Сенсибилизатор и способ фотообеззараживания воды
Владельцы патента RU 2448135:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научный центр "Научно-исследовательский институт органических полупродуктов и красителей" (ФГУП "ГНЦ "НИОПИК") (RU)
Изобретение относится к химии и химической технологии, в частности, к фталоцианиновым сенсибилизаторам и их применению для очистки воды от бактериального загрязнения. Предложены новые фталоцианины, представляющие собой кватернизованные производные тетра(3-тиофенил)фталоцианинов алюминия и цинка формулы MPc(SPh)4Rn, где: MPc(SPh)4Rn - тетра(3-тиофенил)фталоцианин алюминия или цинка, M=Zn, AlX; X=Cl, HO, , , n=4-9. Предлагаемые фталоцианины являются сенсибилизаторами образования синглетного кислорода под действием видимого света. Также предложен способ обработки воды с использованием этих фталоцианинов или их смеси с красителями акридинового, родаминового или фенотиазинового ряда и излучения видимого диапазона в присутствии кислорода, который обеспечивает эффективную очистку воды от бактериального загрязнения. 2 н.п. ф-лы, 1 ил., 3 табл., 7 пр.
Настоящее изобретение относится к химии и химической технологии, точнее - к фталопианинам, а именно - к катионным производным тетра(3-тиофенил)фталоцианинов алюминия и цинка - и их применению для очистки воды от бактериального загрязнения.
Известны октакис(пиридиниометил)замещенные фталоцианины цинка (ZnPcPym8) и алюминия (AlPcPym8) [патент РФ №2235688, кл. С02F 1/32, 2002] для фотообеззараживания воды. Известны катионные фталоцианины, представляющие собой поли(триалкиламмониометил)замещенные фталоцианины цинка и алюминия, являющиеся сенсибилизаторами образования синглетного кислорода под действием видимого света, а также способ фотообеззараживания воды с использованием этих фталоцианинов. Положительный заряд заместителей этих сенсибилизаторов обеспечивает взаимодействие с отрицательно заряженными внешними мембранами микроорганизмов, проникновение в них и эффективную фотодинамическую инактивацию. Известны также композиции, в состав которых входят кватернизованные фталоцианины и красители акридинового, родаминового или фенотиазинового ряда [патент РФ №2281953, кл. С02F 1/30, 2006] для фотообеззараживания воды. По указанному патенту для фотообеззараживания воды используют сенсибилизаторы активных форм кислорода и излучение видимого диапазона. Использование в композиции наряду с предложенными в патенте сенсибилизаторами красителей, поглощающих в других областях спектра, позволяет увеличить эффективность использования световой энергии и повысить фотобактерицидное действие препаратов. Однако фталоцианины, особенно замещенные фталоцианина цинка, склонны к образованию в воде неактивных димеров, что приводит к снижению их фотобактерицидного действия. Кроме того, необходим широкий набор фотосенсибилизаторов, поглощающих в разных областях спектра для более полного и эффективного обеззараживания водных объектов под действием широкополосного видимого света.
Задача изобретения - изыскание новых катионных производных фталоцианина, менее склонных к димеризации и поглощающих в более широком диапазоне видимого спектра, эффективно сенсибилизирующих образование синглетного кислорода под действием видимого света и инактивирующих микроорганизмы, а также разработка способа фотообеззараживания воды с их применением.
Поставленная задача решается синтезом катионных фталоцианинов - производных тетра(3-тиофенил)фталопианинов алюминия и цинка общей формулы: MPc(SPh)4Rn
где:
- MPc(SPh)4Choln, 
-MPc(SPh)4Pymn
M=Zn, AlX; X=Cl, HO
n=4-9
Предлагаемые сенсибилизаторы получают на основе тетра-3-тиофенилфталоцианинов цинка либо алюминия в две стадии. На первой стадии тетра-3-тиофенилфталоцианины цинка и алюминия хлорметилируют избытком бис(хлорметилового) эфира. На второй стадии полученные полихлорметилзамещенные тетра-3-тиофенилфталоцианины цинка или алюминия обрабатывают избытком третичного амина (пиридин либо 2-диметиламиноэтанол), получая комплексы с кватернизованными аминогруппами.
Предлагаемые тетра-3-тиофенилфталоцианиновые сенсибилизаторы, содержащие 4 и более катионных заместителя, хорошо растворяются в воде. Объемные тиофенильные группы, расположенные в положении 3, находятся вне плоскости фталоцианинового макрокольца, они препятствуют сближению молекул и образованию неактивных π-π димеров и агрегатов, о чем свидетельствуют электронные спектры поглощения этих соединений (фиг.1).
