекта разработан простой в исполнении экспресс-метод проверки фотокаталитической активности фотосенсибилизаторов. Для выполнения данной задачи получены электроды, модифицированные фталоцианинами. В основе метода лежит процесс фотоокисления гидрохинона на электроде, в среде органического растворителя. Данное исследование представляет собой первый пример one-pot комбинации электрохимической и фотосенсибилизированной реакций в среде органического растворителя. Разработанный метод позволяет определять выходы генерации синглетного кислорода используемыми фталоцианинами. Фотокаталитическая реакция инициировалась с помощью LED лазеров с рабочими длинами волн 532 и 659 нм. В качестве фотосенсибилизаторов были выбраны различные по строению фталоцианиновые и субфталоцианиновые красители, в качестве образцов сравнения использовались феофорбид а и краситель Бенгальский розовый. На рис.10 представлены характерные амперометрические измерения, полученные разработанным нами методом. Сначала требуется в течение 1-2 мин провести стабилизацию фонового тока и только после этого включают лазер. Включение лазера приводит к появлению сигнала фототока величиной 130 нA, если в растворе присутствуют одновременно фотосенсибилизатор (OH,t-BuPcAlCl) и гидрохинон (HQ) (рис.10, красная кривая). В присутствии только HQ фототок не регистрируется, а в присутствии только фотосенсибилизатора регистрируется минимальный фототок (рис. 10b). Наличие этого небольшого фототока можно объяснить электрохимическим восстановлением супероксид аниона О2- или перекиси водорода, которые могут образовываться в побочных реакциях с участием 1O2, или за счёт электрохимического восстановления 1O2, образовавшегося вблизи поверхности электрода. За счёт того, что время жизни синглетного кислорода в метаноле достаточно короткое (7 µs), ожидаемое расстояние диффузии не должно превышать 200 нм. Важно отметить, что включение и выключение источника излучения позволяет мгновенно и точно измерить фототок с учётом фонового сигнала без проведения дополнительных холостых опытов. Более того, то, что величина фототока стабильна с течением времени, означает, что система достигла равновесия практически мгновенно, так как данный метод не требует накопления продукта реакции. Это важное преимущество разработанного метода по сравнению со спектроскопическими методам, сопряжёнными с использованием оптических или парамагнитных ловушек [Methods, 2016, 109, 21-30]. Показано, что значение фототока, требующееся для восстановления бензохинона до гидрохинона, прямо пропорционально концентрации гидрохинона, а также выходу генерации синглетного кислорода (ΦΔ). ΦΔ используемых фталоцианинов и их аналогов рассчитывались по формуле: ΦΔ,PS = ΦΔ,REF × αREF/αPS × ФототокPS/ФототокREF, где Δ = (1 − 10− Аbs при рабочей длине волны лазера ) Обнаружены следующие корреляции между значениями ΦΔ и строением фотосенсибилизаторов. Показано, что димер фталоцианина алюминия проявляет худший отклик, чем соответствующий мономер. По сравнению с комплексами алюминия, более эффективен фотосенсибилизатор, содержащий цинк в качестве центрального иона. Таким образом, наибольшим выходом генерации синглетного кислорода (для лазера с λ= 659 нм) обладает трет-бутилзамещенный фталоцианин цинка. Для лазера с λ= 532 нм наиболее высоким значением фототока обладает фторзамещенный субфталоцианин бора. За счёт конической формы молекул субфталоцианинов, для них характерна лучшая растворимость и отсутствие агрегации, по сравнению с фталоцианиновыми комплексами. По этой причине выходы генерации синглетного кислорода для субфталоцианинов превышают выходы фталоцианинов. Таким образом, разработанный метод определения фотокаталитической активности фталоцианинов и их аналогов хорошо подходит для определения высоких значений выхода генерации синглетного кислорода > 0.5 и для низких < 0.05. Для него характерна экспрессность, хорошая воспроизводимость: величина относительного стандартного отклонения для 5 независимых измерений составила всего лишь 7.7%. В отличие от часто используемого метода ловушек [Coord. Chem. Rev., 