Novos métodos de síntese de 4-quinolonas e benzo[b]acridonas

As 4-quinolonas e as acridonas são duas importantes famílias de compostos heterocíclicos azotados naturais que apresentam uma variedade de importantes aplicações biológicas. As 4-quinolonas têm sido objecto de extensos estudos devido às suas potenciais aplicações como fortes agentes citotóxicos, antimitóticos e anti-plaquetários e como protectores cardiovasculares, mas o seu uso é principalmente como antibióticos de largo espectro. As acridonas são conhecidas por apresentarem importante actividade antiviral, antiparasitária, contra a leishmania e a malária, e anticancerígena. A variedade de importantes aplicações biológicas das 4-quinolonas e das acridonas e a contínua procura pela comunidade científica de novas substâncias com actividades biológicas atractivas destaca estes compostos como alvos interessantes para a preparação de novos derivados e/ou para o desenvolvimento de novos métodos de síntese destas duas famílias de compostos. No primeiro capítulo desta dissertação descreve-se a síntese dos compostos de partida que tiveram de ser previamente preparados para o desenvolvimento das novas rotas de síntese apresentadas nos capítulos seguintes. A 4-cloro-3- formilquinolina foi obtida através da reacção de Vilsmeier-Haack da 2’-aminoacetofenona enquanto que a 3-formilquinolin-4(1H)-ona foi facilmente preparada por hidrólise ácida da anterior. Foi necessário proteger o grupo amina da quinolin-4(1H)-ona para evitar reacções secundárias e foram descritas as reacções de protecção com o grupo metilo, etoxicarbonilo e ptoluenossulfonilo. Os 2,2-dióxidos de 1,3-di-hidrobenzo[c]tiofeno, necessários para o estudo das reacções de Diels-Alder, não se encontram disponíveis comercialmente e a sua síntese é também descrita. No segundo capítulo reporta-se uma nova e eficiente rota de síntese de (Z)- e (E)-3-estirilquinolin-4(1H)-onas a partir da reacção de Wittig da 4-cloro-3- formilquinolina e de 3-formilquinolin-4(1H)-onas com benzilidenotrifenilfosforanos. As (Z)-3-estirilquinolin-4(1H)-onas foram obtidas com elevada diastereoselectividade a partir da reacção das 3-formilquinolin- 4(1H)-onas N-protegidas enquanto que as (E)-3-estirilquinolin-4(1H)-onas foram preparadas através da reacção de Wittig da 4-cloro-3-formilquinolina seguida da hidrólise ácida das respectivas (Z)- e (E)-4-cloro-3-estirilquinolinas obtidas. Ambas as rotas sintéticas são eficientes, independentemente dos substituintes dos benzilidenotrifenilfosforanos. No terceiro capítulo, descreve-se um novo método de síntese de novas benzo[b]acridonas a partir da reacção de Diels-Alder de 3-formilquinolin-4(1H)- onas N-protegidas, que actuam como dienófilos, com dienos altamente reactivos, os orto-benzoquinodimetanos, preparados in situ através da extrusão térmica do dióxido de enxofre dos respectivos 2,2-dióxidos de 1,3-dihidrobenzo[ c]tiofeno. A reacção de cicloadição das 3-formilquinolin-4(1H)-onas N-protegidas com orto-benzoquinodimetanos origina as benzo[b]-1,6,6a,12atetra- hidroacridin-12(7H)-onas esperadas, que são o resultado da referida cicloadição seguida de desformilação in situ, e mostrou ser eficiente apenas quando o grupo amina está derivatizado com um grupo sacador de electrões. A desidrogenação destas benzo[b]-1,6,6a,12a-tetra-hidroacridin-12(7H)-onas em dimetilsulfóxido utilizando uma quantidade catalítica de iodo foi também descrita e originou como produto principal as benzo[b]acridin-12(7H)-onas N-desprotegidas. Todos os compostos novos sintetizados foram caracterizados por diversas técnicas analíticas, especialmente por estudos espectroscópicos de ressonância magnética nuclear (RMN), incluindo espectros de 1H e 13C, bidimensionais de correlação espectroscópica homonuclear e heteronuclear e de efeito nuclear de Overhauser (NOESY). Foram também efectuados, sempre que possível, espectros de massa (EM) e análises elementares ou espectros de massa de alta resolução (EMAR) para todos os compostos novos sintetizados. O tautomerismo da 3-formil- e 3-estirilquinolin-4(1H)-onas e as isomerizações (E) (Z) e rotacional das 3-estirilquinolin-4(1H)-onas e das 4-cloro-3-estirilquinolinas foram estudados através de ressonância magnética nuclear experimental (RMN 1H e 13C) e teórica [B3LYP/6-311++G(d,p)].

