Гетерогенный сенсибилизатор и способ фотообеззараживания воды

Гетерогенный сенсибилизатор и способ фотообеззараживания воды

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящее изобретение относится к химии и химической технологии, а именно к синтезу модифицированных силикагелей, содержащих ковалентно связанные с ними молекулы замещенных фталоцианинов, а также к применению этих силикагелей для фотообеззараживания воды.

Известны катионные фталоцианины, представляющие собой поли(триалкиламмониометил)замещенные фталоцианина цинка и алюминия, являющиеся сенсибилизаторами образования синглетного кислорода под действием видимого света, а также способ фотообеззараживания воды с использованием этих фталоцианинов [патент РФ №2281953, кл. C02F 1/30, 2006]. Положительный заряд катионных групп обеспечивает взаимодействие этих сенсибилизаторов с отрицательно заряженными внешними мембранами микроорганизмов, проникновение в них и эффективную фотодинамическую инактивацию. Несмотря на высокую эффективность, этот метод имеет существенный недостаток, который заключается в необходимости последующего удаления красителя из раствора. Эта операция осуществляется с помощью специально разработанных селективных фильтров, что существенно усложняет и удорожает процесс, и, тем не менее, не гарантирует во всех случаях полного удаления сенсибилизатора и продуктов его фотодеградации из раствора.

Этого недостатка лишены гетерогенные (твердофазные) сенсибилизаторы образования синглетного кислорода. Твердофазные сенсибилизаторы могут быть легко отделены от воды после завершения процесса фотооблучения простым фильтрованием.

Известны гетерогенные сенсибилизаторы для инактивации микроорганизмов, полученные адсорбцией красителей со светоустойчивостью от 4 до 8 баллов на инертный носитель [A. Yoshino, I. Iwami. US Patent № 4 520 072]. Однако адсорбированный краситель может десорбироваться и переходить в водный раствор, тем самым вызывая его химическое загрязнение.

Этого недостатка лишены гетерогенные сенсибилизаторы, активная фаза в которых ковалентно привита к носителю.

Известны гетерогенные сенсибилизаторы для инактивации микроорганизмов, полученные химической прививкой к гранулам аминопропилированного силикагеля фталоцианинов непереходных металлов (цинка, алюминия, галлия и кремния) [патент РФ №2447027, кл. C02F 1/30, 2010 - прототип]. Однако эти сенсибилизаторы недостаточно активны.

Задача изобретения - синтез гетерогенных сенсибилизаторов, содержащих в качестве активной фазы замещенные фталоцианины, ковалентно связанные с аминопропилированным силикагелем, обладающих повышенной фотобактерицидной активностью, а также разработка способа фотообеззараживания воды с применением полученных сенсибилизаторов.

Поставленная задача решается путем синтеза гетерогенных сенсибилизаторов, которые можно представить следующей общей формулой

где R=H либо SPh;

X - анион;

n=4-8;

M=Zn, AlL, GaL, SiL₂;

L=Cl, OH;

m>1.

Получают эти сенсибилизаторы пришивкой хлорметилпроизводных фталоцианинов MPc(CH₂Cl)_n и MPc[(SPh)₄](CH₂Cl)_n к модифицированным аминопропилированным силикагелям и последующей обработкой полученных продуктов аминами, например 2-диметиламиноэтанолом. Модификацию аминопропилированных силикагелей производят однократной или многократной обработкой раствором 3-бромпропиламина гидробромида.

В результате на носителе появляются аминогруппы, более удаленные от силикагеля.

Пример модификации аминопропилированного силикагеля однократной обработкой 3-бромпропиламином с последующей прививкой октахлорметилфталоцианина кремния и кватернизации последнего 2-диметиламиноэтанолом представлен на схеме. Структура гетерогенного сенсибилизатора 3MD-250ам/5мкм-SiPcChol₇, полученного прививкой полихолинилфталоцианина кремния к аминопропилированному силикагелю диасорб-250 амин, модифицированному трехкратной обработкой 3-бромпропиламином, представлена ниже. Обработку бромпропиламином можно производить какое угодно количество раз и, соответственно, получать большее значение m.

