CC BY
9Porphyrins Порфирины
Макрогэтэроцмклы
http://macroheterocycles.isuct.ru
Paper Статья
DOI: 10.6060/mhc140491v
Образование и бактериостатические свойства комплексов AgII и Си11 с тетратозилатом мезо-тетракис(ДО-метил-4-пиридил)-порфирина
А. С. Вашурин,^ С. Г. Пуховская^ Е. В. Гараськоь А. А. Воронина, О. А. ГоAубчиковa
Посвящается Член-корреспонденту РАН Оскару Иосифовичу Койфману по случаю его 70-летнего юбилея
Институт химии макрогетероциклических соединений, Ивановский государственный химико-технологический университет, 153000 Иваново, Россия
ьИвановская государственная медицинская академия, 153000 Иваново, Россия @Е-таг1: asvashurin@mail.ru
Изучена кинетика образования и устойчивость комплексов серебра и меди с тетратозилатом мезо-тетракис(Ы-метил-4-пиридил)порфирина в водных средах. Показана бактериостатическая активность без действия света для полученных металлопорфиринов.
Ключевые слова: Порфирин, комплексообразование, водный раствор, бактериостатическая активность.
Formation and Bacteriostatic Properties of Ag11 and Cu11 Complexes of meso-Tetrakis(N-methyl-4-pyridyl)-porphyrin Tetratosylate
Arthur S. Vashurin,@a Svetlana G. Pukhovskaya,a Ekaterina V. Garasko,b Alena A. Voronina,a and Oleg A. Golubchikova
Dedicated to the Corresponding member of Russian Academy of Sciences Prof. Oscar I. Koifman on the occasion of his Anniversary
aResearch Institute of Macroheterocyclic Compounds, Ivanovo State University of Chemistry and Technology, 153000 Ivanovo, Russia
bIvanovo State Medical Academy, 153000 Ivanovo, Russia @Corresponding author E-mail: asvashurin@mail.ru
The kinetics of coordination of tetratosylate meso-tetrakis(N-methyl-4-pyridyl)porphyrin with copper and silver salts in aqueous solutions, as well as the bacteriostatic activity of the obtained complexes without light conditions were studied.
Keywords: Porphyrin, complex formation, aqueous solution, bacteriostatic activity.
272
© ISUCT Publishing
Макрогетероциклы /Macroheterocycles 2014 7(3) 272-275
Введение
эффективных констант скорости (k f) реакции (1)
Комплексы металлопорфиринов привлекают все большее внимание ввиду проявления ими каталитической11"71 и биологической18"91 активности. Они являются перспективными исходными соединениями для синтеза ряда лекарственных препаратов для фотодинамиче" ской диагностики и терапии раковых опухолей.[10-12] Некоторые из них успешно прошли доклинические и клинические испытания и применяются на практике.[13] Также известна фотобиологическая активность металлопорфиринов как инактиваторов бактерий[14] и вирусов. [15] Однако следует отметить, что большинство работ в данной области посвящено фотоактивности порфирино-вых молекул, и лишь в ряде из них рассматривается их темновая активность.[16]
Поэтому исследование процессов образования и устойчивости металлопорфиринов вызывает определенный научный и практический интерес с точки зрения определения условий их синтеза и устойчивости в агрессивных средах.
В настоящей работе получены комплексы меди и серебра с тетратозилатом мезо-тетракис^-метил^-пиридил)порфирина. Выполнены кинетические исследования их образования, определена устойчивость, а также изучена темновая бактериостатическая активность.
Экспериментальная часть
Тетратозилат мезо-тетракис(^-метил-4-пиридил)порфи-рина (ТМРуР) был получен и очищен в соответствии с известной методикой.[3,17]
[MX (НО) ] + TMPyP^ MTMPyP + nHX + m(H2 О) (1)
(ТМРуР)
Процесс комплексообразования порфирина с ацетатами меди и серебра, а также нитратом меди исследовали спектрофо-тометрическим методом в термо статируемой ячейке в диапазоне температур 288-348 K. Точность поддержания температуры составила 0.1 K. Электронные спектры поглощения (ЭСП) регистрировали на спеткрофотометрах Shimadzu UV-1800 и Hitachi U-2000. Известно, что образование металлопорфирина протекает по уравнению первого кинетического порядка относительно макроциклического лиганда.[18] Кинетические измерения проводились в условиях стократного избытка соли по отношению к лиганду, что позволило произвести расчет
по уравнению (2)
kff = (1/хМ(Л - AJ/(A - A J],
(2)
где А0, А, and Аю - начальное, текущее и конечное значение оптической плотности раствора соответственно.
