Study of the Photoreaction Mechanisms of Photoactivatable Compounds

Bokolombe Pitchou Ngoy, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Cílem předkládané disertační práce bylo prozkoumat mechanismus fotochemických reakcí vybraných nových světlem aktivovatelných sloučenin v různých prostředích. První část práce (Úvod) poskytuje krátkou informaci o studiu reakčních mechanismů. Tato část dále obsahuje popis spektroskopických technik s časovým rozlišením, které byly v práci využity, a přehled poznatků o fotolabilních chránicích skupinách včetně jejich aplikací, výhodách a nevýhodách. V prvním projektu (kapitola druhá) byla studována řada fenacyl-xanthatů s využitím nanosekundové a femtosekundové laserové zábleskové fotolýzy. Byly stanoveny rychlostní konstanty přeměn intermediátů reakcí v acetonitrilu a propan-2-olu. Fotochemické chování látek bylo studováno a jejich reaktivita byla charakterizována řadou metod včetně laserové zábleskové fotolýzy. Bylo prokázáno, že nejdůležitějšími meziprodukty této fotochemické reakce byly fenacylové (PA•) a xanthylové (XAN•) radikály. I když se absorpční spektra těchto intermediátů se překrývají, doby života byly stanoveny v acetonitrilu, 2 M propan-2-olu a konečně v čistém propan-2-olu. Fenacylové radikály byly zachyceny adiční reakcí s 1,1-difenylethanem; bimolekulární rychlostní konstanta byla stanovena na kadd = (1,1 ± 0,1) × 108 M−1 s−1 v acetonitrilu a kadd = (5,5 ± 0,4) × 107 M−1 s−1 v propan-2-olu. Rychlostní konstanta adice -bromacetofenonu byla stanovena na (7 ± 1) × 108 M−1 s−1 v acetonitrilu. Bylo prokázáno, že reakce z naprosté většiny vychází ze singletového excitovaného stavu výchozí látky, přičemž není vyloučena reakce z tripletového stavu. Byly dále stanoveny doby života tripletového excitovaného stavu v odplyněných i vzduchem nasycených roztocích. Tripletový stav xanthonu byl zhášen xanthaty, u dvou studovaných derivátů byla stanovena bimolekulární rychlostní konstanta tohoto procesu kq na (1,04 ± 0,1) × 109 M-1 s-1, a (1,13 ± 0,3) × 109 M-1s-1 v acetonitrilu. Druhý projekt (kapitola třetí) zahrnoval mechanistickou studii orthogonálního linkeru založeném na monochromoforickém systému 4-acetyl-2-nitrobenzylu (ANB). V této studii byla během ozařování UV světlem odhalena řada reakčních meziproduktů. Bylo ukázáno, že redukce nitro skupiny probíhá přes stadium nitroso skupiny a pravděpodobně také stadium hydroxylaminu dříve, než dochází k redukci karbonylové funkce na sekundární alkohol. Pro zachycení a přiřazení absorpčních spekter intermediátů byly použity rychlé kinetické metody, jako je laserová záblesková spektroskopie s femtosekundovým časovým rozlišením. Bylo prokázáno, že molekula zmíněného monochromoforického linkeru reaguje z tripletového i singletového stavu za vzniku aci-nitro intermediátu, který v základním stavu cyklizuje, poté nastává uvolnění odstupující skupiny a otevření kruhu spojené se vznikem nitroso sloučeniny. Třetí projekt (kapitola čtvrtá ) byl zaměřen na prozkoumání vlivu konformace bočního řetězce (napětí kruhu) cyklických derivátů p-hydroxyfenacylového chromoforu na foto-Favorského reakci. Zjistili jsme, že mechanismus reakce těchto látek je velice podobný mechanismu p-hydroxyfenacylové skupiny, jak byl dříve navržen pro výchozí p-hydroxyacetofenon. Byly stanoveny doby života tripletových stavů řady sloučenin v čistém acetonitrilu a byla také zachycena jejich absorpční spektra. Ve vodném acetonitrilu (30 % vody) byl pozorován rychlý vznik tripletového excitovaného aniontu a chinoidního enolu. Předpokládáme, že tento proces vede ke ztrátě excitační energie a je takto zodpovědný za snížení celkového kvantového výtěžku fotochemické reakce. Tripletový biradikál byl pozorován jako intermediát v případě derivátu obsahujícího pětičlenný cyklus a mesylát jako o

Abstract:

dstupující skupinu. Kapitolu uzavírá návrh reakčního mechanismu. Čtvrtý projekt (kapitola pátá) zahrnoval studium fotochemické reaktivity o-hydroxyfenacylových derivátů. Kvantové výtěžky úbytku (Φ), které byly stanoveny ve vodném acetonitrilu (obsah vody 30 %), se pohybovaly okolo 0,21 pro látky obsahující acetát jako odstupující skupinu a 0,34 pro mesylát jako odstupující skupinu. Hodnoty pKa byly stanoveny pro mateřský o-hydroxyacetofenon a derivát obsahující acetát jako odstupující skupinu. Byly stanoveny také relativní kvantové účinnosti fotochemické přeměny studovaných sloučenin. Různé intermediáty byly generovány laserovou zábleskovou fotolýzou, tyto pozorované intermediáty byly přiřazeny. Na základě výsledků získaných laserovou zábleskovou fotolýzou, klasickým ozařováním UV zářením a výpočtů byl navržen mechanismus fotochemické reakce.

