Помощь студентам в учебе
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОИЗВОДНЫХ 1,4-НАФТОХИНОНА МЕТОДАМИ ВОЛЬТАМПЕРОМЕТРИИ И СПЕКТРОФОТОМЕТРИИ
|
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 11
1.1 1,4-Нафтохинон и его производные: Структура, реакционные свойства и
биологическая значимость 11
1.2 Различные виды биологической активности производных 1,4-нафтохинона 13
1.2.1 Исторический обзор 13
1.2.2 Кардиозащитные и антиишемические свойства 17
1.2.3 Гепатопротекторные свойства 18
1.2.4 Противовоспалительные и обезболивающие свойства 20
1.2.5 Антимикробная активность 21
1.2.6 Нейропротекторные свойства 23
1.2.7 Цитотоксические и противораковые свойства 24
1.3 Методы определения производных 1,4-нафтохинона 28
1.3.1 Спектральные методы определения 28
1.3.1.1 Флуориметрия 28
1.3.1.2 Спектрофотометрия 30
1.3.2 Хроматографические методы 31
1.3.3 Электрохимические методы 35
ГЛАВА 2. АППАРАТУРА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА 42
2.1 Приборы, электроды, ячейки, посуда 42
2.2 Реактивы 45
2.3 Объекты исследования 47
2.3.1 Синтез производных 1,4-нафтохинона 47
2.4 Приготовление фоновых и исследуемых растворов 49
2.5 Методика эксперимента 50
2.6 Статистическая обработка результатов 55
ГЛАВА 3. ОЦЕНКА ЦИТОПРОТЕКТОРНОЙ И АНТИОКСИДАНТНОЙ АКТИВНОСТИ ПРОИЗВОДНЫХ 1,4-НАФТОХИНОНА 56
3.1 Исследование противораковых свойств производных 1,4-нафтохинона на
клеточных линиях PC-3 (аденокарцинома предстательной железы), SKOV-3 (рак яичников), MCF-7 (рак молочной железы) и Jurkat 56
3.2. Исследование антиоксидантных свойств производных 1,4-нафтохинона
методом вольтамперометрии по току электровосстановления кислорода 60
3.3. Исследование активности производных 1,4-нафтохинона по отношению к
гидроксильным радикалам 63
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ПРОЦЕССА ОКИСЛЕНИЯ-ВОССТАНОВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДНЫХ 1,4-НАФТОХИНОНА НА ИМПЕРГНИРОВАННОМ ГРАФИТОВОМ ЭЛЕКТРОДЕ 68
4.1 Характеристика импрегнированного графитового электрода (ИМГЭ) 69
4.1.1 Исследование морфологии поверхности ИМГЭ методом сканирующей
электронной микроскопии 69
4.1.2 Вычисление значения электроактивной площади поверхности ИМГЭ 70
4.1.3 Исследование электрохимических свойств ИМГЭ методом
электрохимической импедансной спектроскопии (ЭИС) 71
4.2 Исследование электрохимических свойств производных 1,4 -нафтохинона на
ИМГЭ 72
4.3 Исследование физико-химических закономерностей окисления -
восстановления производных 1,4-нафтохинона на ИМГЭ 75
4.3.1 Исследование адсорбционного характера электрохимического процесса . 75
4.3.2 Схема окисления восстановления производных 1,4-нафтохинона 77
4.3.3. Расчет числа электронов участвующих в электрохимической реакции .... 80
4.4 Исследование влияния различных факторов на аналитические сигналы
производных 1,4-нафтохинона 81
4.4.1 Исследование влияния рН фонового электролита 82
4.4.2 Исследование влияния времени и потенциала накопления 84
4.5 Построение градуировочных зависимостей значения аналитического сигнала
от концентрации анализируемых соединений в модельном растворе методом вольтамперометрии 87
ГЛАВА 5. ИЗУЧЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПРОИЗВОДНЫХ 1,4- НАФТОХИНОНА 91
5.1 ИК-спектроскопия 91
5.2 Изучение оптических свойств анализируемых соединений методом
спектрофотометрии 94
5.3 Исследование влияния pH фонового раствора на положение максимума
поглощения и его интенсивность методом спектрофотометрии 96
5.4 Построение градуировочных зависимостей значения аналитического сигнала
от концентрации анализируемых соединений в модельном растворе методом спектрофотометрии 97
Глава 6 РАЗРАБОТКА МЕТОДИК КОЛИЧЕСТВЕННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОИЗВОДНЫХ 1,4-НАФТОХИНОНА В СУБСТАНЦИЯХ 101
6.1 Оценка гипотезы линейности градуировочных зависимостей для соединений
NQ1 и NQS 101
6.2 Исследование мешающего влияния сопутствующих компонентов матрицы
на аналитические сигналы производных 1,4-нафтохинона 109
6.3. Разработка вольтамперометрической методики определения производных
1,4- нафтохинона на ИМГЭ в субстанции 111
6.4 Разработка спектрофотометрической методики определения производных
1,4- нафтохинона в субстанции 112
6.5. Сравнительный анализ разработанных вольтамперометрической и спектрофотометрической методик определения производных 1,4-нафтохинона в
субстанции 113
6.6 Метрологические характеристики вольтамперометрической методики определения производных 1,4-нафтохинона в субстанции 114
6.6.1 Показатели качества вольтамперометрических методик определения соединений NQ1 и NQS в субстанции 115
