Formation and decomposition of N-alkyinaphthalimides: experimental evidences and ab initio description of the reaction pathways

The kinetics of hydrolysis of 1,8-N-butyl-naphthalimide (1,8-NBN) to 1,8-N-butyl-naphthalamide (1,8-NBAmide) and of 2,3-N-butyl-naphthalimide (2,3-NBN) to 2,3-N-butyl-naphthalamide (2,3-NBAmide), as well as the formation of the respective anhydrides from the amides were investigated in a wide acidity range. 1,8-NBN equilibrates with 1,8-NBAmide in mild alkali. Under the same conditions 2,3-NBN quantitatively yields 2,3-NBAmide. Over a wide range of acidities the reactions of the 1,8- and 2,3-N-butyl-naphthalamides (or imides) yield similar products but with widely different rates and at distinct pH`s. Anhydride formation in acid was demonstrated for 1,8-NBAmide. The reactions mechanisms were rationalized in the manifold pathways of ab initio calculations. The differences in rates and pH ranges in the reactions of the 1,8- and 2,3-N-butyl-naphthalamides were attributed to differences in the stability of the tetrahedral intermediates in alkali as well as the relative stabilities of the five and six-membered ring intermediates. The rate of carboxylic acid assisted 1,8-N-Butyl-naphthalamide hydrolysis is one of the largest described for amide hydrolysis models. Copyright (C) 2010 John Wiley & Sons, Ltd.

Fluorescent photoinduced electron transfer (PET) sensors for anions; from design to potential application

This mini review highlights the synthesis and photophysical evaluation of anion sensors, for nonaqueous solutions, that have been developed in our laboratories over the last few years. We have focused our research mainly on developing fluorescent photoinduced electron transfer (PET) sensors based on the fluorophore-spacer-anion receptor principle using several anthracene (emitting in the blue) and 1,8-naphthalimide (emitting in the green) fluorophores, with the aim of targeting biologically and industrially relevant anions such as acetates, phosphate and amino acids, as well as halides such as fluoride. The receptors and the fluorophore are separated by a short methyl or ethyl spacer, where the charge neutral anion receptors are either aliphatic or aromatic urea (or thiourea) moieties. For these, the anion recognition is through hydrogen bonding, yielding anion:receptor complexes. Such bonding gives rise to enhanced reduction potential in the receptor moieties which causes enhancement in the rate of PET quenching of the fluorophore excited state from the anion:receptor moiety. This design can be further elaborated on by incorporating either two fluorophores, or urea/thiourea receptors into the sensor structures, using anthracene as a fluorophore. For the latter design, the sensors were designed to achieve sensing of bis-anions, such as di-carboxylates or pyrophosphate, where the anion bridged the anthracene moiety. In the case of the naphthalimide based mono-receptor based PET sensors, it was discovered that in DMSO the sensors were also susceptible to deprotonation by anions such as F− at high concentrations. This led to substantial changes in the absorption spectra of these sensors, where the solution changed colour from yellow/green to deep blue, which was clearly visible to the naked eye. Hence, some of the examples presented can act as dual fluorescent-colorimetric sensors for anions. Further investigations into this phenomenon led to the development of simple colorimetric sensors for fluorides, which upon exposure to air, were shown to fix carbon dioxide as bicarbonate.

Anion recognition and sensing in organic and aqueous media using luminescent and colorimetric sensors

This review article focuses primarily on the work carried in our laboratories over the last few years using luminescent and colorimetric sensors, where the anion recognition occurs through hydrogen bonding in organic or aqueous solvents. This review begins with the story of the discovery of fluorescent photoinduced electron transfer (PET) sensors for anions using charged neutral urea or thiourea receptors where both fluorescent and NMR spectroscopic methods monitored anion recognition. This work led to the development of dual luminescent and colorimetric anion sensors based on the use of the ICT based naphthalimide chromophore, where ions such as fluoride gave rise to changes in both the fluorescence and the absorption spectra of the sensors, but at different concentrations. Here, the former changes were due to hydrogen bonding interactions, whereas the latter was due to the deprotonation of acidic protons, giving rise to the formation of the bifluoride anion (HF2−). Modification of the 4-amino-l,8-naphthalimide moiety has facilitated the formation of colorimetric anion sensors that work both in organic or aqueous solutions. Such charge neutral receptor motifs have also been incorporated into organic scaffolds with norbomyl and calixarene backbones, which have enabled us to produce anion directed self-assembled structures.

