Ученые показали, что стабильность порфиринов — соединений, использующихся при лечении онкологических заболеваний, — зависит от выбранного растворителя. Так, скорость распада порфиринов может различаться в 64 раза. Также стабильность этих соединений можно повысить почти в 500 раз, добавив группы атомов, которые препятствуют разрушению порфиринов. Полученные данные позволят синтезировать высокоактивные катализаторы, широко использующиеся в медицине и борьбе с химическим загрязнением.
Фотокаталитический эксперимент / © Кирилл Бирин
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Dyes and Pigments. Порфирин — это органический пигмент ярко-пурпурного или красно-коричневого цвета. Его молекула состоит из четырех связанных между собой азотсодержащих колец. На свету при взаимодействии порфиринов с кислородом образуется активная форма последнего, которая может разрушать опухолевые и бактериальные клетки, а также опасные химикаты. Благодаря этому порфирины используют в терапии онкологических заболеваний, борьбе с патогенными бактериями, обезвреживании химических загрязнений и химического оружия. Однако активная форма кислорода разрушает и сами порфирины, таким образом сокращая срок их службы.
Ученые из Института физической химии и электрохимии имени А. Н. Фрумкина РАН (Москва), МИРЭА-Российского технологического университета (Москва) и Института общей и неорганической химии имени Н. С. Курнакова РАН (Москва) исследовали, как можно контролировать скорость распада порфиринов. Во-первых, авторы проверили, как растворитель, выбранный в качестве среды для порфирина, продлевает срок его службы.
Авторы облучили слабым синим светом производное порфирина, помещенное в различные органические растворители: ацетонитрил, толуол и тетрахлорметан. Эти соединения широко используются в органическом синтезе. Так, в ацетонитриле растворяют масла и лаки, в толуоле — краски, а в тетрахлорметане — смолы и каучук. Наблюдения показали, что по сравнению с тетрахлорметаном, ацетонитрил и толуол уменьшили количество активных форм кислорода в растворе, тем самым в 12 и 64 раза соответственно замедлив распад производного порфирина.
Кроме того, исследователи предположили, что стабильность порфириновых производных может зависеть от их строения. Поэтому ученые сравнили фторсодержащие порфирины с исходными молекулами. Так, порфирины, обогащенные фтором, оказались почти в 500 раз более стабильными, чем исходная молекула.
Опираясь на результаты всех экспериментов, авторы вывели зависимость между концентрацией активной формы кислорода и стабильностью порфирина. Они разработали математическую модель, которая позволит с учетом образования активных форм кислорода предсказывать фотоактивность порфиринов.
«Очевидно, что развитие химии фотокатализаторов определяет необходимость количественной оценки и сопоставления их активности. Наша научная группа занимается разработкой фотокаталитических процессов, и для нас очень важно иметь возможность установить взаимосвязь между строением молекул и эффективностью реализуемых реакций», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Кирилл Бирин, доктор химических наук, ведущий научный сотрудник Института физической химии и электрохимии имени А. Н. Фрумкина РАН.
«Традиционно для оценки эффективности фотокатализатора используют степень генерации активной формы кислорода. Эта характеристика отражает, насколько эффективно молекула фотокатализатора преобразует поглощенный свет в химическую энергию. В нашей работе мы предложили использовать более общую характеристику для процессов фотокатализа — концентрацию активных форм кислорода в системе.
Ее определение требует дополнительных экспериментов, однако эта концентрация является более значимой характеристикой, потому что недостаточно только активировать молекулярный кислород, нужно еще и обеспечить его участие в реакции. Разработанный нами комплексный подход позволяет учесть не только процесс генерации активной формы кислорода, но также и побочные процессы его дезактивации», — уточняет соавтор работы, студент пятого курса химического факультета МГУ Степан Коробков.