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 119
ВЫВОДЫ 123
СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ 125
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 127
Приложение А РАСЧЕТ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДЛЯ
ВОЛЬТАМПЕРОМЕТРИЧЕСКИХ МЕТОДИК ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОИЗВОДНЫХ 1,4-НАФТОХИНОНА В СУБСТАНЦИИ 144
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 11
1.1 1,4-Нафтохинон и его производные: Структура, реакционные свойства и
биологическая значимость 11
1.2 Различные виды биологической активности производных 1,4-нафтохинона 13
1.2.1 Исторический обзор 13
1.2.2 Кардиозащитные и антиишемические свойства 17
1.2.3 Гепатопротекторные свойства 18
1.2.4 Противовоспалительные и обезболивающие свойства 20
1.2.5 Антимикробная активность 21
1.2.6 Нейропротекторные свойства 23
1.2.7 Цитотоксические и противораковые свойства 24
1.3 Методы определения производных 1,4-нафтохинона 28
1.3.1 Спектральные методы определения 28
1.3.1.1 Флуориметрия 28
1.3.1.2 Спектрофотометрия 30
1.3.2 Хроматографические методы 31
1.3.3 Электрохимические методы 35
ГЛАВА 2. АППАРАТУРА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА 42
2.1 Приборы, электроды, ячейки, посуда 42
2.2 Реактивы 45
2.3 Объекты исследования 47
2.3.1 Синтез производных 1,4-нафтохинона 47
2.4 Приготовление фоновых и исследуемых растворов 49
2.5 Методика эксперимента 50
2.6 Статистическая обработка результатов 55
ГЛАВА 3. ОЦЕНКА ЦИТОПРОТЕКТОРНОЙ И АНТИОКСИДАНТНОЙ АКТИВНОСТИ ПРОИЗВОДНЫХ 1,4-НАФТОХИНОНА 56
3.1 Исследование противораковых свойств производных 1,4-нафтохинона на
клеточных линиях PC-3 (аденокарцинома предстательной железы), SKOV-3 (рак яичников), MCF-7 (рак молочной железы) и Jurkat 56
3.2. Исследование антиоксидантных свойств производных 1,4-нафтохинона
методом вольтамперометрии по току электровосстановления кислорода 60
3.3. Исследование активности производных 1,4-нафтохинона по отношению к
гидроксильным радикалам 63
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ПРОЦЕССА ОКИСЛЕНИЯ-ВОССТАНОВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДНЫХ 1,4-НАФТОХИНОНА НА ИМПЕРГНИРОВАННОМ ГРАФИТОВОМ ЭЛЕКТРОДЕ 68
4.1 Характеристика импрегнированного графитового электрода (ИМГЭ) 69
4.1.1 Исследование морфологии поверхности ИМГЭ методом сканирующей
электронной микроскопии 69
4.1.2 Вычисление значения электроактивной площади поверхности ИМГЭ 70
4.1.3 Исследование электрохимических свойств ИМГЭ методом
электрохимической импедансной спектроскопии (ЭИС) 71
4.2 Исследование электрохимических свойств производных 1,4 -нафтохинона на
ИМГЭ 72
4.3 Исследование физико-химических закономерностей окисления -
восстановления производных 1,4-нафтохинона на ИМГЭ 75
4.3.1 Исследование адсорбционного характера электрохимического процесса . 75
4.3.2 Схема окисления восстановления производных 1,4-нафтохинона 77
4.3.3. Расчет числа электронов участвующих в электрохимической реакции .... 80
4.4 Исследование влияния различных факторов на аналитические сигналы
производных 1,4-нафтохинона 81
4.4.1 Исследование влияния рН фонового электролита 82
4.4.2 Исследование влияния времени и потенциала накопления 84
4.5 Построение градуировочных зависимостей значения аналитического сигнала
от концентрации анализируемых соединений в модельном растворе методом вольтамперометрии 87
ГЛАВА 5. ИЗУЧЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПРОИЗВОДНЫХ 1,4- НАФТОХИНОНА 91
5.1 ИК-спектроскопия 91
5.2 Изучение оптических свойств анализируемых соединений методом
спектрофотометрии 94
5.3 Исследование влияния pH фонового раствора на положение максимума
поглощения и его интенсивность методом спектрофотометрии 96
5.4 Построение градуировочных зависимостей значения аналитического сигнала
от концентрации анализируемых соединений в модельном растворе методом спектрофотометрии 97
Глава 6 РАЗРАБОТКА МЕТОДИК КОЛИЧЕСТВЕННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОИЗВОДНЫХ 1,4-НАФТОХИНОНА В СУБСТАНЦИЯХ 101
6.1 Оценка гипотезы линейности градуировочных зависимостей для соединений
NQ1 и NQS 101
6.2 Исследование мешающего влияния сопутствующих компонентов матрицы
на аналитические сигналы производных 1,4-нафтохинона 109
6.3. Разработка вольтамперометрической методики определения производных
1,4- нафтохинона на ИМГЭ в субстанции 111
6.4 Разработка спектрофотометрической методики определения производных
1,4- нафтохинона в субстанции 112
6.5. Сравнительный анализ разработанных вольтамперометрической и спектрофотометрической методик определения производных 1,4-нафтохинона в
субстанции 113
