Síntese e potenciais aplicações de novas porfirinas β-funcionalizadas

Neste trabalho é descrita a síntese de novos derivados porfirínicos com potencial aplicação em terapia fotodinâmica (PDT) e como quimiossensores para o reconhecimento molecular de catiões metálicos. Os novos compostos foram preparados usando como “template” 2-formil-5,10,15,20-tetrafenilporfirina através de diferentes abordagens sintéticas, tais como, reações de cicloadição 1,3-dipolar ou reações do tipo condensação aldólica. Depois de uma breve introdução sobre porfirinas segue-se no capítulo 2 a descrição dos estudos de formilação de Vilsmeier-Haack dos complexos de Ni(II) e Cu(II) de meso-tetra-arilporfirinas realizados usando irradiação de microondas. Utilizando os complexos de Ni(II) e Cu(II) da 5,10,15,20-tetrafenilporfirina foram considerados vários solventes, potências de irradiação e tempos de reação; as melhores condições encontradas foram aplicadas a outras mesotetra- arilporfirinas. Os derivados formilados resultantes da reação de formilação de Vilsmeier-Haack com irradiação de micro-ondas foram isolados em bons rendimentos e com significativa redução no tempo de reação, que passou de horas, em condiçoes clássicas de aquecimento, para minutos sob irradiação de micro-ondas. O “scale-up” da reação, nas condições estabelecidas, mostrou ser eficiente não sendo a reação afetada pelo aumento da quantidade de porfirina. O capítulo 3 descreve a reação de ciclo-adição 1,3-dipolar de meso-tetraarilporfirinas com iminas de nitrilo, geradas in situ por desidrobromação de hidrazono-α-bromoglioxilatos de etilo na presença de base. A reação de iminas de nitrilo com 5,10,15,20-tetraquis(pentafluorofenil)porfirina, na presença de K2CO3 em tolueno a refluxo, permitiu isolar novas pirazoloclorinas em rendimentos moderados. Foram investigadas as propriedades fotofísicas das novas clorinas e os resultados sugerem que duas delas apresentam potencialidades para serem utilizadas em PDT. Este tipo de reações foi estendida ao complexo 2-vinil-5,10,15,20- tetrafenilporfirinatozinco(II); este complexo reagiu com as iminas de nitrilo obtendo-se os correspondentes derivados porfirina-pirazolina em rendimentos que variaram entre valores de bom e de excelente. A regioquímica dos derivados porfirina-pirazolina formados foi elucidada por RMN e confirmada por difração de raios-X. O tratamento dos derivados porfirina-pirazolina com DDQ proporciona os correspondentes derivados porfirina-pirazol com rendimentos de moderados a excelentes. Quando os derivados porfirina-pirazolina foram submetidos a condições de hidrólise básica, observou-se não só a hidrólise do grupo éster presente no anel pirazolínico mas também a concomitante oxidação desta unidade heterocíclica, isolando-se assim, num único passo reacional, novos derivados de tipo porfirinapirazol com um grupo carboxílico. A descomplexação dos complexos de Zn(II) foi realizada na presença de TFA, tendo-se isolado quantitativamente os respetivos derivados na forma de bases livres.Foram estudadas algumas das propriedades fotofísicas de todos os compostos obtidos, quer na forma de complexos de Zn(II), quer na forma de base livre. Duma forma geral, todos os compostos preparados mostraram ser bons geradores de oxigénio singleto, o que os torna interessantes para possível utilização como fotossensibilizadores em PDT. No capítulo 4 é descrita a reação de 2-formil-5,10,15,20-tetrafenilporfirina com aril-cetonas e acetato de amónio, na presença de La(OTf)3, o que permitiu isolar novas benzoporfirinas e 2-(2,6-diarilpiridina-4-il)porfirinas. Esta metodologia foi utilizada para preparar, pela primeira vez, uma 2-(2,2':6,2''- terpiridin-4-il)porfirina. As estruturas de duas das 2-(2,6-diarilpiridin-4- il)porfirinas foram confirmadas por difração de raios-X de cristal único. A metodologia descrita permite ainda preparar novos derivados de tipo porfirinacalcona, apenas com pequenos ajustes nas condições reacionais através de uma reação do tipo condensação aldólica. Os derivados do tipo porfirinacalcona foram posteriormente usados para preparar derivados do tipo porfirinapirazol 1,3,5-tri-substituídos em bons rendimentos, através de reação de condensação com fenil-hidrazina. Em cada um dos capítulos é descrito os procedimentos experimentais e a caracterização espectroscópica (RMN, UV-vis e massa) dos novos compostos isolados. Em alguns casos foi necessário o recurso a técnicas de RMN bidimensionais como COSY, NOESY, HSQC e HMBC. Os compostos preparados neste trabalho foram ainda objecto de estudos de avaliação das respetivas potencialidades para actuarem como quimiossensores para o reconhecimento de catiões metálicos, nomeadamente, Cu(II), Ag(I), Zn(II), Cd(II) e Hg(II). Assim no capítulo 5 é descrita a caracterização fotofísica dos compostos preparados no capítulo 4 e, os estudos destes como potenciais quimiossensores. Os estudos para verificar a potencialidade dos compostos como quimiossensores foram efectuados: i) em solução, através de titulações espectrofotométricas e espectrofluorimétricas, ii) no estado sólido, recorrendo à preparação de filmes de PMMA dopados com os ligandos porfirínicos em estudo e, iii) na fase gasosa, seguindo as titulações dos ligandos com metais por espectrometria de massa (MALDI-TOF-MS). Os compostos estudados mostraram ter capacidade para atuarem como quimiossensores de catiões metálicos capazes de distinguirem entre os iões Zn(II) e Hg(II).