The mechanism of action of a novel benzo[c]phenanthridine alkaloid, NK314 and the cellular responses

NK314 is a novel synthetic benzo[c]phenanthridine alkaloid that is currently in clinical trials as an antitumor compound, based on impressive activities in preclinical models. However, its mechanism of action is unknown. The present investigations were directed at determining the mechanism of action of this agent and cellular responses to NK314. My studies demonstrated that NK314 intercalated into DNA, trapped topoisomerase IIα in its cleavage complex intermediate, and inhibited the ability of topoisomerase IIα to relax super-coiled DNA. CEM/VM1 cells, which are resistant to etoposide due to mutations in topoisomerase IIα, were cross-resistant to NK314. However, CEM/C2 cells, which are resistant to camptothecin due to mutations in topoisomerase I, retained sensitivity. This indicates topoisomerase IIα is the target of NK314 in the cells. NK314 caused phosphorylation of the histone variant, H2AX, which is considered a marker of DNA double-strand breaks. DNA double-strand breaks were also evidenced by pulsed-field gel electrophoresis and visualized as chromosomal aberrations after cells were treated with NK314 and arrested in mitosis. Cell cycle checkpoints are activated following DNA damage. NK314 induced significant G2 cell cycle arrest in several cell lines, independent of p53 status, suggesting the existence of a common mechanism of checkpoint activation. The Chk1-Cdc25C-Cdk1 G2 checkpoint pathway was activated in response to NK314, which can be abrogated by the Chk1 inhibitor UCN-01. Cell cycle checkpoint activation may be a defensive mechanism that provides time for DNA repair. DNA double-strand breaks are repaired either through ATM-mediated homologous recombination or DNA-PK-mediated non-homologous end-joining repair pathways. Clonogenic assays demonstrated a significant decrease of colony formation in both ATM deficient and DNA-PK deficient cells compared to ATM repleted and DNA-PK wild type cells respectively, indicating that both ATM and DNA-PK play important roles in the survival of the cells in response to NK314. The DNA-PK specific inhibitor NU7441 also significantly sensitized cells to NK314. In conclusion, the major mechanism of NK314 is to intercalate into DNA, trap and inhibit topoisomerase IIα, an action that leads to the generation of double-strand DNA breaks, which activate ATM and DNA-PK mediated DNA repair pathways and Chk1 mediated G2 checkpoint pathway. ^

