Аннотация результатов, полученных в 2014 году
В ходе выполнения работы по проекту с целью получения фотосенсибилизаторов с оптимизированными физико-химическими свойствами, в частности, с поглощением в ближней ИК-области были синтезированы новые комплексы с панхроматическим поглощением в УФ-, видимой и ИК-областях – фталоцианины с 15-краун-5-оксантреновыми фрагментами. Впервые синтезированные прекурсоры для таких фталоцианинов – 15-краун-5-замещенные о-хинон и катехол, а также 15-краун-5-замещенный дицианооксантрен могут быть использованы в дальнейшем для синтеза новых ионофорных соединений. Разработан метод управления агрегацией синтезированных соединений за счет взаимодействия с катионами щелочных металлов. Показано, что супрамолекулярные ансамбли, образованные синтезированными фталоцианинам, характеризуются наличием в их электронных спектрах поглощения дополнительных полос поглощения в ближней ИК-области. С целью получения растворимых комплексов, эффективно генерирующих синглетный кислород синтезированы комплексы индия(III), алюминия(III) и галлия(III) с тетра-15-краун-5-фталоцианином. Для применения этих комплексов в исследовании их поведения на бислойных липидных мембранах (БЛМ) и сорбции на наночастицах диоксида церия на примере комплекса индия было подробно изучено их поведение в растворителях разной полярности. Установлено, что благодаря наличию аксиальных лигандов комплексы хорошо растворимы в ДМСО, неограниченно смешивающемся с водой и присутствуют в нем в мономерном виде. Однако, разбавление таких растворов водой приводит к существенной агрегации молекул. С целью солюбилизации соединений на примере комплекса индия было изучено поведение соединений в растворе в присутствии цитрат-иона. Установлено, что введение цитрат иона приводит к существенной мономеризации комплекса в растворе ДМСО-вода. Таким образом, это предполагается использовать для дальнейших исследований на бислойных липидных мембранах и наночастицах диоксида церия. С помощью оригинального метода измерения разности граничных потенциалов бислойных липидных мембран исследованы адсорбция и фотодинамическая эффективность разных производных фталоцианинов, различающихся заместителями на периферии молекулы. Метод опробован на примерах коммерчески-доступных сульфированных фталоцианинов алюминия(III), различающихся количеством сульфогрупп в боковых цепях (основа препарата Фотосенс®). Показано, что с уменьшением количества сульфогрупп на поверхности БЛМ возрастает их эффективность как генераторов и тушителей синглетного кислорода в зависимости от концентрации, что объясняется возрастанием глубины погружения молекул фталоцианинов в мембрану. Из полученных результатов следует, что концентрация синглетного кислорода возрастает с глубиной погружения в углеводородную область мембраны. Для изучения влияния природы заместителя в макрокольце данный метод был также использован для исследования адсорбции тетра-15-краун-5 фталоцианина алюминия. Однако исследование показало отсутствие адсорбции данного типа фталоцианина на БЛМ, что, скорее всего, связано с процессами агрегации комплекса при переходе от раствора в ДМСО в водный раствор. Также был изучен тетра-15-краун-5-фталоцианинат европия(III) с аксиально-координированной молекулой фенантролина, растворимый в воде. Показано, что адсорбция раствора комплекса европия на БЛМ приводила к появлению положительного скачка потенциала, аналогичного потенциалу, создаваемому моносульфированным фталоцианином алюминия. Этот факт позволяет использовать данный фотосенсибилизатор для дальнейшего изучения генерации синглетного кислорода на БЛМ. На данном этапе проекта проведен синтез нанокристаллических порошков, а также агрегативно-устойчивых водных золей диоксида церия, осуществлен анализ их физико-химических свойств с использованием ряда взаимодополняющих методов. Установлено, что осаждение диоксида церия из водных растворов хлорида церия под действием аммиака позволяет получить порошки CeO2, характеризующиеся достаточно низкой степенью агрегации и высокой удельной площадью поверхности (более 100 м2/г), при этом средний размер наночастиц можно направленно изменять до 3–5 нм. Определены условия получения агрегативно-устойчивых гидрозолей CeO2 из хлорида церия(III) методом, сочетающим анионитную и гидротермально-микроволновую обработку. Проведены предварительные эксперименты по исследованию сорбции фталоцианинатов на поверхности диоксида церия. С учетом результатов моделирования проведена оценка значения энергии Гибсса для процесса адсорбции тетра-15-краун-5-фталоцианината индия на поверхности диоксида церия, которое составило –21.7 кДж/моль. Показано наличие физического взаимодействия межу молекулами фталоцианината индия и поверхностью диоксида церия.