The design and evaluation of two types of chemical sensor

During the course of this investigation it was discovered that functionalised Ruthenium tris(bipyridyl) complexes exhibit different chemical, spectroscopic and electrochemical properties to those of the parent compound. Furthermore, it was possible to develop 1,8-naphthalimide-based compounds that furnished strong 1:1 host:guest complexes with larger anions such as hydrogen pyrophosphate. This dissertation presents in investigation into the systhesis and analytical evaluation of two types of chemical sensors: chemiluminescent and fluorescent.

Dual responsive chemosensors for anions : the combination of fluorescent PET (Photoinduced Electron Transfer) and colorimetric chemosensors in a single molecule

The design and synthesis of two novel fluorescent PET anion sensors is described, based on the principle of ‘fluorophore-spacer-(anion)receptor’. The sensors 1 and 2 employ simple diaromatic thioureas as anion receptors, and the fluorophore is a naphthalimide moiety that absorbs in the visible part of the spectrum and emits in the green. Upon recognition of anions such as F⁻ and AcO⁻ in DMSO, the fluorescence emission of 1 and 2 was ‘switched off’, with no significant changes in the UV–vis spectra. This recognition shows a 1:1 binding between the receptor and the anions. In the case of F⁻, further additions of the anion, gave rise to large changes in the UV–vis spectra, where the λ_max at 455 nm was shifted to 550 nm. These changes are thought to be due to the deprotonation of the 4-amino moiety of the naphthalimide fluorophore. This was in fact found to be the case, using simple naphthalimide derivatives such as 6. Sensors 1 and 2 can thus display dual sensing action; where at low concentrations, the fluorescence emission is quenched, and at higher concentrations the absorption spectra are modulated.

Synthesis of N-substituted 4-hydroxynaphthalimides using palladium-catalysed hydroxylation

Successful implementation of a palladium-mediated hydroxylation of N-substituted 4-chloro-1,8-naphthalimides has been achieved. The methodology detailed herein utilises 4-chloro-1,8-naphthalic anhydride as a starting point and implements the catalyst/ligand combination of Pd(OAc)2/t-BuXPhos; all of which are relatively inexpensive. A range of imide substituents tolerated the reaction conditions, including acid sensitive substrates which are not compatible with other existing methodology. As such this approach is not only complimentary to existing procedures, it presents a more direct alternative to accessing 4-hydroxy-1,8-naphthalimides.

Design, Synthese und biologische Evaluierung von Pyrrolcarboxamiden mit Nucleobasen- oder tricyclischer Aromatenfunktion

