Upload
others
View
1
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Sveučilište u Zagrebu
Prirodoslovno-matematički fakultet
Kemijski odsjek
Poslijediplomski sveučilišni studij: Kemija
Smjer- Organska kemija
Kemijski seminar I
BODIPY spojevi: sinteza, fotofizička i spektroskopska
svojstva i primjena
Matej Cindrić
Zagreb, 05.07.2017.
SADRŽAJ
1. Uvod……………………………………………………………..1
2. Mogućnosti u sintezi BODIPY-a………..……………….….…..1
3. Funkcionalizacija BODIPY skeleta.……………………….……3
3.1. Reakcije elektrofilne supstitucije…………………………...3
3.2. Reakcije nukleofilne supstitucije…………………………...3
3.3. Reakcije katalizirane prijelaznim metalima………………...4
3.4. Aktivne metilne skupine……………………………………5
3.5. Modifikacije na borovu atomu……………………….……..5
4. Fotofizička i spektroskopska svojstva…………………….……..6
5. Primjena BODIPY spojeva………………………………….…..7
5.1. Formacija cassette struktura…………………………...…...7
5.2. Kemijski senzori……………………………………….…...7
5.3. Obilježavanje bioloških struktura………………………......8
6. Zaključak……………………………………………………......8
7. Literatura……………………………………………………....10
1
1. Uvod
Jednu od mnogih skupina fluorescentnih boja čini jezgra od 4,4-difluoro-4-bora-3a,4a-
diaza-s-indacena, poznata pod kraćim nazivima- difluoroboron dipirometen ili BODIPY.1 Prvog
predstavnika sintetizirali su još 1968. Treibs i Kreuzer.2 Do devedesetih ove fluorescentne boje
nisu bile osobito prepoznate, a tada su započela istraživanja mogućih primjena BODIPY-a kao
obilježivača makromolekula, fluorescentnih indikatora i fluorofora u raznim senzorima. Svi ovi
oblici primjene posljedica su svojstava koja posjeduju BODIPYspojevi, a to su očuvanje
stabilnosti strukture pri izlaganju svjetlosti i kemikalijama, dobra topljivost u raznim organskim
otapalima, postojanost u otopini bez stvaranja agregata, visoki molarni apsorpcijski koeficijenti i
fluorescencijska kvantna iskorištenja. Spektroskopska i fotofizička svojstva ovih spojeva mogu
se precizno modelirati ovisno o vrstama supstituenata (elektron donorskih, odnosno
akceptorskih) na samoj BODIPY jezgri.1
NB
N
F F
1
2
33a 4a
5
6
78
Shema 1. Prikaz BODIPY jezgre1
2. Mogućnosti u sintezi BODIPY-a
U sintezi BODIPY struktura u literaturi su zastupljena tri puta. Jedan od njih (Shema 2.)
uključuje kiselinom kataliziranu kondenzaciju aldehida s pirolom u kojoj je pirol korišten i kao
otapalo jer dio pirola polimerizira pa je potreban suvišak za postizanje visokih iskorištenja
reakcije.3
NH
+
OHNH HN N
BN
F F
NH N
H+ O BF3 x Et2O
baza
Shema 2. Prikaz 1. sintetskog puta BODIPY-a1
2
Za pirole supstituirane na položaju 2 multipla kondenzacija nije kompetitivna sporedna
reakcija pa nije poteban suvišak takvih pirola. U prvom koraku sinteze nastaje dipirometan koji
je nestabilan na zraku, svjetlu i u prisustvu kiseline, stoga ga nakon kromatografiranja treba
odmah oksidirati u dipirometen. Oksidacija se uobičajeno provodi uz DDQ (2,3-dikloro-5,6-
dicijano-p-benzokinon) ili p-chloranil (2,3,5,6-terakloro-p-benzokinon). U sljedećem koraku
dipirometen uz bazu kompleksira sa borovim (III) fluorid eteratom u stabilan kompleks
BODIPY-a. Kemijska stabilnost omogućava post-sintetske modifikacije meso-arilnog
supstituenta što uključuje mogućnost reakcija oksidacije, redukcije i nukleofilne aromatske
supstitucije (SNAr).1
U sljedećem poznatom sintetskom putu (Shema 3.) pirol reagira sa kiselinskim kloridom4,
anhidridom5 ili ortoesterom
6. Nastali acil-pirol može dalje reagirati, uz kisele uvjete, sa suviškom
pirola pri čemu nastaje dipirinijeva sol. Prednost ovog sintetskog puta leži u mogućnosti sinteze
asimetričnih dipirina jer izolirani acil-pirol može reagirati i sa različitim supstituiranim pirolima
formirajući upravo asimetrične dipirine. Također, sljedeći korak je isti kao u prvom sintetskom
putu, gdje uz suvišak baze i borovog (III) fluorid eterata dolazi do formacije BODIPY
kompleksa.