Значения истинных констант (k) скорости реакции (1) были рассчитаны по уравнению второго порядка:
k=k_ /c .
ei sol
(3)
Энергию активации (ДЕ) в исследуемом диапазоне температур рассчитывали по уравнению Аррениуса
В* = 19.1 [Г1-Г2/(Г2 - Т1)]1ё(к2/к1) (4)
Расчет энтропии активации (Д57) проводили по формуле
AS* =
19.1 lnk2982 + E/298 - 253
(5)
Ацетаты меди и серебра, а также нитрат меди предварительно перекристаллизовывали и высушивали при 380-390 K.[19] Кинетику диссоциации металлопорфиринов исследовали спектрофотометрическим методом при титровании соответствующих растворов серной кислотой.
Образцы для анализа бактерицидной активности готовили нанесением порфиринов на фильтровальную бумагу из соответствующих водных растворов (5^10-5 моль/л). Исследуемые образцы размером 1x1 см раскладывали в чашки Петри с тест-культурами Staphylococcus aureus, Escherichia coli и грибами Candida albicans. Исследования проводили в жидкой и плотной питательных средах.
Элементный анализ был выполнен с помощью хромато-графического анализатора Flash HCNS-OEA 1112. Скорость подачи гелия составила 140 мл/мин, скорость подачи кислорода 250 мл/мин; температура в реакторе 1173 K. Для AgTMPyP найдено, %; C 58,25; Н 4,61; O 13,07; N 7,85; S 8,46: C72H64O12N8S4; рассчитано, %; C 58,85; H 4,57; O 13,17; N 7,62; S 8,73.
Результаты и обсуждение
Ранее нами было установлено, что ТМРуР не ассоциирован в водных растворах в широком диапазоне концентраций и р^,[3] что позволяет анализировать полученные кинетические данные с учетом мономерной формы макроцикла в растворе.
Процесс образования металлопорфиринов с солями ^-металлов подчиняется кинетическому уравнению (п+1) порядка и легко контролируется по изменению электронного спектра поглощения (Рисунок 1).
Для всех изученных систем установлен первый кинетический порядок по порфирину-лиганду, который подтвержден прямолинейностью зависимостей в координатах Мсо^тмрур^нтмрур) - т. В спектрах реагирующих систем реги2стриров2ались изобестические точки.[17]
Порядок реакции по соли определяли экспериментально путем измерения зависимости эффективной константы скорости (кэф) реакции комплексообразования от концентрации соли. В нашем случае при р^ водного буферного раствора равном 6, порядок реакции по Си^03)2, Си(ОАс)2 и AgOAc равен единице.
Formation and Bacteriostatic Properties of Tetratosylate OTeso-Tetrakis(Af-methyl-4-pyridyl)porphyrinates
300
400
500
600
700 X, nm
Рисунок 1. Изменения ЭСП ТМРуР (с = 5-10"5 моль/л) при комплексообразовании с AgOAc (с = 5Т0"3моль/л) в водном растворе при Т = 298.15 К. (1 - ТМРуР, 2 - AgTMPyP).
Параметры координации ТМРуР ацетатом и нитратом меди, а также ацетатом серебра представлены в Таблице 1.
Высокая скорость реакции ацетата меди, безусловно, обусловлена наложением двух факторов: частичным гидролизом соли и эффектом Яна-Теллера. Благодаря первому, совместно с малоактивным гексааквакомплек-сом [Си(Н20)6] в растворе присутствует более активный [Си(0Н)(Н20)5], благодаря второму - комплексы Си2+ имеют искаженную октаэдрическую структуру (квадратно-бипирамидальную) с двумя существенно удлиненными и ослабленными связями Си-Н2О.
В ходе реакции образования AgTMPyP катион Ag+ в составе металлопорфирина окисляется до Ag2+. Неустойчивая степень окисления, очевидно, стабилизируется я>электронной системой тетрапиррольного макроцикла, и регистрируется спектр AgIITMPyP аналогичный спектрам подобных соединений.1201 Сравнительно низкая реакционная способность аквакомплекса серебра в степени окисления +1, возможно, обусловлена слабым координационным взаимодействием Ag^•N в переходном состоянии взаимодействующей системы соль-порфирин.
Полученные кинетические данные дают основания полагать, что для данного порфирина в водных растворах реализуется одностадийный бимолекулярный механизм, предложенный и обоснованный для неводных
органических растворителей.