Ausgehend von den Naturstoffen Netropsin und Distamycin A, antitumoraktiven Pyrrolcarboxamiden, die selektiv an AT-reiche Sequenzen in der kleinen Rinne (Minor-Groove) der DNA binden, sollten neue Nucleobasen- bzw. Interkalator-gekoppelte Derivate (letztere werden als „Combilexine“ bezeichnet) synthetisiert und biologisch evaluiert werden. Unter Zuhilfenahme quantenchemischer AM1-Rechnungen sollten Struktur-Wirkungs-Beziehungen abgeleitet werden. Als Grundgerüst diente die Mono- bzw. Bispyrrolcarboxamid-Einheit mit C-terminaler N,N-Dimethyl-1,3-diaminopropan-Seitenkette, die die ebenfalls basische Amidinstruktur der Leitsubstanzen imitieren sollte. Variationen erfolgten ausschließlich am N-terminalen Ende. Hierbei wurden zunächst Adenin-, Thymin- und Uracil-alkancarbonsäuren mit variabler Kettenlänge synthetisiert und über verschiedene Amidkupplungsverfahren an die Aminofunktion des Pyrrolcarboxamid-Grundgerüstes geknüpft. In Analogie hierzu folgte die Synthese von Combilexinen mit Acridon, (Nitro-)Naphthalimid und Iminostilben als Interkalatorkomponenten. Im 3. synthetischen Teil der Arbeit wurden Carbonsäure- und Sulfonylchloride des Interkalators Acridin und des Interkalators und Photosensibilisators Anthrachinon über die aliphatischen Linker ß-Alanin und -Aminobuttersäure an das Pyrrolcarboxamidgrundgerüst gebunden. Testungen von Verbindungen aller 3 Serien auf Zytotoxizität beim National Cancer Institute, USA, und DNA-Bindestudien und Topoisomerase-Hemmtests im Laboratory of Pharmacology, INSERM in Lille, Frankreich, schlossen sich an. Bei allen Verbindungen mit mindestens 3 Carboxamid-Funktionen zeigte sich gute bis ausgezeichnete DNA-Bindung; einige wiesen Topoisomerase II - Hemmung auf. Beide Parameter korrelierten allerdings nicht mit der Zytotoxizität, was vor allem an der mangelhaften Zellmembranpermeation einiger Verbindungen aufgrund zu geringer Lipophilie liegen dürfte. Quantenchemische Rechnungen ergaben ebenfalls wenige Gesetzmäßigkeiten. Ein elektronenarmer N-terminaler Rest (wie im Falle des hochpotenten Iminostilben-Derivates) scheint aber die Zytotoxizität einer Substanz ebenso wie zunehmende Linkerlänge zu begünstigen. Eine Ausnahme bilden hier die Anthrachinonderivate. Die drei zytotoxisch aktivsten Vertreter dieser Gruppe besitzen als Linker ß-Alanin, was eine aus der sonst bei Minor-Groove-Bindern üblichen Kurvature herausragende Konformation zur Folge hat. Diese ermöglicht vermutlich eine besonders gute Interaktion mit der DNA.

Design, Synthese und biochemische/biologische Evaluierung bioisosterer Oligopyrrolcarboxamide mit aliphatisch-amidisch verknüpften DNA-Interkalatoren

Die DNA stellt aufgrund der genetischen Krankheitsursache nach wie vor ein überaus attraktives Target für das Design antitumoraktiver Zytostatika dar. Ein wesentlicher Schwerpunkt der heutigen Forschung besteht vor allem in der Entwicklung niedermolekularer, sequenzspezifischer DNA-Liganden zur gezielten Ausschaltung defekter Gene. Im Rahmen dieser Arbeit erfolgte daher in Anlehnung an die antitumoral wirksame Leitsubstanz Netropsin - ein AT-selektiver Minor Groove Binder mit Bispyrrolcarboxamid-Grundstruktur - erstmals der systematische Aufbau einer neuen Serie bioisosterer Hybridmoleküle, bestehend aus einem interkalierenden Strukturelement (Acridon, Naphthalimid, 5-Nitronaphthalimid, Anthrachinon, 11H-Pyrido[2,3-a]carbazol) und Thiophenpyrrol-, Imidazolpyrrol-, Thiazolpyrrol- bzw. Bisimidazolcarboxamid als rinnenbindende Oligoamid-Einheit (sog. Combilexine). Die chromophoren Systeme am N-Terminus wurden hierbei über aliphatische Linker variabler Kettenlänge mit der Carboxamid-Kette verknüpft. Als C-terminale Funktion kam sowohl die N,N-Dimethyl-1,3-diaminopropan- als auch die um ein C-Atom kürzere Dimethylaminoethylamin-Seitenkette zum Einsatz. Unter Verwendung modernster Reagenzien aus der Peptidkupplungschemie ist es gelungen, ein präparativ gut zugängliches, reproduzierbares Verfahren zur Synthese dieser bioisosteren Combilexine zu entwickeln. Anhand biophysikalischer/biochemischer, zellbiologischer und physikochemischer (1H-NMR-spektroskopischer und röntgenstrukturanalytischer) Methoden sowie Molecular Modelling Studien wurden erstmals bezüglich der DNA-Bindung, der Topoisomerase-Hemmung und der Antitumor-Zellzytotoxizität in einem breiten Rahmen vororientierende Struktur-Wirkungsbeziehungen an bioisosteren Liganden erstellt. Wenngleich zwischen den in vitro und in silico ermittelten Befunden keine konkreten Gesetzmäßigkeiten zu erkennen waren, so ließ die Summation der Ergebnisse dennoch darauf schließen, dass es sich bei den Naphthalimidpropion- und Acridonbuttersäure-Derivaten mit C-terminaler Propylendiamin-Funktion um die aussichtsreichsten Kandidaten in Bezug auf die DNA-Affinität bzw. Zytotoxizität handelte.