Estudos de síntese e transformação de cromonas e 4-quinolonas

Esta dissertação está dividida em duas partes. Na primeira parte reportam-se métodos de síntese de (E)-3-estirilflavonas e (E)/(Z)-2-aril- 4-cloro-3-estiril-2H-cromenos e estudos de ciclização das (E)-3- estirilflavonas em 5-arilbenzo[c]xantonas. Na segunda parte desenvolveram-se novas rotas de síntese de (E)-2-aril-3-estiril-4- quinolonas e posterior transformação em 5-fenil-12- metilbenzo[c]acridonas e 2,4-diarilfuro[3,2-c]quinolinas. Nesta parte estudou-se também a transformação de 2-aril-4-cloro-1,2-dihidroquinolina- 1,3-dicarbaldeídos em (E)/(Z)-2-aril-4-cloro-3-estiril-1,2- di-hidroquinolina-1-carbaldeídos. A síntese de novos derivados de (E)-3-estirilflavonas, abordada na primeira parte desta dissertação, envolveu estudos de otimização da reação de bromação seguida de ciclização de 3-aril-1-(2- hidroxiaril)propano-1,3-dionas/3-aril-3-hidroxi-1-(2-hidroxiaril)prop-2- en-1-onas em 3-bromoflavonas e o desenvolvimento de uma nova rota de síntese de 3-metilflavonas. As 3-metilflavonas foram sujeitas a bromação e seguidamente transformadas em sais de fosfónio antes de serem utilizadas na síntese de (E)-3-estirilflavonas via reação de Wittig. As 3-bromoflavonas foram também usadas na síntese de (E)-3- estirilflavonas via reação de Heck. A síntese de novos derivados de (E)/(Z)-2-aril-4-cloro-3-estiril-2H-cromenos, via reação de Wittig, envolveu a síntese e formilação de flavanonas. A última transformação reportada na primeira parte desta dissertação é a síntese de 5-arilbenzo[c]xantonas por reação de eletrociclização seguida de oxidação de (E)-3-estirilflavonas. Na segunda parte desta dissertação são estudadas duas vias de síntese de 2-aril-1-metil-4-quinolonas. A primeira via de síntese envolve a síntese de N-(2-acetilfenil)benzamidas, sua ciclização em 4-quinolonas seguida de metilação destas. A segunda via envolve a metilação e ciclização de N-(2-acetilfenil)benzamidas obtendo-se, num só passo, as 2-aril-1-metil-4-quinolonas. Posterior iodação das 2-aril-1-metil-4- quinolonas e subsequente reação de Heck das 2-aril-3-iodo-1-metil-4- quinolonas com estirenos comerciais possibilitaram a síntese de (E)-2- aril-3-estiril-1-metil-4-quinolonas. Estudos de eletrociclização seguidos de oxidação das (E)-2-aril-3-estiril-1-metil-4-quinolonas utilizando uma lâmpada de UV de mercúrio de alta pressão possibilitou a síntese de 5- fenil-12-metilbenzo[c]acridonas, enquanto que o aquecimento em refluxo de 1,2,4-triclorobenzeno deu origem a 2,4-diarilfuro[3,2- c]quinolinas. Nesta segunda parte aborda-se também a síntese de 2-aril-4-cloro-1,2- di-hidroquinolina-1,3-dicarbaldeídos, a partir da formilação de 2-aril- 2,3-di-hidro-4-quinolonas e a sua transformação em (E)/(Z)-2-aril-4- cloro-3-estiril-1,2-di-hidroquinolina-1-carbaldeídos por reação de Wittig. Todos os compostos sintetizados foram caracterizados por espectroscopia de ressonância magnética nuclear de protão e carbono 13C, espectros bidimensionais de correlação heteronuclear (HMBC e HSQC) e, nalguns casos espectros de efeito nuclear Overhauser (NOESY). Os novos produtos foram igualmente caracterizados por espectrometria de massa e sempre que possível análise elementar ou espectrometria de massa de alta resolução.

Regulation der Stress-aktivierten Proteinkinasen durch den gentoxischen Benzo[a]pyren-Metaboliten BPDE

Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) sind ubiquitäre Verschmutzungen der Umwelt und entstehen während der unvollständigen Verbrennung organischen Materials wie Holz, Kohle und Erdöl. Werden diese chemisch nicht reaktiven PAK in den Körper aufgenommen, durchlaufen sie eine Reihe von enzymatischen Umsetzungen, die unter der Bezeichnung Fremdstoffmetabolismus zusammengefasst werden. Die chemische Umsetzung des PAK und Prokarzinogens Benzo[a]pyren (B[a]P) führt u.a. zur Bildung des reaktiven Metaboliten B[a]P-7,8-dihydrodiol-9,10-epoxid (BPDE). BPDE ist stark elektrophil und kann auf Grund dieser Eigenschaft an nukleophile Makromoleküle wie Proteine und DNA binden. Die Bildung von BPDE-DNA-Addukten resultiert in der Entstehung von Mutationen und kann zur Tumorbildung führen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit sollte die Wirkung von BPDE als Modellsubstanz für gentoxische Agenzien auf intrazelluläre Signalkaskaden und die Konsequenzen der BPDE-Exposition bezüglich der Zellaktivität untersucht werden. Es konnte gezeigt werden, dass BPDE-Behandlung von Mausfibroblasten eine intrazelluläre Signalkaskade induziert, welche zur Aktivierung der Stressaktivierten Proteinkinasen (SAPK) JNK und p38 führt. An dieser Signalkaskade sind Src-ähnliche Kinasen beteiligt. BPDE-Behandlung führt in den untersuchten Mausfibroblasten zur Induktion von DNA-Einzelstrangbrüchen, deren Auftreten zeitlich mit der SAPK-Aktivierung korreliert. Die BPDEinduzierten DNA-Strangbrüche sind die Folge der Entfernung dieser Läsionen aus dem Genom durch die Nukleotidexzisionsreparatur (NER). Erkannt werden BPDE-DNA-Addukte durch die NERProteine XPA und XPC (Xeroderma Pigmentosum Komplementationsgruppe A und C). Nach der Erkennung von BPDE-DNA-Addukten kommt es zur Rekrutierung von Nukleasen, welche die vorliegende Läsion und umliegende Nukleotide aus dem Genom entfernen. In XPA- und XPCdefizienten Mausfibroblasten induziert BPDE daher keine DNA-Strangbrüche. Jedoch ist nur in XPCdefizienten Zellen, aber nicht in XPA-defizienten Zellen, die SAPK-Aktivierung drastisch reduziert. Behandlung von Mausfibroblasten mit Benzo[c]phenanthren-3,4-Diol-1,2-Epoxid, einem PAK, dessen DNA-Addukte schlecht durch NER-Faktoren erkannt und repariert werden, führt zu keiner SAPKAktivierung. Die Aktivierung von p38 und JNK scheint demnach abhängig zu sein von der Erkennung des primären DNA-Schadens. Die XPC-abhängige SAPK-Aktivierung schützt die Zellen vor BPDEabhängiger Toxizität, da sowohl XPC- als auch p38-defiziente Mausfibroblasten eine höhere Sensitivität gegenüber BPDE zeigen als korrespondierende Wildtypzellen. Zusamenfassend konnte in dieser Arbeit ein neuer Signalweg beschrieben werden, in dem DNASchäden, verursacht durch BPDE, über die XPC-abhängige DNA-Schadenserkennung, die Aktivierung der SAPK induziert. Diese Aktivierung der SAPK schützt vor BPDE-induzierter Toxizität.

A benzothiadiazole end capped donor–acceptor based small molecule for organic electronics

A benzothiadiazole end-capped small molecule 3,6-bis(5-(benzo[c][1,2,5] thiadiazol-4-yl)thiophen-2-yl)-2,5-bis(2-butyloctyl)pyrrolo[3,4-c]pyrrole-1, 4(2H,5H)-dione (BO-DPP-BTZ) using a fused aromatic moiety DPP (at the centre) is designed and synthesized. BO-DPP-BTZ is a donor-acceptor-donor (D-A-D) structure which possesses a band gap of 1.6 eV and exhibits a strong solid state ordering inferred from ∼120 nm red shift of the absorption maxima from solution to thin film. Field-effect transistors utilizing a spin coated thin film of BO-DPP-BTZ as an active layer exhibited a hole mobility of 0.06 cm 2 V-1 s-1. Solution-processed bulk heterojunction organic photovoltaics employing a blend of BO-DPP-BTZ and [70]PCBM demonstrated a power conversion efficiency of 0.9%.

Synthesis of a new kind of polyamide and polyester including aromatic spirodilactone

A new kind of monomers including aromatic spirodilactone-5, 5'-carboxy-7,7'-dioxo-2,2'-spirobi(benzo-[c]tetrahydrofuran) is synthesized from m-xylene and paraformaldehyde. It is converted to a series of polyamides and polyesters by means of low-temperature solution polycondensation and interfacial polycondensation. NMR and IR spectra, solubility, mechanical and thermal properties of all these polymers are investigated. The polymers have high glass transition temperatures and good thermal oxidative properties. All polyamides have high viscosity and good solubility in strong polar organic solvents such as DMSO, DMAc, DMF and NMP. All polyamides can be cast into transparent, flexible and tough films possessing good tensile properties.

