Фотокаталитическая активность солюбилизированных тетрафенилпорфиринов

МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Московский технологический университет»
МИТХТ

Кафедра химии и технологии биологически активных соединений 
им. Преображенского Н. А. 

РАБОТА ДОПУЩЕНА К ЗАЩИТЕ
Заведующий 
кафедрой ________________ М. А. Грин
«____» ___________ 2017 г.
ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

по направлению подготовки магистров
18.04.01
Химическая технология
код
наименование направления подготовки

на тему: Фотокаталитическая активность солюбилизированных                      
тетрафенилпорфиринов в окислении субстратов в органической и водной 
фазе
Обучающийся
_____________
Акишина Алена Константиновна

подпись

шифр
15Х2193


группа
ХЕМО-07-15






Руководитель
работы
_____________
к.х.н., доц.
Брагина Н. А.

подпись
ученая степень, ученое звание, должность

Консультант
_____________
д.х.н., проф.
Соловьева А.Б.

подпись
ученая степень, ученое звание, должность




Москва 2017 г.

Электронная версия ВКР передана на выпускающую кафедру
Суворов Н.В.

Оглавление
Список сокращений	3
1	Введение	4
2	Литературный обзор	6
2.1	Порфириновые соединения	6
2.1.1	Строение и классификация	6
2.1.2	Спектрофотометрия	9
2.2	Генерация синглетного кислорода	14
2.2.1	Электронная структура синглетного кислорода	14
2.2.2	Процессы генерации синглетного кислорода	17
2.2.3	Фотосенсибилизаторы генерации синглетного кислорода	20
2.3	Солюбилизация порфиринов	24
2.3.1	Высокоэффективные водорастворимые фотокаталитические системы	24
2.3.2	Солюбилизированные ФС: степень солюбилизации	26
2.3.3	Солюбилизирующие агенты	27
2.4	Биологически активные соединения. Альгинат натрия	33
2.5	Области применения ПФС	34
2.5.1	Каталитические системы на основе порфиринов	34
2.5.2	Фотодинамическая терапия рака	35
2.5.3	ФДТ при лечении гнойных ран и ожогов	36
3	Теоретическая часть	38
3.1	Фотоокисление антрацена в хлороформе в присутствии ПФС	41
3.2	Влияние концентрации ПФС на эффективную константу kэфф фотоокисления антрацена	43
3.3	Влияние плюроника F127 на фотокаталитическую активность замещенных ТФП в окислении антрацена в хлороформе	45
3.4	Определение степени солюбилизации	47
3.5	Фотоокисление триптофана в воде в присутствии солюбилизированных ПФС	50
3.6	Влияние альгината натрия на фотокаталитическую активность замещенных ТФП, солюбилизированных плюроником, в окислении триптофана в воде	53
4	Экспериментальная часть	58
4.1	Методика солюбилизации ПФС	58
4.2	Методика фотоокисления триптофана в воде и антрацена в органической фазе в присутствии ПФС	59
5	Выводы	60
6	Список литературы	61


Список сокращений
ТФП - тетрафенилпорфирин
ФДТ - фотодинамическая терапия 
ПФС - порфириновые фотосенсибилизаторы
АП - амфифильные полимеры 
1О2 - синглетный кислород
ККМ - критическая концентрация мицеллообразования
ПЭО - полиэтиленоксид
ППО - полипропиленоксид
ЭСП - электронные спектры поглощения
Мм - молекулярная масса
МО – молекулярная орбиталь
ФАС – фотоактивное соединение
ПАВ - поверхностно-активные вещества 
АФДТ – антбактериальная фотодинамическая терапия
ТФП - 5,10,15,20-тетрафенилпорфирин
ТАФП – 5,10,15,20-тетра(4-аминофенил)порфирин
МАФП - (4-аминофенил)порфирин
мЭГТФП – 5-{4-2-[2-(2-метокси-этокси)-этокси]оксифенил}-10,15,20-трис(4-гидроксифенил)порфирина 
дЭГТФП - 5-{3,4-2-[2-(2-метокси-этокси)-этокси]оксифенил}-10,15,20-трис(4-гидроксифенил)порфирин
тЭГТФП -5,10-ди{4-2-[2-(2-метокси-этокси)-этокси]оксифенил}-15,20-ди(4-гексадецилоксифенил)порфирин