6.6 Метрологические характеристики вольтамперометрической методики определения производных 1,4-нафтохинона в субстанции 114
6.6.1 Показатели качества вольтамперометрических методик определения соединений NQ1 и NQS в субстанции 115
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 119
ВЫВОДЫ 123
СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ 125
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 127
Приложение А РАСЧЕТ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДЛЯ
ВОЛЬТАМПЕРОМЕТРИЧЕСКИХ МЕТОДИК ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОИЗВОДНЫХ 1,4-НАФТОХИНОНА В СУБСТАНЦИИ 144
Актуальность работы
Нафтохиноны и их производные в последнее время находят широкое применение в борьбе против опухолевых заболеваний. Рак является одной из основных причин преждевременной смерти в мире уступая только сердечно - сосудистым заболеваниям (ССЗ). На сегодняшний день смертность от ССЗ преобладает в 70 странах (включая Бразилию и Индию), а рак в 57 странах (включая Китай). Тем не менее, согласно актуальным тенденциям, основанным на анализе данных о смертности, существует вероятность, что в течение этого столетия рак может занять позицию главной причины преждевременной смерти в большинстве стран мира, опередив при этом сердечно-сосудистые заболевания. К примеру, уже за 2020 год по отчету Всемирной Организации Здравоохранения (ВОЗ) от рака умерло около 10 миллионов человек, что составляет каждую шестую смерть на планете [1]. Наиболее распространенными видами рака, являются рак молочной железы, легких, толстой и прямой кишки, а также рак предстательной железы. Эти данные подчеркивают важность дальнейших исследований и профилактических мер для борьбы с этим серьезным вызовом для мирового здравоохранения.
В связи с вышесказанным, существует острая необходимость разработки химиотерапевтических стратегий с использованием новых низкомолекулярных противоопухолевых агентов. Вещества с хиноновой структурой, как природные, так и синтетические, демонстрируют широкий спектр биологической активности, включая антимикробное, противовоспалительное, противовирусное,
кардиозащитное, антиишемическое и противоопухолевое действие. Долгое время в центре внимания многих исследований было изучение противораковой активности синтетических и природных нафтохинонов, после исследований проведенных практически полвека назад Национальным институтом рака (NCI- USA).
В настоящее время для химиотерапии клинически используются такие представители ряда хинонов как, антрациклиновые антибиотики (даунорубицин, доксорубицин, идарубицин, митоксантрон), блеомицины, дактиномицин и митомицин-С. Такое клиническое значение представителей этого класса соединений стимулировало огромный исследовательский интерес к разработке новых лекарственных соединений содержащих в своей структуре нафтохиноновый фрагмент, а также оценки их электрохимической активности, подтверждающей протекание окислительно-восстановительных реакций в организме и описание механизмов протекания данных реакций. Таким образом, исследование электрохимической активности и разработка количественных методик определения производных 1,4-нафтохинона, обладающих потенциалом в качестве новых противоопухолевых агентов, представляет собой актуальную научную задачу, для разработки новых терапевтических стратегий.
Цель работы: исследование физико-химических закономерностей
окисления-восстановления новых производных 1,4-нафтохинона методом вольтамперометрии, изучение их оптических свойств спектральными методами, и разработка вольтамперометрической и спектрофотометрической методик количественного определения этих соединений в субстанции.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
1. Исследование электрохимических и оптических свойств производных
1,4- нафтохинона, выбор рабочих условий для получение аналитического сигнала от них;
2. Исследование морфологии поверхности электрода методом сканирующей электронной микроскопии, а также электрохимических свойств электрода методом электрохимической импедансной спектроскопии (ЭИС);
3. Исследование физико-химических закономерностей процесса окисления - восстановления производных 1,4-нафтохинона (обратимость, наличие адсорбции, расчет числа электронов участвующих в ходе реакции). Оценка схем окисления-восстановления производных 1,4-нафтохинонов;
4. Подбор рабочих параметров для количественного определения производных 1,4-нафтохинона;
5. Разработка методик количественного определения производных 1,4- нафтохинона в субстанциях, включающих оценку основных метрологических характеристик;
6. Исследование цитопротекторных и антиоксидантных свойств новых производных 1,4-нафтохинона.
