Semi-Natural And Synthetic Chiral Cycloketo-Porphyrin Systems - Approaching Novel Photosensitizers

Naturbasierte und vollsynthetische, chirale Zykloketo-Porphyrinsysteme - Entwicklung neuartiger Photosensibilisatoren

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus-13475
  • Several semi-natural and synthetic cycloketo-porphyrins were synthesized and their properties and usability for different applications was subjected to detailed investigations. It was dealt with porphyrin systems with an exocyclic connection of a meso-position or -substituent to a beta-pyrrolic position of the macrocycle formally originating from an acylation reaction to give a ketone functionality. Such systems can be found in nature amongst the chlorophylls. Thus, derivatives of chlorophyll a were firstly in focus. Synthetic analogs, deriving from “porphyrin building blocks” with one to eight ortho-bromomethyl side-chains, introduced by N. Jux, were made accessible, characterized andSeveral semi-natural and synthetic cycloketo-porphyrins were synthesized and their properties and usability for different applications was subjected to detailed investigations. It was dealt with porphyrin systems with an exocyclic connection of a meso-position or -substituent to a beta-pyrrolic position of the macrocycle formally originating from an acylation reaction to give a ketone functionality. Such systems can be found in nature amongst the chlorophylls. Thus, derivatives of chlorophyll a were firstly in focus. Synthetic analogs, deriving from “porphyrin building blocks” with one to eight ortho-bromomethyl side-chains, introduced by N. Jux, were made accessible, characterized and investigated within the second part of this thesis. For the semi-natural systems, an optimized, highly efficient isolation method for pheophorbides from spirulina was worked out to easily and quickly deliver large amounts of that materials. With those materials at hand, it was possible to reproduce and verify recent findings in connection with their applicability in photosensitizing systems for photodynamic therapy (PDT). The materials have been used for detailed investigations on their photophysical and electrochemical properties to be able to compare them with other sensitizers. To access artificial analogs, a synthetic strategy has been developed, starting from an mono-functionalized o-(bromomethyl) „porphyrin building block“ providing a novel cycloketo-porphyrin system via a cyanomethyl derivative and the porphyrin ethanoic acid. This system exhibits a seven-membered exocycle as major structural feature. The newly established methodology was also applied to other building blocks with up to 8 functionalities leading to a library of free base cycloketo-porphyrins and their metal complexes which have been investigated by chemical and photophysical means. As the characterization data showed, the systems contain a distorted pi-system arising from the structural features being analog to those already known for dodeca-substituted porphyrins. But in contrast, the ones under investigation here turned out to be highly stable in configuration, as VT NMR demonstrated. They thus represent stable inherently chiral systems. The racemic mixtures obtained from synthesis have been resolvable by chiral HPLC. So, it was possible to characterize the individual enantiomers by CD spectroscopy. Ffor the first time, we were able to describe stable inherently chiral porphyrins whose chirality is due to a distorted pi-system. Via temperature-dependent NMR spectroscopy, it was also possible to show that the lowering of symmetry is leading to the presence of distinguishable tautomers within the mono-exocyclic cycloketo-porphyrin. Interestingly, those tautomers turned out to be differentiable by photophysical means. So, a novel spectroscopic methodology for the detection and characterization of tautomeric porphyrin structures was developed. The conducted photophysical experiments showed that the structural elements and the thus arising deviation from planarity within the pi-system is leading to an enhanced