1 Введение

      Синтетические порфирины широко применяются в различных областях науки и техники - химия, биология, медицина, оптика и материаловедение. Они используются в качестве сверхпрочных красителей и пигментов, эффективных катализаторов и биокатализаторов различных процессов, лекарственных препаратов, в частности для фотодинамической и борнейтроно-захватной терапии рака, а также в качестве модельных соединений при исследовании ряда биологических процессов [1]. Такая распространенность обуславливается их коммерческой доступностью, легкостью синтеза и модификации, химической и физической стабильностью и особыми фотофизическими и электрохимическими свойствами [2]. 
      Однако в связи с увеличивающимся ростом устойчивости микроорганизмов к антибактериальным препаратам, в настоящее время проводятся активные исследования порфиринов как фотосенсибилизаторов в фотодинамической терапии поверхностных ран, ожогов и трофических язв. Такая антибактериальная фототодинамическая терапия осуществляется за счет окислительной деструкции патогенных клеток при воздействии лазерного излучения на предварительно обработанные фотосенсибилизатором (ФС) пораженные клетки и ткани. Разрушение поврежденных клеток, в которых накапливается ФС, происходит при генерации возбужденным фотосенсибилизатором активных форм кислорода, прежде всего синглетного 1О2 кислорода. Чтобы увеличить эффективность ФДТ, используют фотосенсибилизаторы, связанные с фрагментами синтетических или природных полимеров, которые увеличивают транспорт ФС через липидный бислой внутрь клетки. Еще один способ повышения эффективности фотодинамической терапии заключается в применении ФДТ совместно с биологически активными соединениями, которые обладают собственными бактерицидными свойствами и способствуют лучшему заживлению поверхностных ран и ожогов. 
      Важно, что в ФДТ поверхностных ран и ожогов можно использовать гидрофобные тетрафенилпорфирины (ТФП), не имеющие сильного поглощения в красной «области прозрачности тканей». Известно, что тетрафенилпорфирины имеют высокий квантовый выход генерации синглетного кислорода. Для придания им водорастворимости, как было сказано ранее, используют солюбилизацию нетоксичными амфифильными полимерами, обладающими свойствами поверхностно-активных веществ (ПАВ). Одними из наиболее нетоксичных и эффективных полимерных ПАВ являются плюроники - тройные блок-сополимеры этиленоксида и пропиленоксида с разным содержанием гидрофильных и гидрофобных блоков. Ранее было показано, что плюроник F127 повышает эффективность фотодитазина (диглутаминовой соли хлорина е6) при ФДТ модельных ран у лабораторных крыс по сравнению с раствором фотодитазина той же концентрации в 2-4 раза [3].
      Целью данной работы является исследование фотокаталитической активности новых порфириновых фотосенсибилизаторов (ПФС) на основе тетрафенилпорифрина (ТФП) в модельных процессах фотогенерации 1О2 -  фотоокисление антрацена в хлороформе и ТФП, солюбилизированных плюроником F127, в реакции окисления триптофана в воде. Также было изучено влияние на эффективность системы ТФП-плюроник-триптофан в фотоокислении триптофана биологически активных полисахаридов, обладающих собственной бактерицидностью для возможного применения антибактериальной фотодинамической терапии.

      
      
      

2 Литературный обзор
2.1 Порфириновые соединения 
2.1.1 Строение и классификация
      К порфириновым соединениям относятся многочисленные циклические полиамины, которые включают в себя многоконтурную сопряженную систему. Основу системы составляет 16- членный макроцикл, содержащий 4 атома азота. Такая замкнутая сопряженная система образует координационный центр молекулы, определяющий большинство ее свойств. Выделяют два класса таких соединений: порфирины и их аналоги. В соответствии с данной классификацией главным признаком собственно порфирина является присутствие в молекуле координационного центра Н2N4 и четырех метиновых (-СН=) или аза- (-N=) мостиков, которые необходимы для связывания гетероциклических ароматических фрагментов (как правило, пиррольных или изо-индольных). Производные исходного макроцикла порфина образуются при замещении атомов водорода в пиррольных кольцах (атомы 1-8 по Фишеру) и в мезо-положении (атомы ?-? по ИЮПАК). Замещение на электронодонорные и электроноакцепторные, циклические и линейные, а также высокомолекулярные заместители не затрагивает природу ? –электронной системы порфирина [4].
      Простейшим представителем класса порфиринов является порфин- незамещенный тетрапиррольный макроцикл, строение которого показано на рис.1 [5]:
                 
