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.

Synthesis and structural stability of metal-organic frameworks

Metal-organic frameworks (MOFs) have attracted significant attention during the past decade due to their high porosity, tunable structures, and controllable surface functionalities. Therefore many applications have been proposed for MOFs. All of them however are still in their infancy stage and have not yet been brought into the market place. In this thesis, the background of the MOF area is first briefly introduced. The main components and the motifs of designing MOFs are summarized, followed by their synthesis and postsynthetic modification methods. Several promising application areas of MOFs including gas storage and separation, catalysis and sensing are reviewed. The current status of commercialization of MOFs as new chemical products is also summarized. Examples of the design and synthesis of two new MOF structures Eu(4,4′,4′′,4′′′-(porphine-5,10,15,20-tetrayl)tetrakis(benzoic acid))·2H2O∙xDMF and Zn4O(azobenzene-4,4’-dicarboxylic acid)3∙xNMP are described. The first one contains free-base porphyrin centers and the second one has azobenzene components. Although the structures were synthesized as designed, unfortunately they did not possess the expected properties. The research idea to use MOFs as template materials to synthesize porous polymers is introduced. Several methods are discussed to grow PMMA into IRMOF-1 (Zn4O(benzene-1,4-dicarboxylate)3, IR stands for isoreticular) structure. High concentration of the monomers resulted in PMMA shell after MOF digestion while with low concentration of monomers no PMMA was left after digestion due to the small iii molecular weight. During the study of this chapter, Kitagawa and co-workers published several papers on the same topic, so this part of the research was terminated thereafter. Many MOFs are reported to be unstable in air due to the water molecules in air which greatly limited their applications. By incorporating a number of water repelling functional groups such as trifluoromethoxy group and methyl groups in the frameworks, the water stability of MOFs are shown to be significantly enhanced. Several MOFs inculding Banasorb-22 (Zn4O(2-trifluoromethoxybenzene-1,4-dicarboxylate)3), Banasorb-24 (Zn4O(2, 5-dimethylbenzene-1,4-dicarboxylate)3) and Banasorb-30 (Zn4O(2-methylbenzene-1,4-dicarboxylate)3) were synthesized and proved to have isostructures with IRMOF-1. Banasorb-22 was stable in boiling water steam for one week and Banasorb-30’s shelf life was over 10 months under ambient condition. For comparison, IRMOF-1’s structure collapses in air after a few hours to several days. Although MOF is a very popular research area nowadays, only a few studies have been reported on the mechanical properties of MOFs. Many of MOF’s applications involve high pressure conditions, so it is important to understand the behavior of MOFs under elivated pressures. The mechanical properties of IRMOF-1 and a new MOF structure Eu2(C12N2O4H6)3(DEF)0.87(H2O)2.13 were studied using diamond anvil cells at Advanced Photon Source. IRMOF-1 experienced an irriversible phase transtion to a nonporous phase followed by amorphization under high pressure. Eu2(C12N2O4H6)3(DEF)0.87(H2O)2.13 showed reversible compression under pressure up to 9.08GPa.

Optical redox ratio and endogenous porphyrins in the detection of urinary bladder cancer:a patient biopsy analysis

Bladder cancer is among the most common cancers in the UK and conventional detection techniques suffer from low sensitivity, low specificity, or both. Recent attempts to address the disparity have led to progress in the field of autofluorescence as a means to diagnose the disease with high efficiency, however there is still a lot not known about autofluorescence profiles in the disease. The multi-functional diagnostic system "LAKK-M" was used to assess autofluorescence profiles of healthy and cancerous bladder tissue to identify novel biomarkers of the disease. Statistically significant differences were observed in the optical redox ratio (a measure of tissue metabolic activity), the amplitude of endogenous porphyrins and the NADH/porphyrin ratio between tissue types. These findings could advance understanding of bladder cancer and aid in the development of new techniques for detection and surveillance.

Inhibition of nitro-oxidative stress attenuates pulmonary and systemic injury induced by high-tidal volume mechanical ventilation