Síntese e transformações de compostos do tipo pirazol e 1,2,3-triazol

Compostos do tipo pirazol e 1,2,3-triazol encontram-se presentes em inúmeras moléculas biologicamente ativas. Muitos fármacos atualmente comercializados ou em fase de estudos clínicos contêm na sua estrutura base núcleos de pirazol ou 1,2,3-triazol. Por isso, estes compostos têm sido alvo de intensa pesquisa na procura de novas moléculas com potenciais aplicações medicinais e agroquímicas. Nesta dissertação são descritas novas vias de síntese de novos compostos do tipo pirazol e 1,2,3-triazol. No primeiro capítulo apresenta-se uma breve revisão bibliográfica sobre a atividade biológica, ocorrência natural e métodos de síntese de pirazóis e seus derivados. O segundo capítulo foca-se na síntese de (E)-2-estiril-3-halo-4H-cromen-4-onas e sua transformação em 3(5)-aril-5(3)-[2-(2-hidroxifenil)-2-oxoetil-1H-pirazóis. Em primeiro lugar faz-se uma revisão bibliográfica sobre as (E)-2-estiril-4H-cromen-4-onas e a sua semelhança estrutural com as flavonas, a sua importância e ocorrência natural e métodos de síntese. São ainda abordadas as metodologias mais utilizadas para a síntese de derivados halogenados de (E)-2-estiril-4H-cromen-4-onas. Seguidamente são apresentados e discutidos os resultados da síntese de (E)-3-bromo-2-estiril-4H-cromen-4-onas através da reação de 5-aril-3-hidroxi-1-(2-hidroxifenil)penta-2,4-dien-1-onas com NBS, sob irradiação com micro-ondas, tendo sido estabelecida uma nova metodologia mais eficiente, rápida e regiosseletiva para a síntese de (E)-3-bromo-2-estiril-4H-cromen-4-onas, na ausência de solvente. São igualmente apresentados os resultados da síntese regiosseletiva de (E)-2-estiril-3-iodo-4H-cromen-4-onas através da reação de 5-aril-3-hidroxi-1-(2-hidroxifenil)penta-2,4-dien-1-onas com NIS e TFA/TFAA/NaOAc. Em ambos os métodos de halogenação desenvolvidos, obtiveram-se como produtos secundários as (E)-2-estiril-4H-cromen-4-onas correspondentes. Seguidamente é apresentado o estudo da reação de (E)-2-estiril-3-halo-4H-cromen-4-onas com hidrato de hidrazina. Ao contrário do esperado, obtiveram-se os 3(5)-aril-5(3)-[2-(2-hidroxifenil)-2-oxoetil-1H-pirazóis através de uma reação de adição conjugada 1,6-, de hidrazina à posição C- da cromona com consequente abertura do anel, seguida de uma adição conjugada 1,4- intramolecular. Estes resultados demonstraram que esta reação segue um mecanismo diferente daquele que está reportado na literatura para a reação de (E)-2-estiril-4H-cromen-4-onas não halogenadas em C-3 com hidrato de hidrazina. No terceiro capítulo apresenta-se uma breve revisão bibliográfica sobre as propriedades, aplicações e metodologias de síntese de 1,2,3-triazóis, dando mais relevância às reações de cicloadição 1,3-dipolar e de “click-chemistry”. Seguidamente descrevem-se os resultados obtidos na reação de (E)-5(3)-estiril-3(5)-(2-hidroxifenil)-1H-pirazóis com a azida de sódio para obtenção de díades pirazol-1,2,3-triazol. No entanto esta reação deu origem a novos 5(3)-(2-aril-2-azidoetil)-3(5)-(2-hidroxifenil)-1H-pirazóis e não às díades pirazol-1,2,3-triazol pretendidas. Como o resultado não foi o esperado, desenvolveu-se outra metodologia de síntese, que envolve, num primeiro, a reação de (E)-2-estiril-4H-cromen-4-onas com azida de sódio, dando origem a 5(4)-aril-4(5)-(cromon-2-il)-1H-1,2,3-triazóis. No passo seguinte, efetuou-se a reação destes compostos com hidrato de hidrazina tendo ocorrido a formação das diades 