spin-orbit-coupling with a high intersystem crossing probability and hence, an efficient excitation into triplet states. It was also shown that the excitation energy can be transferred onto present triplet oxygen nearly quantitatively and it was demonstrated that the corresponding performance of the systems can be effectively tuned via variations in the architecture of the exocycle as well as by degree and regiochemistry of poly-annulation. Thus, novel singlet oxygen generators were made accessible captivating through their high stability and outstanding quantum yields. Such systems are of great interest for hygiene applications (e.g. for detoxification of water) and also for medicinal means (foremost for applications in terms of PDT) as, in comparison to pheophorbides, they exhibit a far higher stability, a better solubility and an increased efficiency. Also corresponding metal complexes (e.g. indium(III)) and coupleable derivatives with additional amino functionality were made accessible without significant changes in the photophysical performance. Those systems allowed investigations on novel concepts of application. For example, it has been shown that the Förster resonance energy transfer can be utilized within photosensitizing concepts as the results on the conjugate of pyropheophorbide a and the mono-exocyclic cycloketo-porphyrin illustrated. Thus, excitation wavelengths can be effectively tuned. Furthermore, the investigations on indium(III) complexes implied that novel combinational therapies could be opened up. The implementation of a radioactive metal center (e.g. In-111) could then be used for tumor localization while the ligand, being an effective photosensitizer, would allow for an in situ treatment by PDT.show moreshow less
  • Es wurden hierbei naturstoffbasierte und vollsynthetisch zugängliche Zykloketo-Porphyrine dargestellt und ihre Eigenschaften und Anwendungsmöglichkeiten genauer untersucht. Dabei handelte es sich um Porphyrine, die einen Exozyklus aufweisen, der eine meso-Position oder einen meso-Substituenten mit einer beta-pyrrolischen Position verbindet. Die Art der Verbrückung basiert auf einer Acylierungsreaktion und beinhaltet somit ein Keton. Solche Systeme finden sich in der Natur unter den Chlorophyllen, sodass die Derivate des Chlorophylls im zunächst im Focus der Arbeit standen. Synthetische Analoga, die sich von „porphyrin building blocks“ mit ein bis acht ortho-Brommethylseitenketten ableiten,Es wurden hierbei naturstoffbasierte und vollsynthetisch zugängliche Zykloketo-Porphyrine dargestellt und ihre Eigenschaften und Anwendungsmöglichkeiten genauer untersucht. Dabei handelte es sich um Porphyrine, die einen Exozyklus aufweisen, der eine meso-Position oder einen meso-Substituenten mit einer beta-pyrrolischen Position verbindet. Die Art der Verbrückung basiert auf einer Acylierungsreaktion und beinhaltet somit ein Keton. Solche Systeme finden sich in der Natur unter den Chlorophyllen, sodass die Derivate des Chlorophylls im zunächst im Focus der Arbeit standen. Synthetische Analoga, die sich von „porphyrin building blocks“ mit ein bis acht ortho-Brommethylseitenketten ableiten, wurden dann zugänglich gemacht, charakterisiert und untersucht. Bei den naturstoffbasierten Systeme ist es gelungen, ein optimiertes, hocheffizientes Verfahren zur Gewinnung von Pheophorbid a aus Spirulina zu erarbeiten, das leicht und schnell Gramm-Mengen zugänglich macht. Anhand dieser Verbindungen konnten die bisher erzielten Ergebnisse über Anwendbarkeit in Photosensibilisatorsystemen für die PDT nachvollzogen und bestätigt werden. Sie wurden auch für photophysikalische und elektrochemische Untersuchungen herangezogen, um Vergleiche mit anderen Sensibilisatorsystemen vorzunehmen. Um vollsynthetische Analoga zu erhalten, wurde, ausgehend vom monofunktionalen o-brommethyl-substituierten „porphyrin building block“, eine Synthesestrategie entwickelt, die über das Cyanomethyl-Derivat und die Porphyrin-Essigsäure zu einem neuartigen Zykloketo-Porphyrinsystem führte. Dieses verfügt über einen siebengliedrigen