Гетерогенный сенсибилизатор и способ фотообеззараживания воды
Владельцы патента RU 2447027:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научный центр "Научно-исследовательский институт органических полупродуктов и красителей" (ФГУП "ГНЦ "НИОПИК") (RU)
Изобретение относится к химии и химической технологии. Проводят фотообеззараживание воды с применением излучения видимого диапазона в присутствии кислорода и сенсибилизатора. В качестве сенсибилизатора используют гетерогенный сенсибилизатор общей формулы:
где R=Cl, NHCH2CH2SO3Na, NR3 +X-, N+(CH3)2CH2CH2OH X-, Py+X-; X-анион, n=4-9; R1=H, SPh; M=Zn, Al(L), Ga(L), Si(L2); L=Cl, ОН. Изобретение позволяет провести очистку воды от бактериологического загрязнения. 2 н.п. ф-лы, 1 ил., 3 табл., 13 пр.
Настоящее изобретение относится к химии и химической технологии, а именно - к синтезу модифицированных силикагелей, содержащих ковалентно связанные с ним 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 фотовоздействия 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 N 4520072]. 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 пришита к носителю.
Известны гетерогенные сенсибилизаторы для инактивации микроорганизмов, полученные химической пришивкой к гранулам силикагеля тетрафенилпорфиринов сурьмы и фосфора [Н.Yokoi, Т.Shiragami, J.Hirose, T.Kawauchi, K.Hinoue, Y.Fueda, K.Nobuhara, I.Akazaki, M.Yasuda. World J.Microbial. Biotechnol. 2003, 19, 559; Y.Fueda, Н.Suzuki, Y.Komiya, Y.Asakura, T.Shiragami, J.Matsumoto, Н.Yokoi, M.Yasuda. Bull. Chem. Soc. Jpn. 2006, 79, N 9, 1420-1425]. Однако соединения сурьмы нежелательно вносить в окружающую среду из-за их потенциальной токсичности.
Задача изобретения - синтез гетерогенных сенсибилизаторов, содержащих в качестве активной фазы ковалентно связанные с носителем замещенные фталоцианины, 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=Cl (Clm), NHCH2CH2SO3Na (Taur), NR3 +X-, N+(СН3)2CH2CH2OH X- (Chol), Py+X- (Pym); X - анион, n=4-9.
R1=H-MPc(CH2R)n, либо SPh-MPc[(SPh)4](CH2R)n,
M=Zn, Al(L), Ga(L), Si(L2); L=Cl, OH
Получают эти сенсибилизаторы пришивкой хлорметилпроизводных фталоцианинов МРс(СН2Сl)n и MPc[(SPh)4](CH2Cl)n, к аминопропилированным силикагелям и последующей обработкой полученных продуктов аминами:
Обработка на последней стадии гетерогенизированного на аминопропилированном силикагеле полихлорметилзамещенного фталоцианина аминами позволяет производить модификацию заместителей в широких пределах.
На Фиг.1 приведены электронные спектры поглощения суспензий гетерогенных сенсибилизаторов SiO2(250am)/AlPc(SPh)4Clm6 - (1), SiO2(250am)/AlPc(SPh)4Chol6 - (2), SiO2(250am)/AlPc(SPh)4Taur6 - (3) в глицерине, 4 г/л.
Гетерогенные сенсибилизаторы, содержащие в качестве активной фазы фталоцианины формулы MPc(CH2R)n, поглощают свет видимого диапазона с длиной волны в области от 600 до 750 нм. Гетерогенные сенсибилизаторы формулы MPc[(SPh)4](CH2R)n, содержащие тиофенильные группы, поглощают свет в области от 600 до 800 нм (Фиг.1). Тиофенильные заместители в положении 3 находятся вне плоскости фталоцианинового макрокольца и препятствуют сближению молекул и образованию неактивных π-π димеров и агрегатов, что может положительно сказаться на их антимикробной активности.
Поставленная задача достигается также разработкой способа фотообеззараживания воды с применением вышеописанных гетерогенных сенсибилизаторов и излучения видимого диапазона в присутствии кислорода.
Использованные для синтеза полихлорметилзамещенные фталоцианины получают хлорметилированием фталоцианинов по известным методикам, приведенным, например, в Brit Pat №844338,1953 г.
В качестве носителя могут использоваться аминопропилированные силикагели с различным размером пор, например, Диасорб-250 амин, Диасорб-750 амин.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется нижеприведенными примерами.