Научная новизна:
1. Исследованы физико-химические закономерности окисления- восстановления новых производных 1,4-нафтохинона. Показано, что процесс имеет квазиобратимый характер, осложненный адсорбцией соединений на поверхности рабочего импрегнированного графитового электрода. Предложены схемы окисления-восстановления анализируемых производных 1,4-нафтохинона на импрегнированном графитовом электроде. Показано появление новых пиков окисления-восстановления производных 1,4-нафтохинона (NQ1 и NQS) при потенциалах (-0,60±0,05) В и (-0,40±0,05) В соответственно, характерных для иминогруппы, а также один пик для NQ1, относящийся к процессу электроокисления гидроксильной группы при потенциале (0,14±0,05) В.
2. Исследованы оптические свойства производных 1,4-нафтохинона спектральными методами. Показано, что наибольшая интенсивность поглощения наблюдается при длине волны 280 нм для всех исследованных производных 1,4 - нафтохинонов. Кроме того, показано, что введение в бензольное кольцо хромофорной или ауксохромной групп приводит к батохромному сдвигу (сдвиг в сторону более длинных волн) данной полосы поглощения и увеличению её интенсивности (гиперхромный эффект) для двух производных 1,4-нафтохинонов. Отмечено появление новой волны поглощения для двух производных 1,4- нафтохинона (NQ1 и NQS) в видимой области при длине волны 480 нм, типичной для аминозамещенных хинонов.
3. Разработаны алгоритмы проведения количественного определения производных 1,4 нафтохинонов в субстанции методами вольтамперометрии и спектрофотометрии. Линейный диапазон определения соединений NQ1 и NQS методом вольтамперометрии с линейной разверткой потенциала в режиме первой производной составил от 1 до 800 и от 0,5 до 10 мкмоль/дм3 с пределами обнаружения 0,8 и 0,086 мкмоль/дм3 для NQ1 и NQS соответственно. Линейный диапазон определения соединений NQ1 и NQS методом спектрофотометрии составил от 0,3 до 2 мкмоль/дм3 и от 0,2 до 2 мкмоль/дм3 с пределами обнаружения 0,094 и 0,073 мкмоль/дм3 для NQ1 и NQS соответственно.
Практическая значимость:
1. Подобраны рабочие условия регистрации вольтамперометрического и спектрофотометрического сигналов производных 1,4-нафтохинона.
2. Разработана вольтамперометрическая и спектрофотометрическая методики количественного определения производных 1,4-нафтохинона в субстанции, которые могут найти применение в лабораториях контроля качества фармацевтической продукции.
3. Исследованы цитопротекторная и антиоксидантная активности производных 1,4-нафтохинона. Показано, что данные соединения проявляют цитопротекторную активность по отношению к раковым клеткам PC-3 (аденокарцинома предстательной железы), SKOV-3 (рак яичников), MCF-7 (рак молочной железы) и Jurkat. Также данные соединения проявляют антиоксидантную активность по отношению к активным кислородным радикалам, сравнимую с известными антиоксидантами.
Личный вклад автора. Заключается в анализе и систематизации литературных данных по различным видам биологической активности и методам определения производных 1,4-нафтохинона. Проведении экспериментальных исследований по изучению электрохимических и оптических свойств анализируемых производных 1,4-нафтохинона. Подборе рабочих условий для регистрации вольтамперометрического и спектрофотометрического сигналов, а также разработке вольтамперометрической и спектрофотометрической методик количественного определения производных 1,4-нафтохинона в субстанции, включая обработку и представление результатов эксперимента, публикации результатов, полученных в ходе выполнения данного научного исследования в виде научных трудов (тезисов, статей и патентов).
Положения, выносимые на защиту:
1. Результаты исследования электрохимических и оптических свойств
производных 1,4-нафтохинона. Исследование физико-химических
закономерностей процесса окисления-восстановления производных 1,4- нафтохинона (обратимость, наличие адсорбции, расчет числа электронов участвующих в ходе реакции). Оценка схем окисления-восстановления производных 1,4-нафтохинонов;
2. Рабочие условия определения производных 1,4-нафтохинона (потенциал, время накопления и pH раствора фонового электролита). Разработка вольтамперометрической и спектрофотометрической методик количественного определения анализируемых производных 1,4-нафтохинона в субстанции.
