Nové možnosti aplikace interakcí boronových kyselin s důrazem na elektrochemicky aktivní deriváty

Mgr. Martin Konhefr, Ph.D.

Doctoral thesis

New possibilities of applications of interactions of boronic acids with emphasis on electrochemically active derivatives

Abstract:

Tato dizertační práce je rozdělena na část teoretickou a experimentální. V první části obsáhlé teorie jsou rozebrány syntézy a reaktivity boronových kyselin, jejich derivátů, (amino)ferocenů a ferocenylbórových derivátů. V druhé části teorie jsou diskutovány elektrochemické procesy určující funkční vlastnosti popisovaných elektroaktivních derivátů (rozdíly mezi směsně-valenčními kationy a donor–akceptorními látkami, (proton-spražené) intramolekulární elektronové transfery a redoxní přepínače). Další část teorie se věnuje B–N interakci na příkladech ortho-iminoboronátu a ortho-(aminomethyl)fenylboronových kyselin a jejich využití v bioortogonální chemii. V aplikačně zaměřené části teorie jsou pak podrobně typově rozebrány aktuální možnosti využití boronových kyselin, ať už v rámci molekulárního rozpoznávání (analytický sensing) nebo vývoji léčiv (doprava a cílené uvolnění léčiva). Sekce poslední kapitoly se dotýkají jak enzymových inhibitorů, tak reaktivních kyslíkových radikálů, stimul-responzivního chování pokročilých materiálů na bázi boronových kyselin a v neposlední řadě feroptózy a biochemických procesů vedoucích k např. protinádorovému účinku. Experimentální část pak shrnuje komentáře pěti odborných prací publikovaných v impaktovaných časopisech. Předkládané výsledky se věnují z poloviny problematice syntézy derivátů (amino)ferocenu a popisu jejich fyzikálně-chemických vlastností, z druhé poloviny pak pokročilé elektrochemii těchto ferocenových derivátů nesoucí boronovou nebo borinovou skupinou. V rámci prvních třech publikací byly připraveny tři různé ((ferocenylimino)methyl)fenylboronové kyseliny, z čehož se ortho izomer ukázal jako vynikající systém pro další studium intramolekulárních interakcí. Ty zahrnují B–N a B–diol interakce, elektrochemicky usnadněné reakce (s redoxní kontrolou) s potenciálními aplikacemi jako chemosensor nebo přenašeč léku. Práce na další připravené sloučenině, diferocenylborinové kyselině, zahrnovala vylepšenou syntézu a první vhled do komplexní elektrochemie dvou redoxních center v jedné sloučenině a možnosti analytické aplikace takovéhoto systému imobilizovaného na elektrodě. Poslední publikace se věnuje popisu rozdílů elektrochemického chování aminoferocenu v pufrovaných a nepufrovaných vodných roztocích a stanovení pKa nestabilních forem analytu výpočtem z elektrochemického měření.

Abstract:

This dissertation thesis is divided into theoretical and experimental parts. In the first part of the comprehensive theory, syntheses and reactivities of boronic acids, their derivatives, (amino)ferrocenes and ferrocenyboron derivatives are shown. In the second part of the theory, there are discussed electrochemical processes determining functional properties of described electroactive derivatives (differences in mixed-valence and donor–acceptor dyads, (proton-coupled) intramolecular electron transfers and redox-driven switches). Next part deals with B–N interactions in the examples of ortho-iminoboronates and ortho-(aminomethyl)phenylboronic acids and with their utilization in bioorthogonal chemistry. In the application-focused part of the theory, current possibilities of utilization of boronic acids are discussed in detail, in the frame of molecular recognition (analytical sensing) or drug development (drug delivery and on-demand release). The sections of the last chapter provide information about enzyme inhibitors, reactive oxygen species, stimuli-responsiveness of advanced smart materials based on boronic acids and at last but not least, also about ferroptosis and biochemical processes leading to e.g. anticancer activity. The experimental part of the thesis then summarizes comments on five research articles in impacted science journals. Half of the introduced results is devoted to the synthesis of derivatives of (amino)ferrocene and the description of their physicochemical properties, half is devoted to advanced electrochemistry of these ferrocene derivatives bearing boronic or borinic acid moiety. Three different ((ferrocenylimino)methyl)phenylboronic acids were prepared in the frame of the first three articles. The ortho isomer appeared to be an excellent system for further studies on intramolecular interactions. Such involve the B–N and B–diol interactions, electrochemically facilitated reactions (redox-controlled) with potential applications such as chemosensor or drug carrier. The work with next prepared compound, diferrocenylborinic acid, comprised its improved synthesis and first insight into the complex electrochemistry of two connected redox centres in one molecule as well as possibilities of analytical utilization of such a system immobilised on an electrode surface. The last article is devoted to the description of differences of the electrochemical behaviour of aminoferrocene in buffered and unbuffered aqueous solutions. Elusive pKas of unstable forms of analyte were determined from electrochemical measurements.

Keywords

chemosensor, chemosenzor, ferrocene, ferocen, aminoferrocene, aminoferocen, phenylboronic acid, fenylboronová kyselina, boronic acid, boronová kyselina, borinic acid, borinová kyselina, B–N interaction, B–N interakce, electrochemistry, elektrochemie, cyclic voltammetry, cyklická voltametrie, NMR, hemiaminal, chemical equilibrium, chemická rovnováha, intramolecular charge transfer, intramolekulární přenos náboje, PCIET, redox-driven switch, redoxní přepínač, molecular recognition, molekulární rozpoznávání, ROS, smart material, stimuli-responsiveness, stimul-responzivita, nanomedicine, nanomedicína, ferroptosis, feroptóza

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 20. 11. 2020

Thesis defence

• Date of defence: 27. 1. 2021
• Supervisor: doc. RNDr. Petr Skládal, CSc.
• Reader: doc. RNDr. Jindřich Jindřich, CSc., prof. RNDr. Jiří Ludvík, CSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biochemistry / Biochemistry