Mechanisms contributing to pulmonary and systemic injury induced by high tidal volume (VT) mechanical ventilation are not well known. We tested the hypothesis that increased peroxynitrite formation is involved in organ injury and dysfunction induced by mechanical ventilation. Male Sprague-Dawley rats were subject to low- (VT, 9 mL/kg; positive end-expiratory pressure, 5 cmH2O) or high- (VT, 25 mL/kg; positive end-expiratory pressure, 0 cmH2O) VT mechanical ventilation for 120 min, and received 1 of 3 treatments: 3-aminobenzamide (3-AB, 10 mg/kg, intravenous, a poly adenosine diphosphate ribose polymerase [PARP] inhibitor), or the metalloporphyrin manganese(III) tetrakis(1-methyl-4-pyridyl)porphyrin (MnTMPyP, 5 mg/kg intravenous, a peroxynitrite scavenger), or no treatment (control group), 30 min before starting the mechanical ventilation protocol (n = 8 per group, 6 treatment groups). We measured mean arterial pressure, peak inspiratory airway pressure, blood chemistry, and gas exchange. Oxidation (fluorescence for oxidized dihydroethidium), protein nitration (immunofluorescence and Western blot for 3-nitrotyrosine), PARP protein (Western blot) and gene expression of the nitric oxide (NO) synthase (NOS) isoforms (quantitative real-time reverse transcription polymerase chain reaction) were measured in lung and vascular tissue. Lung injury was quantified by light microscopy. High-VT mechanical ventilation was associated with hypotension, increased peak inspiratory airway pressure, worsened oxygenation; oxidation and protein nitration in lung and aortic tissue; increased PARP protein in lung; up-regulation of NOS isoforms in lung tissue; signs of diffuse alveolar damage at histological examination. Treatment with 3AB or MnTMPyP attenuated the high-VT mechanical ventilation-induced changes in pulmonary and cardiovascular function; down-regulated the expression of NOS1, NOS2, and NOS3; decreased oxidation and nitration in lung and aortic tissue; and attenuated histological changes. Increased peroxynitrite formation is involved in mechanical ventilation-induced pulmonary and vascular dysfunction.

Transfert ultrarapide d’électron et transfert modéré d’énergie au sein d’assemblages supramoléculaires de colorants et d’un cluster de palladium

