Functionalized Dipyrrins as Ligands for Photoactive Coordination Complexes

Abstract

In this thesis a concept for the synthesis of metal and boron complexes, based on the dipyrromethene structure, is presented. Specifically, meso-substituted dipyrromethanes and dipyrromethenes (dipyrrins) have been used for the synthesis of these complexes. The pentafluorophenyl and the 4 fluoro-3-nitrophenyl moiety enabled the selective functionalization of the related para-fluorine position with various nucleophiles (amines, alcohols, or thiocarbohydrates) via nucleophilic aromatic substitution (SNAr). Dipyrromethanes were oxidized into the dipyrrins and enabled a targeted synthesis of the corresponding heteroleptic and homoleptic dipyrrinato complexes. Starting from the meso-substituted dipyrromethanes, a targeted synthesis of the respective boron-dipyrromethenes (BODIPYs) was also successful. The dipyrrinato compounds presented in these projects are relevant for the development of photosensitizers for photodynamic therapy (PDT). To investigate the (photo)toxic potential of the dipyrrinato complexes, the compounds were evaluated for their dark and phototoxicity in tumor cell and bacterial assays by employees of the biolitec research GmbH. Dipyrromethanes are important starting materials for the preparation of porphyrins, corroles, or other macrocyclic compounds. As well, dipyrromethanes are applied in the synthesis of BODIPYs and dipyrrinato metal complexes. In one project, meso-(4-amino-3-nitrophenyl)-substituted dipyrromethanes were investigated as suitable building blocks for the development of BODIPYs and dipyrrinato ruthenium(II) complexes. An efficient substitution of the para-fluorine of the 4-fluoro-3 nitrophenyl moiety was achieved with various amines via SNAr. The scope of suitable nucleophiles has also been extended to an azido group. Starting from these functionalized dipyrromethanes the corresponding BODIPYs were prepared. Furthermore, the pre-functionalized dipyrromethanes were oxidized to their respective dipyrrins and the subsequent synthesis of (p-cymene)(dipyrrinato)ruthenium(II) complexes was carried out via reaction with a chlorido(p-cymene)ruthenium(II) half-sandwich precursor. Finally, the exchange of the p-cymene ligand with 2,2’-bipyridine led to the bis(2,2’-bipyridyl)(dipyrrinato)ruthenium(II) complexes. In another BODIPY-related project, the concept of the BODIPY core substitution with bromine was combined with the introduction of functional groups via the nucleophilic substitution in the para-position of the 4-fluoro-3-nitrophenyl and pentafluorophenyl moiety at the respective meso-position of the BODIPYs, to adapt the properties of the BODIPY towards an application as photosensitizers. For this, pre-functionalized BODIPYs were reacted with N-bromosuccinimide (NBS). However, on modifying the BODIPY core structure with NBS, multiple brominations were observed and only the corresponding mono-brominated BODIPYs could be isolated in pure form in some cases. The application of 1,3,5,7-tetramethyl-substituted BODIPYs on the other hand enabled an effective combination of these concepts (selective bromination of the BODIPY core structure and the nucleophilic aromatic substitution). The scope of suitable nucleophiles was also extended to thiocarbohydrates. This functionalization with thioglucose and thiogalactose intended to contribute to an improvement of bioavailability. A phototoxicity against bacteria was observed already at low concentrations for certain BODIPYs. Notably, a high phototoxic