CC BY
22УДК 547.979.733
О.В. Алексеева*, Н.А. Багровская*, С.Г. Пуховская**, И.А. Вершинина*
КОМПОЗИТЫ ВОДОРАСТВОРИМЫХ ПОЛИМЕРОВ С ЦИНКОВЫМ КОМПЛЕКСОМ
ПОРФИРИНА
(*Институт химии растворов им. Г.А. Крестова РАН, **Ивановский государственный химико-технологический университет)
e-mail: [email protected]
Проведена модификация водорастворимых эфиров целлюлозы цинковым комплексом 5,10,15,20-тетракис(4-метилпиридил)порфина тетратозилата (ZnTPyP) путем иммобилизации металлокомплекса в массу полимера в общем растворителе и получены пленочные материалы. Установлено, что при переходе от водных растворов цинкового комплекса порфирина к полимерным системам происходит снижение интенсивности аналитической полосы поглощения в электронных спектрах ZnTPyP. Установлено, что все модифицированные материалы проявляют антимикробную активность.
Ключевые слова: полимеры, порфирины, экстракоординация
Актуальной задачей современной химии является создание композитов на основе тетра-пиррольных макроциклов и полимеров в связи с перспективами их широкого применения в качестве сенсоров, катализаторов, фотопроводников и материалов медицинского назначения. Получение порфиринсодержащих композитов может осуществляться путем иммобилизации тетрапиррольных металлокомплексов на поверхности твердого полимера-носителя или в массе полимера [1,2]. В качестве полимерной матрицы могут быть использованы полимеры с электронодонорными атомами (О, N S), что обеспечивает возможность образования экстракомплексов с координационно ненасыщенными металлопорфиринами. Особый интерес представляют новые композитные материалы на основе амфифильных порфиринов с биополимерами [3]. Наличие в полимерах полярных групп позволяет повысить растворимость труднорастворимых металлокомплексов порфи-рина в воде и водно-буферных системах. Это является необходимым условием для проведения биохимических исследований и создания композитных материалов на основе водорастворимых полимеров.
Целью настоящей работы является получение пленочных композиционных материалов на основе водорастворимых полимеров и макроцик-лических соединений, изучение оптических свойств и биологической активности полученных композитов.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В качестве объектов исследования были выбраны водорастворимые эфиры целлюлозы: гидроксиэтилцеллюлоза (ГОЭЦ) с молекулярной
массой М ~300000; гидроксипропилцеллюлоза (ГОП) с М ~250000, метилцеллюлоза (МЦ) с М ~300000, марки «Klucel» USA, натрийкарбокси-метилцеллюлоза (№КМЦ) с М ~ 250000 марки «Acros Organics» USA поливинилпирролидон (ПВП) марки « Aldrich» USA с М 55000; цинковый комплекс 5,10,15,20-тетракис(4-метилпири-дил)порфина тетратозилата (ZnTPyP).
CH3
Nt
_N N-H,C—N i—/ \—/
— ~=N N-4
v1 '
N—CH • 4
CH
Для получения ZnTPyP к водному раствору тетратозилатной соли 5,10,15,20-тетракис(4-метилпиридил)порфирина [4] добавляли свежеприготовленную нерастворимую гидроокись металла (растворимость в воде Zn(OH)2 « 2-10"4 % по массе) в соотношении 1: 100 и перемешивали на магнитной мешалке в течение 8 часов при температуре 50° С. Образование металлопорфирина контролировали спектрофотометрическим методом. Очистку производили двукратным фильтрованием раствора, затем комплекс переосаждали бензолом. Полученный осадок промывали ацетоном и высушивали при 75° С. Выход 94 %. ЭСП в воде ^max нм (lgs): 563(4.23), 434(5.22).
1 Н2ТРуР предоставлен д.х.н., профессором Семейкиным А.С. (ИГХТУ)
Модификацию проводили путем растворения навески полимера (0,2% мас) в водном растворе цинкового комплекса порфирина с различными концентрациями ZnTPyP - 1,36-10"6; 2,4-10"6; 4,35-10"6; 5,72-10"6 моль/л. Исходные и композиционные пленки получали методом полива 2%-х растворов полимеров на стеклянную подложку с последующим испарением растворителя до постоянной массы композита. Пленки полимеров были прозрачны и бесцветны, композиционные пленки были слабо окрашены. Толщина пленки составила 0,05 мм. Массовое содержание ZnTPyP в пленках составляло С=4,540 моль/л.
ИК спектры отражения полимерных пленок регистрировали на спектрометре "Avatar 360 FT-IR E.S.P." с использованием приставки SMART MULTU-BOUNCE HATR, кристалл: ZnSe45°, детектор DTGS-KBr в интервале волновых чисел 4000-400 см"1, разрешающая способность от 5 до 6 см"1. УФ-спектры поглощения растворов металло-порфирина и композитов записывали на спектрофотометре U-2001 HITACHI в диапазоне длин волн 200-800 нм.