Regio- and stereo-selective dioxygenase-catalysed cis-dihydroxylation of fjord-region polycyclic arenes

Bacterial dioxygenase-catalysed cis-dihydroxylation of the tetracyclic arenes benzo[c]phenanthrene 2, and the isosteric compounds benzo[b]naphtho[1,2-d]furan 8, and benzo[b]naphtho[1,2-d]thiophene 9, has been found to occur exclusively at fjord-region bonds. The resulting cis-dihydrodiols 7, 10 and 11 were found to be enantiopure and of similar absolute configuration. cis-Dihydroxylation was also observed in the pseudo-fjord region of the 8,9,10,11-tetrahydro-precursors (12 and 13) of benzo[b]naphtho[1,2-d]furan 8, and benzo[b]naphtho[1,2-d]thiophene 9, to yield the corresponding enantiopure hexahydro cis-diols 14 and 15. A novel tandem cis-dihydroxylation and bis-desaturation of the tetrahydro-substrate, tetrahydrobenzo[b]naphtho[1,2-d]thiophene 13, catalysed by biphenyl dioxygenase, was found to yield the fjord-region cis-dihydrodiol 17 of benzo[b]naphtho[1,2-d]thiophene 9.

bis-cis-dihydrodiols: A new class of metabolites resulting from biphenyl dioxygenase-catalyzed sequential asymmetric cis-dihydroxylation of polycyclic arenes and heteroarenes

The biphenyl dioxygenase-catalyzed asymmetric mono-cis-dihydroxylation of the tetracyclic arenes chrysene 1A, benzo[c]phenanthridine 1B, and benzo[b]naphtho[2,1-d]thiophene 1C, has been observed to occur exclusively at the bay or pseudo-bay region using the bacterium Sphingomonas yanoikuyae B8/36. The mono-cis-dihydrodiol derivatives 2A and 2C, obtained from chrysene 1A by oxidation at the 3,4-bond (2A) and benzo[b]naphtho[2,1-d]thiophene 1C by oxidation at the 1,2-bond (2C), respectively, have been observed to undergo a further dioxygenase-catalyzed asymmetric cis-dihydroxylation at a second bay or pseudo-bay region bond to yield the corresponding bis-cis-dihydrodiols (cis-tetraols) 4A and 4C, the first members of a new class of microbial metabolites in the polycyclic arene series. The enantiopurities and absolute configurations of the new mono-cis-dihydrodiols 2B, 2C, and 3B were determined by H-1 NMR analyses of the corresponding (R)- and (S)-2-(1-methoxyethyl)benzeneboronate (MPBA) ester derivatives. The structure and absolute configurations of the bis-cis-dihydrodiols 4A and 4C were unambiguously determined by spectral analyses, stereochemical correlations, and, for the metabolite 4C, X-ray crystallographic analysis of the bis-acetonide derivative 7C. These results illustrate the marked preference of biphenyl dioxygenase for the cis-di- and tetra-hydroxylations of polycyclic arenes, at the more hindered bay or pseudo-bay regions, by exclusive addition from the same (si:si) face, to yield single enantiomers containing two and four chiral centers.

A Novel Selective Muscarinic Acetylcholine Receptor Subtype 1 Antagonist Reduces Seizures without Impairing Hippocampus-Dependent Learning