Поставленная задача достигается также разработкой способа фотообеззараживания воды с применением вышеописанных катионных производных тетра(3-тиофенил)фталоцианинов алюминия и цинка. Для ее решения предлагается способ фотообеззараживания воды с использованием сенсибилизатора катионного типа и излучения видимого диапазона в присутствии кислорода, в котором в качестве сенсибилизатора используют вышеописанное катионное производное тетра(3-тиофенил)фталоцианина алюминия или цинка либо его смесь с красителями акридинового, родаминового или фенотиазинового ряда.
На фиг.1 приведены электронные спектры поглощения ZnPcPym8 (1) и ZnPc(SPh)4Pym9 (2) в физиологическом растворе (0.1% водный раствор NaCl).
Предлагаемое изобретение иллюстрируется нижеприведенными примерами.
Пример 1
ZnPc(SPh)4Chol9
а) К 2,5 г (0,0187 моль) хлористого алюминия добавляют 0,8 г (0,0057 моль) триэтиламина, затем 4 мл дихлордиметилового эфира и 0,4 г (0,00039 моль) тетракис(3-тиофенил)фталоцианина цинка. Смесь нагревают при температуре бани 95-100°С в течение 2-х часов, после чего выгружают на лед. Осадок отделяют, промывают водой, метанолом и сушат. Получают 0,536 г (93,7%) ZnPc(SPh)4(CH2Cl)9, λмакс(ДМФА)=710 нм.
Найдено %: С 51,09; Н 2,84; S 8.56; 8,57; N 6.85; 6.89; Сl 22.97.
Вычислено для n=9, C65H41C19N8S4, %: С 53,09; Н 2,85; S 8.84; Сl 22.05. ПМР δ м.д. (d6 ДМСО): 5.0 (CH2Cl ушир.), 7-9 (ArН ушир.). О том, что происходит хлорметилирование фенильных колец свидетельствует положение сигнала от протонов хлорметильных групп. Нами было найдено, что сигналы от протонов хлорметильных групп, непосредственно связанных с фталоцианиновым циклом, находятся в более слабом поле (5.5-5.8 м.д.)
б) К 0,12 г (0,000083 моль) хлорметилированного тетракистиофенилфталоцианина цинка добавляют 1 мл диметиламиноэтанола и смесь нагревают при температуре 90°С в течение часа. Осадок отделяют, промывают ацетоном, переосаждают из метанола ацетоном и сушат. Выход 0,12 г (64,5%), λмакс(Н2O)=706 нм, ε=33,9 л/г·см или 76000 л/моль·см.
Найдено, % N 9.9, 10.11. Вычислено для ZnPc(SPh)4Chol9 MM 2248,01% N 10,59.
Пример 2
ZnPc(SPh4)Pym9
Синтез проводят как в предыдущем примере, используя вместо N-диметиламиноэтанола пиридин. Выход 84.0%, λмакс(H2О)=709 нм. Найдено % N 10.81, 10.78. Вычислено для ZnPc(SPh4)Pym9 MM 2158,69% N 11.03.
Пример 3
HOAlPc(SPh4)Chol7
а) К 2 г (0,0149 моль) хлористого алюминия добавляют 0,7 г (0,005 моль) триэтиламина, затем 4 мл дихлордиметилового эфира и 0,41 г (0,0004 моль) тетракис(3-тиофенил)фталоцианин алюминий хлорида. Смесь нагревают при температуре бани 90°C в течение 2-х часов, после чего выгружают на лед. Осадок отделяют, промывают водой, метанолом и сушат. Выход 0,45 г (84,9%), λмакс(ДМФА)=722 нм.
Найдено % N 6.71, 6.62; Cl 18.25,18.39. Вычислено для HOAlPc(SPh4)(CH2Cl)7
MM 1328,41%: N 6.71; Cl 18.68.
б) К 0,1 г (0,000075 моль) хлорметилированного тетракис(3-тиофенил)фталоцианина алюминийгидроксида добавляют 1 мл N,N-диметиламиноэтанола и смесь нагревают при температуре 90°C в течение часа. Осадок отделяют, промывают ацетоном, переосаждают из метанола ацетоном и сушат. Выход 0,09 г (61,6%), λмакс(Н2O)=717 нм. Найдено %: N 10.11, 10.08. Вычислено для HOAlPc(SPh4)Chol7 MM 1952,37%: N 10.76.
Пример 4
HOAlPc(SPh4)Pym7
Синтез проводят как в предыдущем опыте, используя вместо N,N-диметиламиноэтанола пиридин. Выход 75,1%. λмакс(H2О)=718 нм. Найдено % N 10.92,10.89. Вычислено для HOAlPc(SPh4)Pym7 MM 1882,11% N 11.16.