3. Оценка цитопротекторной и антиоксидантной активности производных 1,4-нафтохинона (противораковых свойств, антиоксидантных свойств, а также активности по отношению к гидроксильным радикалам).
Апробация результатов работы:
Основные результаты исследовательской работы докладывались и обсуждались на XI Всероссийской научной конференции и школы «Аналитика Сибири и Дальнего Востока», посвященной 100-летию со дня рождения И.Г. Юделевича (АСиДВ-11) (г. Новосибирск, 2021), 12 International Conference on Instrumental Methods of Analysis Modern Trends and Applications (Греция, 2021, virtual event), Всероссийском симпозиуме и школе-конференции молодых ученых «Физико-химические методы в междисциплинарных экологических исследованиях» (г. Севастополь, 2021), XXIII Международной научнопрактической конференции студентов и молодых ученых имени выдающихся химиков Л.П. Кулёва и Н.М. Кижнера «Химия и химическая технология в XXI» (г. Томск, 2022), IV Съезде аналитиков России (г. Москва, 2022).
Публикации:
Результаты проведенных исследований отражены в 13 печатных работах, из которых 3 статьи в научных журналах, которые индексируются базами Web of Science и Scopus, 9 тезисов докладов на всероссийских и международных конференциях и 1 патент на изобретение.
Структура и объем работы:
Диссертационная работа изложена на 167 страницах машинописного текста и включает 29 рисунков, 29 таблиц, 2 схемы и список литературы, состоящий из 165 источников.
Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю, д.х.н., профессору ОХИ ИШПР ТПУ Коротковой Елене Ивановне за всестороннюю поддержку, полученные знания, ценные советы и наставления, оказанные на протяжении всей подготовки диссертации. Особая признательность адресуется к.х.н., доцентам ОХИ ИШПР ТПУ Липских Ольге Ивановне и Дорожко Елене Владимировне за помощь в обсуждении экспериментальных данных и всестороннюю поддержку в проведении исследований. Автор также выражает признательность к.х.н., доценту ИШХБМТ ТПУ Плотникову Евгению Владимировичу за исследование противораковых свойств производных 1,4-нафтохинона, к.х.н., а также доценту ОХИ ИШПР ТПУ Вороновой Олесе Александровне за вклад в исследование антиоксидантных свойств.
Также автор выражает признательность научной группе под руководством д.х.н., профессора научно-образовательного центра Н.М. Кижнера ТПУ Хлебникова Андрея Ивановича за предоставление производных 1,4-нафтохинона. Автор благодарен всем своим коллегам за поддержку и помощь в процессе выполнения диссертационной работы.
Нафтохиноны и их производные в последнее время находят широкое применение в борьбе против опухолевых заболеваний. Рак является одной из основных причин преждевременной смерти в мире уступая только сердечно - сосудистым заболеваниям (ССЗ). На сегодняшний день смертность от ССЗ преобладает в 70 странах (включая Бразилию и Индию), а рак в 57 странах (включая Китай). Тем не менее, согласно актуальным тенденциям, основанным на анализе данных о смертности, существует вероятность, что в течение этого столетия рак может занять позицию главной причины преждевременной смерти в большинстве стран мира, опередив при этом сердечно-сосудистые заболевания. К примеру, уже за 2020 год по отчету Всемирной Организации Здравоохранения (ВОЗ) от рака умерло около 10 миллионов человек, что составляет каждую шестую смерть на планете [1]. Наиболее распространенными видами рака, являются рак молочной железы, легких, толстой и прямой кишки, а также рак предстательной железы. Эти данные подчеркивают важность дальнейших исследований и профилактических мер для борьбы с этим серьезным вызовом для мирового здравоохранения.
В связи с вышесказанным, существует острая необходимость разработки химиотерапевтических стратегий с использованием новых низкомолекулярных противоопухолевых агентов. Вещества с хиноновой структурой, как природные, так и синтетические, демонстрируют широкий спектр биологической активности, включая антимикробное, противовоспалительное, противовирусное,
кардиозащитное, антиишемическое и противоопухолевое действие. Долгое время в центре внимания многих исследований было изучение противораковой активности синтетических и природных нафтохинонов, после исследований проведенных практически полвека назад Национальным институтом рака (NCI- USA).
В настоящее время для химиотерапии клинически используются такие представители ряда хинонов как, антрациклиновые антибиотики (даунорубицин, доксорубицин, идарубицин, митоксантрон), блеомицины, дактиномицин и митомицин-С. Такое клиническое значение представителей этого класса соединений стимулировало огромный исследовательский интерес к разработке новых лекарственных соединений содержащих в своей структуре нафтохиноновый фрагмент, а также оценки их электрохимической активности, подтверждающей протекание окислительно-восстановительных реакций в организме и описание механизмов протекания данных реакций. Таким образом, исследование электрохимической активности и разработка количественных методик определения производных 1,4-нафтохинона, обладающих потенциалом в качестве новых противоопухолевых агентов, представляет собой актуальную научную задачу, для разработки новых терапевтических стратегий.