Пример 1
Гетерогенный сенсибилизатор SiO2(750am)/ZnPc(SPh)4Chol8: носитель - аминопропилированный силикагель Диасорб-750 амин, содержание активной фазы - 2,5 мкМ на 1 г носителя.
Для синтеза взят хлорметилированный тетратиофенилфталоцианин 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 тетрафенилтиофталоцианина цинка в 6 мл ДМФА добавляют к суспензии 1 г аминопропилированного силикагеля Диасорб-750 амин в 10 мл ДМФА. Смесь нагревают до обесцвечивания раствора при 70-90°С в течение 30-40 мин, затем к смеси добавляют 0,33 г (0,0035 М) диметиламиноэтанола и смесь нагревают при 80-90°С 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 2
Гетерогенный сенсибилизатор SiO2(250am)/AlOHPc(SPh)4Clm6:R=Cl, носитель - аминопропилированный силикагель Диасорб-250 амин.
Раствор 0,02 г (15 мкМ) гептакис(хлорметил)тетра-3-фенилтиофталоцианина хлоралюминия в 6 мл ДМФА добавляют к суспензии 3 г Диасорб-250 амин в 10 мл ДМФА. Смесь нагревают до обесцвечивания раствора при 70-90°С в течение 30-40 мин. Осадок отделяют, промывают ацетоном, водой и сушат. Содержание красителя в образце составляет 5 мкМ на 1 г носителя.
Пример 3
Гетерогенный сенсибилизатор SiO2(250am)/AlPc(SPh)4Chol6:R=-N+(CH3)2-CH2CH2OH Cl-, носитель - Диасорб-250 амин.
Раствор 0,02 г (15 мкМ) гептакис(хлорметил)тетра-3-тиофенилфталоцианина алюминий хлорида в 6 мл ДМФА добавляют к суспензии 3 г Диасорб-250 амин в 10 мл ДМФА. Смесь нагревают до обесцвечивания раствора при 70-90°С в течение 30-40 мин. Затем к полученной суспензии добавляют 0,2 г (2,2 мкмолей) диметиламиноэтанола и смесь нагревают при 80-90°С еще 30-40 мин. Осадок отделяют, промывают водой и сушат. Содержание красителя в образце составляет 5 мкмолей на 1 г носителя.
Пример 4
Гетерогенный сенсибилизатор SiO2(250am)/AlPc(SPh)4Taur6:R=NHCH2CH2SO3 -Na+, носитель-Диасорб-250 амин.
Раствор 0,02 г (15 мкмоль) гептакисдихлорметил(тетра-3-тиофенил) фталоцианина алюминий хлорида в 6 мл ДМФА добавляют к суспензии 3 г Диасорб-250 амин в 10 мл ДМФА. Смесь нагревают до обесцвечивания раствора при 70-90°С в течение 30-40 мин. Осадок отделяют, промывают водой. Затем к образцу добавляют раствор 0,25 г (2 мкмоля) таурина NH2CH2CH2SO3 -Na+ и 0,05 г (1,2 мкмолей) NaOH в 10 мл воды. Смесь нагревают при 70-90°С в течение 30-40 мин. Осадок отделяют, промывают водой и сушат. Содержание красителя в образце составляет 5 мкмолей на 1 г носителя.
Электронные спектры поглощения суспензий в глицерине (4 г/л) гетерогенных сенсибилизаторов, полученных по примерам 2-4, практически идентичны и указывают на мономерное состояние активной фазы (хорошо разрешенные спектры с выраженной полосой поглощения Q при 715 нм и колебательным спутником при 650 нм, Фиг. 1). Это должно обеспечить эффективную сенсибилизацию цитотоксического синглетного кислорода.
Пример 5
Гетерогенный сенсибилизатор SiO2(250am)/ZnPc(SPh)4Chol8 с содержанием активной фазы 1.5 мкМ/г, носитель - Диасорб-250 амин.
Раствор 0,00217 г (1,5 мкМ) хлорметилированного тетратиофенил-фталоцианина цинка в 5 мл ДМФА добавляют к суспензии 1 г аминопропилированного силикагеля Диасорб-250 амин в 10 мл ДМФА. Смесь нагревают до обесцвечивания раствора при 70-90°С в течение 30-40 мин, затем к смеси добавляют 0,2 г (0,0022 М) диметиламиноэтанола и смесь нагревают при 80-90°С еще 30-40 мин. Осадок отделяют, промывают ацетоном, водой и сушат при температуре 100-105°С.