Résumé : Les transferts d’électrons photo-induits et d’énergie jouent un rôle primordial dans un grand nombre de processus photochimiques et photobiologiques, comme la respiration ou la photosynthèse. Une très grande quantité de systèmes à liaisons covalentes ont été conçus pour copier ces processus de transferts. Cependant, les progrès sont, en grande partie, limités par les difficultés rencontrées dans la synthèse de nouveaux couples de types donneurs-accepteurs. Récemment, des espèces utilisant des liaisons non-covalentes, comme les liaisons hydrogènes, les interactions [pi]-[pi], les liaisons de coordination métal-ligands ou encore les interactions électrostatiques sont le centre d’un nouvel intérêt du fait qu’ils soient plus faciles à synthétiser et à gérer pour obtenir des comportements de transferts d’électrons ou d’énergie plus flexibles et sélectifs. C’est dans cette optique que le travail de cette thèse a été mené, i.e. de concevoir des composés auto-assemblés avec des porphyrines et un cluster de palladium pour l’étude des transferts d’électrons photo-induits et d’énergie. Cette thèse se divise en quatre parties principales. Dans la première section, le chapitre 3, deux colorants porphyriniques, soit le 5-(4-carboxylphényl)-10, 15, 20-tristolyl(porphyrinato)zinc(II) (MCP, avec Na+ comme contre-ion) et 5, 15-bis(4-carboxylphényl)-15, 20-bistolyl(porphyrinato)zinc(II) (DCP, avec Na+ comme contre-ion) ont été utilisés comme donneurs d’électrons, et le [Pd3(dppm)3(CO)]2+ ([Pd32+], dppm = (Ph2P)2CH2, PF6‾ est le contre-ion) a été choisi comme accepteur d’électrons. La structure de l’assemblage [Pd32+]•••porphyrine a été élucidée par l’optimisation des géométries à l’aide de calculs DFT. La spectroscopie d’absorption transitoire (TAS) montre la vitesse de transferts d’électrons la plus rapide (< 85 fs, temps inférieurs à la limite de détection) jamais enregistrée pour ce type de système (porphyrine-accepteur auto-assemblés). Généralement, ces processus sont de l’ordre de l’échelle de la ps-ns. Cette vitesse est comparable aux plus rapides transferts d’électrons rapportés dans le cas de systèmes covalents de type porphyrine-accepteur rapide (< 85 fs, temps inférieurs à la limite de détection). Ce transfert d’électrons ultra-rapide (ket > 1.2 × 1013 s-1) se produit à l’état énergétique S1 des colorants dans une structure liée directement par des interactions ioniques, ce qui indique qu’il n’est pas nécessaire d’avoir de forts liens ou une géométrie courbée entre le donneur et l’accepteur. Dans une deuxième section, au chapitre 4, nous avons étudié en profondeur l’effet de l’utilisation de porphyrines à systèmes π-étendus sur le comportement des transferts d’électrons. Le colorant 9, 18, 27, 36-tétrakis-meso-(4-carboxyphényl)tétrabenzoporphyrinatozinc(II) (TCPBP, avec Na+ comme contre-ion) a été sélectionné comme candidat, et le 5, 10, 15, 20-tétrakis-meso-(4-carboxyphényl)porphyrineatozinc(II) (TCPP, avec Na+ comme contre-ion) a aussi été utilisé à des fins de comparaisons. TCPBP et TCPP ont, tous deux, été utilisés comme donneurs d’électrons pour fabriquer des assemblages supramoléculaires avec le cluster [Pd32+] comme accepteur d’électrons. Les calculs DFT ont été réalisés pour expliquer les structures de ces assemblages. Dans les conditions expérimentales, ces assemblages sont composés principalement d’une porphyrine avec 4 équivalents de clusters. Ces systèmes ont aussi été investigués par des mesures de quenching (perte de luminescence), par électrochimie et par d’autres techniques. Les transferts d’électrons (< 85 fs; temps inférieurs à la limite de détection) étaient aussi observés, de façon similaire aux assemblages MCP•••[Pd32+] et [Pd32+]•••DCP•••[Pd32+]. Les résultats nous indiquent que la modification de la structure de la porphyrine vers la tétrabenzoporphyrine ne semble pas influencer le comportement des cinétiques de transferts d’électrons (aller ou retour). Dans la troisième section, le chapitre 5, nous avons synthétisé la porphyrine hautement [pi]-conjuguée: 9, 18, 27, 36-tétra-(4-carboxyphényléthynyl)tétrabenzoporphyrinatozinc(II) (TCPEBP, avec Na+ comme contre-ion) par des fonctionnalisations en positions meso- et β, β-, qui présente un déplacement vers le rouge de la bande de Soret et des bandes Q. TCPEBP était utilisé comme donneur d’électrons pour fabriquer des motifs supramoléculaires avec le [Pd32+] comme accepteur d’électrons. Des expériences en parallèle ont été menées en utilisant la 5, 10, 15, 20-tétra-(4-carboxyphényl)éthynylporphyrinatozinc(II) (TCPEP, avec Na+ comme contre-ion). Des calculs DFT et TDDFT ont été réalisés pour de nouveau déterminer de façon théorique les structures de ces systèmes. Les constantes d’association pour les assemblages TCPEBP•••[Pd32+]x sont les plus élevées parmi tous les assemblages entre des porphyrines et le cluster de palladium rencontrés dans la littérature. La TAS a montré, encore une fois, des processus de transferts d’électrons dans des échelles de l’ordre de 75-110 fs. Cependant, les transferts de retour d’électrons sont aussi très rapides (< 1 ps), ce qui est un obstacle potentiel pour des applications en cellules solaires à pigment photosensible (DSSCs). Dans la quatrième section, le chapitre 6, les transferts d’énergie triplets (TET) ont été étudiés pour les assemblages MCP•••[Pd32+] et [Pd32+]•••DCP•••[Pd32+]. Les analyses spectrales des états transitoires dans l’échelle de temps de la ns-[mu]s démontrent de façon évidente les TETs; ceux-ci présentent des transferts d’énergie lents et/ou des vitesses moyennes pour des transferts d’énergie T1-T1 (3dye*•••[Pd32+] → dye•••3[Pd32+]*) opérant à travers exclusivement le mécanisme de Förster avec des valeurs de kET autour de ~ 1 × 105 s-1 selon les mesures d’absorption transitoires à 298 K. Des forces motrices non-favorables rendent ces types de processus non-opérants ou très lents dans les états T1. L’état T1 de [Pd32+] (~8190 cm-1) a été qualitativement déterminé par DFT et par la mise en évidence de l’émission S0 ← Tn retardée à 680-700 nm provenant de l’annihilation T1-T1, ce qui fait que ce cluster peut potentiellement agir comme un donneur à partir de ses états Tn, et accepteur à partir de T1 à l’intérieur de ces assemblages. Des pertes d’intensités de types statiques pour la phosphorescence dans le proche-IR sont observées à 785 nm. Ce travail démontre une efficacité modérée des colorants à base de porphyrines pour être impliquée dans des TETs avec des fragments organométalliques, et ce, même attachées grâce à des interactions ioniques. En conclusion, les assemblages ioniques à base de porphyrines et de clusters de palladium présentent des propriétés de transferts d’électrons S1 ultra-rapides, et des transferts d’énergie T1 de vitesses modérées, ce qui est utile pour de possibles applications comme outils optoélectroniques. D’autres études, plus en profondeur, sont présentement en progrès.