Untersuchung der DNA-bindenden Eigenschaften neuer Nukleobasen-gekoppelter Pyrrolcarboxamide, Combilexine und Hetaren[a]carbazol-Derivate: Validierung und Etablierung von in-vitro- und in-silico-Methoden

Da maligne Neoplasien durch Mutationen in Proto-Onko- und/oder Tumorsuppressorgenen ausgelöst werden, stellt die DNA eines der wichtigsten Targets für die Entwicklung neuer Zytostatika dar. Auch bei den im Arbeitskreis Pindur designten und synthetisier-ten Verbindungen der Nukleobasen-gekoppelten Pyrrolcarboxamid-, der Hetaren[a]carbazol- und der Combilexin-Reihe handelt es sich um DNA-Liganden mit potentiell antitumoraktiven Eigenschaf-ten. Die einen dualen Bindemodus aufweisenden Combilexine bestehen aus einem Interkalator (u. a. Naphthalimid, Acridon), der über einen Linker variabler Kettenlänge mit einer rinnenbin-denden, von Netropsin abgeleiteten Bispyrrol-, oder einer bioisosteren Imidazol-, Thiazol- oder Thiophen-pyrrolcarboxamid-struktur verknüpft ist. Das N-terminale Ende der Combilexine wird von einer N,N-Dimethylaminopropyl- oder -ethyl-Seitenkette gebildet. Die DNA-Affinitäten der Liganden wurden mittels Tm-Wert-Messung-en bestimmt. Diese Denaturierungsexperimente wurden sowohl mit poly(dAdT)2- als auch mit Thymus-DNA (~42% GC-Anteil) durchge-führt, um Aussagen zur Stärke und zur Sequenzselektivität der DNA-Bindung machen zu können. Des Weiteren wurden die Bindekon-stanten einiger ausgewählter Vertreter mit Hilfe des Ethidium-bromid-Verdrängungsassays ermittelt; einige Testverbindungen wurden zudem auf potentiell vorhandene, TOPO I-inhibierende Eigenschaften untersucht. Diese biochemischen und biophysika-lischen Tests wurden durch Molecular Modelling-Studien ergänzt, die die Berechnung von molekularen Eigenschaften, die Durch-führung von Konformerenanalysen und die Simulation von DNA-Ligand-Komplexen (Docking) umfassten. Durch Korrelation der in vitro-Befunde mit den in silico-Daten gelang es, vor allem für die Substanzklasse der Combilexine einige richtungweisende Struktur-Wirkungsbeziehungen aufzustellen. So konnte gezeigt werden, dass die Einführung eines Imidazol-Rings in die rinnen-bindende Hetaren-pyrrolcarboxamid-Struktur der Combilexine aufgrund der H-Brücken-Akzeptor-Funktion des sp2-hybridisierten N-Atoms eine Verschiebung der Sequenzselektivität der DNA-Bindung von AT- zu GC-reichen Arealen der DNA bedingt. Zudem erwies sich ein C3-Linker für die Verknüpfung des Naphthalimids mit dem rinnenbindenden Strukturelement als am besten geeignet, während bei den Acridon-Derivaten die Verbindungen mit einem N-terminalen Buttersäure-Linker die höchste DNA-Affinität aufwiesen. Dies ist sehr wahrscheinlich auf die im Vergleich zum Naphthalimid-Molekül geringere y-Achsen-Ausdehnung (bzgl. eines x/y-Koordinatensystems) des Acridons zurückzuführen. Die ermittelten Struktur-Wirkungsbeziehungen können dazu herangezogen werden, das rationale Design neuer DNA-Liganden mit potentiell stärkerer DNA-Bindung zu optimieren.