5(4)-aril-4(5)-[3(5)-(2-hidroxifenil)-1H-pirazol-5(3)-il]-1H-1,2,3-triazol pretendidas. No quarto capítulo, estudou-se a reatividade de (E)-5(3)-estiril-3(5)-(2-hidroxifenil)-1H-pirazóis em reações de iodação com vista à obtenção de 4-iodo-1H-pirazóis. Apresenta-se uma breve revisão bibliográfica sobre os diferentes métodos descritos na literatura para a iodação de compostos heterocíclicos aromáticos, nomeadamente para a obtenção de 4-iodo-1H-pirazóis. Dos vários sistemas de iodação testados, o sistema oxidativo I2/CAN foi o que deu melhores resultados na iodação dos (E)-5(3)-estiril-3(5)-(2-hidroxifenil)-1H-pirazóis. Este método permitiu iodar a posição C-4 do núcleo de pirazol apenas para os derivados que possuem o grupo nitro ou o átomo de cloro no anel do grupo estirilo, obtendo-se o 3(5)-(2-hidroxifenil)-4-iodo-5(3)-(4-nitrofenil)vinil-1H-pirazol e o 5(3)-(4-clorofenil)vinil)-3(5)-(2-hidroxi-5-iodofenil)-4-iodo-1H-pirazol; no entanto, para os restantes derivados, verificou-se apenas a iodação nas posições ativadas do anel fenólico. Todos os novos compostos sintetizados foram caraterizados estruturalmente recorrendo a estudos de espetroscopia de ressonância magnética nuclear (RMN) mono e bidimensionais. Sempre que possível, para uma caraterização estrutural mais completa, foram efetuados espetros de massa (EM) e análises elementares ou espetros de massa de alta resolução (EMAR) para todos os novos compostos sintetizados. Finalmente são apresentadas as conclusões gerais deste trabalho e perspetivas futuras.

Extracting Ramachandran torsional angle distributions from 2D NMR data using Tikhonov regularization /

Solid state nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy is a powerful technique for studying structural and dynamical properties of disordered and partially ordered materials, such as glasses, polymers, liquid crystals, and biological materials. In particular, twodimensional( 2D) NMR methods such as ^^C-^^C correlation spectroscopy under the magicangle- spinning (MAS) conditions have been used to measure structural constraints on the secondary structure of proteins and polypeptides. Amyloid fibrils implicated in a broad class of diseases such as Alzheimer's are known to contain a particular repeating structural motif, called a /5-sheet. However, the details of such structures are poorly understood, primarily because the structural constraints extracted from the 2D NMR data in the form of the so-called Ramachandran (backbone torsion) angle distributions, g{^,'4)), are strongly model-dependent. Inverse theory methods are used to extract Ramachandran angle distributions from a set of 2D MAS and constant-time double-quantum-filtered dipolar recoupling (CTDQFD) data. This is a vastly underdetermined problem, and the stability of the inverse mapping is problematic. Tikhonov regularization is a well-known method of improving the stability of the inverse; in this work it is extended to use a new regularization functional based on the Laplacian rather than on the norm of the function itself. In this way, one makes use of the inherently two-dimensional nature of the underlying Ramachandran maps. In addition, a modification of the existing numerical procedure is performed, as appropriate for an underdetermined inverse problem. Stability of the algorithm with respect to the signal-to-noise (S/N) ratio is examined using a simulated data set. The results show excellent convergence to the true angle distribution function g{(j),ii) for the S/N ratio above 100.