NH
+X O
R
NH
O
R+
NH
R´H+
ili POCl3
R
NH NR´ N
BN
R
F F
R´BF3 x Et2O
baza
X= Cl, Br, OOCR /
RC(OR´)3
Shema 3. Prikaz 2. sintetskog puta BODIPY-a1
U trećem sintetskom putu (Shema 4.) prikazana je mogućnost u kojoj fosforov oksiklorid
omogućava kondenzaciju pirol-2-karbaldehida sa samim sobom. U predloženom mehanizmu
prikazana je supstitucija aldehidnog kisika sa klorom pri čemu nastaje azafulven koji je napadnut
sa drugom molekulom pirol-2-karbaldehida. Potom dolazi do nukleofilnog napada klorida i
raspada nestabilnog intermedijera uz oslobađanje HCl i CO i stvaranja dipirometena koji dalje
kompleksira u BODIPY.1
3
NH
O
H
POCl3
NH
Cl
H
+
NH
O
HNH HN
-2 HCl, -CO
NBN
F F
BF3 x Et2O
Shema 4. Prikaz 3. sintetskog puta BODIPY-a1
Prednost 3. sintetskog puta je činjenica da se radi o one-pot sintezi u kojoj je potrebno malo
čišćenja uz visoka iskorištenja reakcije.
3. Funkcionalizacija BODIPY skeleta
3.1. Reakcije elektrofilne supstitucije
Treibs i Kreuzer2
su prvi pokazali da BODIPY spojevi sa slobodnim položajima 2 i 6
podliježu elektrofilnoj supstituciji u prisustvu klorsulfonske kiseline. Drugi elektrofili također se
mogu uvesti na analogan način pri čemu se dobiju spojevi koji sadrže brom7 ili jod
8 u položajima
2 i 6. Pri tome je važno napomenuti da nema narušavanja B-F veza.
NBN
F F
elektrofil u bezvodnom otapalu
NBN
F F
E E
E= Br, I, SO3H
Shema 5. Prikaz elektrofilne supstitucije F-BODIPY-a9
3.2. Reakcije nukleofilne supstitucije
Prisutnost dobrih odlazećih skupina, poput klora, na položajima 3 i 5 BODIPY jezgre
omogućava lagano uvođenje amino- i alkoksi- skupina nukleofilnom supstitucijom (Shema 6.).10
Također, tioalkilne skupine na položaju 8, poput tiometilne, moguće je zamijeniti nukleofilnom
supstitucijom sa aminom.11
4
NBN
F FCl Cl
Ar
2 Nu-
-2 Cl- NBN
F FNu Nu
Ar
Nu= -NHR, -OR, -SR
Shema 6. Prikaz nukleofilne supstitucije F-BODIPY-a9
3.3. Reakcije katalizirane prijelaznim metalima
Prisutnost halogenog atoma na BODIPY jezgri, ili arilnom supstituentu na položaju 8
BODIPY jezgre (ukoliko je prisutan u molekuli) omogućuje sintezu složenijih struktura kroz
reakcije katalizirane prijelaznim metalima. Tu su najviše zastupljene reakcije unakrsnog
povezivanja katalizirane paladijem, poput Suzukijeve, Stilleove, Sonogashirine, Heckove, no
moguće je izvesti i reakcije katalizirane bakrom poput Ullmanove eterifikacije.12
Ove reakcije su
se pokazale prihvatljivima jer omogućavaju uvođenje etinskih, etenskih i arilnih skupina u
BODIPY molekulu bez narušavanja stabilnosti samog kompleksa, tj. uz očuvanje B-F veza.
NBN
F FCl
R
kataliza prijelaznim metalom
NBN
F FR´
R
R´=
O
Stilleova i Suzukijevareakcija
Heckova reakcija
Sonogashirina reakcija Ullmanova reakcija
R´=
R´= R´=
Shema 7. Prikaz prijelaznim metalima kataliziranih reakcija na položaju 3 F-BODIPY-a1
5
3.4. Aktivne metilne skupine
BODIPY jezgre mogu u položajima 3 i 5 sadržavati metilne skupine koje se mogu
deprotonirati i potom dolazi do reakcije sa elektronima bogatim aromatskim aldehidom.13,14
Ovaj
tip reakcije naziva se Knoevenagelova reakcija. Na shemi 7. prikazano je nastajanje bis- derivata,
no moguće je postići i stvaranje mono- derivata ukoliko se na položaju 8 BODIPY jezgre nalazi
proton umjesto arilnog supstituenta14
ili jednostavnije, da se koristi ekvimolarna količina
aldehida u sintezi.