Номенклатура ИЮПАК                             Номенклатура по Фишеру
Рисунок 1. Строение молекулы порфина

      Характерными чертами молекулярной структуры порфиринов является планарное строение их ароматической части, основой которой служит 16-членный макроцикл и наличие координационной полости радиуса 2 ?, которая ограничена атомами азота. Макроцикл и сопряженные с ним ?–электронные фрагменты обладают особенно жесткой структурой и устойчивостью к деформациям [6].
      Высокие порядки связей в макроцикле обеспечивают его плоское или почти плоское строение. В некоторых случаях при более низких значениях порядка связей С?-С? в кристаллической решетке порфирин становится частично некопланарным. Такое состояние характерно для порфиринов, содержащих в пиррольных кольцах достаточно объемные заместители. Например, диметиловый эфир мезопорфирина в кристаллах имеет отклонения от средней плоскости макроцикла 1,4-1,60 для трех пиррольных колец и 2,50 для четвертого пиррольного кольца [7].
      Характерной особенностью структуры порфиринов является сильное электронное и ядерное экранирование координационной полости. Это пространство, заключенное между четырьмя атомами азота, способно весьма прочно координировать ионы металлов М2+, М3+ и М4+, таким образом образуя металлокомплексы – металлопорфирины. Атом металла более прочно связан с макроциклом по сравнению с протоном, поэтому имеется возможность координировать еще один или два электронодонорных лиганда (внеплоскостное координирование или экстракоординация). Такая способность металлопорфиринов к внеплоскостному координированию определяет нормальное функционирование биосистем важных природных процессов, которые поддерживают жизнедеятельность живых организмов. Например, металлокомплексы протопорфирина IX с железом (гемы) могут обратимо связываться с кислородом для его транспорта (гемоглобин) или запасать его в связанном виде (миоглобин). Металлокомплексы порфиринов с магнием входят в состав зелёного пигмента растений - хлорофилла, обеспечивающего процессы фотосинтеза. Комплексы металлов с порфиринами применяются в качестве катализаторов при окислении некоторых органических соединений, таких как алифатические и ароматические углеводородов [8].  
      Еще одной отличительной чертой порфиринов является их способность образовывать большое количество производных исходного макроцикла порфина. Усложнение исходной молекулы может происходить двумя путями. Первый связан с замещением атомов водорода в пиррольных кольцах (атомы 1-8 по Фишеру) и в мезо-положении (атомы ?-? по Фишеру) макрокольца. Замещение на электронодонорные и электроноакцепторные, циклические и линейные, а также высокомолекулярные заместители не затрагивает природу ? – электронной системы порфирина [7]. Второй путь заключается в изменении самой структуры макрокольца: введение в него гетератомов, гидрирование, а также расширение за счет присоединения дополнительных циклов [3].
      Следующей особенностью порфириновых соединений является их амфотерность. Это связано с тем, что в своем составе они содержат одновременно и кислотные (-NH=) и основные (-N=) атомы азота, которые образуют координационный центр радиусом порядка 2 ?.
2.1.2 Спектрофотометрия 