Аннотация результатов, полученных в 2015 году
В ходе выполнения работы по проекту были синтезированы новые высокорастворимые фотосенсибилизаторы – непериферийно-замещенные фталоцианины, содержащие бутоксильные заместители в α-положении макроциклического кольца, высокорастворимые в большинстве органических растворителей за счет отсутствия агрегации и обладающие интенсивным поглощением ближней ИК-области (область прозрачности биологических тканей). Обнаружена интенсивная молекулярная флуоресценция синтезированных соединений, квантовые выходы которой уменьшаются в ряду PcMg ≈ PcH2>>PcZn. С целью перехода к производным, растворимым в полярных средах на данном этапе проекта были разработаны подходы к получению комплексов галлия(III) и индия(III) с фталоцианином, содержащим терминальные гидроксильные группы, необходимые для связывания с поверхностью мембран и наночастиц, а также способным к дальнейшей химической модификации, в том числе и получении водорастворимых производных. Подробно изучены фотофизические свойства (люминесценция и генерация синглетного кислорода) синтезированных на первом этапе проекта комплексов индия(III), алюминия(III) и галлия(III) с тетра-15-краун-5-фталоцианином в растворах ДМСО как биологически совместимого растворителя (люминесценция и генерация синглетного кислорода). Было показано, что растворы изученных комплексов в ДМСО проявляют характеристичную молекулярную флуоресценцию в районе 700 нм. Для изученной серии фотосенсибилизаторов определены квантовые выходы флуоресценции, которые хорошо согласуются с известными тенденциями для трехвалентных металлов и уменьшаются в ряду AlPc ≈ GaPc>>InPc. Проведены серии экспериментов для определения квантового выхода генерации синглетного кислорода. Найденные значения квантовых выходов генерации синглетного кислорода находятся в противоположной зависимости от квантовых выходов флуоресценции и увеличиваются в ряду AlPc <GaPc<InPc (от 0,26 до 0,82). Проведенные эксперименты по определению скорости фотодеструкции комплексов при облучении белым светом, а также с использованием желтого фильтра, отсекающего УФ-излучение и красным лазером с длиной волны 631 нм показали наибольшую скорость фотодеструкции для фталоцианината индия. Выявлено ингибирующее влияние нанокристаллического диоксида церия, полученного на первом этапе проекта, на скорость деструкции фотоактивных фталоцианинов. Эксперименты, проведенные с использованием желтого фильтра подтвердили факт влияния нанокристаллического CeO2-х на скорость аутодеструкции фталоцианината индия, однако показали уменьшение эффекта ингибирования при отсутствии ультрафиолетового облучения, что может свидетельствовать о том, что CeO2-x преимущественно ингибирует влияние свободно-радикальных форм кислорода. Для более детального изучения способности нанокристаллического диоксида церия деактивировать синглетный кислород были проведены эксперименты по определению квантового выхода генерации синглетного кислорода при одновременном присутствии ловушки - дифенилбензофурана и диоксида церия и облучении красным лазером. Полученные значения квантового выхода синглетного кислорода оказались равными равным 82% для системы, содержащей только фталоцианинат индия и 70% для системы, содержащей фталоцианинат индия и CeO2-x, что еще раз доказывает предположение о протекторном действии нанокристаллического диоксида церия по отношению к синглетному кислороду. Для понимания механизма процессов, протекающих в коллоидных растворах фталоцианинатов и нанокристаллического диоксида церия с использованием программы Atomistix ToolKit с графическим интерфейсом Virtual NanoLab от Quantum Wise был проведен теоретический расчет химического потенциала исследуемой системы. Проведенные расчеты показали, что при приближении молекулы фталоцианина к поверхности нанодисперсного диоксила церия на расстояния около 2-3 Å наблюдается монотонное увеличение химического потенциала, вероятно, связанное с электростатическим отталкиванием, т.е. адсорбция молекулы на поверхности не регистрируется. При этом для краунфталоцианината индия изменение химического потенциала системы составляет порядка -1.6 кДж/моль, что хорошо согласуется с результатами экспериментальных исследований, проведенных на первом этапе проекта по определению стандартной свободной энергии Гиббса (-ΔG) адсорбции краунфталоцианината индия на наночастицах диоксида церия из растворов в ДМСО. Разработанный авторами проекта оригинальный метод измерения разности граничных потенциалов бислойных липидных мембран на данном этапе проекта был использован для изучения адсорбция наночастиц диоксида церия на липидных бислоях, как ближайших моделях клеточных мембран. Для этого были использованы водные золи нанокристаллического