Study of photoactivatable processes

Mgr. Peter Šebej, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Tato disertační práce předkládá výsledky tří projektů, ve kterých jsem se v průběhu svého doktorského studia zabýval výzkumem fotoaktivovatelných procesů se zaměřením na fotolabilní chránicí skupiny. Prvním projektem byla studie, která se systematicky zabývala využitím 2-nitrobenzylidenové fotolabilní skupiny pro chránění diolů a thioalkoholů. Výstupem práce byly dva syntetické protokoly, podle kterých dioly, chráněné ve formě příslušných acetalů, mohou být uvolněny díky primárnímu fotochemickému kroku a následné bazické hydrolýze. Zkoumání mechanismu této transformace poskytlo vysvětlení stereoselektivity štěpení C–O vazby u nesymetrických 2-nitrobenzyliden acetalů. Návrh a experimentální ověření možnosti využití fotolabilního chirálního induktoru byl obsahem druhého projektu. Tento nový koncept představuje chirální pomocnou látku, která je odstraněna účinkem UV zářením bez nutnosti zavedení dalších chemických kroků. Navržený chromofor, založený na benzoinové fotolabilní chránící skupině, umožňuje připravit norbornenovou kyselinu s vysokých výtěžkem a enantiomerním nadbytkem až 96 % ve stereoselektivní Dielsově-Alderově reakci. Tato metodika představuje zajímavou alternativu k běžným chirálním pomocným látkám, které se obvykle odstraňují hydrolyticky za přítomnosti jiných činidel. Ve třetím projektu jsem se zaměřil na fenacylovou fotolabilní chránící skupinu. Ozařování syntetizovaného bifunkčního chromoforu, který podléhá dvěma konkurenčním reakcím, foto-Favorskému přesmyku a fotoenolizaci, naznačilo, že je možné dva strukturní motivy sjednotit do jedné molekuly a vybrat mezi nimi reakční cestu pouze na základě změny koncentrace vody v prostředí. Zároveň jsem se zaměřil na studium dosud nepopsané 2-hydroxyfenacylové skupiny, která se vyznačuje zajímavými vlastnostmi, důležitými pro fotolabilní chránící skupiny, např. dobrou rozpustností ve vodě nebo batochromním posunem absorpčního maxima ve srovnání se známou 4-hydroxyfenacylovou skupinou.

Abstract:

This work consists of three independent projects on which I have participated during my doctoral study. Their common aim were photoactivatable compounds, in particular, photoremovable protecting groups (“caged” compounds). A systematic study of the 2-nitrobenzylidene photoremovable protecting group is presented in the first project. This group was used to protect diols and thioalcohols using two different synthetic protocols. Irradiation of this cage and subsequent basic hydrolysis procedure led to clean release of protected diols in good yields (>80%). Photoinitiated release of the 2-nitrobenzylidene group involved a complex sequence of ground state transformations which have been explored in order to explain observed stereoselectivity of the C–O bond cleavage of nonsymmetrical 2-nitrobenzylidene acetals. In the second project, a photoremovable chiral auxiliary is introduced as a novel concept of a chiral auxiliary that can subsequently be removed upon irradiation. A benzoin-based chromophore was found to induce stereoselectivity with enantiomeric excess of up to 96% in a stereoselective Diels-Alder reaction to give norbornenates as the side-products. This “reagentless” protocol offers an alternative to removal of other chiral auxiliaries employing enantioselective ground state reactions. The third project aimed at the photochemistry of the phenacyl moiety. A chromophore combining both the photo-Favorskii-type and photoenolization transformations in one molecule was investigated. It showed a clear and unusual bifurcation between these two triplet-originating reactions which strongly depended on the water concentration in media. A novel 2-hydroxyphenacyl chromophore has been introduced. It is an alternative to a well-known 4-hydroxyphenacyl cage sustaining a good solubility in aqueous media and absorption significantly red-shifted over 350 nm.

Keywords

Fotochemie, excitovaný stav, fotoaktivovatelný proces, fotoaktivovatelná molekula, fotolabilní chránící skupina, chirální pomocná látka, chromofor, efekt rozpouštědla, 2-nitrobenzyl, fenacyl, 4-hydroxyfenacyl, UV záření, Photochemistry, excited state, photoactivatable process, photoactivatable molecule, photoremovable protecting group, chiral auxiliary, chromophore, media effects, phenacyl, 4-hydroxyphenacyl, UV irradiation

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 30. 4. 2012

Thesis defence

• Date of defence: 14. 6. 2012
• Supervisor: prof. RNDr. Petr Klán, Ph.D.
• Reader: doc. RNDr. Petr Slavíček, Ph.D., doc. Mgr. Jana Roithová, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

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