      Электронные спектры поглощения
      Особенности молекулярной структуры порфиринов проявляются в их электронных спектрах поглощения (ЭСП) и испускания [9]. По форме и интенсивности ЭСП можно судить о состоянии ?-электронного облака молекулы порфирина. С помощью спектрофотометрического метода можно выявить влияние следующих факторов: концентрация порфирина, природа растворителя, внешних факторов и рН среды. Количественное описание производят по закону Бугера-Ламберта-Бера: оптическая плотность раствора прямопропорциональна концентрации светопоглощающего вещества, толщине слоя раствора и молярному коэффициенту светопоглощения.
lg(I/I0) = -?cl
D= ?cl,
где I0 - интенсивность входящего пучка света, I - интенсивность после прохождения через среду, D - оптическая плотность, ? - молярный коэффициент поглощения вещества (коэффициент экстинкции) (М-1см-1), c- молярная концентрация раствора (М), l - длина светопоглощающего слоя (см).
      Таким образом, после прохождения слоя раствора интенсивность излучения уменьшается экспоненциально с увеличением концентрации растворенного вещества, а оптическая плотность линейно увеличивается с ростом концентрации.
      В электронных спектрах поглощения безметальных порфиринов в видимой области имеются четыре слабые полосы поглощения. Чисто электронным переходам соответствуют I и III полосы поглощения, а II и IV полосы поглощения соответствуют электронно-колебательным переходам. Полосы I—IV имеют относительно низкую интенсивность (логарифм молярного коэффициента погашения lg?= 3,65 - 4,26), что объясняет невысокую вероятность электронных и электронно-колебательных переходов. На границе между ультрафиолетовой и видимой областью наблюдается узкая полоса с высокой интенсивностью, такую полосу называют полосой Соре. 
     Как правило, для анализа электронных спектров поглощения порфиринов обычно используется четырехорбитальная модель Гутермана [10]. В соответствии с этой моделью электронные пары основного состояния находятся на двух молекулярных орбиталях с близкой энергией a1u и а2u, причем в случае «перемешивания» этих орбиталей переход на низшую свободную орбиталь S2 становится невозможным. Однако переход на высшую свободную орбиталь становится разрешен. Такой переход соответствует мощному поглощению порфиринов на полосе Соре. Молярные коэффициенты экстинкции порфиринов на длине волны приблизительно 400 нм обычно колеблются в интервале 300000-500000 М-1см-1 [11].
      На электронные спектры поглощения сильное влияние оказывает молекулярная структура порфирина. Это приводит к изменению положения и интенсивности полос. В качестве примера на рис. 2 представлен ЭСП дейтеропорфирина. На этом же рисунке показаны изображения полос I-IV в увеличенном масштабе. 
      
        
     Рисунок 2. ЭСП дейтеропорфирина
      В зависимости от наличия различных заместителей в молекуле порфирина и, соответственно, различной интенсивности полос поглощения,  выделяют следующие типы поглощения: «этиотип» (IV > III > II > I), характрен для этиопорфирина, тетрафенилпорфирина, протопорфирина; «родотип» (III > IV >II > I), характерен для родопорфирина; «филлотип» (IV>II>III>I), характерен для порфина, филлопорфирина [12].
      Тип спектра показывает влияние строения молекулы порфирина на ее электронное состояние. «Этиотип» характерен для симметрично замещенных порфиринов, «филлотип» и «родотип» - для порфиринов с несимметричными периферическими заместителями.
      При изменении молекулярной структуры порфирина меняется положение полос в электронных спектрах поглощения, интенсивность некоторых полос поглощения в видимой области и их соотношение, энергия основного и возбужденных энергетических уровней. Таким образом, электронный спектр порфина, не имеющего боковых заместителей, относят к «филлотипу», а введение различных периферических заместителей в мезоположения и в пиррольные циклы приводит к изменению типа электронного спектра поглощения. Вопросы, относящиеся к взаимосвязи типа спектра и строения порфиринов, во многом остаются не ясны. Однако известно, что полоса I для незамещенных тетрафенилпорфиринов является менее интенсивной, но ее положение наиболее чувствительно к введению новых заместителей в макроцикл [13].
      