Цель работы: исследование физико-химических закономерностей
окисления-восстановления новых производных 1,4-нафтохинона методом вольтамперометрии, изучение их оптических свойств спектральными методами, и разработка вольтамперометрической и спектрофотометрической методик количественного определения этих соединений в субстанции.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
1. Исследование электрохимических и оптических свойств производных
1,4- нафтохинона, выбор рабочих условий для получение аналитического сигнала от них;
2. Исследование морфологии поверхности электрода методом сканирующей электронной микроскопии, а также электрохимических свойств электрода методом электрохимической импедансной спектроскопии (ЭИС);
3. Исследование физико-химических закономерностей процесса окисления - восстановления производных 1,4-нафтохинона (обратимость, наличие адсорбции, расчет числа электронов участвующих в ходе реакции). Оценка схем окисления-восстановления производных 1,4-нафтохинонов;
4. Подбор рабочих параметров для количественного определения производных 1,4-нафтохинона;
5. Разработка методик количественного определения производных 1,4- нафтохинона в субстанциях, включающих оценку основных метрологических характеристик;
6. Исследование цитопротекторных и антиоксидантных свойств новых производных 1,4-нафтохинона.
Научная новизна:
1. Исследованы физико-химические закономерности окисления- восстановления новых производных 1,4-нафтохинона. Показано, что процесс имеет квазиобратимый характер, осложненный адсорбцией соединений на поверхности рабочего импрегнированного графитового электрода. Предложены схемы окисления-восстановления анализируемых производных 1,4-нафтохинона на импрегнированном графитовом электроде. Показано появление новых пиков окисления-восстановления производных 1,4-нафтохинона (NQ1 и NQS) при потенциалах (-0,60±0,05) В и (-0,40±0,05) В соответственно, характерных для иминогруппы, а также один пик для NQ1, относящийся к процессу электроокисления гидроксильной группы при потенциале (0,14±0,05) В.
2. Исследованы оптические свойства производных 1,4-нафтохинона спектральными методами. Показано, что наибольшая интенсивность поглощения наблюдается при длине волны 280 нм для всех исследованных производных 1,4 - нафтохинонов. Кроме того, показано, что введение в бензольное кольцо хромофорной или ауксохромной групп приводит к батохромному сдвигу (сдвиг в сторону более длинных волн) данной полосы поглощения и увеличению её интенсивности (гиперхромный эффект) для двух производных 1,4-нафтохинонов. Отмечено появление новой волны поглощения для двух производных 1,4- нафтохинона (NQ1 и NQS) в видимой области при длине волны 480 нм, типичной для аминозамещенных хинонов.
3. Разработаны алгоритмы проведения количественного определения производных 1,4 нафтохинонов в субстанции методами вольтамперометрии и спектрофотометрии. Линейный диапазон определения соединений NQ1 и NQS методом вольтамперометрии с линейной разверткой потенциала в режиме первой производной составил от 1 до 800 и от 0,5 до 10 мкмоль/дм3 с пределами обнаружения 0,8 и 0,086 мкмоль/дм3 для NQ1 и NQS соответственно. Линейный диапазон определения соединений NQ1 и NQS методом спектрофотометрии составил от 0,3 до 2 мкмоль/дм3 и от 0,2 до 2 мкмоль/дм3 с пределами обнаружения 0,094 и 0,073 мкмоль/дм3 для NQ1 и NQS соответственно.
Практическая значимость:
1. Подобраны рабочие условия регистрации вольтамперометрического и спектрофотометрического сигналов производных 1,4-нафтохинона.
2. Разработана вольтамперометрическая и спектрофотометрическая методики количественного определения производных 1,4-нафтохинона в субстанции, которые могут найти применение в лабораториях контроля качества фармацевтической продукции.
3. Исследованы цитопротекторная и антиоксидантная активности производных 1,4-нафтохинона. Показано, что данные соединения проявляют цитопротекторную активность по отношению к раковым клеткам PC-3 (аденокарцинома предстательной железы), SKOV-3 (рак яичников), MCF-7 (рак молочной железы) и Jurkat. Также данные соединения проявляют антиоксидантную активность по отношению к активным кислородным радикалам, сравнимую с известными антиоксидантами.
Личный вклад автора. Заключается в анализе и систематизации литературных данных по различным видам биологической активности и методам определения производных 1,4-нафтохинона. Проведении экспериментальных исследований по изучению электрохимических и оптических свойств анализируемых производных 1,4-нафтохинона. Подборе рабочих условий для регистрации вольтамперометрического и спектрофотометрического сигналов, а также разработке вольтамперометрической и спектрофотометрической методик количественного определения производных 1,4-нафтохинона в субстанции, включая обработку и представление результатов эксперимента, публикации результатов, полученных в ходе выполнения данного научного исследования в виде научных трудов (тезисов, статей и патентов).