NBN
F F
Ar
+
OH
OH
piperidin / AcOH
- H2O, molekularna sita
NBN
F F
Ar
OHHO
Shema 7. Prikaz Knoevenagelove reakcije na odabranom primjeru BODIPY-a
3.5. Modifikacije na borovu atomu
Uz modifikacije BODIPY jezgre na ugljikovim atomima, moguće su i one na borovu atomu.
Prvi su Murase i suradnici15
registrirali patent u kojem su zamijenili fluorove atome na F-
BODIPY-u sa arilnim grupama uz fenilmagnezijev klorid. Kasnije su Urich, Ziessel i suradnici
razvijali daljnje mogućnosti zamjene fluora i uspjeli uvesti arilne16
, etinilarilne17
i etinilne
skupine18
na atom bora. Prvi prijavljeni O-BODIPY imao je zamjenjene atome fluora i o-fenoksi
skupine koje su se nalazile na polažajima 3 i 5 uz prisustvo BBr3.19
Također, moguće je
zamijeniti atome fluora sa hidroksilnim skupinama uz prisustvo jake Lewisove kiseline.20
6
NBN
F F
R1
R2
R3
R8R7
R6
R5NBN
R1
R2
R3
R8R7
R6
R5
NBN
O O
R1
R2
R3
R8R7
R6
R5
NBN
R4 R4
R1
R2
R3
R8R7
R6
R5
R4MgX
ili
R4Li
R4 Liili
R4 MgX
R4 R4
R4ONa
ili
AlCl3/R4OH
R4 R4
R4=aril, alkil, H
R4=aril, alkil, tetrametilsilil
R4=aril, alkil
Shema 8. Prikaz modifikacije BODIPY-a na borovom atomu9
4. Fotofizička i spektroskopska svojstva
Jedna od prednosti BODIPY molekula je jednostavno modificiranje osnovnog skeleta što
omogućava utjecanje na njihova fotofizička i spektroskopska svojstva. Ovi spojevi imaju oštre
vrpce u apsorpcijskom spektru, visoke molarne apsorpcijske koeficijente (40000-110000 M-1
cm-
1), visoka fluorescencijska kvantna iskorištenja (60-90%), duga vremena života pobuđenog
singletnog stanja (1-10 ns), odličnu kemijsku i fotokemijsku stabilnost i u otopinama i u krutom
stanju.9 Također, ovi spojevi su dobro topljivi u većini organskih otapala i ne podliježu agregaciji
u otopini. Apsorpcijski spektri snimani u otopini ili plastičnim filmovima pokazuju izražene
prijelaze koji odgovaraju S0-S1 procesu i umjerene prijelaze zbog apsorpcije iz S0 u S2 stanje.
Kod pobuđivanja, bilo u S1 ili S2 stanje, jaka fluorescencija je opažena kod S1 stanja što pokazuje
dobru zrcalnu simetriju s najnižom energetskom apsorpcijskom vrpcom. Nije opažena
flourescencija iz S2 stanja i dolazi do kvantitativne interne konverzije. Pobuđeno tripletno stanje
može se detektirati laserskom flash fotolizom, a vrijeme života iznosi nekoliko mikrosekundi u
odsutnosti molekularnog kisika.1 BODIPY spojevi su kromofori koji apsorbiraju u vidljivom
dijelu spektra što se može iskoristiti u humanoj terapiji. Primjerice, ako se povežu sa
prekursorima kinon metida tada samo prevođenje prekursora u reaktivni kinon metid, koje se
mora odvijati u stanicama zbog kratkog života kinon metida, neće biti toksično za okolne zdrave
stanice jer se koristi zračenje valne duljine vidljive svjetlosti.21
7
5. Primjena BODIPY spojeva
5.1. Formacija cassette struktura
Uobičajeni problem kod organskih boja je nedovoljno velik Stokesov pomak za optimalnu
primjenu u protočnoj citometriji i fluorescencijskoj mikroskopiji. Taj problem se pokušao riješiti
na način da se na BODIPY jezgru kovalentno veže dodatna, pomoćna struktura i time stvori
cassetta. Ta pomoćna struktura je sekundarni kromofor, najčešće aromatski policikl, a namjera je
usmjeriti sve fotone, apsorbirane preko sekundarnog kromofora, prema BODIPY emiteru. U tom
sustavu je velika razlika između ekscitacijskih i emisijskih valnih duljina i omogućena je
maksimalna iskoristivost BODIPY-a kao emitera.9
NBN
F F
NBN
F F
Shema 9. Prikaz cassette sustava9
Profili apsorpcijskih spektara sadrže značajan doprinos obaju kromofora, dok se