Previous studies suggest that selective antagonists of specific subtypes of muscarinic acetylcholine receptors (mAChRs) may provide a novel approach for the treatment of certain central nervous system (CNS) disorders, including epileptic disorders, Parkinson's disease, and dystonia. Unfortunately, previously reported antagonists are not highly selective for specific mAChR subtypes, making it difficult to definitively establish the functional roles and therapeutic potential for individual subtypes of this receptor subfamily. The M 1 mAChR is of particular interest as a potential target for treatment of CNS disorders. We now report the discovery of a novel selective antagonist of M-1 mAChRs, termed VU0255035 [N-(3-oxo-3-(4-(pyridine-4-yl)piperazin-1-yl)propyl)benzo[c][1,2,5]thiadiazole-4-sulfonamide]. Equilibrium radioligand binding and functional studies demonstrate a greater than 75-fold selectivity of VU0255035 for M-1 mAChRs relative to M-2-M-5. Molecular pharmacology and mutagenesis studies indicate that VU0255035 is a competitive orthosteric antagonist of M-1 mAChRs, a surprising finding given the high level of M-1 mAChR selectivity relative to other orthosteric antagonists. Whole-cell patch-clamp recordings demonstrate that VU0255035 inhibits potentiation of N-methyl-D-aspartate receptor currents by the muscarinic agonist carbachol in hippocampal pyramidal cells. VU0255035 has excellent brain penetration in vivo and is efficacious in reducing pilocarpine-induced seizures in mice. We were surprised to find that doses of VU0255035 that reduce pilo-carpine-induced seizures do not induce deficits in contextual freezing, a measure of hippocampus-dependent learning that is disrupted by nonselective mAChR antagonists. Taken together, these data suggest that selective antagonists of M-1 mAChRs do not induce the severe cognitive deficits seen with nonselective mAChR antagonists and could provide a novel approach for the treatment certain of CNS disorders.

Enzyme-catalysed oxidation of 1,2-disulfides to yield chiral thiosulfinate, sulfoxide and cis-dihydrodiol metabolites

Enantioenriched and enantiopure thiosulfinates were obtained by asymmetric sulfoxidation of cyclic 1,2-disulfides, using chemical and enzymatic (peroxidase, monooxygenase, dioxygenase) oxidation methods and chiral stationary phase HPLC resolution of racemic thiosulfinates. Enantiomeric excess values, absolute configurations and configurational stabilities of chiral thiosulfinates were determined. Methyl phenyl sulfoxide, benzo[c]thiophene cis-4,5-dihydrodiol and 1,3-dihydrobenzo[c]thiophene derivatives were among unexpected types of metabolites isolated, when acyclic and cyclic 1,2-disulfide were used as substrates for Pseudomonas putida strains. Possible biosynthetic pathways are presented for the production of metabolites from 1,4-dihydrobenzo-2,3-dithiane, including a novel cis-dihydrodiol metabolite that was also derived from benzo[c]thiophene and 1,3-dihydrobenzo[c]thiophene.

Intramolecular Direct Functionalization of Cyclopropanes via Silver-Mediated, Palladium Catalysis

Au cours de la dernière décennie, le domaine de la fonctionnalisation directe des liens C–H a connu un intérêt croissant, en raison de la demande de processus chimiques moins dispendieux, plus efficaces et plus écologiques. . Les cyclopropanes représentent un motif structural souvent retrouvé dans des agents biologiquement actifs importants et dans des intermédiaires de synthèse permettant l'accès à des architectures complexes. Malgré leur valeur intrinsèque, la fonctionnalisation directe des cyclopropanes n’a pas été largement explorée. Ce mémoire traitera de deux méthodologies liées, mais tout aussi différentes, impliquant la fonctionnalisation directe des liens C–H cyclopropaniques impliquant des réactions intramoléculaires catalysées par un complex de palladium et assistées par l’argent. Le premier chapitre présentera d’abord un bref survol de la littérature sur les fondements de la fonctionnalisation directe ainsi que les contributions majeures réalisées dans ce domaine. L’accent sera notamment mis sur la fonctionnalisation des centres sp3 et sera souligné par des exemples pertinents. Les découvertes clés concernant le mécanisme et les cycles catalytiques de ces processus seront discutées. Le second chapitre décrira comment les 2-bromoanilides peuvent être utilisés pour accéder à des motifs particuliers de type spiro 3,3’ oxindoles cyclopropyliques. L'optimisation et l’étendue de la réaction seront abordés, suivis par des études mécanistiques réfutant l’hypothèse de la formation d’un intermédiaire palladium-énolate. Ces études mécanistiques comprennent une étude cinétique de l'effet isotopique ainsi que des études sur épimérisation; celles-ci ont confirmé que la réaction se produit par arylation directe. Sur la base des résultats obtenus dans le deuxième chapitre, nous aborderons ensuite la fonctionnalisation directe des benzamides cyclopropyliques lesquels, après une ouverture de cycle, donneront de nouveaux produits benzo [c] azépine-1-ones (chapitre trois). Après avoir présenté une brève optimisation et l’étendue de la réaction, nous discuterons des études mécanistiques impliquées à déduire l'ordre des événements dans le cycle catalytique et à déterminer le rôle des réactifs. Celles-ci permetteront de conclure que la fonctionnalisation de l’unité cyclopropyle se produit avant l’ouverture de cycle et que l'acétate est responsable de la déprotonation-métalation concertée. Le dernier chapitre (chapitre quatre) traitera en rétrospective de ce qui a été appris à partir de deux méthodologies divergentes et connexes et de comment ces résultats peuvent être exploités pour explorer d’autres types de fonctionnalisations directes sur des cyclopropanes.