2007, 251, 1707-1722] данный подход не требует длительного времени проведения эксперимента, перемешивания раствора или сложного измерительного оборудования. Разработанный метод может быть использован для изучения активности фотосенсибилизаторов, нанесенных на поверхность печатных электродов. На основании проведённых экспериментов можно сделать вывод о том, что исследованные фталоцианиновые комплексы алюминия, цинка и субфталоцианиновые комплексы бора являются эффективными фотосенсибилизаторами. Результаты исследования опубликованы в работе [ChemPhotoChem, 2020, vol.4, 300-306]. С применением данного метода на третьем этапе выполнения Проекта (2020-2021 гг) исследовано фотокаталитическое поведение гибридных диоксидов титана с иммобилизованными фталоцианинами. Показано, что гибридные материалы, состоящие из t-BuPcAlCl, иммобилизованного на PC500, проявляют самую высокую фотоэлектрохимическую активность в выборке t-BuPcAlCl, t-BuPcZn, t-BuPcH2. Наименьшая активность наблюдалась для t-BuPcH2, возможно, из-за его гидрофобной природы, что приводило к сильной агрегации на поверхности TiO2. Обнаружено, что удельная поверхность TiO2-носителя является доминирующим фактором в повышении активности фталоцианина-фотосенсибилизатора, однако нельзя исключить влияние фазового состава (соотношения анатаз-рутил). Проведено исследование фотокаталитической активности гибридных диоксидов титана, модифицированных другими фотосенсибилизаторами. В качестве примера на рис.12 представлены фотоамперограммы для гибридов на основе додекахлор-замещенного и какбоэтокси-фенил-замещенного субфталоцианина бора. Печатные электроды, модифицированные данными материалами проявляют отклик по отношению к гидрохинону и пирокатехину. 4. Гибридные материалы на основе диоксидов титана и фталоцианиновых фотосенсибилизаторов в качестве сенсоров на присутствие антибиотиков Амоксициллина и Тетрациклина в водной среде На третьем этапе выполнения Проекта (2020-2021 гг) проведено тестирование полученных на втором и на третьем этапах выполнения Проекта гибридных материалов, содержащих диоксид титана и иммобилизованные фталоцианины. Для иммобилизации, среди синтезированных субфталоцианинов выбран додекахлор-замещенный субфталоцианин бора, содержащий большое количество электроноакцепторных функциональных групп, что обеспечивает его устойчивость к самоокислению в процессе регистрации фотоамперограмм. Обнаружено, что полученный модифицированный электрод может выступать в качестве сенсора на присутствие Тетрациклина в водной среде. Важным фактором является инкубационный период, который необходимо выдержать перед использованием электрода. Увеличение тока на фотоамперограммах в присутствии антибиотика показал несимметрично замещенный фталоцианин цинка А3В типа с бензилокси-группой. Данное соединение проявило интенсивный фотоотклик по отношению к присутствию в водном растворе Амоксициллина и Тетрациклина (рис.14, 15). Важно отметить, что, в отличие от эксперимента с субфталоцианином, в данном случае эффективнее использование не зелёного, а красного лазера, который работает на длине волны близкой к максимуму поглощения фталоцинина (λlaser =655 нм). Показано, что увеличение инкубационного периода приводит к увеличению фотоотклика (рис.15). В случае А3В замещенного фталоцианина, содержащего пропаргильную группу также наблюдается фотоотклик на Амоксициллин под действием красного лазера (рис.16). Таким образом, в рамках третьего этапа выполнения Проекта получены гибридные материалы на основе диоксида титана и различных производных фталоцианинов, которые проявляют фотокаталитическую активность по отношению к фенолам (гидрохинон, пирокатехин). Показано, что полученные гибридные материалы могут использоваться для детектирования присутствия антибиотиков тетрациклинового (Амоксициллин, Тетрациклин) ряда в водной среде. В зависимости от типа фотосенсибилизатора фотоотклик может быть инициирован излучением красного или зелёного лазера.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".

Прикрепленные файлы

№ Имя Описание Имя файла Размер Добавлен