fluorescencija pojavljuje isključivo kod BODIPY fragmenta.22
5.2. Kemijski senzori
Razvoj efikasnih senzora temeljenih na fluorescencijskom odzivu je ključan za mnoga
područja poput analitičke kemije kao i za kliničko-medicinske i okolišne znanosti.23
Osnova
funkcioniranja takvih senzora je da uhvate analit na definiranom mjestu senzora (npr. šupljina
unutar makrocikla) što će uzrokovati određenu promjenu u fluorescencijskim svojstvima senzora
koji će time dati određenu informaciju. U ovom slučaju prepoznavanje analita od strane senzora
8
dovodi do pojave ili gašenja fluorescencije. U analitičkom smislu bolje je da prisutnost analita
uzrokuje pojavu fluorescencije jer je takva metoda pouzdanija i lakša za pratiti.9 Dizajnirani su
razni senzori poput pH-senzora24
, senzora baziranih na krunastim eterima25
, piridinu26
itd. Dizajn
pH senzora temelji se na fotoinduciranom transferu elektrona (PET) pri čemu dolazi do gašenja
fluorescencije u polarnom okruženju pri sobnoj temperaturi. Uobičajena strategija je ugradnja
amino- donora ili nitro- akceptora blizu BODIPY jezgre tako da transfer elektrona može biti
kompetitivan s fluorescencijom.1
U sintezi senzora s krunastim eterima temelj je
intramolekularni transfer naboja (PCT) gdje su system koji je odgovoran za emisiju (BODIPY)
i anilino- donor smješteni ortogonalno jedan prema drugome, što minimizira elektronsko
sparivanje.1 Ovi potonji su zgodna vrsta senzora za praćenje kationa jer se mjesto
kompleksiranja, dakle sama makrociklička šupljina, može modelirati ovisno o veličini kationa
koji se želi pratiti.25
5.3. Obilježavanje bioloških struktura
Obzirom na svojstva BODIPY-a rađena su istraživanja o mogućnostima njihova korištenja u
obilježavanju bioloških materijala. Tako su dizajnirane razne probe za prepoznavanje -
amiloidnih plakova27
te je selektivnost pokazana u mozgu miša.28
Zanimljiva je i kombinacija
granisetrona vezanog na BODIPY jezgru koja je pokazala visoki afinitet za serotoninske
receptore.29
Rađene su i probe za druge biološke strukture poput tau proteina30
, no još je ostalo
puno faktora koji se moraju definirati, poput mogućnosti prolaska ovih složenih proba kroz
krvno-moždanu barijeru.28
6. Zaključak
BODIPY spojevi spojevi spadaju u manji broj fluorescentnih proba koje su našle svoju
primjenu i u kemiji i u biologiji. Budući da BODIPY jezgra osigurava mogućnosti detekcije i
obilježavanja fluorescencijom, potrebno je usmjeriti se na sintezu specifičnih kelatora za
dokazivanje pojedinih analita i sintezu poveznica koje će omogućiti specifično vezanje za
biološke strukture. U ovom radu prikazane su mogućnosti sinteze, koje, mada ne sadržavaju
puno reakcijskih koraka, ne daju velika iskorištenja zbog problema sa polimerizacijom pirolskih
9
struktura i nestabilnosti određenih prekursora.1 Unatoč ovome, već sada je razvijen pregršt raznih
vrsta detektora koji sadrže BODIPY jezgru upravo zato što različitim reakcijama (oksidacija,
redukcija, supstitucije) možemo izazvati promjenu u informaciji pri detekciji, odnosno
obilježavanju specifičnog analita, odnosno biološke strukture.
10
7. Literatura
1. N. Boens, V. Leen, W. Dehaen, Chem. Soc. Rev. 41 (2012), 1130-1172.
2. A .Treibs, F. H. Kreuzer, Justus Liebigs Ann. Chem. 718 (1968), 208-223.
3. T. Rohand, E. Dolusic, T. H. Ngo, W. Maes, W. Dehaen, ARKIVOC 10 (2007), 307-324.
4. M. Shah, K. Thangaraj, M. L. Soong, L. T. Wolford, J. H. Boyer, I. R. Politzer, T. G.
Pavlopoulos, Heteroat. Chem. 1 (1990), 389-399.