Производные тетра(3-тиофенил)фталопианина поглощают свет видимого диапазона с длиной волны в области от 600 до 800 нм - в более широком и длинноволновом интервале по сравнению с не содержащими тиофенильных групп аналогом (Фиг 1). Кроме того, ZnPc(SPh4)Pym9 менее агрегирован по сравнению с ZnPcPym8 - в его спектре поглощения длинноволновый максимум мономерной формы (715 нм) превышает коротковолновый максимум при 650 нм, относящийся к поглощению димеров. В растворе ZnPcPym8 напротив, димеров больше, чем мономеров. Поскольку цитотоксический синглетный кислород генерирует лишь мономерная форма сенсибилизатора, то тиофенилзамещенные фталоцианины в физиологических условиях при использовании определенных источников облучения могут оказаться более эффективными сенсибилизаторами синглетного кислорода и фотоинактивации микроорганизмов.
Пример 5
Определение относительной активности фотосенсибилизаторов в генерации синглетного кислорода.
Для тестирования эффективности фотогенерации синглетного кислорода в диметилсульфоксиде (ДМСО) использовали 1,3-дифенилизобензофуран (DPBF) [J.D.Spikes, J.E.Lier, J.C.Bommer. / J. Photochem. Photobiol. A: Chem. 1995. V.91. P.193-198]. Раствор тестируемого фталоцианина с концентрацией около 5×10-6 моль/л, содержащий 5×10-5 моль/л DPBF, помещали в стандартную спектрофотометрическую кювету с толщиной оптического слоя 1 см и облучали светом лампы ДКСШ-150 через стеклянный светофильтр ЖС-18 и интерференционный светофильтр с максимумом пропускания 680 нм. Интенсивность светового потока определяли, используя калиброванный кремниевый фотодиод (Thoriabs), долю поглощенного образцом света рассчитывали интегрированием перекрывания спектров пропускания светофильтра и спектра поглощения красителей. Фотосенсибилизированное окисление акцептора синглетного кислорода контролировали спектрофотометрически по снижению поглощения в максимуме на длине волны 418 нм. Значения ФΔ для фталоцианинов цинка измеряли в ДМСО относительно незамещенного фталоцианина цинка ZnPc (ФΔ=0,67 [Jacques P. and Braun AM // Helv. Chim. Acta. 1981. V.64. P.1800]). Учитывая, что концентрация ловушки в растворах исследуемого соединения и стандарта была одинаковой, ФΔ рассчитывали по формуле (I):
где 
- квантовый выход синглетного кислорода для стандарта;
W и Wref - скорости фотообесцвечивания ловушки в присутствии исследуемого фталоцианина и стандарта, соответственно;
Iabs и 
- интенсивности света, поглощаемого исследуемым фталоцианином и стандартом, соответственно.
Значения квантовых выходов сенсибилизации образования синглетного кислорода вышеописанными кватернизованными производными тетра(3-тиофенил) фталоцианинов цинка и алюминия представлены в табл.1.
| Таблица 1 | |||
| Квантовые выходы фотогенерации синглетного кислорода производными тетра(3-тиофенил)фталоцианинов алюминия и цинка в ДМСО | |||
| № п/п | Сенсибилизатор | λмакс, нм | ФΔ |
| 1 | ZnPc(SPh)4Pym9 | 714 | 0,70 |
| 2 | ZnPc(SPh)4Chol9 | 713 | 0,70 |
| 3 | HOAlPc(SPh)4Pym7 | 111 | 0,18 |
| 4 | HOAlPc(SPh)4Chol7 | 720 | 0,20 |
Все катионные фталопианины, приведенные в табл.1, в ДМСО находятся в мономерном состоянии. Из табл.1 следует, что предлагаемые в настоящем изобретении катионные производные тетра(3-тиофенил)фталоцианинов алюминия и цинка достаточно эффективно сенсибилизируют образование активного синглетного кислорода в ДМСО.
Пример 6
Определение активности катионных производных тетра(3-тиофенил)фталоцианина алюминия или цинка в фотоинактивации колиформных бактерий в воде.