Solid state NMR chemical shifts as an alternative to diffraction data in the determination of SIC polytypic structures

Silicon carbide, which has many polytypic modifications of a very simple and very symmetric structure, is an excellent model system for exploring, the relationship between chemical shift, long-range dipolar shielding, and crystal structure in network solids. A simple McConnell equation treatment of bond anisotropy effects in a poly type predicts chemical shifts for silicon and carbon sites which agree well with the experiment, provided that contributions from bonds up to 100 A are included in the calculation. The calculated chemical shifts depend on three factors: the layer stacking sequence, electrical centre of gravity, and the spacings between silicon and carbon layers. The assignment of peaks to lattice sites is proved possible for three polytypes (6H, 15R, and 3C). The fact that the calculated chemical shifts are very sensitive to layer spacings provides us a potential way to detennine and refine a crystal structure. In this work, the layer spacings of 6H SiC have been calculated and are within X-ray standard deviations. Under this premise, the layer spacings of 15R have been detennined. 29Si and 13C single crystal nmr studies of 6H SiC polytype indicate that all silicons and carbons are magnetically anisotropic. The relationship between a magnetic shielding tensor component and layer spacings has been derived. The comparisons between experimental and semi-empirical chemical shielding tensor components indicate that the paramagnetic shielding of silicon should be included in the single crystal chemical shift calculation.

Cycloaddition dipolaire [3+2] à partir d'hétérocycles aromatiques N-aminés

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Méthodologie pour la synthèse combinatoire d’azapeptides: application à la synthèse d’analogues aza-GHRP-6 en tant que ligands du récepteur CD36