      Спектры испускания порфиринов
      Люминесценция - излучение света молекулой вещества при переходе ее из возбужденного состояния в основное. По способу передачи молекуле дополнительной энергии и переходу ее в возбужденное состояние различают фотолюминесценцию (возбуждение световым излучением), рентгенолюминесценцию (возбуждение рентгеновскими лучами), катодолюминесценцию (возбуждение пучком ускоренных электронов), хемилюминесценцию (молекула оказывается в возбужденном состоянии в результате экзотермической химической реакции) и т.д.
      Наиболее частыми энергетическими переходами из возбужденного состояния в основное являются переходы без изменения мультиплетности, т.е. синглет-синглетный переход. Такой тип люминесценции                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             называется флуоресценцией. В случае, если в результате внутреннего энергетического перехода спин одного из электронов молекулы изменит знак, в следствие чего появятся два неспаренных электрона, тогда суммарный спин молекулы S1= ?+ ? = 1 и мультиплетность М = 2S + 1 = 3. Такое состояние молекулы называют триплетным. Внутренняя энергия первого триплетного состояния ниже энергии первого синглетного состояния, поэтому доля энергии, излучаемой в виде света при переходе молекулы из возбужденного триплетного состояния в основное синглетное состояние, значительно уменьшается, а длина волны излучаемого при этом света возрастает по сравнению с флуоресцентным переходом. Такой тип люминесценции (триплет-синглетный переход) называется фосфоресценцией [12].
      Еще одним отличием фосфоресценции от флуоресценции, помимо большей длины волны, является более длительное время жизни молекулы в возбужденном состоянии. Это явление связано с тем, что переходы между энергетическими уровнями с изменением мультиплетности являются «запрещенными», т.е. вероятность их очень мала.
      Порфирины и их аналоги, имеющие сопряженные макроциклы в молекуле, обладают выраженной флуоресценцией и интеркомбинационной конверсией. Они являются основными каналами дезактивации нижнего синглетно-возбужденного состояния молекулы порфирина. При этом вклад внутренней конверсии составляет менее 5%. Квантовые выходы флуоресценции порфиринов составляют около 0,1, в то время как значения квантовых выходов интеркомбинационной конверсии крайне высоки – 0,6-0,8, для некоторых безметальных порфиринов – около 1.     Времена жизни возбужденных триплетных состояний порфиринов составляют от десятков до сотен микросекунд в отсутствие молекулярного кислорода, в присутствии же О2 времена жизни триплетного состояния порфиринов падают до сотен наносекунд [14].
      Благодаря очень высоким квантовым выходам интеркомбинационной конверсии, порфирины являются одними из лучших фотосенсибилизаторов в процессах генерации синглетного кислород [15].
      Свечение порфиринов расположено в длинноволновой части видимого спектра (между 600 и 800 нм) и состоит из двух, трёх или четырех узких характерных полос. Отдельные полосы свечения у различных порфиринов часто расположены очень близко друг к другу, что осложняет их идентификацию. В большинстве случаев порфирины имеют две полосы испускания в спектре люминесценции, зеркально симметричные двум наиболее длинноволновым полосам поглощения.
      Также стоит отметить, что спектры флуоресценции металлопорфиринов так же, как и безметальных порфиринов, не зависят от длины волны возбуждающего света [16].
      Спектры испускания порфиринов очень чувствительны к внешним факторам. Таким образом, в зависимости от природы растворителя, температуры и присутствия посторонних заместителей наблюдаются изменения в спектрах испускания. Это видно в изменении формы спектра, смещении максимумов полос испускания, изменении интенсивности пиков, в расщеплении полос, а также в образовании дополнительных пиков [17].
      Помимо вышесказанных факторов, спектры люминесценции порфиринов сильно зависят от величины рН, так как данные соединения обладают основными свойствами. При уменьшении величины рН наблюдается смещение спектра в сторону коротких волн. При этом интенсивность свечения различных порфиринов по-разному зависит от величины рН. Этот фактор может быть использован для их разделения и идентификации. Также данное свойство используют при изучении процессов ассоциации [18].
2.2 Генерация синглетного кислорода
      Порфирины обладают уникальным свойством - способностью к фотосенсибилизации процесса активации молекулярного кислорода до нижнего возбужденного синглетного состояния.
2.2.1 Электронная структура синглетного кислорода
      Молекула кислорода, как видно из схемы ее молекулярных орбиталей (МО), имеет четное число электронов, при этом ее высшая занятая молекулярная орбиталь (ВЗМО) дважды вырождена. На данной орбитали находится два электрона. По правилу Гунда в низшем энергитичексом состоянии эти электроны имеют параллельные спины. Таким образом, суммарный спин основного состояния молекулы кислорода равен 1, то есть это состояние является триплетным [19]. Два низших возбужденных состояния молекулы кислорода - синглетные. Они обладают энергиями 94,4, и 157 кДж/моль (22,5 и 37,5 ккал/моль соответственно).
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     Р
     Рис. 3. Электронная конфигурация молекулы кислорода и кривые потенциальной энергии для трех состояний молекулы кислорода.
     	
      В зависимости от типа реагента, состояние 1?g ведет себя либо подобно олефину, либо как диполярная электрофильная частица. О химических свойствах состояния 1?+g данных практически нет, что обуславливается малым временем его жизни. Несмотря на то, что взаимодействие с молекулами растворителя сильно сокращает время жизни O2(1?g), в большинстве фотохимических систем, отношение концентраций O2(1?g) и O2(1?+g) существенно превышает значение 106 [19], поэтому практически во всех реакциях участвует O2(1?g). В табл. 1 приведены некоторые физические свойства обоих синглетных состояний [20-21]. 
     