Leishmanicidal Activities of Novel Synthetic Furoxan and Benzofuroxan Derivatives

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Donor–acceptor systems in the quest for organic semiconductors

Die letzten Jahrzehnte brachten eine Vielzahl neuer organischen Halbleiter hervor, welche erfolgreich als aktive Materialien in Bauteilen eingesetzt wurden, wie zum Beispiel Feldeffekttransistoren (FET), organische Leuchtdioden (OLED), organischen Photovoltaikzellen (OPV) und Sensoren. Einige dieser Materialien haben, obwohl sich die Technolgie noch in der „Pubertät“ befindet, die minimalen Anforderungen für eine kommerzielle Anwendung erreicht, wobei jedoch vieles noch zu entdecken, erklären und verstehen bleibt. Diese Arbeit beschreibt das Design, die Synthese und Charakterisierung neuartiger halbleitender Polymere mit speziell eingestellten optoelektronischen Eigenschaften, welche effiziente ambipolare oder n-Leitung in OFET’s und OPV’s zeigen. Das Hauptziel wurde dadurch erreicht, dass sowohl die vorteilhaften Eigenschaften des planaren, elektronenarmen heterozyklischen Bausteines Thiadiazolo[3,4-g]quinoxalin als auch von Ethinbrücken, welche den Donor (D) und den Akzeptor (A) in einem D-A-Copolymer verbinden, durch systematische Optimierung ausgenutzt wurden. Neben synthetischen Herausforderungen werden in dieser Arbeit auch detailiiete Untersuchungen der optoelektronischen Eigenschaften der hergestellten konjugierten Polymere und Modellverbindungen dargelegt. Darüber hinaus beschreibt diese Arbeit erstmals ein Beispiel für ein Polymer, welches Dreifachbindungen im Polymerrückgrat enthält, und nahezu eine ausgeglichene ambipolare Ladungsträgerleitung in OFET’s zeigt. Zusätzlich werden gemischt-valente Phenothiazine, verbrückt mittels elektronenarmen pi-Brücken wie etwa Benzo[c][2,1,3]thiadiazol, und deren Elektronentransferprozesse, im Rahmen der Marcus-Hush-Theorie, untersucht.