5. Z. Li, E. Mintzer, R. Bittman, J. Org. Chem. 71 (2006), 1718-1721.
6. V. P. Yakubovskyi, M. P. Shandura, Y. P. Kovtun, Eur. J. Org. Chem. 38 (2009), 3237-3243.
7. T. Yogo, Y. Urano, Y. Ishitsuka, F. Maniwa, T. Nagano, J. Am. Chem. Soc. 127 (2005), 12162
-12163.
8. K. Rurack, M. Kollmannsbergre, J. Daub, New J. Chem. 25 (2001), 289.
9. G. Ulrich, R. Ziessel, A. Harriman, Angew. Chem. Int. Ed. 47 (2008), 1184-1201.
10. W. Qin, T. Rohand, M. Baruah, A. Stefan, M. van der Auweraer, W. Dehaen, N. Boens,
Chem. Phys. Lett. 420 (2006), 562-568
11. T. V. Goud, A. Tutar, J. F. Biellmann, Tetrahedron 62 (2006), 5084-5091.
12. A. Harriman, J. P. Rostron, M. Cesario, G. Ulrich, R. Ziessel, J. Phys. Chem. 110 (2006),
7994-8002.
13. N. Saki, T. Dinc, E. U. Akkaya, Tetrahedron 62 (2006), 2721-2725.
14. G. Sathyamoorthi, L. T. Wolford, A. M. Haag, J. H. Boyer, Heteroat. Chem. 5 (1994), 245-
249.
15. S. Murase, T. Tominaga, A. Kohama, Eur. Pat. (2002), 1253151a.
16. C. Goze, G. Ulrich, L. J. Mallon, B. D. Allen, A. Harriman, R. Ziessel, J. Am. Chem. Soc.
128 (2006), 10231-10239.
11
17. C. Goze, G. Ulrich, R. Ziessel, J. Org. Chem. 72 (2007), 313-322.
18. C. Goze, G. Ulrich, R. Ziessel, Org. Lett. 8 (2006), 4445-4448.
19. H. Kim, A. Burghart, M. B. Welch, J. Reibenspies, K. Burgess, Chem. Commun. (1999),
1889-1890.
20. C. Tahtaoui, C. Thomas, F. Rohmer, P. Klotz, G. Duportail, Y. Mely, D. Bonnet, M. Hibert,
J. Org. Chem. 72 (2007), 269-272.
21. L. Uzelac, Đ. Škalamera, K. Mlinarić-Majerski, N. Basarić, M. Kralj, Eur. Jour. Med. Chem.
(2017) doi: 10.1016/j.ejmech.2017.05.063, in press
22. A. Harriman, G. Izzet, R. Ziessel, J. Am. Chem. Soc. 128 (2006), 10868-10875.
23. A. P. de Silva, H. Q. N. Gunaratne, T. Gunnlaugsson, A. J. M. Huxley, C. P. McCoy, J. T.
Rademacher, T. E. Rice, Chem. Rev. 87 (1997), 1515-1566.
24. C. N. Baki, E. U. Akkaya, J. Org. Chem. 66 (2001), 1512-1513.
25. K. Yamada, Y. Nomura, D. Citterio, N. Iwasawa, K. Suzuki, J. Am. Chem. Soc. 127 (2005),
6956-6957.
26. G. Ulrich, R. Ziessel, J. Org. Chem. 69 (2004), 2070-2083.
27. A. K. Parhi, M. P. Kung, K. Ploessl, H. F. Kung, Tetrahedron Lett. 49 (2008), 3395-3399.
28. M. Ono, M. Ishikawa, H. Kimura, S. Hayashi, K. Matsumura, H. Watanabe, Y. Shimitzu, Y.
Cheng, M. Cui, H. Kawashima, H. Saji, Bioorg. Med. Chem. Lett. 20 (2010), 3885-3888.
29. S. K. V. Vernekar, H. Y. Hallaq, G. Clarkson, A. J. Thompson, L. Silvestri, S. C. R. Lummis,
M. Lochner, J. Med. Chem. 53 (2010), 2324-2328.
30. A. Ojida, T. Sakamoto, M. Inoue, S. H. Fujishima, G. Lippens, I. Hamachi, J. Am. Chem.
Soc. 131 (2009), 6543-6548.