[21]
Альтернативный
двухстадийный механизм, постулирующий образование <«Ш^-а-Юр» комплекса,1221 маловероятен, так как его реализация предполагает второй кинетический порядок реакции по соли.
Авторы[23] при изучении реакции комплексообразо-вания Ag(I) с водорастворимым ТМРуР предположили образование соединения состава Ag2TMPyP, устойчи-
вость которого в протонодонорных средах очень мала, что согласуется с нашими данными.
В ЭСП AgTMPyP зарегистрированы две полосы поглощения: X = 435 нм (lge =4.56) и X = 550 нм (lge =3.08). Эти данные согласуются с известными из литературы сведениями для аналогичных комплексов Ag(II) с водорастворимыми порфиринами.[20]
Использование металлопорфиринов как биологически активных агентов, например, при антимикробной обработке текстильных материалов, предполагает, что они должны быть устойчивы достаточно длительное время в агрессивных средах.
В слабокислых средах AgTMPyP и СиТМРуР не разрушаются, так при растворении этих металлопор-фиринов в ледяной уксусной кислоте не наблюдалось изменение в ЭСП даже при нагревании. При растворении AgTPyP и СиТРуР в 98% серной кислоте наблюдалось изменение в ЭСП, и регистрировался спектр, характерный для протонированной формы порфирина (Рисунок 2(1)).
А 0,3
500
600
700
X, nm
Рисунок 2. I) ЭСП AgTMPyP (1) - в 98% серной кислоте, (2) -водный раствор при концентрации серной кислоты 1.5 моль/л и выдерживании при 313 К в течение 12 часов; II) Изменение эффективной константы скорости деметализации AgTMPyP в зависимости от рЯ.
Нами проведено исследование кинетики протоно-рирования AgTMPyP в серной кислоте при различных значения рЯ (Рисунок 2(11)). Полученные кинетические данные свидетельствуют о том, что процесс диссоциации металлопорфирина даже в сильной неорганической кислоте не протекает до конца. Как видно из данных Рисунка 2(1), в ЭСП полоса поглощения AgTPyP (550 нм) проявляется даже при добавлении в водный раствор серной кислоты до концентрации 1.5 моль/л и выдерживании данного раствора в течение 12 часов при температуре 313 К, что свидетельствует о высокой стабильности AgTMPyP. Все это позволяет проводить исследо-
Таблица 1. Кинетические параметры реакции координации ТМРуР солями металлов в водном растворе.
соль k298-104, с-1 k-104, с-1 k-104, с-1 k298-101, л/(моль-с) AE*, кДж/моль AS*, Дж/(моль-К)
Cu(OAc)2 36.2 ± 0.4 28829.1± 0.4 27818.4 ± 0.2 144.3 ± 0.6 24 ± 1 -281± 5
CUNO3X 8.6±0.2 28914.2± 0.4 31020.6± 0.2 32.1 ± 0.3 33 ± 1 -165± 5
AgOAc 6.1± 0.4 3039.3± 0.2 30812.1± 0.2 24.4 ± 0.2 42± 1 -140± 5
274
Макрогетероциклы /Macroheterocycles 2014 7(3) 272-275
вания биологических свойств металлопорфиринов и с уверенностью относить полученные данные именно к серебру, входящему в состав металлопорфирина.
Анализ биологических свойств для исследуемых порфиринов выполнен на Грамм-положительных бактериях Staphylococcus aureus и Грамм-отрицательных бактериях Escherichia coli, а также грибах Candida albicans в плотных и жидких питательных средах.
Полученные данные свидетельствуют о том, что исследуемые образцы проявляют биологическую активность. AgTM^P проявляет наиболее выраженную бактериостатическую активность в отношении тест-культуры Staphylococcus aureus (Рисунок 3) на плотной питательной среде (зона задержки роста 35 мм); в отношении Escherichia coli активность менее выражена (зона задержки роста 17 мм[24]). В жидких питательных средах все исследуемые образцы проявляют такое же бактерицидное действие, что и в плотных.
Рисунок 3. Рост тест-культуры Staphylococcus aureus на плотной питательной среде: 1) Ag(A^); 2) AgTMPyP; 3) CuTMPyP.
Для грибов Candida albicans выявлено полное отсутствие роста высева из жидкой питательной среды для всех образцов, за исключением образца СuTMРуР (Рисунок 4).