activity was still found under more realistic testing conditions, i.e., on repeating the bacterial assays with the addition of 10% of serum. In a third project, the preparation of the dipyrrinato iridium(III) complexes was carried out with meso-substituted dipyrrins, again starting from dipyrromethanes carrying the pentafluorophenyl and the 4 fluoro-3-nitrophenyl moiety, respectively. A wide scope of functionalized dipyrrins was synthesized via the nucleophilic substitution on these two dipyrromethanes followed by oxidation to the corresponding dipyrrins. Starting from these pre-functionalized dipyrrins, heteroleptic dipyrrinato iridium(III) complexes with an additional pentamethylcyclopentadienyl ligand were synthesized. However, the synthesis of (dipyrrinato)bis(2-phenylpyridyl)iridium(III) complexes could only be achieved via the reaction of the functionalized dipyrrins with a cyclometalated chlorido(2-phenylpyridyl)iridium(III) precursor. In the course of these investigations (dipyrrinato)bis(2-phenylpyridyl)iridium(III) complexes with free para-fluorine position were also prepared and reacted with thiocarbohydrates. Again, the glycosylation was performed to improve the bioavailability. In the tumor cell and bacterial assays, the (dipyrrinato)bis(2-phenylpyridyl)iridium(III) complexes with terminal hydroxy groups and the glycosylated derivatives exhibited a high phototoxicity even at low concentrations. Also, certain (dipyrrinato)(cyclopentadienyl)iridium(III) complexes showed a pronounced activity against bacteria under irradiation as well as without light. In a side project, the preparation of homoleptic bis(dipyrrinato) and tris(dipyrrinato) complexes with meso-(3-nitrophenyl)-based dipyrrins was investigated. The syntheses of the corresponding complexes were carried by a direct complexation of the dipyrrins with the metal salts. However, only a limited number of the homoleptic dipyrrinato complexes could be synthesized with the tested dipyrrins. The tumor cell and bacterial assays indicated no significant dark or phototoxicity for the bis(dipyrrinato) and tris(dipyrrinato) complexes. BODIPYs are used as fluorescence dyes in imaging and as markers. Metal complexes of the 1,4,7,10-tetraazacyclododecane (cyclen) can cleave protein structures or DNA, making this type of metal complexes interesting for therapeutic applications. In a last project, a conjugate between a cyclen and a BODIPY was prepared. The coupling of these molecules was realized via a copper(I)-mediated 1,3-dipolar cycloaddition with an azido-BODIPY and a propargyl-substituted cyclen. Moreover, a subsequent complexation of the BODIPY-cyclen conjugate with copper(II) was investigated.

Die vorliegende Dissertation umfasst ein Konzept für die Darstellung von Metall- und Borkomplexen auf Basis der Dipyrromethenstruktur. meso-Substituierte Dipyrromethane und Dipyrromethene (Dipyrrine) dienten hierbei zur Herstellung der verschiedenen Komplexverbindungen. Die Pentafluorphenyl- und die 4-Fluor-3-nitrophenylgruppe ermöglichten eine selektive Funktionalisierung der jeweiligen para-Position mit diversen Nucleophilen (Amine, Alkohole oder Thiozucker) mittels der nucleophilen aromatischen Substitution. Durch Oxidation wurden die substituierten Dipyrromethane in ihre dazugehörigen Dipyrrine überführt und ermöglichten die zielgerichtete Synthese von entsprechenden heteroleptischen und homoleptischen Dipyrrinatokomplexen. Gleichzeitig erlaubten die funktionalisierten Dipyrromethane auch eine Herstellung von entsprechenden Bor-Dipyrromethenkomplexen (BODIPY). Die in den verschiedenen Kapiteln dargestellten Dipyrrinatoverbindungen sind von Interesse für die Entwicklung neuer Photosensibilisatoren für die photodynamische Therapie (PDT). Weiterhin wurden die synthetisierten Komplexe von Mitarbeitern der biolitec research GmbH in Jena auf ihre Dunkel- und Phototoxizität gegen Zellen und Bakterien hin untersucht. 