Abstract:

The overall goal of this dissertation was to investigate the mechanism of photoreactions of selected new photoactivatable compounds in different media. Chapter one (Introduction) gives a brief overview of reaction mechanism. Time-resolved spectroscopy techniques used as a tool for investigations are described, and a review of the knowledge about photoremovable protecting groups including their applications, advantages and disadvantages is described. In the first project (Chapter Two), a series of phenacyl xanthates was studied using femtosecond and nanosecond laser flash photolysis. Rate constants for the decay of the intermediates were determined in acetonitrile and isopropanol as solvents. The photochemistry was studied, and the reactivity of one state was proven by different methods, including laser flash photolysis. It was shown that the most important intermediates of this photoreaction were the phenacyl radical (PA•) and the xanthic acid radical (XAN•). Their transient absorption spectra are overlapped and lifetimes were determined in acetonitrile, 2 M isopropanol and pure isopropanol. Phenacyl radicals were trapped by 1,1-diphenylethylene, and the bimolecular rate constants were kadd = (1.1 ± 0.1) × 108 M−1 s−1in acetonitrile and kadd = (5.5 ± 0.4) × 107 M−1 s−1in isopropanol. The rate constant of addition kadd of phenacyl bromide were also determined by laser flash photolysis to be (7 ± 1) ×108 M−1 s−1 in acetonitrile. The reaction was shown to proceed mostly via the singlet state without excluding the triplet pathway. The triplet lifetimes in aerated and degassed solutions were determined. The triplet state of xanthone was quenched by xanthates and the bimolecular rate constants kq were about (1.04 ± 0.1) × 109 M-1 s-1, and (1.13 ± 0.3) × 109 M-1s-1 in acetonitrile for two derivatives used. The second project (Chapter Three) of the thesis investigates the mechanistic studies of an orthogonal monochrophoric linker,4-acetyl-2-nitrobenzyl (ANB). In this work, a series of intermediates were identified by UV steady state irradiation experiments. The reduction of the nitro group from the chromophore to the amino group via the nitroso group and presumably the hydroxylamine group was shown to occur prior to the reduction of the carbonyl group to a secondary alcohol. Fast kinetic methods, such as femtosecond transient absorption spectroscopy was used to detect and assign different transient absorption spectra. It was shown that monochromophoric linker molecules forms aci-nitro intermediates via the singlet or triplet state, and this aci-nitro grown in the ground state cyclizes, and then the release intervenes after the ring opening followed by the formation of nitroso compound. The third project (Chapter Four), investigates the effect of side chain conformation (ring strain) of cyclic pHp derivatives on the photo-Favorskii reaction. We found that the mechanism reminds that of the pHp group as suggested previously for the parent p-hydroxyacetophenone. Triplet lifetimes of a series of compounds were determined in pure acetontrile and their transient absorption spectra are shown. The fast formation of triplet anion and triplet quinoid enol were determined in aqueous acetonitrile (30 % of water), and are considered to represent the energy wasting processes decreasing the overall photolysis quantum yields of photoreactions. Triplet biradical was detected for the 5-membered ring having mesylate as the leaving group. Finally a mechanism is proposed. In the fourth project (Chapter Five), the photochemistry of o-hydroxyphenacyl derivatives has been investigated. Quantum yields of disappearance (Φ) have been determined in aqueous acetonitrile (30 % of water) and were about 0.21 and 0.34 for the compound having the acetate and mesylate leaving groups (LG) respectively. Ground state pKa's were determined for the parent o-hydroxyacetophenone, and for the compound having the acetate leaving group (LG). Relative de

Abstract:

gradation quantum efficiencies were determined for the compounds. Different intermediates were generated by laser flash photolysis and assigned. Based on the results obtained by laser flash photolysis, steady state irradiation and calculations, a mechanism of the photoreaction was proposed.

Keywords

fotochemie, laserová záblesková fotolýza, časově rozlišená spektroskopie, absorpční spektra transientů s femtosekundovým časovým rozlišením, fotolabilní chranicí skupiny, aci-nitro, rychlostní konstanta, fenacyl-xanthaty. Photochemistry, Laser flash photolysis, Time-resolved spectroscopy, Femtosecond Transient Absorption Spectra, Photoremovable protecting groups, Rate constant, Phenacyl xanthates.

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 27. 4. 2012

Thesis defence

• Date of defence: 14. 6. 2012
• Supervisor: prof. RNDr. Petr Klán, Ph.D.
• Reader: prof. RNDr. Tomáš Polívka, Ph.D., prof. RNDr. Anton Gáplovský, DrSc.

Masaryk University

Faculty of Science

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