Пример 6
Гетерогенный сенсибилизатор SiO2(250am)/ClAlPc(SPh)4Chol6 с содержанием активной фазы 1.5 мкМ/г, носитель - Диасорб-250 амин.
Получают по методике Примера 5, используя вместо цинкового соответствующий алюминиевый комплекс хлорметилированного тетрафенилтиофталоцианина.
Примеры 7-8
Гетерогенные сенсибилизаторы SiO2(250am)/ClGaPcChol7 и SiO2(250am)/Cl2SiPcChol7 с содержанием активной фазы 1.5 мкМ/г, носитель - Диасорб-250 амин.
Эти сенсибилизаторы получают по методике Примера 5, используя галлиевый либо кремниевый комплексы октахлорметилзамещенных фталоцианинов.
Пример 9
Гетерогенный сенсибилизатор SiO2(250am)/ZnPcPym7 с содержанием активной фазы 4 мкМ/г, носитель - Диасорб-250 амин.
Раствор 4 мкМ хлорметилированного фталоцианина цинка в 5 мл ДМФА добавляют к суспензии 1 г аминопропилированного силикагеля Диасорб-250 амин в 10 мл ДМФА. Смесь нагревают до обесцвечивания раствора при 70-90°С в течение 30-40 мин, затем к смеси добавляют 0,0022 М пиридина и смесь нагревают при 80-90°С еще 30-40 мин. Осадок отделяют, промывают ацетоном, водой и сушат при температуре 100-105°С.
Примеры 10 и 11
Гетерогенные сенсибилизаторы SiO2(250am)/ZnPcChol7 с содержанием активной фазы 20 и 30 мкМ/г, носитель - Диасорб-250 амин.
Сенсибилизаторы получают по методике примера 5, используя растворы 4,20 и 30 мкМ хлорметилированного фталоцианина цинка (n=8) в 10 мл ДМФА.
Пример 12
Определение активности гетерогенных сенсибилизаторов, полученных по примерам 1-4, в фотоинактивации колиформных бактерий в воде
Экспериментальные исследования по изучению эффективности фотообеззараживающего действия выполнены в отношении музейного штамма тест-микроорганизма Ј coli 1257. В фильтрованную автоклавированную водопроводную
воду вносили гетерогенный сенсибилизатор в дозе 4-5 г/л и заражали суточной культурой Е. coli в концентрации по стандарту мутности n•105 КОЕ/100 мл - высокий уровень и n•103 КОЕ/100 мл - низкий уровень бактериального заражения воды. После контакта в темноте в течение 30 минут отбирали пробы воды из контрольного водоема, не подвергнутого освещению. Опытные водоемы освещали в течение 30 и 120 минут при активном барботировании воздуха. Температура образцов составляла 25°С. Для определения общих колиформных бактерий (ОКБ) применяли прямой посев определенных объемов суспензии па поверхность агаризованной среды Эндо. Посевы инкубировали при температуре 37°С в течение 24-48 часов, после чего подсчитывали количество колоний.
Данные об условиях и результатах фотообеззараживания бактерий Е.coli 1257 в воде в присутствии гетерогенных фотосенсибилизаторов обобщены в таблице 1.
| Таблица 1 | ||||||
| Данные по фотообеззараживанию бактерий Е.coli 1257 в воде в присутствии гетерогенных фотосенсибилизаторов | ||||||
| X» п/п | Сенсибилизатор | Конц-ия, г/л | Время обл., мин | КОЕ/ 100 мл | Эфф-ть обезз., % | |
| До обр-ки | После обр-ки | |||||
| 1 | SiO2(750am)/ZnPc(SPh)4Chol8 | 5 | 30 | 1.6×105 | 0 | 100 |
| (2.5 мкМ/г) | ||||||
| 2 | SiO2(250am)/AlPc(SPh)4Clm6 | 4 | 120 | 2×104 | 0 | 100 |
| (5 мкМ/г) | ||||||
| 3 | SiO2(250am)/AlPc(SPh)4Chol6 | 4 | 120 | 1.6×104 | 240 | 98.5 |
| (5 мкМ/г) | ||||||
| 4 | SiO2(250am)/AlPc(SPh)4Taur6 | 4 | 120 | 1.4×104 | 23 | 99.84 |
| (5 мкМ/г) |
Данные таблицы 1 свидетельствуют о наличии высокого фотообеззараживающего эффекта при применении предлагаемых гетерогенных сенсибилизаторов.
Пример 13
Определение активности гетерогенных сенсибилизаторов в фотоинактивации бактерий Е.coli (рХеn7) методом биолюминесценции.