Exozyklus als maßgebliches Strukturmerkmal. Die neu etablierte Verfahrensweise konnte auf weitere „building blocks“ (bis zu 8 funktionellen Gruppen) angewendet werden und ergab so eine Bibliothek von freibasigen Zykloketo-Porphyrinen und ihren Metallkomplexen. Auch diese wurden chemisch wie photophysikalisch untersucht. Wie die Charakterisierungsdaten zeigten, liegt in diesen Systemen, von Strukturmerkmalen bedingt, ein deformiertes Pi-System vor, wie es z. B. für dodeka-substituierte Porphyrine bekannt ist. Im Gegensatz zu diesen, sind die hier untersuchten Systeme außerordentlich konfigurationsstabil und stellen inhärent chirale Systeme dar. Die synthetisch erhaltenen Racemate konnten mittels chiraler HPLC aufgetrennt werden und es gelang die Charakterisierung der Antipoden mittels CD-Spektroskopie. Somit war erstmalig die Beschreibung stabiler, inhärent chiraler Porphyrine möglich, deren Chiralität durch Verzerrung des Pi-Systems bedingt wird. Mittels temperaturabhängiger NMR-Spektroskopie konnte gezeigt werden, dass die Symmetrieerniedrigung zu unterscheidbaren Tautomeren des mono-exozyklischen Zykloketo-Porphyrins führt. Diese konnten auch photophysikalisch nachgewiesen werden. Dies führte zur Entwicklung eines neuartigen spektroskopischen Verfahrens zur Unterscheidung und Beschreibung tautomerer Strukturen in Porphyrinen. Die Untersuchung der photophysikalischen Eigenschaften zeigte, dass die Strukturelemente und die einhergehende Verzerrung des Pi-Systems zu einer effizienten Spin-Bahn-Kopplung führen. Diese bedingt eine hohe Intersystem Crossing-Wahrscheinlichkeit und somit eine effektive Anregung in Triplett-Zustände, welche die Anregungsenergie nahezu quantitativ auf Triplett-Sauerstoff übertragen können. Es konnte auch gezeigt werden, dass die Effektivität dabei durch die gewählte Architektur des Exozyklus sowie durch Grad und Regiochemie der Polyfunktionalisierung steuerbar ist. So wurden neuartige Singulett-Sauerstoff-Generatoren zugänglich, die durch hohe Stabilitäten und Quantenausbeuten bestechen. Diese Systeme sind dabei sowohl für die Hygienetechnik (z. B. die Entkeimung von Luft) als auch für die medizinische Technologie (v. a. für die PDT) interessant, da sie, gegenüber den Pheophorbiden z. B., eine weitaus höhere Stabilität, eine bessere Löslichkeit und eine gesteigerte Effizienz besitzen. Da auch entsprechende Metallkomplexe (z. B. des Indium(III)) und kopplungsfähige amino-funktionalisierte Derivate zugänglich sind, ohne dass sich die photophysikalischen Eigenschaften signifikant ändern, konnten neuartige Photosensibilisierungskonzepte untersucht werden. Z. B. konnte anhand des Konjugats aus Pyropheophorbid a und dem mono-exozyklischen Amino-Zykloketo-Porphyrin gezeigt werden, dass der Förster Resonanz-Energietransfer in derartige Konzeptionen für die PDT implementiert werden kann. Damit werden Anregungswellenlängen steuerbar. Ferner legen die Versuche mit der Indium(III)-Verbindung nahe, dass Kombinationstherapieformen erschlossen werden können. Die Einbringung eines radioaktiven Metallzentrums (z. B. In-111) kann dabei für die Tumordetektion verwendet werden, während der Ligand als aktiver Sensibilisator eine in situ-Therapierung mittels PDT ermöglicht.show moreshow less

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Metadaten
Author:Stefan Jasinski
Persistent identifiers - URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-13475
Advisor:Norbert Jux
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of publication:2009
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Naturwissenschaftliche Fakultät
Acceptance date of the thesis:2009/04/17
Release Date:2009/05/18
Tag:Photophysik an Porphyrinen
chirality; photodynamic therapy (PDT); porphyrin tautomers; porphyrins
SWD-Keyword:Porphyrine; Photodynamische Therapie; Chiralität <Chemie>; Tautomerie
Institutes:Naturwissenschaftliche Fakultät / Naturwissenschaftliche Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 54 Chemie / 540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
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