Положения, выносимые на защиту:
1. Результаты исследования электрохимических и оптических свойств
производных 1,4-нафтохинона. Исследование физико-химических
закономерностей процесса окисления-восстановления производных 1,4- нафтохинона (обратимость, наличие адсорбции, расчет числа электронов участвующих в ходе реакции). Оценка схем окисления-восстановления производных 1,4-нафтохинонов;
2. Рабочие условия определения производных 1,4-нафтохинона (потенциал, время накопления и pH раствора фонового электролита). Разработка вольтамперометрической и спектрофотометрической методик количественного определения анализируемых производных 1,4-нафтохинона в субстанции.
3. Оценка цитопротекторной и антиоксидантной активности производных 1,4-нафтохинона (противораковых свойств, антиоксидантных свойств, а также активности по отношению к гидроксильным радикалам).
Апробация результатов работы:
Основные результаты исследовательской работы докладывались и обсуждались на XI Всероссийской научной конференции и школы «Аналитика Сибири и Дальнего Востока», посвященной 100-летию со дня рождения И.Г. Юделевича (АСиДВ-11) (г. Новосибирск, 2021), 12 International Conference on Instrumental Methods of Analysis Modern Trends and Applications (Греция, 2021, virtual event), Всероссийском симпозиуме и школе-конференции молодых ученых «Физико-химические методы в междисциплинарных экологических исследованиях» (г. Севастополь, 2021), XXIII Международной научнопрактической конференции студентов и молодых ученых имени выдающихся химиков Л.П. Кулёва и Н.М. Кижнера «Химия и химическая технология в XXI» (г. Томск, 2022), IV Съезде аналитиков России (г. Москва, 2022).
Публикации:
Результаты проведенных исследований отражены в 13 печатных работах, из которых 3 статьи в научных журналах, которые индексируются базами Web of Science и Scopus, 9 тезисов докладов на всероссийских и международных конференциях и 1 патент на изобретение.
Структура и объем работы:
Диссертационная работа изложена на 167 страницах машинописного текста и включает 29 рисунков, 29 таблиц, 2 схемы и список литературы, состоящий из 165 источников.
Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю, д.х.н., профессору ОХИ ИШПР ТПУ Коротковой Елене Ивановне за всестороннюю поддержку, полученные знания, ценные советы и наставления, оказанные на протяжении всей подготовки диссертации. Особая признательность адресуется к.х.н., доцентам ОХИ ИШПР ТПУ Липских Ольге Ивановне и Дорожко Елене Владимировне за помощь в обсуждении экспериментальных данных и всестороннюю поддержку в проведении исследований. Автор также выражает признательность к.х.н., доценту ИШХБМТ ТПУ Плотникову Евгению Владимировичу за исследование противораковых свойств производных 1,4-нафтохинона, к.х.н., а также доценту ОХИ ИШПР ТПУ Вороновой Олесе Александровне за вклад в исследование антиоксидантных свойств.
Также автор выражает признательность научной группе под руководством д.х.н., профессора научно-образовательного центра Н.М. Кижнера ТПУ Хлебникова Андрея Ивановича за предоставление производных 1,4-нафтохинона. Автор благодарен всем своим коллегам за поддержку и помощь в процессе выполнения диссертационной работы.
1. Исследование электрохимических свойств производных 1,4-нафтохинона, выявило наличие четких редокс-пиков, связанных с окислительновосстановительными процессами хиноидной группы. Для NQ1 и NQS были обнаружены дополнительные пики, обусловленные иминогруппами, а у NQ1 также был выделен пик, соответствующий гидроксильной группе. При исследовании оптических свойств были отмечены интенсивные электронные переходы в диапазоне 250-280 нм, а для NQ1 и NQS наблюдаются дополнительные пики поглощения между 470 и 500 нм.
2. В результате исследования морфологии поверхности ИМГЭ с использованием методов СЭМ и ЭИС были выявлены важные структурные характеристики электродного материала, а также определена электроактивная площадь поверхности, составившая 0,059 см2.
3. В ходе исследования физико-химических закономерностей процессов процесса окисления-восстановления производных 1,4-нафтохинона были получены важные результаты, касающиеся кинетических параметров электрохимических сигналов для соединений NQ, NQ1 и NQS. Эти параметры включают характеристики обратимости процессов, наличие явлений адсорбции на электродной поверхности, а также расчет количества электронов, участвующих в редокс-реакциях. Расчет числа электронов, участвующих в реакциях, позволил более точно охарактеризовать схемы окислительно-восстановительных процессов, особенно для NQ, чьи схемы соответствуют существующим литературным данным. Для соединений NQ1 и NQS были предложены новые схемы, основанные на активности иминогрупп.
