сенсибилизатор и способ фотообеззараживания воды

Формула изобретения

1. Кватернизованные производные тетра(3-тиофенил)фталоцианинов алюминия и цинка общей формулы

MPc(SPh)₄R _n,

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.

Описание изобретения к патенту

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)₄R_n

где:

- MPc(SPh)₄Chol_n, -MPc(SPh)₄Pym_n

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 - 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, _макс(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, C₆₅H₄₁C₁₉ N₈S₄, %: С 53,09; Н 2,85; S 8.84; Сl 22.05. ПМР 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%), _макс(Н₂O)=706 нм, =33,9 л/г·см или 76000 л/моль·см.

Найдено, % N 9.9, 10.11. Вычислено для ZnPc(SPh)₄Chol ₉ 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%, _макс(H₂О)=709 нм. Найдено % N 10.81, 10.78. Вычислено для ZnPc(SPh₄)Pym₉ MM 2158,69% N 11.03.

Пример 3

HOAlPc(SPh ₄)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%), _макс(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%), _макс(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%. _макс(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 Ф для фталоцианинов цинка измеряли в ДМСО относительно незамещенного фталоцианина цинка ZnPc (Ф =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, Ф рассчитывали по формуле (I):

где - квантовый выход синглетного кислорода для стандарта;

W и W^ref - скорости фотообесцвечивания ловушки в присутствии исследуемого фталоцианина и стандарта, соответственно;

I_abs 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	макс, нм	Ф
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)4 Chol9 (1 мг/л) Профлавин (0.5 мг/л)	1500	0	100
3	ZnPc(SPh)4 Chol9 (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.