     
     
     
     
     
     Таблица 1
     
     1?g   [??]
     1?+g   [?] [?]
     Энергия состояния, кДж/моль (ккал/моль)
94,4(22,5)
157(37,5)
     Полоса люминесценции, см-1(нм)
7682(1269)
13121(761,9)
     Излучательное время жизни, с
2700(45мин)
     7-12
     Естественное время жизни в газовой фазе (при нормальном давлении), с
     0,05
     -
     Число столкновений в газовой фазе без дезактивации
     108
     10-100
     Время жизни в растворе, с
10-3-10-5
10-9-10-11

     Таблица 1. Некоторые физические свойства синглетных состояний кислорода.
      Состояние 1?+g – короткоживущее состояние, поэтому нижнее возбужденное синглетное состояние O2(1?g) называют синглетным кислородом (1О2).
      Время жизни O2(1?g) зависит от природы растворителя [19,22]. Среди органических растворителей наиболее длительное время жизни наблюдается в четыреххлористом углероде и сероуглероде (табл. 2). 








Таблица 2
Растворитель
?, мкс
Растворитель
?, мкс
H2O
2
C6H6
24
D2O
20
CH3CN
30
CH3OH
7
CHCl3
60
C2H5OH
12
CS2
200
C6H12
17
CCl4
700
     Таблица 2. Время жизни синглетного кислорода в различных растворителях.
      Для того, чтобы фотосенсибилизатор обладал высокой эффективностью в генерации синглетного кислорода, он должен обладать следующими свойствами [23]: 
- высоким коэффициентом поглощения в области возбуждающего света; 
- триплетное состояние сенсибилизатора должно обладать достаточной энергией для возбуждения кислорода (ET  > 95 кДж/моль); 
- долгим временем жизни триплетного состояния (?T  > 1 мкс); 
- высокая фотостабильность. 
      К эффективным фотосенсибилизаторам относятся порфирины, фталоцианины, метиленовый голубой, эритрозин B, флуоресцеин, комплексы переходных металлов[24], оксид титана и цинка [25] и другие.
2.2.2 Процессы генерации синглетного кислорода
      Существует большое количество способов для получения синглетного кислорода [26]. Наиболее простым методом является возбуждение триплетного кислорода с помощью ПФС. Для проведения такой реакции необходим кислород, наличие источника света определенной длины волны и фотосенсибилизатор, который может поглощать и использовать энергию для возбуждения кислорода до 1O2.
      Перенос энергии от возбужденной молекулы фотосенсибилизатора к молекуле кислорода является высокоэффективным процессом генерации синглетного кислорода. Данный процесс может осуществляться от синглетно- или от триплетно-возбужденной молекулы фотосенсибилизатора, в зависимости от его природы [27]. В обоих случаях образуется короткоживущий комплекс между молекулой фотосенсибилизатора и молекулой кислорода. При фотовозбуждении молекулы порфирина в присутствии молекулярного кислорода генерация синглетного кислорода происходит путем переноса энергии к молекуле кислорода от молекулы порфирина в возбужденном триплетном состоянии [28].
      Процесс фотогенерации 1O2 в жидкую фазу изучен достаточно подробно. Механизм генерации синглетного кислорода в жидкую фазу изображен на схеме 1 [29]:

 1

               k1          
           1P + h? ? 1P*

возбуждение
2

1P*   3P*
интеркомбинационная конверсия
3
1P*   1P
внутренняя конверсия
4
1P*   1P +  hvфл
флуоресценция
5
3P* + 3О2  1P + 1О2
генерация синглетного кислорода
6
1О2 + 3О2  2 3О2
дезактивация 1О2  молекулами кислорода
7
1О2 + Q   3О2 + Q
«физическая» дезактивация 1О2 
8
1О2 + A  AО2 
«химическая» дезактивация 1О2