Присоединение фталоцианина возможно как по первичным, так и по вторичным аминогруппам модифицированного диасорба, однако с учетом пространственных факторов в реакции принимает участие предпочтительно крайняя, первичная, а не вторичная аминогруппа. В полученных сенсибилизаторах привитый фталоцианин более подвижен и образует сферу большего радиуса, чем при использовании немодифицированного диасорба. Это увеличивает возможность контакта фталоцианина с находящимися в воде бактериями, более глубокое его проникновение в бактерию и, таким образом, повышает эффективность обеззараживания воды.

Гетерогенные сенсибилизаторы, содержащие в качестве активной фазы фталоцианины формулы MPc(Chol)_n, поглощают свет видимого диапазона с длиной волны в области от 600 до 750 нм. Гетерогенные сенсибилизаторы формулы MPc[(SPh)₄]Chol_n, содержащие тиофенильные группы, поглощают свет в области от 600 до 800 нм. Тиофенильные заместители в положении 3 находятся вне плоскости фталоцианинового макрокольца и препятствуют сближению молекул фталоцианина и образованию неактивных π-π димеров и агрегатов, что положительно сказывается на их антимикробной активности.

Поставленная задача достигается также разработкой способа фотообеззараживания воды с применением вышеописанных гетерогенных сенсибилизаторов и излучения видимого диапазона в присутствии кислорода воздуха.

Использованные для синтеза полихлорметилзамещенные фталоцианины получают хлорметилированием фталоцианинов по известным методикам, например по описанной в патенте РФ 2405785, C07D 47/22, 2010 г.

В качестве модифицируемых носителей могут использоваться аминопропилированные силикагели с различным размером пор, например Диасорб-250 амин, Диасорб-750 амин.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется нижеприведенными примерами.

Пример 1

Модификация аминопропилированного силикагеля

К 5 г аминопропилированного силикагеля (Диасорба-250 амин, Диасорба-750 амин) добавляют 1 г 3-бромпропиламина гидробромида в 20 мл диоксана. Смесь нагревают в течение 2 ч на кипящей водной бане. Затем продукт отфильтровывают, промывают водой, раствором щелочи и вновь водой до нейтральной реакции маточника. Модифицированный носитель (MD-250am, MD-750am) сушат при температуре 80-90°С.

Трехкратная обработка аминопропилированных силикагелей вышеописанным способом дает спейсер, содержащий до четырех аминопропильных звеньев (модифицированные носители 3MD-250am, 3MD-750am, m<4 в общей формуле).

Пример 2

Гетерогенный сенсибилизатор, модифицированный MD-250am/5мкм-SiPcChol7

К 2 г MD-250am в 20 мл ДМФА добавляют 0,01 г (10 мкмоль) октакис(хлорметил)фталоцианина кремния в 10 мл ДМФА. Смесь нагревают при 80-90°C до обесцвечивания раствора в течение около 40 мин. К полученной суспензии добавляют 0,3 мл 2-диметиламиноэтанола и смесь вновь нагревают при 80-90°C в течение 40 мин. Осадок отделяют, промывают водой и сушат. Содержание красителя в образце - 5 мкмоль/1 г носителя.

Пример 3

Гетерогенный сенсибилизатор, модифицированный 3MD-250ам/5мкм-SiPcChol₇

Получают аналогично приведенному в примере 2, используя 3MD-250am вместо MD-250am.

Пример 4

Гетерогенный сенсибилизатор, модифицированный MD-750am/5мкм-SiPcChol₇

Получают аналогично примеру 2, используя MD-750am вместо MD-250am.

Пример 5

Гетерогенный сенсибилизатор, модифицированный 3MD-750am/5мкм-SiPcChol₇

Получают аналогично примеру 2, используя 3MD-750am вместо MD-250am.

Пример 6

Гетерогенный сенсибилизатор MD-750am/2,5мкм-ZnPc(SPh)₄Chol₈

Для синтеза взят хлорметилированный тетра-3-фенилтиофталоцианин цинка с содержанием 9 хлорметильных групп (% Cl 22.97) в фенильных кольцах. Доказательством положения хлорметильных групп служит сдвиг сигнала этих протонов в спектре ПМР (5,0 м.д.), отличающийся от сдвига протонов CH₂Cl групп, непосредственно связанных с фталоцианиновым кольцом (5,5-5,8).