Готовили раствор производного тетра(3-тиофенил)фталоцианина алюминия или цинка (сенсибилизатор) в бактериально загрязненной воде. До начала облучения раствор инкубировали в течение 1 часа, затем помещали в реактор (V=200 мл), снабженный рубашкой для охлаждения током воды, и облучали 30 мин видимым светом от внешнего источника. Источником света служила галогенная лампа R7s фирмы OSRAM мощностью 300 Вт, расположенная в прожекторе на расстоянии 15 см от реактора. Раствор во время облучения перемешивали и аэрировали барботированием воздуха. Для определения колиформных бактерий (общие колиформные бактерии, ОКБ) микроорганизмы из 100 мл воды высевались на мембранные фильтры, затем инкубировались в термостате при 37°С в течение суток. Подсчитывалось число колоний (КОЕ). Эффективность фотообеззараживания определяли по формуле:
Эффективность (%) = 100*(ОКБ до обработки - ОКБ после обработки)/(ОКБ до обработки).
Результаты представлены в табл.2.
| Таблица 2 | |||||
| № п/п | Сенсибилизатор | Концентрация, мг/л | ОКБ (КОЕ в 100 мл) | Эффективность, % | |
| До обработки | После обработки | ||||
| 1 | ZnPcPym8 (аналог) | 2 | 725 | 0 | 100.00 |
| 2 | ZnPc(SPh)4Chol9 | 3 | 725 | 0 | 100.00 |
| 3 | 2 | 725 | 0 | 100.00 | |
| 4 | 1 | 725 | 4 | 99.45 | |
| 5 | 0.5 | 725 | 8 | 98.89 | |
| 6 | ZnPc(SPh)4Pym9 | 2 | 200 | 0 | 100,00 |
| 7 | HOAlPc(SPh)4Chol7 | 2 | 200 | 0 | 100,00 |
| 8 | HOAlPc(SPh)4Pym7 | 2 | 200 | 0 | 100,00 |
Таким образом, предлагаемые в настоящем изобретении кватернизованные производные тетра(3-тиофенил)фталоцианинов алюминия и цинка являются эффективными фотодезинфектантами колиформных бактерий в воде (табл.2).
Пример 7
Определение активности композиций сенсибилизаторов, содержащих катионные производные тетра(3-тиофенил)фталоцианина алюминия или цинка в фотоинактивации колиформных бактерий в воде.
В раствор бактериально загрязненной воды вводили композицию сенсибилизаторов, инкубировали в течение 1 часа, затем облучали в течение 30 минут и анализировали на содержание ОКБ аналогично описанному в примере 6. Состав композиций, концентрации компонентов и полученные результаты по фотообеззараживающему действию в отношении ОКБ обобщены в табл.3.
| Таблица 3 | ||||
| Данные по фотообеззараживанию воды композициями фотосенсибилизаторов | ||||
| № п/п | Композиция | ОКБ | Эффективность, % | |
| до обработки | после обработки | |||
| 1 | ZnPcChol8 (1 мг/л) Профлавин (0.5 мг/л) (по пат. РФ №2281953) |
1500 | 0 | 100 |
| 2 | ZnPc(SPh)4Chol9 (1 мг/л) Профлавин (0.5 мг/л) |
1500 | 0 | 100 |
| 3 | ZnPc(SPh)4Chol9 (1 мг/л) | |||
| Дибромзамещенный Родамин 123 (0.3 мг/л) |
1500 | 0 | 100 | |
| Метиленовый голубой (0.5 мг/л) |
Данные табл.3 демонстрируют 100%-ную эффективность применения предлагаемых катионных производных тетра(3-тиофенил)фталоцианинов цинка и алюминия совместно с профлавином, метиленовым голубым и дибромзамещенным родамином 123. При использовании отдельно предлагаемого сенсибилизатора в указанной концентрации 100%-ная инактивация бактерий не достигается.
Таким образом,
а) новые, предложенные в данном изобретении катионные производные тетра(3-тиофенил)фталоцианинов алюминия и цинка являются достаточно эффективными сенсибилизаторами синглетного кислорода в водных средах, они поглощают свет в более широком и длинноволновом спектральном диапазоне, менее агрегированы по сравнению с не содержащими тиофенильных групп аналогами.
б) применение предложенных соединений для фотообеззараживания воды, как таковых, так и в композиции с красителями родаминового, акридинового и фенотиазинового ряда, обеспечивает фотообеззараживание воды.
1. Кватернизованные производные тетра(3-тиофенил)фталоцианинов алюминия и цинка общей формулы
MPc(SPh)4Rn,
где
,
M=Zn, AlX; X=Cl, HO;
n=4-9.
2. Способ фотообеззараживания воды с использованием сенсибилизатора катионного типа и излучения видимого диапазона в присутствии кислорода, отличающийся тем, что в качестве сенсибилизатора используют соединение по п.1 или его смесь с красителями акридинового, родаминового или фенотиазинового ряда.