Les azapeptides sont des mimes peptidiques où le carbone alpha d’un ou de plusieurs acides aminés est remplacé par un atome d’azote. Cette modification tend à stabiliser une conformation en repliement beta en raison de la répulsion électronique entre les paires d’électrons libres des atomes d’azote adjacents et de la géométrie plane de l’urée. De plus, le résidu semicarbazide a une meilleure résistance face aux protéases en plus d’être chimiquement plus stable qu’une liaison amide. Bien que les propriétés des azapeptides en fassent des mimes peptidiques intéressants, leurs méthodes de synthèses font appel à la synthèse laborieuse d’hydrazines substituées en solution. Le peptide sécréteur d’hormone de croissance 6 (GHRP-6, His-D-Trp-Ala-Trp-D-Phe-Lys-NH2) est un hexapeptide synthétique qui possède une affinité pour deux récepteurs distincts: les récepteurs GHS-R1a et CD36. Les travaux effectués au cours de mon doctorat qui seront détaillés dans cet ouvrage visent à atteindre deux objectifs: (1) le développement d’analogues du peptide GHRP-6 sélectif à un seul récepteur et (2) la mise au point d’une nouvelle méthodologie pour la synthèse combinatoire d’azapeptides. En réponse au premier objectif, la synthèse parallèle de 49 analogues aza-GHRP-6 a été effectuée et certains candidats sélectifs au récepteur CD36 ont été identifiés. L’étude de leurs propriétés anti-angiogéniques, effectuée par nos collaborateurs, a également permis d’identifier des candidats intéressants pour le traitement potentiel de la dégénérescence maculaire liée à l’âge. Une nouvelle approche pour la synthèse combinatoire d’azapeptides, faisant appel à l’alkylation et la déprotection chimiosélective d’une sous-unité semicarbazone ancrée sur support solide, a ensuite été développée. La portée de cette méthodologie a été augmentée par la découverte de conditions permettant l’arylation régiosélective de cette sous-unité semicarbazone, donnant accès à treize nouveaux dérivés aza-GHRP-6 possédant des résidus aza-arylglycines aux positions D-Trp2 et Trp4. L’élaboration de conditions propices à l’alkylation et la déprotection chimiosélective de la semicarbazone a donné accès à une variété de chaînes latérales sur l’acide aminé « aza » préalablement inaccessibles. Nous avons, entre autres, démontré qu’une chaîne latérale propargyl pouvait être incorporée sur l’acide aminé « aza ». Tenant compte de la réactivité des alcynes, nous avons ensuite élaboré des conditions réactionnelles permettant la formation in situ d’azotures aromatiques, suivie d’une réaction de cycloaddition 1,3-dipolaire sur support solide, dans le but d’obtenir des mimes de tryptophane. Sept analogues du GHRP-6 ont été synthétisés et testés pour affinité au récepteur CD36 par nos collaborateurs. De plus, nous avons effectué une réaction de couplage en solution entre un dipeptide possédant un résidu aza-propargylglycine, du paraformaldehyde et une variété d’amines secondaires (couplage A3) afin d’accéder à des mimes rigides d’aza-lysine. Ces sous-unités ont ensuite été incorporées sur support solide afin de générer sept nouveaux azapeptides avec des dérivés aza-lysine à la position Trp4 du GHRP-6. Enfin, une réaction de cyclisation 5-exo-dig a été développée pour la synthèse de N-amino imidazolin-2-ones en tant que nouveaux mimes peptidiques. Leur fonctionnalisation par une série de groupements benzyliques à la position 4 de l’hétérocycle a été rendue possible grâce à un couplage Sonogashira précédant la réaction de cyclisation. Les propriétés conformationnelles de cette nouvelle famille de composés ont été étudiées par cristallographie aux rayons X et spectroscopie RMN d’un tétrapeptide modèle. L’activité biologique de deux mimes peptidiques, possédant un résidu N-amino-4-méthyl- et 4-benzyl-imidazolin-2-one à la position Trp4 du GHRP-6, a aussi été examinée. L’ensemble de ces travaux devrait contribuer à l’avancement des connaissances au niveau des facteurs structurels et conformationnels requis pour le développement d’azapeptides en tant que ligands du récepteur CD36. De plus, les résultats obtenus devraient encourager davantage l’utilisation d’azapeptides comme peptidomimétiques grâce à leur nouvelle facilité de synthèse et la diversité grandissante au niveau de la chaîne latérale des acides aminés « aza ».

Synthesis and Transformations of a Few Nitrogen and Oxygen Heterocycles

Department of Applied Chemistry, Cochin University of Science and Technology

Precursor nanoscale modulations in ferromagnets: Modeling and thermodynamic characterization

Using a Ginzburg-Landau model for the magnetic degrees of freedom with coupling to disorder, we demonstrate through simulations the existence of stripelike magnetic precursors recently observed in Co-Ni-Al alloys above the Curie temperature. We characterize these magnetic modulations by means of the temperature dependence of local magnetization distribution, magnetized volume fraction, and magnetic susceptibility. We also obtain a temperature-disorder strength phase diagram in which a magnetic tweed phase exists in a small region between the paramagnetic and dipolar phases.

Random-field Potts model with dipolarlike interactions: Hysteresis avalanches and microstructure

A model for the study of hysteresis and avalanches in a first-order phase transition from a single variant phase to a multivariant phase is presented. The model is based on a modification of the random-field Potts model with metastable dynamics by adding a dipolar interaction term truncated at nearest neighbors. We focus our study on hysteresis loop properties, on the three-dimensional microstructure formation, and on avalanche statistics.

Pulsed-field studies of the magnetization reversal in molecular nanomagnets

We report experimental studies of crystals of Mn12 molecular magnetic clusters in pulsed magnetic fields with sweep rates up to 410^3 T/s . The steps in the magnetization curve are observed at fields that are shifted with respect to the resonant field values. The shift systematically increases as the rate of the field sweep goes up. These data are consistent with the theory of the collective dipolar relaxation in molecular magnets.