Рисунок 4. Рост тест-культуры Candida albicans на плотной питательной среде (высев из жидкой питательной среды): 1) Ag(AcO); 2) CuTMPyP; 3) AgTMPyP.
Очевидно, это обусловлено природой центрального катиона металла и его координационной насыщенностью. Таким образом, можно говорить о том, что AgТMРуР является достаточно эффективным биологическим агентом - ингибитором роста фирмикутных бактерий
Staphylococcus aureus и грациликутных бактерий Escherichia coli в темноте.
Благодарности. Синтезы порфиринов, металлоком-плексов и материалов на их основе для биологических исследований выполнены при поддержке гранта Российского научного фонда (соглашение №14-23-00204). Кинетические исследования выполнены в рамках государственного задания Министерства образования и науки Российской Федерации.
References
1. Nemykin V.N., Polshyna A.E., Borisenkova S.A., Strelko V.V. J. Mol. Cat. A: Chem. 2007, 264, 103-109.
2. Iliev V., Mihaylova A., Bilyarska L. J. Mol. Cat. A: Chem.
2002, 184, 121-130.
3. Vashurin A.S., Pukhovskaya S.G., Semeikin A.S., Golubchikov O.A. Macroheterocycles 2012, 5, 72-75.
4. Hassanein M., Gerges S., Abdo M., El-Khalafy S. J. Mol. Cat. A: Chem. 2005, 240, 22-26.
5. Ochoa G., Gutierrez C., Ponce I., Paez M., Pavez J., Zagal J., Silva J.F. J. Electroanal. Chem. 2010, 639, 88-94.
6. Kimura M., Yamaguchi Y., Koyama T. J. Porphyrins Phthalocyanines 1997, 1, 309-313.
7. Kurek S.S., Michorczyk P., Balisz A.-M. J. Mol. Cat. A: Chem.
2003, 194, 237-248.
8. Li H.-P. Bioorg. Med. Chem. Lett. 2006, 15, 6298-6301.
9. Li H.-P., Fedorova O.S., Grachev A.N., Trumble W.R., Bohach G.A., Czuchajowski L. Biochim. Biophys. Acta, Gene Struct. Expression 1997, 1354, 252-260.
10. Phadke A.S., Morgan A.R. Tetrahedron Lett. 1993, 34, 1725-1728.
11. Mironov A.F., Grin M.A. J. Porphyrins Phthalocyanines 2008, 12, 1163-1172.
12. Han F.X., Wheelhouse R.T., Hurley L.H. J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 3561-3570.
13. Detty M.R., Gibson S.L., Wagner S.J. J. Med. Chem. 2004, 47, 3897-3915.
14. Zheng B.-Y., Lin T., Yang H.-H., Huang J.-D. Dyes Pigm. 2013, 96, 547-553.
15. Zupan K., Egyeki M., Toth K., Fekete A, Herenyi L., Modos K., Csik G. J. Photochem. Photobiol. B: Biology 2008, 90, 105-112.
16. Stojiljkovic I., Evavold B.D., Kumar V. Expert Opin. Inv. Drug. 2001, 10, 309-320.
17. Vodzinsky S.V., Zhilina Z.I., Petrenko N.F., Andronati S.A. Russ. J. Org. Chem. 1989, 25, 1529-1533.
18. Vashurin A., Pukhovskaya S., Kuzmicheva L., Titova Yu., Golubchikov O. Natural Science 2012, 4, 461-465.
19. Karyakin Yu.V., Angelov I.I. Pure ChemicalReactantsMoscow: Khimiya, 1974. 407 p. (in Russ.) [Карякин Ю.В., Ангелов И.И. Чистые химические вещества, М.: Химия, 1974. 407 с.]
20. Harriman A., Richoux M.C., Neta P. J. Phys. Chem. 1983, 87, 4957-4965.
21. Berezin B.D. Coordination Compounds of Porphyrins and Phthalocyanines. N. Y., Toronto: J. Wiley, 1981. 286 p.
22. Hambright P. Chemistry of Water Soluble Porphyrins. In: The Porphyrin Handbook (Kadish K.M., Smith K.M., Guilard R., Eds.), Academic Press, 2000. Vol. 3, Ch. 18, 129-210.
23. Okoh J.M., Bowles N., Krishnamurthy M. Polyhedron 1984, 3, 1077-1081.
24. Vashurin A.S., Pukhovskaya S.G., Voronina A.A., Semeikin A.S., Golubchikov O.A. Macroheterocycles 2013, 6, 257-261.
Received revised 14.08.2014 Accepted 10.09.2014
