ИСТИНА

Синтез фотосенсибилизаторов для целей фотодинамической терапии, обладающих интенсивным поглощением в интервале «терапевтического окна» (600-800 нм), хорошей растворимостью, высокой термо и фотохимической стабильностью, является актуальной задачей. Это решает важную проблему ограничений применимости метода ФДТ вызванных низкой проницаемостью биологических тканей по отношению к излучению видимого диапазона. Объектами настоящего исследования являются аналоги фталоцианинов с расширенной п-системой: 2,3-нафталоцианины и планарные биядерные фтало и нафталоцианины. 2,3-Нафталоцианины представляют собой наиболее стабильные к окислению кислородом воздуха линейно бензоаннелированные аналоги фталоцианинов. В рамках выполнения Проекта планируется разработать синтетический подход к новым нафталоцианиновым комплексам, содержащим по периферии макрокольца фрагменты 4-гидроксибензойной кислоты. Кроме введения гидрофильных фрагментов планируется улучшить солюбилизацию целевых комплексов в воде за счёт внедрения их в мицеллы на основе неионогенных ПАВ. Данный двусторонний подход позволит добиться образования в растворе мономерных форм целевых нафталоцианинов. В настоящей работе планируется получить представителей нового класса биядерных фталоцианинов, сочленённых общим карбазольным спейсером. Благодаря наличию в молекуле карбазольного фрагмента для данных биядерных комплексов открывается уникальная возможность селективной модификации исключительно по атому азота спейсера. В настоящем Проекте планируется использовать данный новый путь модификации структуры для введения объёмных функциональных групп, создающих стерические препятствия (бензил, 2-этилгексильная группа). Кроме того для придания водорастворимости будет осуществлена попытка кватернизации атома азота карбазольного мостика. Для всех синтезированных соединений будет проведено детальное изучение фотохимических свойств, что является особенно актуальным для биядерных комплексов, для которых в литературе описано только два примера определения фотохимических характеристик. Определение квантовых выходов генерации синглетного кислорода, флуоресценции и определение принципиальной возможности генерации супероксид ион-радикала позволит рамках выполнения настоящего Проекта отобрать соединения наиболее перспективные для дальнейших исследований цитотоксичности.

The synthesis of photosensitizers for the purposes of photodynamic therapy, which have intense absorption in the "therapeutic window" range (600-800 nm), good solubility, high thermal and photochemical stability, is an urgent task. This solves the important problem of limitations in the applicability of the PDT method caused by the low permeability of biological tissues in relation to visible radiation. The objects of research of this Project are analogues of phthalocyanines with an extended pi-system: 2,3-naphthalocyanines and planar binuclear phthalo and naphthalocyanines. 2,3-Naphthalocyanines are linear benzoannulated analogs of phthalocyanines most stable to oxidation by atmospheric oxygen. Within the framework of the Project, it is planned to develop a synthetic approach to new naphthalocyanine complexes containing fragments of 4-hydroxybenzoic acid on the periphery of the macrocycle. In addition to the introduction of hydrophilic fragments, it is planned to improve the solubilization of the target complexes by introducing them into micelles based on nonionic surfactants. This dual approach to solubilization will make it possible to achieve the formation of monomeric forms of the target naphthalocyanines in solution. In this work, it is planned to obtain representatives of a new class of binuclear phthalocyanines - binuclear phthalocyanines, sharing a common carbazole spacer. Due to the presence of a carbazole moiety in the molecule, these binuclear complexes open up a unique possibility of selective modification exclusively at the nitrogen atom of the spacer. In the present Project, it is planned to use this new way of modifying the structure to introduce bulky functional groups that create steric hindrances (benzyl, 2-ethylhexyl group). In addition, to achieve water solubility, an attempt will be made to quaternize the nitrogen atom of the carbazole. For all synthesized compounds, a detailed study of the photochemical properties will be carried out, which is especially important for binuclear complexes, for which only two examples of determining the photochemical characteristics have been described in the literature. Determination of the quantum yields of the generation of singlet oxygen, fluorescence, and determination of the fundamental possibility of generating a superoxide radical ion within the framework of this Project will make it possible to determine the most promising compounds for further studies of cytotoxicity.

