Vývoj a aplikace fotoaktivovatelných sloučenin

Mgr. Marek Martínek, Ph.D.

Doctoral thesis

Design and applications of photoactivatable compounds

Abstract:

Předkládaná dizertační práce popisuje tři projekty, na kterých jsem pracoval během mého studia. Společným tématem těchto projektů jsou fotoaktivovatelné molekuly. Výsledky byly publikovány ve dvou článcích, další je v přípravě. Teoretická část uvádí základní pojmy z oblasti fotochemie a následně podává úvod k tématům studovaných projektů zasazených do širších souvislostí oboru, zahrnující fotoaktivovatelné sloučeniny, organická barviva, světlem iniciované click reakce a fluorescenční senzory. Následující kapitoly obsahují popis a diskuzi výsledků jednotlivých projektů. První z nich se zabývá studiem mechanismu světlem iniciovaného štěpení vazby uhlík-uhlík v molekule xanthenového typu. Kombinací poznatků získaných pomocí absorpčních technik, kinetických experimentů, hmotnostní spektrometrie a kvantově-chemických výpočtů bylo možné potvrdit struktury intermediátů a jejich vzájemné vztahy ve studované reakci. Následně byl navržen mechanismus, jehož součástí jsou také kroky zahrnující absorpci celkem 3 fotonů vedoucí k účinnému štěpení molekuly. Druhý projekt se zabýval studiem uvolňování molekuly napjatého alkynu z námi připraveného cyklopropenonového prekurzoru pomocí viditelného světla. Tento vysoce reaktivní alkyn podléhá nekatalyzované click reakci s azidy nebo tetraziny rychleji než již publikované analogy. Třetí projekt se týká návrhu vylepšené struktury fluorescenčního senzoru pro molekulu oxidu uhelnatého na bázi Nilské červeně. Měření změn intenzit fluorescence nového senzoru prokázalo zvýšenou odezvu zachycení CO, což umožňuje snazší analýzu přítomnosti CO v buňkách s použitím fluorescenčního mikroskopu.

Abstract:

This thesis comprises of three topics I have researched during my doctoral studies with an overarching theme of the development and study of new photoactivatable compounds. The results of the projects have been published in two articles and one manuscript is in preparation. The theoretical part of the thesis briefly introduces the basic concepts of photochemistry and gives the motivation of the studied projects together with a broader perspective of the field of photoactivatable compounds, organic dyes, light-triggered click reactions, and fluorescent sensors. In the next chapters, all three projects are described individually. The first project deals with a thorough mechanistic study of the light-initiated carbon–carbon bond cleavage within a xanthene dye chromophore. A combination of several analytical techniques, including absorption spectroscopy, kinetic experiments, mass spectrometry, and quantum chemical calculations, were used to confirm the structures of the intermediates and their relationships in the photochemical reaction studied. Consequently, the mechanism of the reaction was proposed, comprising the sequential absorption of three photons. The second project was aimed toward the design and application of a caged alkyne, being efficiently released upon the irradiation of cyclopropenone precursors. The strained alkyne then undergoes a noncatalyzed click reaction with an appropriate counterpart, such as azide or tetrazine, faster than previously published analogous systems. The third project describes the design of a Nile Red-based fluorescent sensor for carbon monoxide. The investigation of its sensing abilities showed an increased fluorescent response of the compound toward one equivalent of CO, and we demonstrated its potential for selective imaging of CO in mouse hepatoma cells.

Keywords

Fotoaktivovatelné sloučeniny, fotochemie, fotoodštěpitelná chránicí skupina, spektroskopie, senzor, organická barviva, click reakce, cyklopropenon, dithian, pyronin, xanthen, Nilská červeň, oxid uhelnatý, CO uvolňující molekuly, CORM, photoCORM, Photoactivatable compounds, photochemistry, photoremovable protecting group, spectroscopy, sensor, organic dyes, click reaction, cyclopropenone, dithiane, xanthene, Nile Red, carbon monoxide, CO releasing molecule

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 8. 4. 2020

Thesis defence

• Date of defence: 15. 5. 2020
• Supervisor: prof. RNDr. Petr Klán, Ph.D.
• Reader: prof. Ing. Radek Cibulka, Ph.D., Prof. Hans Jakob Wirz

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Chemistry / Organic Chemistry