Photoactivatable Derivatives for Chemical and Biological Applications: Design, Synthesis and Mechanistic Investigation

RNDr. Tomáš Slanina, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Tato disertační práce je zaměřena na návrh, syntézu a studium mechanismu fotoaktivovatelných molekul. Shrnuje vybrané projekty z mého doktorského výzkumu, které byly publikovány nebo byly podány k publikaci. V teoretické části jsou shrnuty základní informace o vybraných tématech relevantních pro studované projekty, jako jsou například fotoodstupitelné chránicí skupiny, chromofory absorbující viditelné světlo, biologicky relevantní chráněné ionty a malé molekuly a fotokatalýza viditelným světlem. Část Results and Discussion je rozdělena do osmi kapitol. První kapitola se zabývá fotoodstupitelnými chránicími skupinami na bázi xanthenů. Připravili jsme první fotoodstupitelnou chránicí skupinu schopnou uvolňovat fosfáty, karboxyláty a halidy pomocí zeleného světla (λmax ~ 520 nm). Druhá část se zabývá 4-hydroxyphenacyl fluoridem, chráněným fluoridem, který může být účinně uvolněn (Φ ~ 84%) pomocí ozáření UV světlem. Mechanismus uvolnění fluoridu byl studován pomocí pikosekundové pump-probe spektroskopie. Uvolněný fluorid byl použit pro leptání povrchů na bázi křemíku, jenž byly monitorovány pomocí AFM mikroskopie. Třetí projekt popisuje první plně organickou molekulu uvolňující oxid uhelnatý (CORM) pomocí viditelného světla, založenou na xanthenovém strukturním motivu. Čtvrtý projekt vylepšuje koncept CORM-derivátů použitím struktur na bázi BODIPY. Tyto molekuly mohou uvolňovat CO pomocí světla o vlnové délce do 730 nm a byly úspěšně testovány v in vitro a in vivo biologických experimentech. Mechanismus jejich fotochemické degradace byl pečlivě prostudován. Pátá kapitola se zabývá fotokatalytickým systémem pro redukci karbonylových sloučenin. Tento systém používá proflavin jako fotokatalyzátor, rhodiový mediátor a triethylamin jako stechiometrický donor elektronů. Systém selektivně redukuje aldehydy v přítomnosti ketonů, kdy tato selektivita je způsobena jak elektronovými tak stérickými efekty a je řízena kineticky. Šestý projekt popisuje novou fotokatalytickou metodu pro tvorbu radikálů NO3, které jsou dále používány pro syntetické aplikace. Detailně byl studován mechanismus tvorby radikálu NO3 pomocí fotooxidace dusičnanu. Sedmá kapitola popisuje novou metodu pro tvorbu fluorovaných arylových radikálů, které jsou použity pro syntézu fluorovaných biarylů a pro derivatizaci komplexních molekul. Studie pomocí transientní spektroskopie byla použita pro zjištění mechanismu tvorby aryl radikálů. Poslední projekt je zaměřen na syntézu derivátů BODIPY obsahujících selen a tellur. Pomocí transientní spektroskopie byly změřeny kvantové výtěžky jejich mezisystémového přechodu (až 60 %). Tyto deriváty mohou být využity například pro tripletovou senzitizaci.

Abstract:

This thesis focuses on design, synthesis and mechanistic investigations of photoactivatable derivatives. It summarizes selected results of my Ph.D. research which have been published or submitted for publication. In the theoretical part it summarizes basic information about selected topics relevant for the studied projects, such as photoremovable protecting groups, selected visible light absorbing chromophores, biologically relevant caged ions and small molecules, and visible light photocatalysis. The part Results and Discussion is divided into eight chapters. The first chapter deals with a xanthene-based photoremovable protecting group (PPG). We managed to prepare the first PPG capable to release phosphates, carboxylates and halides by the action of green light (λmax ~ 520 nm). The second part introduces 4-hydroxyphenacyl fluoride, a caged fluoride, that can be efficiently released (Φ ~ 84%) by UV-light irradiation. The mechanism of fluoride release has been studied by picosecond pump-probe spectroscopy. The released fluoride was used for etching of silicon surfaces followed by AFM. The third project describes the first metal-free carbon monoxide-releasing molecule (CORM) activatable by visible light based on the xanthene structural motif. The fourth chapter improves the concept of visible light absorbing CORMs by using BODIPY-based chromophores. These molecules can release CO upon irradiation by light at up to 730 nm and were successfully tested in both in vitro and in vivo biological experiments. The mechanism of the photodegradation was carefully studied. The fifth chapter deals with a photocatalytic system for reduction of carbonyl compounds. It uses proflavine as a photocatalyst, rhodium mediator, and triethylamine as a sacrificial electron donor. The system selectively reduces aldehydes over ketones. Both electronic and steric effects are responsible for the selectivity which is kinetically controlled. The sixth project describes a novel photocatalytic method for generation of the nitrate radical which is further used for some synthetic applications. The mechanism of generation of the nitrate radical by photooxidation of the nitrate anion has been studied in detail. The seventh chapter discusses a new method for generation of fluorinated aryl radicals which are used in the synthesis of fluorinated biaryls as well as in late stage functionalization of some complex molecules. The transient spectroscopic study has revealed the mechanism of the aryl radical formation. The last project focuses on the synthesis of selanyl- and tellanyl-substituted BODIPY derivatives. The quantum yield of intersystem crossing (up to 60%) has been measured by transient spectroscopy. These derivatives can be used as triplet sensitizers.

Keywords

photoinduced electron transfer, boron-dipyrromethene, carbon monoxide releasing molecules, xanthene, fluorescein, acridine, eosin Y, 4-hydroxyphenacyl, heavy atom effect, intersystem crossing, transient spectroscopy, photoremovable protecting group, photocatalysis, visible light, photoactivatable molecules, aryl radicals, nitrate radical, photoreduction, reaction mechanism, regulatory small molecules, in vivo release, photochemistry, spectroscopy, quantum yield fotoindukovaný přenos elektronu, BODIPY, molekuly uvolňující oxid uhelnatý, xanthen, akridin, efekt těžkého atomu, mezisystémový přechod, transientní spektroskopie, fotoodstupitelná chránicí skupina, fotokatalýza, viditelné světlo, fotoaktivovatelné molekuly, aryl radikály, NO3 radikál, fotoredukce, reakční mechanismus, regulační malé molekuly, in vivo uvolnění, fotochemie, spektroskopie, kvantový výtěžek

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 5. 11. 2015

Thesis defence

• Date of defence: 17. 12. 2015
• Supervisor: prof. RNDr. Petr Klán, Ph.D.
• Reader: Prof. Dr. Bernhard Dick, prof. RNDr. Petr Slavíček, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Chemistry (4-years) / Organic Chemistry