Схема 1. Основные процессы, происходящие при фотовозбуждении порфирина в присутствии молекулярного кислорода (по [30]). 1P и 1P* - молекула порфирина в синглетном основном и возбужденном состоянии, соответственно; 3P* – возбужденная молекула порфирина в триплетном состоянии; Q – частица вещества-акцептора энергии; А – молекула субстрата (вещества-акцептора синглетного кислорода). 
      После поглощения кванта света молекула порфирина переходит в результате интеркомбинационной конверсии в триплетное состояние (стадия 1, 2), которое тушится растворенным кислородом воздуха, с образованием возбужденной молекулы синглетного кислорода 1O2 и молекулы порфирина в основном состоянии (стадия 5). Дезактивация синглетного кислорода может идти следующими путями: передача энергии на другую молекулу кислорода (стадия 6) или на молекулу растворителя (стадия 7), на молекулу порфирина или на молекулу субстрата (в случае химической реакции) и дальнейшая гетерогенная гибель на стенках установки (стадия 8). При этом возможно образование внешнесферных комплексов порфирин-субстрат [ПС], которые участвуют в процессе генерации 1O2 и распадаются под действием падающего света с последующим высвобождением молекул исходного порфирина и субстрата, что равнозначно частичной дезактивации порфирина как фотокатализатора. При этом чем больше прочность комплекса [ПС], которая определяется свойствами электронодонорных или электроноакцепторных заместителей порфиринового цикла и природой субстрата, тем меньше фотокаталитическая активность замещенного порфирина. Эффективная константа скорости процесса фотоокисления kэфф далее будет вычисляться как соотношение констант скоростей элементарных стадий.
      Для большинства безметальных порфиринов значения квантовых выходов генерации синглетного кислорода приближаются к значениям квантовых выходов интеркомбинационной конверсии. Это указывает на то, что среди различных путей дезактивации триплетно-возбужденного состояния порфирина в присутствии молекулярного кислорода генерация синглетного кислорода происходит с максимальной вероятностью, близкой к единице [30]. 
           Основными путями дезактивации нижнего синглетно-возбужденного состояния молекулы порфирина являются флуоресценция и интеркомбинационная конверсия, при этом вклад внутренней конверсии составляет менее 5% [31].
      Времена жизни возбужденных триплетных состояний порфиринов составляют от десятков до сотен микросекунд при условии, что молекулярный кислород отсутствует, в присутствии же О2 времена жизни триплетного состояния порфиринов падают до сотен наносекунд [31]. 
     Благодаря таким высоким квантовым выходам интеркомбинационной конверсии, порфирины являются одними из лучших фотосенсибилизаторов генерации синглетного кислорода.
2.2.3 Фотосенсибилизаторы генерации синглетного кислорода
     Как упоминалось выше, для высокой эффективности фотосенсибилизаторов в процессах генерации синглетного кислорода, они должны обладать следующими свойствами: высоким коэффициентом поглощения в области возбуждающего света; триплетное состояние ФС должно обладать достаточной энергией для возбуждения кислорода (ET > 95 кДж/моль); высоким квантовым выходом триплетного состояния; долгим временем жизни (?T > 1 мкс); высокой фотостабильностью [23]. 
     Представителями эффективных фотосенсибилизаторов являются порфирины, фталоцианины, некоторые органические красители, комплексы переходных металлов[24], оксид титана и цинка [25].
     
     
     
     
     
1) Органические красители 

     Такие органические красители, как бенгальская роза, эозин и метиленовый синий, являются высоко эффективными фотосенсибилизаторами, так как их триплетное состояние обладает энергией, необходимой для сенсибилизации кислорода. Метиленовый синий - это производное фенотиазина с высокой степенью поглощения в диапазоне 550-700 нм [32]. Бенгальская роза и эозин (ксантеновные красители) также обладают высоким коэффициентом поглощения в зеленой области видимого спектра (480-550 нм). При модификации ксантеновых красителей, а именно при введении молекул галогенов (например, эритрозин В), происходит сдвиг максимумов поглощения в длинноволновую область спектра. В связи с этим 4-х йодистые ксантиновые производные, как правило, являются более эффективными фотосенсибилизаторами по сравнению с другими производными. Свойства некоторых органических красителей приведены в табл. 3.





Таблица 3
Название соединения
Энергия триплетного состояния (ET), ккал/моль
Квантовый выход в различных растворителях, ??