4. В результате проведенного исследования были определены рабочие параметры для количественного определения производных 1,4-нафтохинона, включая рН фонового электролита, время и потенциал проведения электролиза.
5. В результате проведенной работы были разработаны две методики для
количественного определения производных 1,4-нафтохинона:
вольтамперометрическая и спектрофотометрическая.
Вольтамперометрическая методика показала линейные диапазоны от 1 до 800 мкмоль/дм3 для NQ1 и от 0,5 до 10 мкмоль/дм3 для NQS, с пределами обнаружения 0,8 и 0,086 мкмоль/дм3, соответственно. Рабочие условия для этой методики включают потенциалы накопления -1 В и -1,8 В, время накопления 30 и 20 секунд, а также pH фонового электролита равным 10. Спектрофотометрическая методика продемонстрировала линейные диапазоны от 0,3 до 2 мкмоль/дм3 для NQ1 и от 0,2 до 2 мкмоль/дм3 для NQS, с пределами обнаружения 0,094 и 0,073 мкмоль/дм3, соответственно. Рабочие условия для спектрофотометрического анализа включают pH фонового электролита равным 4.
6. В ходе исследования цитотоксической активности соединений NQ1 и NQS
на клеточных линиях PC-3, SKOV-3, MCF-7 и Jurkat было установлено, что оба соединения демонстрируют значительные антипролиферативные эффекты. Эти эффекты сопровождаются повышением внутриклеточного окислительного стресса и увеличением маркеров апоптоза, что указывает на их потенциал как перспективных лекарственных субстанций. Особое внимание заслуживает соединение NQS, которое проявило выраженную антиоксидантную активность к активным формам кислорода и гидроксильным радикалам. Результаты исследования подчеркивают
необходимость дальнейших клинических исследований для оценки
эффективности и безопасности данных соединений в терапии различных типов рака.
2. В результате исследования морфологии поверхности ИМГЭ с использованием методов СЭМ и ЭИС были выявлены важные структурные характеристики электродного материала, а также определена электроактивная площадь поверхности, составившая 0,059 см2.
3. В ходе исследования физико-химических закономерностей процессов процесса окисления-восстановления производных 1,4-нафтохинона были получены важные результаты, касающиеся кинетических параметров электрохимических сигналов для соединений NQ, NQ1 и NQS. Эти параметры включают характеристики обратимости процессов, наличие явлений адсорбции на электродной поверхности, а также расчет количества электронов, участвующих в редокс-реакциях. Расчет числа электронов, участвующих в реакциях, позволил более точно охарактеризовать схемы окислительно-восстановительных процессов, особенно для NQ, чьи схемы соответствуют существующим литературным данным. Для соединений NQ1 и NQS были предложены новые схемы, основанные на активности иминогрупп.
4. В результате проведенного исследования были определены рабочие параметры для количественного определения производных 1,4-нафтохинона, включая рН фонового электролита, время и потенциал проведения электролиза.
5. В результате проведенной работы были разработаны две методики для
количественного определения производных 1,4-нафтохинона:
вольтамперометрическая и спектрофотометрическая.
Вольтамперометрическая методика показала линейные диапазоны от 1 до 800 мкмоль/дм3 для NQ1 и от 0,5 до 10 мкмоль/дм3 для NQS, с пределами обнаружения 0,8 и 0,086 мкмоль/дм3, соответственно. Рабочие условия для этой методики включают потенциалы накопления -1 В и -1,8 В, время накопления 30 и 20 секунд, а также pH фонового электролита равным 10. Спектрофотометрическая методика продемонстрировала линейные диапазоны от 0,3 до 2 мкмоль/дм3 для NQ1 и от 0,2 до 2 мкмоль/дм3 для NQS, с пределами обнаружения 0,094 и 0,073 мкмоль/дм3, соответственно. Рабочие условия для спектрофотометрического анализа включают pH фонового электролита равным 4.
6. В ходе исследования цитотоксической активности соединений NQ1 и NQS
на клеточных линиях PC-3, SKOV-3, MCF-7 и Jurkat было установлено, что оба соединения демонстрируют значительные антипролиферативные эффекты. Эти эффекты сопровождаются повышением внутриклеточного окислительного стресса и увеличением маркеров апоптоза, что указывает на их потенциал как перспективных лекарственных субстанций. Особое внимание заслуживает соединение NQS, которое проявило выраженную антиоксидантную активность к активным формам кислорода и гидроксильным радикалам. Результаты исследования подчеркивают
необходимость дальнейших клинических исследований для оценки
эффективности и безопасности данных соединений в терапии различных типов рака.