Проверку пленок на бактерицидность проводили по отношению к штаммам грамположи-тельных Staphylococcus aureus и грамотрицатель-ных Escherichia coli бактерий, а также грибам рода Candida albicans. Осуществляли посев "газоном" в чашках Петри на поверхность мясопептон-ного агара по 1,5-2 мл взвеси каждой тест-культуры, содержащей 500 млн микробных клеток в 1 мл. Чашки с образцами выдерживали в термостате в течение 20-24 часов, затем регистрировали отсутствие или наличие зоны задержки роста тест-культур вокруг исследуемых образцов пленок [5].
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Известно, что важным фактором, влияющим на реакционную способность водорастворимых макрогетероциклов, является склонность этих соединений к ассоциации. Комплексы водорастворимых порфиринов катионного типа в водных слабокислых и слабощелочных растворах могут находиться в виде равновесной смеси мономерных и ассоциированных форм. Установлено также, что разбавление раствора способствует смещению равновесия в пользу мономерной формы комплекса.
Исследование ЭСП H2TPyP и его цинкового комплексов в интервале концентраций от 5-10-7 до 2-10-4 моль/л как в водных, так и в водно-буферных растворах при значениях рН 3,5 - 8,0 показало отсутствие сдвига положения полос в спектрах. Величины молярных коэффициентов поглощения при этом остаются постоянными. Ти-
пичные примеры спектральных изменений при разбавлении водных растворов Н2ТРуР и 2пТРуР показаны на рис. 1, 2. Представленные данные свидетельствуют в пользу мономерной формы существования этих соединений в водных растворах.
X, нм
Рис. 1. Изменение электронных спектров поглощения водных
растворов ZnTPyP при разбавлении (pH 3,6) Fig. 1. Change in electronic-absorption spectra of water solutions of ZnTPyP at dilution (pH 3,6)
X, нм
Рис. 2. Изменение электронных спектров поглощения водных
растворов H2TPyP при разбавлении (pH 7) Fig. 2. Change in electronic-absorption spectra of water solutions of H2TPyP at dilution (pH 7)
Определение характера взаимодействия между цинковым комплексом порфирина и полимером в водных растворах и пленках было проведено с использованием методов УФ и ИК-спектро-скопии.
Электронные спектры поглощения ZnTPyP в водных растворах и в системах, содержащих полимеры ГОЭЦ, ГОПЦ, МЦ, №КМЦ и ПВП, обнаруживают большое сходство. Существенным отличием ЭСП ZnTPyP в полимерсодержащей системе от спектра металлокомплекса в воде является снижение интенсивности аналитических полос поглощения при сохранении положения максиму-
ма при всех концентрациях металлокомплекса (рис. 3, табл. 1). Исследуемые полимеры в этом диапазоне длин волн интенсивных полос поглощения не имеют. Однако, для системы 2пТРуР-№КМЦ-Н2О при концентрациях металлокомплекса 2,4-10-6 и 5,72-Ш-6 моль/л наблюдается сдвиг полосы ^=436 нм на 4 нм в длинноволновую область и небольшое увеличение оптической плотности (табл.1). Следует отметить, что влияние природы полимера на оптические свойства макрогетероцикла в большей степени проявляется при малых концентрациях металлокомплекса (1,36-10-6 моль/л), (табл. 1). При этом эфиры целлюлозы оказывают большее влияние на интенсивность поглощения 2пТРуР комплекса по сравнению с ПВП. На основании данных электронных спектров 2пТРуР в полимерсодержащих системах, можно предположить, что в водных растворах исследуемые полимеры способны образовывать экстракомплексы с металлопорфиринами.
длина волны,нм
Рис. 3. Электронные спектры поглощения ZnTPyP (С = 4,35-10"6 моль/л): 1- в воде; 2- в системе Н2О-ГОЭЦ;
3- ГОЭЦ в воде Fig. 3. Electronic-absorption spectra of ZnTPyP (C = 4.35-10-6 mol/L): 1- in water; 2- in system H20-H0EC; 3- HOEC in water
Дополнительная информация о характере взаимодействия металлопорфирина с функциональными группами полимеров была получена из анализа колебательных спектров исходных и модифицированных пленок. В качестве примера приведен анализ ИК спектров исходной пленки №КМЦ и пленки, модифицированной металло-комплексом. В спектре модицицированной №КМЦ пленки наблюдается сдвиг максимума полосы, соответствующей ионизированной карбоксильной группе при 1585 см"1 на 4 см"1 в коротковолновую область. Изменение относительных интенсивностей ряда характеристических полос в спектре модифицированной пленки представлены в табл. 2. На основании полученных спектральных данных можно полагать, что цен-
тральный атом металлопорфирина взаимодействует с кислородсодержащими группами полимера.