H2O
C2H5OH
CH3OH
Бенгальская роза (Rose Bengal)
42,0
0,75
0,68
0,76
Флуоресцеин (Fluorescein)
47,2
0,03
0,03
0,1
Эозин B (Eosin Blue)
45,5
0,52
0,37
-
Метиленовый синий (Methylene Blue)
32,0
-
0,52
0,5
Эритрозин B (Erytrosin B)
-
0,63
0,69
-
Таблица 3. Фотофизические свойства органических красителей

     Также проводились исследования ароматических углеводородов в качестве эффективных фотосенсибилизаторов в процессах генерации синглетного кислорода [33]. Примерами таких углеводородов служат бифенилы и нафталины. Было показано, что на квантовый выход синглетного кислорода бифенилов оказывает сильное влияние введение заместителей. В то же время изменение структуры заместителей на бифениловом кольце приводит к изменению окислительного потенциала (EOx) данных соединений. При этом чем выше окислительный потенциал, тем выше вероятность безызлучательной дезактивации триплетов. Таким образом, с ростом EOx  фотокаталитическая активность уменьшается. Также в работах была выявлена взаимосвязь растворителя и эффективности фотосенсибилизатора: чем менее полярный растворитель, тем более высокий квантовый выход сенсибилизатора.
     
     
2) Порфирины и их аналоги
     В настоящее время все большее внимание уделяется порфиринам , так как их присутствие в природных системах делает их наиболее подходящими в качестве фотосенсибилизаторов в генерации синглетного кислорода при фотодинамической терапии в биологических системах или организме. Порфириновые фотосенсибилизаторы обладают невысокой цитотоксичностью при отсутствии света, что является важным фактором в ФДТ. Порфирины и их производные способны поглощать свет в видимых и ультрафиолетовых областях спектра, при этом полоса Соре и диапазон Q полос – основные диапазоны, которые являются важными состовляющими солнечного света. Триплетные состояния многих порфиринов обладают высоким временем жизни, что позволяет получать высокие квантовые выходы генерации синглетного кислорода.  Введение же заместителей, изменение ионов металлов, скоординированных в центре, и лигандов, связанных с металлом, позволяет менять свойства фотосенсибилизатора [32]. 
     Однако недостатком порфиринов при использовании их в качестве катализаторов в промышленных масштабах является то, что они быстро подвергаются деструкции в присутствии синглетного кислорода. В то же время, это является преимуществом при использовании в биологических системах, где необходимо разрушение и выведение ПФС после проведение фотодинамической терапии. 
     При проведении фотокаталитических процессов окисления в жидкой фазе часто применяют гематопорфирин. Несмотря на то, что его поглощение на длине волны 630 нм (? = 3500 M-1 см-1) ниже значения, которым должен обладать эффективный фотокатализатор, его квантовые выходы триплетного и синглетного кислорода высоки (0,83 и 0,65 соответственно) [35].
     Еще одним представителем порфириновых фотосенсибилизаторов являются фталцианины. Их отличием от порфина являются атомы азота, связывающие пиррольные кольца. Из-за возникающего сопряжения перифирических бензольных колец усиливается поглощение в области длинных волн, что приводит перекрыванию области максимального проникновения света в ткани. Эта особенность делает фталцианины хорошими кандидатами для ФДТ. Металлопорфирины на основе фталоциана, в особенности с ионами Zn2+ и Al3+, обладают высоким временем жизни и относительно высоким квантовым выходом триплетного состояния [34]. Для комплекса металлофталцианина с цинком данные значения составляют ФT = 0,56 и ?T = 245 мкс.
2.3 Солюбилизация порфиринов
2.3.1  Высокоэффективные водорастворимые фотокаталитические системы
     Порфирины и их производные, как известно, преимущественно локализуются в опухолях, поэтому вызывают большой интерес для фотодинамической терапии рака (ФДТ) в качестве фотосенсибилизаторов. Такие соединения уже применяются в настоящее время в медицине и фармакологии, однако остается ряд проблем, связанных с механизмом доставки фотосенсибилизатора и его локализацией внутри клеток и клеточных мишеней [36].
     Метод ФДТ основан на селективном воздействии лазерного излучения на предварительно обработанные туморотропным фотосенсибилизатором опухолевые клетки, которые разрушаются в результате действия синглетного кислорода, генерируемого фотосенсибилизатором [72] 
     Для повышения эффективности воздействия 1О2 на живые системы, а также для снижения побочных эфф.......................