Для определения фотобактерицидной активности гетерогенных фотосенсибилизаторов использовали бактериальную биолюминесцентную тест-систему на основе генно-инженерного штамма Е.coli (рХеn7), 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 рХеn7, суспендированного в дистиллированной воде до концентрации 3×107 КОЕ/мл, и гетерогенный фотосенсибилизатор. Пробы инкубировали в темноте в течение 10 мин. Опытную пробу облучали либо красным светом 675-690 нм (17 мВт/см2), в области длинноволновых максимумов поглощения сенсибилизаторов, либо белым светом источника ЭКОМП (50 мВт/см2). Темновой контроль в это время выдерживали в темноте. 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 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 или носителями без фотосенсибилизаторов. Это отражает отсутствие темновой токсичности данных образцов. Результаты приведены в таблицах 2 и 3.
| Таблица 2 | ||||
| Данные по фотообеззараживанию бактерий Е.coli рХеn7 в воде в присутствии гетерогенных фотосенсибилизаторов при облучении красным светом λ=675-690 нм. | ||||
| Фотосенсибилизатор | Конц-я Фц на носителе, мкМ/г | Конц-я Фц в растворе, мкМ/л | Тушение биолюминесценции после облучения, % | D50, *Дж/см2 |
| SiO2(250am)/ZnPc(SPh)4Chol8 | 1.5 | 20 | 48±2 | 16.5 |
| SiO2(250am)/ClAlPc(SPh)4Chol6 | 1.5 | 20 | 48±3 | 16.5 |
| SiO2(250am)/ClGaPcChol7 | 1.5 | 20 | 45±3 | 16.1 |
| SiO2(250am)/Cl2SiPcChol7 | 1.5 | 20 | 44±5 | 16 |
| SiO2(250am)/ZnPcChol7 | 30 | 10 | 85±3 | 5.8 |
| SiO2(750am)/ZnPcChol7 | 20 | 20 | 89±3 | 2.8 |
| * D50 - световая доза, приводящая к 50%-ной фотоинактивации бактерий Е.coli рХеn7 |
| Таблица 3 | |||
| Данные по фотообеззараживанию бактерий Е.coli рХеn7 в воде в присутствии гетерогенных фотосенсибилизаторов при облучении белым светом | |||
| Фотосенсибилизатор | Конц-я Фц на носителе, мкМ/г | Конц-я Фц в обрабатываемом растворе, мкМ/л | D50,*Дж/см2 |
| SiO2(250am)/ZnPcPym7 | 4 | 20 | 90 |
| SiO2(250am)/AlPc(SPh)4Chol6 | 5 | 20 | 90 |
| SiO2(250am)/AlPc(SPh)4Clm6 | 5 | 20 | 110 |
| SiO2(250am)/AlPc(SPh)4Taur6 | 5 | 20 | 160 |
| * D50 - световая доза, приводящая к 50%-ной фотоинактивации бактерий Е.coli рХеn7 |
Силикагели, модифицированные фталоцианинами цинка, алюминия, галлия и кремния, эффективны в фотоинактивации микроорганизмов (табл.2, 3). При увеличении содержания активной фазы на носителе эффективность гетерогенного сенсибилизатора также увеличивается. Так, силикагель, модифицированный фталоцианином в количестве 20 и 30 мкМ/г в тех же условиях опыта, приводят к большему тушению биолюминесценции колифорных бактерий, и в этом случае для достижения 50%-ного тушения требуются меньшие световые дозы, чем при нанесении фталоцианина в количестве 1,5 мкМ/г.
Таким образом, примеры 12 и 13 показывают, что гетерогенные сенсибилизаторы, содержащие в качестве активной фазы фталоцианины формул MPc(CH2R)n и MPc[(SPh)4](CH2R)n, ковалентно пришитые к аминопропилированному силикагелю, являются активными в фотоинактивации микроорганизмов в водной среде.
1. Гетерогенные сенсибилизаторы общей формулы
где R=Cl, NHCH2CH2SO3Na, NR3 +X-, N+(CH3)2CH2CH2OH X-, Py+X-; X-анион, n=4-9;
R1=h, SPh;
M=Zn, Al(L), Ga(L), Si(L2); L=Cl, OH.
2. Способ фотообеззараживания воды с использованием сенсибилизатора и излучения видимого диапазона в присутствии кислорода, отличающийся тем, что в качестве сенсибилизатора используют гетерогенный сенсибилизатор по п.1.