диоксида церия, полученные на первом этапе проекта. Было установлено, что наночастицы диоксида церия успешно сорбируются на фосфолипидных мембранах, вызывая при этом скачок потенциала на границе мембраны. Для выяснения влияния нанокристаллического диоксида церия, сорбированного на поверхности мембраны на процессы генерации синглетного кислорода изучена система тетрасульфированный фталоцианинат алюминия (Фотосенс) - водорастворимый стириловый краситель (di-4-ANEPPS) – CeO2. Впервые показана способность данного красителя одновременно выступать в качестве не только соединения, высокочувствительного к изменению потенциала на мембране, но и ловушки синглетного кислорода. В результате проведенных экспериментов по изучению влияния адсорбированного на мембране нанокристаллического диоксида церия на генерацию синглетного кислорода фотосенсидилизатором Фотосенс был сделан вывод, о том, что частицы диоксида церия адсорбируются на поверхности бислойной липидной мембраны, заряжая ее отрицательно, и аналогично их поведению в растворах подавляют окисление мишеней синглетного кислорода при облучении. В отчетном году также был разработан простой и удобный метод получения стабильных водных золей фторидов церия и их флуоресцентных производных, допированных ионами тербия, интенсивная люминесценция которых позволяет визуализировать их накопление в клетках методом конфокальной лазерной сканирующей микроскопии. Впервые показано, что эти наночастицы являются протекторами как органических молекул, так и живых клеток от окислительного воздействия пероксида водорода. Представляется интересным также изучить влияние этих частиц на процессы генерации синглетного кислорода. В отчетном году были опубликованы две статьи в журналах Dalton Transactions и Materials Science and Engineering C, один англоязычный обзор в журнале Неорганической химии, одна статья находится на рецензии в журнале Inorganic Chemistry и еще две статьи подготовлены к отправке в журнал Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry. Все поставленные на этот год задачи выполнены.

Аннотация результатов, полученных в 2016 году
В ходе выполнения работы по проекту с целью поиска новых водорастворимых производных порфиринов были разработаны подходы к получению ионных порфиринатов фосфора(V). Было показано, что в отличие от комплексов переходных металлов, в случае фосфора для комплексообразования требуются значительно более жесткие условия, которые также существенно зависят от природы заместителей в порфириновом макрокольце. На примере тетрафенилпорфирина было установлено, что замена источника фосфора в реакциях комплексообразования с POCl3 на POBr3 приводит к сокращению времени реакции с 24 часов до 80 минут при одновременном увеличении выхода с 82% до 95%. В дополнение к вышеописанному, данный метод требует меньшее количество вещества – источника фосфора. Разработанный метод был опробован на моно-, ди- и тетра-пиридилпорфиринах и подтвердил свою эффективность. В связи с тем, что природа аксиальных лигандов может вносить значительный вклад в фотоактивность комплексов, на данном этапе был исследован обмен аксиальных лигандов в порфиринатах фосфора(V). Было установлено, что бромные и хлорные аксиальные лиганды фосфорных(V) комплексов порфиринов обладают исключительной реакционной способностью и могут быть замещены в присутствии избытка воды или спирта на гидроксид или алкоксид анионы. Были также найдены условия введения в аксиальные позиции порфирината фосфора(V) мета метоксифенола, как молекулы с возможной реализацией переноса энергии. Исследование фотохимических свойств тетрафенилпорфиринатов фосфора с различными аксиальными лигандами в трёх растворителях (хлороформ, ДМСО и вода) показали, что порфиринаты фосфора (V) являются эффективными фотосенсибилизаторами, демонстрирующими высокий квантовый выход генерации синглетного кислорода, в том числе и в водных средах. С целью формирования заряженных катионных порфиринов-фотосенсибилизаторов были разработаны удобные препаративные методы, позволяющие вводить имидазольные фрагменты в различные положения молекулы порфирина, полное алкилирование которых приводит к образованию целевых катионных групп. В продолжение работ по получению высокорастворимых непериферийно-замещенных фталоцианинов, поглощающих в ИК-области спектра, на данном этапе проекта были предприняты синтетические попытки к получению непериферийно-замещенного фталоцианина, содержащего 16 гидроксильных групп. Однако, проведенный большой объем синтетических исследований по поиску условий получения целевого фталонитрила, состоящий в варьировании целого ряда параметров, включая природу защитных групп, исходных реагентов и тд не привел к успеху. Для изучения первичных