Molekulare und supramolekulare Eigenschaften von neuen Donor-Akzeptor-Polymeren

Die organische Halbleitertechnologie befindet sich seit Jahrzehnten im Focus des Interesses, da sie eine kostengünstige und umweltverträgliche Alternative zu anorganischen Silizium-basierten Halbleitern darstellt. Die Möglichkeit der gezielten Funktionalisierung von definierten Strukturen durch synthetische Methoden, welche eine große Vielfalt an Materialien ermöglicht, steht dabei besonders im Vordergrund. Die Modifikation von physikalischen Eigenschaften ermöglicht dabei eine stark erleichterte Anpassung für den geplanten Anwendungsbereich. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurden organische Halbleitermaterialien basierend auf Cyclopenta[2,1-b:3,4-b']dithiophen (CDT) dargestellt und hinsichtlich ihrer strukturellen und elektronischen Eigenschaften untersucht. In Kombination mit Benzo[c][1,2,5]thiadiazol (BTZ) und weiteren Akzeptoren wurden zunächst Donor(D)-Akzeptor(A)-Polymere synthetisiert und Struktur-Eigenschaft-Beziehungen aufgestellt. So konnte ein sehr hochmolekulares Polymer CDT-BTZ-Polymer (Mn = 36 kg mol-1, PDI = 2.6) erhalten werden, welches sich durch eine hohe lamellare Ordnung und eine gemessene Ladungsträgermobilität in FETs von über 5.0 cm2V-1s-1 bei Raumtemperatur auszeichnete; bei niedrigen Temperaturen (240 K) war letztgenannte 6.5 cm2V-1s-1. Aufgrund dieses hohen Ladungstransports und der Abwesenheit niedermolekularer Polymerketten innerhalb des Polymers konnte erstmals eine Messung eines HALL-Effektes bewerkstelligt werden. Dies war der erste Beweis eines Band-artigen Ladungstransportes an einem Polymerhalbleiter. Des Weiteren wurde durch synthetische Veränderung der Grundstruktur des Polymers zu längeren Alkylketten eine anisotrope Anordnung der Polymerketten erreicht und die Ladungsträgermobilität (6.5 cm2V-1s-1 bei Raumtemperatur) weiter gesteigert. Darauf aufbauend wurde der Einfluss von stereoisomeren Seitenketten an CDT-BTZ-Polymeren auf Packungsverhalten, Parametern (Sperrstrom, Einschaltstrom) in FETs und Löslichkeit in organischen Lösungsmitteln untersucht. Durch cis-trans-Isomerisierung der Seitenketten wurde hier eine neue Methode zur Optimierung des Packungsverhaltens von Polymeren in dünnen Filmen und Lösung gefunden. Zuletzt wurden D-π-A-Farbstoffen, welche CDT als Verbrückungseinheit (π) beinhalten, dargestellt. Durch Variation von D und A konnten Struktur-Eigenschaft-Beziehungen in der Anwendung in Solarzellen (Feststoffsolarzellen, Flüssigsolarzellen) gefunden werden. Die Untersuchungen der photoinduzierten Absorption und der Photolumisenzenzquantenausbeute lieferten dabei Erklärungen für physikalische Prozesse wie Ladungsinjektion- und rekombination.

The octadecanoic pathway: signal molecules for the regulation of secondary pathways.

Plant defense against microbial pathogens and herbivores relies heavily on the induction of defense proteins and low molecular weight antibiotics. The signals between perception of the aggression, gene activation, and the subsequent biosynthesis of secondary compounds are assumed to be pentacylic oxylipin derivatives. The rapid, but transient, synthesis of cis-jasmonic acid was demonstrated after insect attack on a food plant and by microbial elicitor addition to plant suspension cultures. This effect is highly specific and not caused by a number of environmental stresses such as light, heavy metals, or cold or heat shock. Elicitation of Eschscholtzia cell cultures also led to a rapid alkalinization of the growth medium prior to jasmonate formation. Inhibition of this alkalinization process by the protein kinase inhibitor staurosporine also inhibited jasmonate formation. The induction of specific enzymes in the benzo[c]phenanthridine alkaloid pathway leading to the antimicrobial sanguinarine was induced to a qualitatively and quantitatively similar extent by fungal elicitor, methyl jasmonate, and its linolenic acid-derived precursor 12-oxophytodienoic acid. It is herein proposed that a second oxylipid cascade may exist in plants starting from linoleic acid via 15,16-dihydro-12-oxophytodienoic acid to 9,10-dihydrojasmonate. Experiments with synthetic trihomojasmonate demonstrated that beta-oxidation is not a prerequisite for biological activity and that 12-oxophytodienoic acid and derivatives are most likely fully active as signal transducers. Octadecanoic acid-derived compounds are essential elements in modulating the synthesis of antibiotic compounds and are thus integral to plant defense.