Раствор 0,00360 г (2,5 мкМ) хлорметилированного тетра-3-фенилтио-фталоцианина цинка в 6 мл ДМФА добавляют к суспензии 1 г MD-750am в 10 мл ДМФА. Смесь нагревают при 70-90°C в течение 30-40 мин до обесцвечивания раствора, затем к смеси добавляют 0,33 г (0,0035 М) 2-диметиламиноэтанола и смесь нагревают при 80-90°C еще 30-40 мин. Осадок отделяют, промывают ацетоном, водой и сушат. Полное связывание взятого в реакцию хлорметилированного тетрафенилтиофталоцианина с носителем дает гетерогенный сенсибилизатор с содержанием красителя 2,5 мкМ на 1 г носителя.

Пример 7

Гетерогенный сенсибилизатор, модифицированный MD-250am/5мкм-AlPc(SPh)₄Chol₆

К 2 г MD-250am в 20 мл ДМФА добавляют 0,0134 г (10 мкмоль) гептакис(хлорметил)тетра-3-фенилтиофталоцианина хлоралюминия в 10 мл ДМФА. Смесь нагревают при 80-90°C около 40 мин до обесцвечивания раствора. К полученной суспензии добавляют 0,3 мл 2-диметиламиноэтанола и смесь вновь нагревают при 80-90°C в течение 40 мин. Осадок отделяют, промывают водой и сушат. Содержание красителя в образце - 5 мкмоль/г носителя.

Пример 8

Гетерогенный сенсибилизатор MD-250am/1,5мкм-GaPcChol₇

Получают по методике примера 2, используя галлиевый комплекс октахлорметилзамещенного фталоцианина в количестве 0,004 г (3 мкМ).

Пример 9

Определение активности гетерогенных сенсибилизаторов D-250ам/5мкм-SiPcChol₇, MD-250ам/5мкм-SiPcChol₇ и 3MD-250ам/5мкм-SiPcChol₇ в фотоинактивации бактерий Е. coli (pXen7) методом биолюминесценции

Для определения фотобактерицидной активности гетерогенных фотосенсибилизаторов использовали бактериальную биолюминесцентную тест-систему на основе генно-инженерного штамма Е. coli (pXen7), биолюминесценция которого обусловлена клонированным полным lux-опероном из светящихся почвенных энтомопатогенных бактерий Photorhabdus luminescens. Интенсивность биолюминесценции бактерий, проинкубированных с гетерогенными фотосенсибилизаторами, до и после облучения регистрировали с помощью люминометра "Биотокс-6" (Москва) в кюветах объемом 1,5 мл с 1 мл исследуемого образца при комнатной температуре. Интенсивность биолюминесценции выражали в относительных единицах.

В пробирку вносили 2 мл суспензии биосенсора - генно-инженерного штамма бактерий Е. coli pXen7, суспендированного в дистиллированной воде до концентрации 3×10⁷ КОЕ/мл, и гетерогенный фотосенсибилизатор. Пробы инкубировали в темноте в течение 10 мин. Опытную пробу облучали белым светом источника ЭКОМП (50 мВт/см²). Облучение опытной пробы и инкубацию темнового контроля проводили при перемешивании. После окончания облучения или темновой инкубации пробы в течение 2 мин носителю давали осесть на дно и отбирали 1 мл надосадочной жидкости для измерения биолюминесценции.

Инкубирование без доступа света бактериального биосенсора до 40 мин с образцами гетерогенных фотосенсибилизаторов в концентрации в пересчете на действующее вещество 20 мкМ не приводило к уменьшению уровня биолюминесценции (выживаемости) по сравнению с биосенсором без добавок фотосенсибилизаторов или в присутствии носителей (Диасорб-250 амин, Диасорб 750 амин) без фотосенсибилизаторов. Это отражает отсутствие темновой токсичности данных образцов.

Результаты приведены в таблице 1.

