Controlled Covalent Functionalization of Multiwalled Carbon Nanotubes using [4 + 2] Cycloaddition of Benzocyclobutenes

Surface modification of carbon nanotubes (CNTs) through covalent functionalization is vital for the development of high-performance composite materials, chemosensors, nanoelectronics, photovoltaic devices, as well as for a range of biomedical applications. Several methods have been developed to functionalize CNTs. The introduction of acid groups by acid digestion disrupts the structural integrity of CNTs. Apart from shortening the tubes, oxidatively generated acid groups are inhomogenously located at the tips of broken CNTs and, hence, functionalization using acid groups as precursors does not give a statistical distribution of functional groups throughout the surface of the CNTs.

Design and Characterization of New Luminescent Sensors and Labels

The aim of this Ph.D. project has been the design and characterization of new and more efficient luminescent tools, in particular sensors and labels, for analytical chemistry, medical diagnostics and imaging. Actually both the increasing temporal and spatial resolutions that are demanded by those branches, coupled to a sensitivity that is required to reach the single molecule resolution, can be provided by the wide range of techniques based on luminescence spectroscopy. As far as the development of new chemical sensors is concerned, as chemists we were interested in the preparation of new, efficient, sensing materials. In this context, we kept developing new molecular chemosensors, by exploiting the supramolecular approach, for different classes of analytes. In particular we studied a family of luminescent tetrapodal-hosts based on aminopyridinium units with pyrenyl groups for the detection of anions. These systems exhibited noticeable changes in the photophysical properties, depending on the nature of the anion; in particular, addition of chloride resulted in a conformational change, giving an initial increase in excimeric emission. A good selectivity for dicarboxylic acid was also found. In the search for higher sensitivities, we moved our attention also to systems able to perform amplification effects. In this context we described the metal ion binding properties of three photoactive poly-(arylene ethynylene) co-polymers with different complexing units and we highlighted, for one of them, a ten-fold amplification of the response in case of addition of Zn2+, Cu2+ and Hg2+ ions. In addition, we were able to demonstrate the formation of complexes with Yb3+ an Er3+ and an efficient sensitization of their typical metal centered NIR emission upon excitation of the polymer structure, this feature being of particular interest for their possible applications in optical imaging and in optical amplification for telecommunication purposes. An amplification effect was also observed during this research in silica nanoparticles derivatized with a suitable zinc probe. In this case we were able to prove, for the first time, that nanoparticles can work as “off-on” chemosensors with signal amplification. Fluorescent silica nanoparticles can be thus seen as innovative multicomponent systems in which the organization of photophysically active units gives rise to fruitful collective effects. These precious effects can be exploited for biological imaging, medical diagnostic and therapeutics, as evidenced also by some results reported in this thesis. In particular, the observed amplification effect has been obtained thanks to a suitable organization of molecular probe units onto the surface of the nanoparticles. In the effort of reaching a deeper inside in the mechanisms which lead to the final amplification effects, we also attempted to find a correlation between the synthetic route and the final organization of the active molecules in the silica network, and thus with those mutual interactions between one another which result in the emerging, collective behavior, responsible for the desired signal amplification. In this context, we firstly investigated the process of formation of silica nanoparticles doped with pyrene derivative and we showed that the dyes are not uniformly dispersed inside the silica matrix; thus, core-shell structures can be formed spontaneously in a one step synthesis. Moreover, as far as the design of new labels is concerned, we reported a new synthetic approach to obtain a class of robust, biocompatible silica core-shell nanoparticles able to show a long-term stability. Taking advantage of this new approach we also showed the synthesis and photophysical properties of core-shell NIR absorbing and emitting materials that proved to be very valuable for in-vivo imaging. In general, the dye doped silica nanoparticles prepared in the framework of this project can conjugate unique properties, such as a very high brightness, due to the possibility to include many fluorophores per nanoparticle, high stability, because of the shielding effect of the silica matrix, and, to date, no toxicity, with a simple and low-cost preparation. All these features make these nanostructures suitable to reach the low detection limits that are nowadays required for effective clinical and environmental applications, fulfilling in this way the initial expectations of this research project.

Characterization of optical transduction-based molecular systems and nanoparticles for the development of chemical sensors

With the increasing importance that nanotechnologies have in everyday life, it is not difficult to realize that also a single molecule, if properly designed, can be a device able to perform useful functions: such a chemical species is called chemosensor, that is a molecule of abiotic origin that signals the presence of matter or energy. Signal transduction is the mechanism by which an interaction of a sensor with an analyte yields a measurable form of energy. When dealing with the design of a chemosensor, we need to take into account a “communication requirement” between its three component: the receptor unit, responsible for the selective analyte binding, the spacer, which controls the geometry of the system and modulates the electronic interaction between the receptor and the signalling unit, whose physico-chemical properties change upon complexation. A luminescent chemosensor communicates a variation of the physico-chemical properties of the receptor unit with a luminescence output signal. This thesis work consists in the characterization of new molecular and nanoparticle-based system which can be used as sensitive materials for the construction of new optical transduction devices able to provide information about the concentration of analytes in solution. In particular two direction were taken. The first is to continue in the development of new chemosensors, that is the first step for the construction of reliable and efficient devices, and in particular the work will be focused on chemosensors for metal ions for biomedical and environmental applications. The second is to study more efficient and complex organized systems, such as derivatized silica nanoparticles. These system can potentially have higher sensitivity than molecular systems, and present many advantages, like the possibility to be ratiometric, higher Stokes shifts and lower signal-to-noise ratio.