Таблица1
Влияние природы полимера на характеристики ЭСП ZnTPyP в полимерсодержащих системах при
различных концентрациях металлокомплекса Table 1. Influence of polymer nature on characteristics of electronic-absorption spectra of ZnTPyP in polymer-containing systems at various concentrations of metal
com plex
Концентрация
ZnTPyP, Полимер ^max, нм D
С-106 моль/л
- 436 0,257
ГОЭЦ 440 0,085
1,36 ГОПЦ 439 0,082
МЦ 439 0,113
№КМЦ 440 0,195
ПВП 437 0,125
- 436 0,408
ГОЭЦ 438 0,355
? X ГОПЦ 437 0,331
2,4 МЦ 438 0,307
№КМЦ 440 0,452
ПВП 436 0,377
- 436 0,753
ГОЭЦ 438 0,440
4,35 ГОПЦ 438 0,398
МЦ 438 0,551
№КМЦ 440 0,729
ПВП 437 0,557
- 436 0,958
ГОЭЦ 437 0,770
5,72 ГОПЦ 439 0,675
МЦ 438 0,733
№КМЦ 440 1,003
ПВП 438 0,934
Таблица 2
Относительные интенсивности полос поглощения в спектрах исходных и модифицированных пленок ^КМЦ
Table 2. Relative intensities of absorption bands in spectra of initial and modified films of NaCMC ^КМЦ
Отнесение полос Пленка NaКМЦ Модифиц пл NaM^U (ированная гнка +ZnTPyP
v, см-1 D/D908 v, см-1 D/D908
vc=ü 1727 1,42 1732 1,51
5с-и 1375 0,83 1375 0,81
vc-üü 1585 3,75 1581 3,51
5с-и 908 1.00 908 1.00
Водорастворимые катионные амфифиль-ные порфирины, в отличие от анионных и нейтральных аналогов, обладают ярко выраженной антибактериальной активностью в отношении
0,0
400
600
грамотрицательных бактерий, а также противовирусной и противогрибковой активностью [6,7]. Установлено, что катионные порфирины способны селективно связываться с нуклеиновыми кислотами и расщеплять их, вызывая гибель бактерий [8].
В результате испытаний исходных и модифицированных пленок на бактерицидные свойства по отношению к штаммам грамположитель-ных Staphylococcus aureus и грамотрицательных Escherichia coli и бактерий, а также грибкам рода Candida albicans, зафиксирована полная гибель бактерий под образцами пленок, модифицированных 2пТРуР комплексом. Следует отметить, что динамика инактивации бактерий сохраняется в течение месяца. Вероятно, одной из причин гибели бактерий является адгезия бактериальных клеток на поверхности модифицированного полимера. В результате повреждается клеточная мембрана, происходит разрушение стенки клетки, что приводит к ее гибели.
Испытания на стойкость к воздействию плесневых грибов показали, что все исследуемые образцы обладают фунгистатичной активностью.
ВЫВОДЫ
1. Проведена модификация эфиров целлюлозы и поливинилпирролидона цинковым комплексом порфирина и получены композиционные пленки.
2. Изучено влияние химической природы макромолекул полимеров на электронные спектры 2пТРуР в воднополимерных системах и на колебательные в пленочных композитах.
3. На основании данных УФ- и ИК-спектроскопии высказано предположение о взаимодействии молекул макрогетероциклов и полимеров по механизму экстракоординации.
4. Показано, что модифицированные полимерные материалы проявляют биологическую активность по отношению к штаммам грамполо-жительных бактерий, и грибам рода Candida albicans.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ (проект № 10-03-00305-а).
ЛИТЕРАТУРА
1. Голубчиков О.А. Агеева Т.А., Титов В.А. // Российский химический журнал. 2004. Т. 48. № 4. С. 166-172; Golubchikov O.A., Ageeva T.A., Titov V.A. // Rossiyskiy Khim. Zhurnal. 2004. V. 48. N 4. P. 166-172 (in Russian).
2. Вершинина И.А., Горнухина О.В., Пимков И.В., Голубчиков О.А. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2009. Т. 52. Вып. 11. C. 83-86;
Vershinina I.A., Gornukhina O.V., Pimkov I.V., Golubchikov O.A. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2009. V. 52. N 11. P. 83-86. (in Russian).
3. Drain C.M., Hupp J.T., Suslick K.S., Wasielewski M.R., Chen. X. // J. Porphyrins and Phthalocyanines. 2002, V. 6. P. 243-258.
4. Водзинский С.В., Жилина З.И., Андронати С.А. АС.
1521211. (СССР) МКИ4 С 07 D 487/22. // Б.И. 1990. № 5. Vodzinsky S.V., Zhilina Z.I., Andronati S.A. Patent N 1521211 (USSR) / МКИ4 С 07 D 487/22. // Bull. 1990. N 5 (in Russian).
5. Гарасько Е.В. // Журн. микробиологии, эпидемиологии и иммунбиологии. 1973. № 8. С. 54;
Garas'ko E.V. // Zhurnal Microbiologii, Epidemiologii i immunologii. 1973. N 8. P. 54 (in Russian).
6. Caminos D., Durantini E. // Bioorg. Med. Chem. 2006. V. 14. P. 4253-4259.
7. Inada N. // Arch. Biochem. Biophys. 2007. N 249. P. 217-224.
8. Silva E. // Bioorg. Med. Chem. Lett. 2005. V. 15. P. 33333337.
Кафедра неорганической химии