1. meso-Substituierte Dipyrromethane als Bausteine für die Darstellung von BODIPYs und (Dipyrrinato)ruthenium(II)-Komplexen. Dipyrromethane sind bedeutende Ausgangsverbindungen für die Synthese von Porphyrinen, Corrolen und weiteren makrozyklischen Verbindungen. Gleichzeitig bilden die Dipyrromethane auch die Ausgangsverbindungen für BODIPYs und Dipyrrinatokomplexe. In diesem Projekt wurde untersucht, inwiefern meso-(4-amino-3-nitrophenyl)-substituierte Dipyrromethane sich für die Herstellung von BODIPYs und (Dipyrrinato)ruthenium(II)-Komplexen eignen. Mittels der nucleophilen aromatischen Substitution wurde das 5-(4-Fluor-3-nitrophenyl)-dipyrromethan mit einem breiten Spektrum an verschiedensten Aminen effizient funktionalisiert. Auch konnte das Spektrum der möglichen Nucleophile auf einen Azido-Substituenten erweitert werden. Ausgehend von diesen funktionalisierten Dipyrromethanen wurden die entsprechenden BODIPYs durch Oxidation der Dipyrromethane zu den Dipyrromethenen und anschließende Komplexierung mit Bortrifluorid erfolgreich dargestellt. Des Weiteren konnten die Dipyrromethane auch zur gezielten Herstellung von funktionalisierten Dipyrrinen herangezogen werden. Die Umsetzung zu den (Dipyrrinato)(p-cymol)ruthenium(II)-Komplexen erfolgte schließlich durch die Komplexierung der Dipyrrine mit einen Chlorido(p-cymol)ruthenium(II)-Halbsandwich-Komplex. Ausgehend von den (p-Cymol)dipyrrinato)ruthenium(II)-Komplexen lieferte der Austausch der Liganden gegen 2,2´ Bipyridin schließlich die entsprechenden Bis(2,2‘-bipyridyl)(dipyrrinato)ruthenium(II)-Komplexe. 2. Modifikation der BODIPY-Struktur durch die selektive Substitution mit NBS, in Kombination mit der Einführung zusätzlicher funktioneller Gruppen über die aromatische nucleophile Substitution. Im Rahmen dieses Projektes wurde das Konzept der BODIPY-Kernsubstitution mit der Einführung funktioneller Gruppen über die nucleophile Substitution, an der 4-Fluor-3-nitrophenyl- und der Pentafluorphenylgruppe, kombiniert. Durch diese Modifizierungen sollten die Eigenschaften der BODIPYs verändert werden, um eine Anwendung als Photosensibilisatoren zu ermöglichen. Hierzu wurden zunächst funktionalisierte BODIPYs mit N-Bromsuccinimid (NBS) umgesetzt. Die selektive Substitution der 2- und 6-Positionen der BODIPY gelang allerdings nur bedingt, da neben der gewünschten Disubstitution auch eine Polysubstitution mit Brom beobachtet wurde. Dennoch gelang es mono-bromierte Verbindungen mit ausgewählten funktionalisierten BODIPYs zu erhalten. Die Verwendung von funktionalisierten 1,3,5,7-Tetramethyl-BODIPYs ermöglichte schließlich eine effektive Kombination der beiden Konzepte (selektive Bromierung der BODIPY-Kernstruktur und die nucleophile Substitution). Weiterhin wurde das Spektrum an möglichen Nucleophilen auf Thiozucker erweitert. Eine Substitution der BODIPYs mit Thio-Glucose und Thio-Galactose sollte zur Verbesserung der Bioverfügbarkeit beitragen. Schließlich gelang es, modifizierte BODIPYs zu erhalten, bei denen schon in geringer Konzentration eine deutliche phototoxische Aktivität gegenüber Bakterien beobachtet wurde. Auch unter realistischeren Bedingungen (Zugabe von Serum) zeigten ausgewählte Verbindungen noch eine deutliche Phototoxizität. 