Design and Characterization of Luminescent Silica Nanoparticles

The aim of this thesis was to design, synthesize and characterize dye-doped silica nanoparticles (DDSNPs) to be used as chemosensors or labels in bioanalytical applications. DDSNPs represent one of the most versatile and useful components in nanomedicine displaying important features such as high colloid stability in water, low toxicity, one-pot inexpensive synthesis and tunable fluorescence emission. Starting from the one-pot and highly reproducible synthesis of “silica-core/PEG shell” DDSNPs based on the use of micelles of Pluronic F127, in which take place both hydrolysis and condensation of the silica precursor and of the dyes functionalized with a triethoxysilane group, we developed DDSNPs suitable for optical and optoacustic imaging, drug loading and chemical sensing obtaining very interesting results for the further development of nanomedicine.

Síntese e reatividade de derivados de quinoxalina visando aplicações como quimiossensores e estudo cinético por análise de imagens

Synthesis of heterocyclic compounds, as quinoxaline derivatives, has being shown to be relevant and promissor due to expressive applications in biological and technological areas. This work was dedicated to the synthesis, characterization and reactivity of quinoxaline derivatives in order to obtain new chemosensors. (L)-Ascorbic acid (1) and 2,3-dichloro-6,7- dinitroquinoxalina (2) were explored as synthetic precursors. Starting from synthesis of 1 and characterization of compounds derived from (L)-ascorbic acid, studies were performed investigating the application of products as chemosensors, in which compound 36 demonstrated selective affinity for Cu2+ íons in methanolic solution, by naked-eye (colorimetric) and UVvisible analyses. Further, initial analysis suggests that 39 a Schiff’s base derived from 36 also presents this feature. Five quinoxaline derivatives were synthesized from building block 2 through nucleophilic aromatic substitution by aliphatic amines, in which controlling the experimental conditions allows to obtain both mono- and di-substituted derivatives. Reactivity studies were carried out with two purposes: i) investigate the possibility of 47 compound being a chemosensor for anion, based on its interaction with sodium hydroxide in DMSO, using image analysis and UV-visible spectroscopy; ii) characterize kinetically the conversion of compound 44 into 46 based on RGB and multivariate image analysis from TLC data, as a simple and inexpensive qualitative and quantitative tool.

Oxygen tension, H2S, and NO bioavailability:is there an interaction?

Molecular oxygen (O2) is an essential component for survival and development. Variation in O2 levels leads to changes in molecular signaling and ultimately affects the physiological functions of many organisms. Nitric oxide (NO) and hydrogen sulfide (H2S) are two gaseous cellular signaling molecules that play key roles in several physiological functions involved in maintaining vascular homeostasis including vasodilation, anti-inflammation, and vascular growth. Apart from the aforementioned functions, NO and H2S are believed to mediate hypoxic responses and serve as O2 chemosensors in biological systems. In this literature review, we briefly discuss NO and H2S and their roles during hypoxia.

Síntese de sensores, funcionalização de nanopartículas e fibras óticas para reconhecimento de aniões

O trabalho descrito nesta dissertação envolve a síntese e caracterização de novos macrociclos tetrapirrólicos e afins com potencial aplicação como quimiossensores de aniões, tanto em solução como quando suportados em diferentes materiais. As porfirinas e ftalocianinas ocupam um lugar de destaque nesta dissertação, pelo que no primeiro capítulo, é feita uma revisão bibliográfica acerca das suas metodologias de síntese bem como das suas principais características e aplicações, nomeadamente como quimiossensores de aniões. No segundo capítulo é discutida a síntese e caracterização dos compostos porfirínicos e ftalocianinicos com grupos amina ou poliamina, posteriormente utilizados como hospedeiros de aniões. Descrevem-se, pormenorizadamente, os métodos de síntese, purificação e caracterização estrutural dos diversos compostos sintetizados. No terceiro capítulo realizaram-se os estudos de complexação com aniões em solução e determinaram-se as respetivas constantes de afinidade. Os compostos sintetizados apresentam capacidade de interagir com diferentes aniões. As porfirinas testadas apresentam elevadas constantes de afinidade para o anião di-hidrogenofosfato, mesmo em soluções aquosas quando testadas com cristais piezoelétricos. No caso das ftalocianinas verificou-se que estas interagem com vários aniões e apresentam propriedades cromogénicas, podendo mesmo distinguir aniões cianeto em soluções contendo água. No quarto capítulo estudou-se a imobilização dos quimiossensores, que demonstraram maior eficácia nos estudos de reconhecimento em solução, em diferentes materiais. Primeiro foi estudada a imobilização dos quimiossensores em nanopartículas de sílica (com e sem núcleo magnético) e testada a sua capacidade como sensor de aniões em solução. Numa segunda parte foi estudada a imobilização em fibras óticas. Estas, além das suas excecionais propriedades físico-químicas, têm a vantagem de poderem ser integradas em diferentes estruturas e/ou equipamentos de análise. Na ultima parte desta dissertação encontra-se a descrição da síntese e caracterização de novos conjugados porfirina-C60-OligoDNA com potencial aplicação em transferência eletrónica. Foram sintetizados e caracterizados novos compostos porfirina-OligoDNA e C60-OligoDNA. Esta parte do trabalho foi realizada no “Institute of Advanced Energy” na Universidade de Quioto, Japão.