Объектами исследования в настоящем Проекте выбраны два важных класса фталоцианиновых аналогов с расширенной пи-системой: 2,3-нафталоцианины и планарные биядерные комплексы с жёстким ароматическим спейсером. Для выполнения задачи синтеза 2,3-нафталоцианинов планируется использовать темплатный метод. Арилокси-группы будут вводиться в периферические положения нафталоцианинов на стадии получения 2,3-дицианонафталинов. С целью получения водорастворимых производных будет производиться гидролиз сложноэфирных фрагментов в молекуле 2,3-нафталоцианина. Получение в водном растворе истинно мономерной формы нафталоцианинового комплекса (контроль с помощью электронной спектроскопии поглощения и флуоресцентной спектроскопии) планируется осуществить с применением техники формирования мицелл со включённым в них красителем. Данный подход позволит избежать межмолекулярного пи-стэкингового взаимодействия между молекулами нафталоцианинов в растворе и соответственно повысить выход генерации синглетного кислорода. Будет осуществляться подбор условий солюбилизации с использованием неионогенных ПАВ (Triton X-100, Triton X-45, Tween-80, Brij-58, Cremophor EL), определение константы связывания, исследование тушения флуоресценции в мицеллах. Биядерные фталоцианины будут получены по реакции статистической конденсации. Будут опробованы два варианта статистической конденсации. Первый путь – использование ненаправленной статистической конденсации, когда обе составляющие и мостиковая, и периферическая вступают в реакцию в виде нитрилов. Второй путь представляет собой направленную статистическую конденсацию, реализующуюся при взаимодействии мостиковой составляющей в виде активированного к макроциклизации бисдиминоизоиндолина, а периферической в виде ароматического нитрила. Кроме того, для уменьшения доли побочных моноядерных продуктов (А4 и А3В) будет проводиться подбор соотношения исходных реагентов. Модификация структуры планарных биядерных комплексов будет осуществляться за счёт периферических функциональных групп (арил, арилокси, алкильные группы) и за счёт введения заместителей у атома азота карбазольного мостика (бензил, 2-этилгексильная группа). Для введения 2-этилгексильной группы планируется предварительное снятие бензильной защиты и последующая стадия алкилирования. Также будет реализован подход с расширением периферической пи-системы и получены биядерные нафталоцианиновые комплексы с карбазольным мостиком. Солюбилизация биядерных комплексов будет осуществляться за счёт кватернизации N положения мостика. Изучение фотохимических характеристик планируется проводить с привлечением методов спектроскопии поглощения и флуоресцентной спектроскопии. Будет проверена способность целевых соединений к генерации не только синглетного кислорода (фотосенсибилизатор 2-го типа), но и супероксид анион-радикалов (фотосенсибилизатор 1-го типа). Для проведения качественной реакции на супероксид анион-радикал будет использоваться система NBT/NADH. План проекта Ожидаемые результаты за 1-й год выполнения Проекта (1)За первый год выполнения проекта планируется получить серию 2,3-нафталоцианиновых комплексов, содержащих гидрофильные карбоксильные группы по приферии макроколец. В качестве центральных ионов-комплексообразователей будут использованы Zn и AlCl, как лучше всего зарекомендовавшие себя при генерации синглетного кислорода [1; 2]. (2)Для полученных нафталоцианиновых комплексов будут подобраны условия солюбилизации в неионогенных ПАВ. (3)Будут синтезированы планарные биядерные комплексы, сочленённые карбазольным мостиком. В качестве периферических заместителей будут использованы алкил, фенил и фенокси группы, а в качестве заместителей по N положению карбазольного мостика будут использованы бензил и 2-этилгексильная группа. (4) Будут исследованы фотохимические свойства соединений, полученных на первом этапе выполнения Проекта. А именно, будут определены выходы генерации синглетного кислорода, квантовые выходы флуоресценции и проведены качественные эксперименты по определению возможности образования супероксид анион-радикала. По результатам первого года выполнения проекта планируется опубликовать 1 статью в журнале из баз WoS и Scopus, также результаты будут опубликованы в виде тезисов докладов международной конференции Ломоносов (исполнители Белоусов М.С. и Горбунова Е.А.). Ожидаемые результаты за 2-й год выполнения Проекта (1) Будут получены планарные биядерные нафталоцианиновые комплексы, сочленённые карбазольным мостиком, содержащие по периферии макрокольца алкил, арил и арилокси группы, а по N положению карбазольного мостика – бензильную защитную группу. (2) Полученные на первом этапе выполнения Проекта планарные биядерные фталоцианины будут солюбилизированы с использованием неионогенных ПАВ. (3) Будут исследованы фотохимические свойства соединений, полученных на втором этапе выполнения Проекта. А именно, будут определены выходы генерации синглетного кислорода, квантовые выходы флуоресценции и проведены качественные эксперименты по определению возможности образования супероксид анион-радикала. По результатам второго года выполнения проекта планируется опубликовать 1 статью в журнале из баз WoS и Scopus, также результаты будут опубликованы в виде тезисов докладов международной конференции Ломоносов (исполнители Белоусов М.С. и Горбунова Е.А.). Планируется выступление на международной конференции по красителям и пигментам, которая должна будет состояться осенью 2022 года (https://www.elsevier.com/events/conferences/international-symposium-on-dyes-and-pigments). Для идентификации новых соединений на всех стадиях выполнения Проекта будут привлечены методы спектроскопии 1H ЯМР и 13С ЯМР, а также, для точного отнесения сигналов методы двумерной спектроскопии ЯМР (1H-1H NOESY, 1H-13С HSQC, 1H-13С HMBC). Для подтверждения элементного состава целевых соединений будет использован метод масс спектрометрии высокого разрешения MALDI (матрично-активированная лазерная десорбция/ионизация) с тандемным времяпролётным детектированием (TOF/TOF). Определение термической стабильности новых фталоцианиновых комплексов будет определяться с помощью термогравиметрического анализа с масс-спектрометрическим детектированием.