3. meso-Substituierte Dipyrrine als Bausteine für die Darstellung von photoaktiven (Dipyrrinato)iridium(III)-Komplexen. In diesem Projekt wurden heteroleptische (Dipyrrinato)iridium(III)-Komplexe synthetisiert. Die Synthese der (Dipyrrinato)iridium(III)-Komplexe erfolgte unter Verwendung von meso-substituierten Dipyrrinen. Diese wiederum wurden aus den entsprechenden substituierten Dipyrromethanen durch Oxidation erhalten. Ausgangspunkt waren erneut das Pentafluorphenyl- und das 4-Fluor-3 nitrophenyl-substituierte Dipyrromethan, die mittels nucleophiler Substitution an der para-Position des Phenyl-Restes modifiziert wurden. Ausgehend von diesen funktionalisierten Dipyrrinen wurden zunächst (Dipyrrinato)iridium(III)-Komplexe mit einem Pentamethylcyclopentadienylliganden hergestellt. Ein Ligandenaustausch mit 2-Phenylpyridin an ausgewählten (Dipyrrinato)(pentamethylcyclopentadienyl)iridium(III)-Komplexen gelang jedoch nicht. Die Darstellung der (Dipyrrinato)bis(2-phenylpyridyl)iridium(III)-Komplexe war nur durch Umsetzung entsprechender Dipyrrine mit einem cyclometallierten (2-Phenylpyridyl)iridium(III)-Komplex möglich. Weiterhin wurden auch (Dipyrrinato)bis(2-phenylpyridyl)iridium(III)-Komplexe mit para-Fluoratomen mit Thiozuckern funktionalisiert. Auch hier sollte die Glykosylierung mit Thio-Glucose bzw. Thio-Galactose, die Bioverfügbarkeit der Komplexe verbessern. In den Zell- und Bakterientests konnte in vielen Fällen eine starke phototoxische Aktivität der (Dipyrrinato)iridium(III)-Komplexe festgestellt werden. In Gegenwart von Licht war bereits eine geringe Konzentration ausreichend, um eine deutliche Reduktion der Zellviabilität bzw. eine deutliche Reduktion der Anzahl der Bakterienkolonien zu erreichen. Insbesondere traf dies auf (Dipyrrinato)bis(2- phenylpyridyl)iridium(III)-Komplexe mit endständigen Hydroxygruppen sowie auf die glykosylierten Derivate zu. Weiterhin zeigten auch die (Dipyrrinato)pentamethylcyclopentadienyl)iridium(III)-Komplexe eine deutliche Wirkung gegen Bakterien, sowohl unter Belichtung als auch bei Abwesenheit von Licht. 4. Darstellung homoleptischer Dipyrrinatokomplexe. In diesem Teilprojekt wurde die Darstellung von homoleptischen Bis(dipyrrinato)- und Tris(dipyrrinato)-Komplexen mittels meso-(3-Nitrophenyl)-substituierter Dipyrrine untersucht. Im Gegensatz zur Darstellung der heteroleptischen (Dipyrrinato)ruthenium(II)- und -iridium(III)-Komplexe erforderte die Herstellung der homoleptischen Bis(dipyrrinato)- und Tris(dipyrrinato)-Komplexe nur die direkte Umsetzung der entsprechenden Metallsalze mit dem jeweiligen Dipyrrin. Die Synthese der Bis(dipyrrinato)- und Tris(dipyrrinato)-Komplexe war allerdings nur mit einer begrenzten Anzahl der Dipyrrine erfolgreich. Auch war eine Dunkel- oder Phototoxizität der hergestellten Dipyrrinato-komplexe gegenüber Zellen und Bakterien nicht festzustellen. 5. Darstellung eines BODIPY-Cyclen Derivates. BODIPYs werden als Fluoreszenzfarbstoffe in bildgebenden Verfahren oder für die Markierung von (Bio-)Molekülen eingesetzt. Auch sind die Metallkomplexe des 1,4,7,10-Tetraazacylcododecanes (Cyclens) in der Lage Proteine oder DNA zu spalten, was diese Metallkomplexe für eine potenzielle therapeutische Anwendung Interessant macht. In diesem Projekt wurde ein Konjugat aus einem BODIPY und einem Cyclen hergestellt. Die Verknüpfung der beiden Moleküle sollte über die Kupfer(I)-katalysierte 1,3-dipolare Cycloaddition mit einem Azido-BODIPY und einem Propargyl-substituierten Cyclen erfolgen.