Síntese de compostos multiporfirínicos covalentes

Nesta tese descreve-se a síntese de compostos multiporfirínicos covalentes bem como a avaliação da potencial utilização destes compostos como quimiossensores de iões metálicos e para a construção de estruturas supramoleculares com fulerenos. No capítulo 1 desta tese é feita uma introdução à química, propriedades e aplicações das porfirinas e sistemas multiporfirínicos. Relativamente aos sistemas multiporfirínicos é feita uma revisão bibliográfica acerca das estratégias de síntese e abordagem geral à química supramolecular de sistemas porfirina-fulereno. No capítulo 2 são apresentados os resultados referentes à síntese e caracterização dos vários sistemas multiporfirínicos desenvolvidos neste trabalho. De um modo geral, a síntese desses compostos envolveu reações de substituição aromática nucleofílica. Para esse efeito foi necessário preparar porfirinas de partida contendo grupos nucleofílicos nas posições meso (-C6H4OH e -C6H4NH2). Os sistemas multiporfirínicos foram obtidos por reações entre as porfirinas de partida e hexafluorobenzeno ou 5,10,15,20tetraquis(pentafluorofenil)porfirina. Descreve-se também a síntese de uma díade porfirina-C60 e de uma pentíade contendo quatro unidades de porfirina e uma de C60, envolvendo reações de cicloadição 1,3-dipolar e de substituição aromática nucleofílica. Os estudos efetuados ao nível da aplicação de alguns dos novos sistemas multiporfirínicos sintetizados e de um dos seus precursores, a 5-[4(pentafluorofeniloxi)fenil]-10,15,20-trifenilporfirina, como sensores de iões metálicos encontram-se descritos no capítulo 3. Neste capítulo, a título introdutório, é feita uma breve abordagem aos quimiossensores colorimétricos e de fluorescência, apresentando também alguns exemplos de porfirinas como quimiossensores de iões metálicos já descritos na literatura científica. A caracterização fotofísica dos compostos em estudo também é descrita neste capítulo. Os compostos estudados mostraram capacidade de interagir com vários iões metálicos, verificando-se um aumento da seletividade para o ião Hg2+ com o aumento do número de unidades porfirínicas constituintes dos sistemas multiporfirínicos. Os resultados referentes aos estudos de complexação de alguns dos sistemas multiporfirínicos sintetizados com fulerenos encontram-se descritos no capítulo 4. Neste capítulo descreve-se também a caracterização fotofísica dos compostos em estudo. Os estudos realizados com os sistemas multiporfirínicos mostraram uma fraca interação com os fulerenos C60 e C70. No entanto, os valores das constantes de afinidade obtidos com 1-metil-2-(4piridil)[60]fulero[c]pirrolidina mostraram que os sistemas multiporfirínicos apresentam capacidade para formar complexos com este derivado de C60 por coordenação axial e por interações π-π. No capítulo 5 é discutido o trabalho que envolveu o desenvolvimento de novos métodos na síntese de derivados tetrapirrólicos do tipo pirrolo[3,4-b]porfirinas contendo um grupo NH livre no anel exocíclico. A estratégia de síntese requereu a preparação de uma clorina fundida com um anel pirrolina seguida da redução do anel pirrolina. Deste modo obteve-se uma nova clorina fundida com um anel pirrolidina contendo um grupo NH livre. Esta nova clorina foi usada na preparação de uma díade clorina-porfirina por reação de N-arilação com 5,10,15,20-tetraquis(pentafluorofenil)porfirina. A estrutura cristalina da nova díade foi resolvida por difração de raios-X de cristal único. A estrutura dos compostos sintetizados foi estabelecida recorrendo a diversas técnicas espectroscópicas nomeadamente ressonância magnética nuclear (RMN de 1H, 13C e 19F), espectrometria de massa e espectrofotometria de UVvis. No último capítulo desta tese descrevem-se, pormenorizadamente, todas as experiências efetuadas, incluindo os métodos de síntese, purificação e caracterização estrutural dos diversos compostos sintetizados bem como as medições espectrofotométricas e espectrofluorimétricas.