Таблица 1Данные по фотообеззараживанию бактерий Е. coli pXen7 в воде в присутствии гетерогенных фотосенсибилизаторов
Доза облучения	Уровень биолюминесценции, %
D-250ам/5мкм-SiPcChol7 (сравнительный по прототипу)	MD-250ам/5мкм-SiPcChol7	3MD-250ам/5мкм-SiPcChol7
0 Дж/см2 (темновой контроль)	100	100	100
135 Дж/см2	83±6	59±6	30±4
270 Дж/см2	64±5	37±4	8±2

Из таблицы 1 следует, что уровень биолюминесценции (выживаемость бактерий) после обработки модифицированными сенсибилизаторами значительно меньше, причем эффективность обработки повышается при увеличении степени модификации, то есть при увеличении длины спейсера, связывающего активную фазу (фталоцианин) с носителем. Так, среди исследованных новых гетерогенных фотосенсибилизаторов на основе фталоцианинов кремния при обоих выбранных режимах облучения (дозами 135 или 270 Дж/см²) наиболее высокую фотобактерицидную активность имеет образец 3MD-250ам/5мкм-SiPcChol₇.

Пример 10

Определение активности гетерогенных сенсибилизаторов D-750ам/5мкм-SiPcChol₇, MD-750ам/5мкм-SiPcChol₇ и 3MD-750ам/5мкм-SiPcChol₇ в фотоинактивации бактерий Е. coli (pXen7) методом биолюминесценции проводят аналогично приведенному в примере 9.

Результаты приведены в таблице 2.

Из таблицы 2 следует, что эффективность обработки повышается при увеличении степени модификации, то есть при увеличении длины спейсера, связывающего активную фазу (фталоцианин) с носителем. Так, среди исследованных новых гетерогенных фотосенсибилизаторов на основе фталоцианинов кремния при обоих выбранных режимах облучения (дозами 135 или 270 Дж/см²) наиболее высокую фотобактерицидную активность имеет образец 3MD-750ам/5мкм SiPcChol₇.

Таблица 2Данные по фотообеззараживанию бактерий Е. coli pXen7 в воде в присутствии гетерогенных фотосенсибилизаторов
Доза облучения	Уровень биолюминесценции, %
D-750ам/5мкм-SiPcChol7	MD-750aM/5мкм-SiPcChol7	3MD-750ам/5мкм-SiPcChol7
0 Дж/см2 (темновой контроль)	100	100	100
135 Дж/см2	60±5	38±4	24±3
270 Дж/см2	27±3	14±2	2±1

Пример 11

Определение активности гетерогенных сенсибилизаторов D-250ам/5мкм-AlPc(SPh)₄Chol₆ и MD-250ам/5мкм-AlPc(SPh)₄Chol₆ в фотоинактивации бактерий Е. coli (pXen7) методом биолюминесценции проводят аналогично приведенному в примере 9.

Результаты приведены в таблице 3.

Таблица 3Данные по фотообеззараживанию бактерий Е. coli pXen7 в воде в присутствии гетерогенных фотосенсибилизаторов
Доза облучения	Уровень биолюминесценции, %
D-250ам/5мкм-AlPc(SPh)4Chol6	MD-250ам/5мкм-AlPc(SPh)4Chol6
0 Дж/см2 (темновой контроль)	100	100
180 Дж/см2	71±6	43±4

Из таблицы 3 следует, что эффективность обработки при модификации повышается. Так, доза света в 180 Дж/см² при использовании модифицированного препарата MD-250ам/5мкм-AlPc(SPh)₄Chol₆ приводит к большему снижению биолюминесценции бактерий, чем при использовании D-250ам/5мкм-AlPc(SPh)₄Chol₆, что свидетельствует о более эффективном обеззараживании.

Из примеров 9, 10 и 11 следует, что удлинение спейсера между активной фазой (фталоцианин) и поверхностью силикагеля существенно увеличивает активность гетерогенных сенсибилизаторов в фотоинактивации микроорганизмов в водной среде.

Таким образом, гетерогенные сенсибилизаторы по предлагаемому изобретению обладают значительно большей фотобактерицидной активностью, чем сенсибилизаторы по прототипу, и способ фотообеззараживания воды с их применением является более эффективным, чем способ по прототипу.

1. Гетерогенный сенсибилизатор общей формулы где R=H либо SPh;X - анион;n=4-8;М=Zn, AlL, GaL, SiL₂;L=Cl, OH;m=1-4.

2. Способ фотообеззараживания воды с использованием сенсибилизатора и излучения видимого диапазона в присутствии кислорода воздуха, отличающийся тем, что в качестве сенсибилизатора используют гетерогенный сенсибилизатор по п.1.