Руководителем настоящего Проекта опубликованы обзор и глава в книге, посвящённые фталоцианинам и их аналогам, обладающим расширенной пи-системой сопряжения [1,2]. В рамках завершившегося проекта РФФИ 16-33-60005 мол_a_дк и завершающегося летом 2021 г. проекта РНФ № 19-73-00099 руководителем Проекта разработаны подходы к синтезу арил-, гетарил- и арилокси-замещенных 2,3-нафталоцианинов [3; 4]. С использованием метода направленной статистической конденсации ранее была получена серия биядерных фталоцианинов с общим нафталиновым и бензольным мостиками, а также новый класс соединений – планарные биядерные нафталоцианины. Границы применимости данного протокола синтеза также успешно были расширены для синтеза биядерных комплексов, содержащих гетероциклические фрагменты – планарных биядерных тиенопорфиразинов [5].При расширении периферической пи-системы от биядерных фталоцианинов к нафталоцианинам наблюдается сильное (около 100 нм) батохромное смещение Q полосы. Таким образом, в рамках выполнения 2-го этапа настоящего Проекта ожидается получить биядерные нафталоцианины с карбазольным спейсером и максимумом поглощения смещенным в ближнюю ИК область относительно биядерных фталоцианинов с карбазольным мостиком, которые планируется получить на первом этапе выполнения Проекта. Вторая важная корреляция выявленная ранее руководителем настоящего Проекта заключается в том, что при расширении пи-системы мостика уменьшается степень сопряжения между двумя макрокольцами и соответственно происходит гипсохромное смещение основного максимума поглощения. Кроме того у руководителя настоящего Проекта есть опыт изучения фотохимических свойств фталоцианинов и их аналогов. На примере фталоцианинов и субфталоцианинов в рамках международного сотрудничества с Университетом Антверпена (Бельгия) определены выходы генерации синглетного кислорода и показано, что комплексы цинка обладают более высокими выходами, чем соответствующие комплексы алюминия [6].

По итогам выполнения Проекта будет проведён анализ полученных характеристик целевых соединений и отбор наиболее перспективных кандидатов для дальнейших исследований цитотоксичности. Масштаб настоящего исследования определяется широкими возможностями модификации структуры фтало и нафталоцианиновых комплексов: периферические функциональные группы, центральный ион, аксиальные лиганды (в случае лантанид-ионов), расширение ароматической п-системы. В рамках выполнения настоящего Проекта будут получены соединения, относящиеся к двум типам п-расширенных аналогов фталоцианинов: мононафталоцианины (бензоаннелированные аналоги фталоцианинов) и планарные биядерные фтало и нафталоцианины с жёстким ароматическим спейсером. Для нового класса соединений – биядерных фталоцианинов с карбазольным спейсером – открывается дополнительная возможность функционализации за счёт атома азота карбазольного гетероцикла. Таким образом, становится возможным путём варьирования различных параметров структуры получить соединения с заданными максимумами поглощения в диапазоне «терапевтического окна». Кроме того, путём введения различных функциональных групп планируется добиться снижения агрегации и увеличения растворимости целевых соединений в органических растворителях, а в случае нафталоцианинов – получить водорастворимые аналоги с карбокси-группами. Солюбилизация полученных соединений с гидрофобными функциональными группами (трет-бутил, арилокси, арил) путём образования мицелл в присутствии неионогенных ПАВ позволит добиться снижения агрегации и увеличения растворимости в водных растворах. Решение поставленной задачи синтеза мононафталоцианинов требует комплексного подхода, подразумевающего выбор синтетической стратегии получения исходных соединений, модификации функциональных групп и периферических заместителей в целевом 2,3-нафталоцианине (гидролиз сложноэфирных групп, лигандный обмен аксиального экстралиганда), а также поиск путей солюбилизации с привлечением методов коллоидной химии. Таким образом, комплексный подход, включающий в себя сразу несколько путей решения поставленных задач будет применён на всех стадиях выполнения Проекта: (1) в случае синтетических подходов (использование представителей двух разных групп фталоцианинов, поглощающих в диапазоне терапевтического окна – мононафталоцианинов и биядерных комплексов), (2) при подготовке водорастворимых образцов (введение гидрофильных карбоксильных групп и/или солюбилизация с использованием ПАВ), и (3) исследовании фотохимических характеристик целевых соединений (применение методов детектирования различных активных форм синглетного кислорода).