Synthesis of fluorescent dendrimeric antigen efficiently internalized by human dendritic cells

A new fluorescent dendrimeric antigen (DeAn) based on a dendron with amoxicilloyl terminal groups has been synthetized. The synthesis implies a novel class of all-aliphatic polyamide dendrimer (BisAminoalkylPolyAmide Dendrimers, or BAPAD).[1] The introduction of a cystamine core allows the incorporation of this dendrons into a 1,8-naphthalimide fluorofore functionalized with a maleimide group. The fluorescence properties of this DeAn has been studied and compared with the properties of an equivalent dendron possessing amino-terminal groups. This DeAn has been used as a synthetic antigen in a biomedical assay that tests the amoxicillin sensitivity of dendritic cells (DC) from tolerant and allergic patients.

Materials design for ambipolar devices: tuning orbital energetics in oligothiophene-naphthalimides semiconductors

Ambipolar organic field-effect transistors (OFETs), which can efficiently transport both holes and electrons, using a single type of electrode, are currently of great interest due to their possible applications in complementary metal oxide semiconductor (CMOS)-like circuits, sensors, and in light-emitting transistors. Several theoretical and experimental studies have argued that most organic semiconductors should be able to transport both types of carrier, although typically unipolar behavior is observed. One factor that can compromise ambipolar transport in organic semiconductors is poor solid state overlap between the HOMO (p-type) or LUMO (n-type) orbitals of neighboring molecules in the semiconductor thin film. In the search of low-bandgap ambipolar materials, where the absence of skeletal distortions allows closer intermolecular π-π stacking and enhanced intramolecular π-conjugation, a new family of oligothiophene-naphthalimide assemblies have been synthesized and characterized, in which both donor and acceptor moieties are directly conjugated through rigid linkers. In previous works we found that oligothiophene-napthalimide assemblies connected through amidine linkers (NDI derivates) exhibit skeletal distortions (50-60º) arising from steric hindrance between the carbonyl group of the arylene core and the sulphur atom of the neighbored thiophene ring (see Figure 1). In the present work we report novel oligo- and polythiophene–naphthalimide analogues NAI-3T, NAI-5T and poly-NAI-8C-3T, in which the connections of the amidine linkage have been inverted in order to prevent steric interactions. Thus, the nitrogen atoms are directly connected to the naphthalene moiety in NAI derivatives while they were attached directly to the thiophene moiety in the previously investigated NDI-3T and NDI-5T. In Figure 1 is depicted the calculated molecular structure of NAI-3T together with that of NDI-3T showing how the steric interactions are not present in the novel NAI derivative. The planar skeletons in these new family induce higher degree of crystallinity and the carrier charge transport can be switched from n-type to ambipolar behaviour. The highest FET performance is achieved for vapor-deposited films of NAI-3T with mobilities of 1.95x10-4cm2V-1s-1 and 2.00x10-4cm2V-1s-1 for electrons and holes, respectively. Finally, these planar semiconductors are compared with their NDI derivates analogues, which exhibit only n-type mobility, in order to understand the origin of the ambipolarity in this new series of molecular semiconductors.