механизмов фотодинамических реакций на поверхности бислойной липидной мембраны (БЛМ) как метода предварительного тестирования поведения новых фотосенсибилизаторов на клеточном уровне необходимо разрабатывать модельные системы и соответствующие вещества-ловушки, которые могут «улавливать» синглетный кислород. На данном этапе работы мы предложили в качестве таких ловушек потенциал-чувствительные стириловые красители (di-4-ANEPPS, di-8-ANEPPS, RH-421 и RH-237). Генерация синглетного кислорода осуществлялась при облучении тетрасульфофталоцианина алюминия, а связывание фотосенсибилизаторов и мишеней (ловушек) синглетного кислорода на поверхности мембраны регистрировалось по изменению граничного потенциала мембраны. Исходя их кинетики изменения потенциала, определялась скорость разрушения мишеней, которая, как было показано, пропорциональна стационарной концентрации синглетного кислорода, образующегося в мембране при возбуждении фотосенсибилизатора видимым светом. Были изучены два типа систем, когда фотосенсибилизатор и мишень находятся на одной стороне мембраны и на разных. Сравнение скоростей окисления различных мишеней показало, что соединения серии ANEPPS более чувствительны к синглетному кислороду по сравнению с серией RH. Таким образом, нами были предложены удобные модели для тестирования активности новых фотосенсибилизаторов на поверхностях бислойных липидных мембран. Кроме того, можно сделать вывод о том, что ароматические заместители в изученных стириловых красителях могут служить моделями ароматических аминокислот (тирозин и триптофан) в белках, в то время как ненасыщенные углеводородные цепи могут биомиметировать ненасыщенные липиды в мембранах. Сравнение эффективности окисления этих групп показывает, что белки, содержащие ароматические фрагменты более чувствительны к окислению синглетным кислородом, чем ненасыщенные фосфолипиды. В исследованиях этого года также изучались фотодинамическая активность и адсорбция на БЛМ тетра(4-сульфофенил)порфирина (TPPS4). Было показано, что в отличие от изученного ранее тетрасульфированного фталоцианина алюминия, фотодинамическая активность и адсорбция порфирина TPPS4 зависит от рН раствора. При этом скорость разрушения молекул di-4-ANEPPS, адсорбированных с одной (цис) стороны БЛМ вместе с TPPS4, оказалась выше скорости разрушения молекул di-4-ANEPPS, адсорбированных с противоположной (транс) стороны. Этим TPPS4 отличается от изученного нами ранее тетрасульфированного фталоцианина алюминия. По-видимому, это вызвано различным типом встраивания этих молекул в мембрану, что обусловлено наличием или отсутствием металла-комплексообразователя в соединении. В развитие наших работ, особый интерес представляет исследование влияния CeO2 на генерацию синглетного кислорода в водной среде и на поверхности БЛМ. Для этих целей нами были синтезированы водные золи диоксида церия по трем методикам, отличающимся источником катионов церия и условиями получения золя. Микроморфологию золей CeO2 исследовали методом просвечивающей электронной микроскопии. По данным ПЭМ видно, что полученные образцы диоксида церия состоят из частиц со средним размером от 2 до 5 нм. Исследование влияния CeO2 на генерацию синглетного кислорода в водной среде проводили с использованием бислойных липидных мембран и цитратного буфера с pH ~5.3. Было установлено, что при всех исследуемых концентрациях золя диоксида церия происходит увеличение скорости разрушения ловушки относительно контрольного эксперимента, проведенного в присутствии только AlPcS2 (без CeO2). Вероятно, это можно связать с тем, что в выбранных условиях эксперимента (pH=5.3) диоксид церия является прооксидантом и, тем самым усиливает действие синглетного кислорода. Эти результаты были получены как в экспериментах с транс-расположением ловушки и AlPcS2, так и для цис-расположения. Известно, что прооксидантная/антиоксидантная активность CeO2 зависит от pH среды. В связи с этим представляет интерес выявление зависимости влияния рН среды на возможности управления фотодинамическими характеристиками фотосенсибилизатора при адсорбции золей CeO2 на бислойных липидных мембранах и различных фотосенсибилизаторах тетрапиррольного ряда. В отчетном году были опубликованы две статьи в журнале Inorganic Chemistry, статья в Journal of Photochemistry & Photobiology, B: Biology, статья в Materials Science and Engineering C, статья в журнале Antiviral Research, статья в журнале Неорганической химии, одна статья прошла рецензию и находится в журнале Электрохимия. По работам по гранту в 2016 году было сделано 17 докладов на профильных международных и Российских научных конференциях, из которых один – пленарный и 2 приглашенных. Все поставленные на этот год задачи выполнены.