Studies On Developing A Facile Route For The Synthesis Of Highly Substituted Quinoline And Indole Derivatives

the thesis entitled “STUDIES ON DEVELOPING A FACILE ROUTE FOR THE SYNTHESIS OF HIGHLY SUBSTITUTED QUINOLINE AND INDOLE DERIVATIVES” portrays our attempt to revisit the mechanism of 1,3- dipolar additions with a view to establishing whether it follows a concerted pathway or a stepwise reaction sequence through the formation of a zwitterionic intermediate, which will definitely contribute to the better use of this technique. Furthermore, we propose to develop novel routes for the synthesis of quinoline and indole derivatives with predefined substitution pattern. The thesis is devided into four chapters

Synthesis of High Coercivity Cobalt Nanotubes with Acetate Precursors and Elucidation of the Mechanism of Growth

Cobalt nanotubes (CoNTs) with very high longitudinal coercivity were prepared by electrodeposition of cobalt acetate for the first time by using anodized alumina (AAO) template. They were then characterized with X-ray diffraction (XRD), a field emission scanning electron microscope (FESEM), and a transmission electron microscope (TEM). Formation of a highly ordered hexagonal cobalt phase is observed. Room temperature SQUID (superconducting quantum interference device) magnetometer measurements indicate that the easy axis of magnetization is parallel to the nanotube axis. These CoNTs exhibit very high longitudinal coercivity of ∼820 Oe. A very high intertubular interaction resulting from magnetostatic dipolar interaction between nanotubes is observed. Thick-walled nanotubes were also fabricated by using cobalt acetate tetrahydrate precursors. A plausible mechanism for the formation of CoNTs based on mobility assisted growth is proposed. The role of the hydration layer and the mobility of metal ions are elucidated in the case of the growth mechanism of one-dimensional geometry

On the Growth Mechanism of Nickel and Cobalt Nanowires and Comparison of Their Magnetic Properties

Magnetic nanowires (NWs) are ideal materials for the fabrication of various multifunctional nanostructures which can be manipulated by an external magnetic fi eld. Highly crystalline and textured nanowires of nickel (Ni NWs) and cobalt (Co NWs) with high aspect ratio (~330) and high coercivity have been synthesized by electrodeposition using nickel sulphate hexahydrate (NiSO4·6H2O) and cobalt sulphate heptahydrate (CoSO4·7H2O) respectively on nanoporous alumina membranes. They exhibit a preferential growth along〈110〉. A general mobility assisted growth mechanism for the formation of Ni and Co NWs is proposed. The role of the hydration layer on the resulting one-dimensional geometry in the case of potentiostatic electrodeposition is verified. A very high interwire interaction resulting from magnetostatic dipolar interactions between the nanowires is observed. An unusual low-temperature magnetisation switching for fi eld parallel to the wire axis is evident from the peculiar high fi eld M(T) curve

Novel [3+2] annulation reaction of nitrones with Burgess reagent and a few related reactions

Burgess reagent first prepared by E. M. Burgess in 1968, is a mild and selective dehydrating agent for secondary and tertiary alcohols and due to the amphipolar nature it is gainfully employed in a number of creative synthetic ventures. A close examination of the structure of Burgess reagent reveals that it can act as a 1,2-dipole. To the best of our knowledge, no attempts have been made to tap full synthetic potential of the amphipolar nature of this reagent and no reports on 1,3-dipolar addition to a σ-bond in acyclic systems are available in literature. In this context, we propose to unravel novel applications of Burgess reagent based on its amphipolar nature. Rich and multifaceted chemistry of nitrones form the basis of many successful chemical transformations used in attractive synthetic strategies. For the last 50 years special attention has been given to nitrones due to their successful application as building blocks in the synthesis of various natural and biologically active compounds. Our interest in nitrones stems out of its unique character: i.e. it is a 1,3-dipole exhibiting distinct nucleophilic activity. We reasoned that 1,3-dipole possessing significant nucleophilicity should react with amphipolar Burgess reagent with elimination of triethylamine to give the corresponding five-membered ring product by formal dipolar addition to a σ bond. To test this hypothesis we studied the reaction of nitrones with Burgess reagent. This thesis reveals our attempts to explore the [3+2] annulation reaction of nitrones with Burgess reagent which was found to be followed by a rearrangementinvolving C-to-N aryl migration, ultimately resulting in diarylamines and carbamates. We have also examined the reaction of cyanuric chloride with nitrones in DMF with a view to exploit the nucleophilicty of nitrones and to unravel the migratory aptitude, if any, observed in this reaction