Novel photosensitizers active in visible and near infrared spectral regions : synthesis and properties

Przedstawiona rozprawa doktorska koncentruje się na syntezie i określeniu właściwości fizykochemicznych halogenowanych kompleksów boru, z grupy subftalocyjanin oraz aza-BODIPY. Subftalocyjaniny (SubPc) są niższymi homologami ftalocyjanin (Pc), których strukturę aromatyczną buduje 14 zdelokalizowanych elektronów π. Chlor występujący w pozycji aksjalnej, łatwo ulega substytucji w reakcjach z nukleofilami, co pozwala na selektywne otrzymanie mono-modyfikowanej pochodnej. W ramach przedstawionej rozprawy, zaprojektowano syntezę chlorku heksajodo subftalocyjaniny boru (III) oraz jej modyfikacji na atomie boru. Substytucja atomu chloru w pozycji aksjalnej w reakcji z 3-hydroksypirydyną, a następnie uczwartorzędowienie obecnego w cząsteczce pirydyny atomu azotu, pozwoliła na otrzymanie kolejnych dwóch fotouczulaczy, o potencjalnie lepszych parametrach do zastosowań w fotomedycynie. W ostatnich dekadach bardzo duże zainteresowanie naukowców, wzbudziła nowa klasa związków, tj. aza-4,4-difluoro-4-bora-3a,4a-diaza-s-indacenów (aza-BODIPY), które są pochodnymi lepiej poznanych 4,4-difluoro-4-bora-3a,4a-diaza-s-indacenów (BODIPY). Zaplanowano więc syntezę polibromowanych barwników z grupy aza-BODIPY, zawierających w swojej strukturze podstawniki p-dimetyloaminofenylowe lub m-dimetyloaminofenylowe oraz p-tert-butylo-fenylowe. Wprowadzenie elektrodonorowych ugrupowań dimetyloaminowych (–NMe2) miało na celu przesunięcie widma absorpcji i emisji aza-BODIPY do zakresu bliskiej podczerwieni (NIR). Celem zwiększenia rozpuszczalności i ułatwienia izolacji oraz oczyszczania syntetyzowanych związków, do ich struktury wprowadzono ponadto duże objętościowo grupy tert-butylowe. Zaprojektowano i otrzymano barwniki posiadające w swoich strukturach ciężkie atomu bromu lub jodu celem zwiększenia populacji wzbudzonych stanów trypletowych, a tym samym zwiększenia wydajności kwantowej tworzenia tlenu singletowego (ΦΔ). Wszystkie badane związki charakteryzują się silną absorpcją w zakresie widzialnym lub bliskiej podczerwieni oraz niską wydajnością kwantową fluorescencji (SubPc, aza-BODIPY z podstawnikami p-dimetyloamino-fenylowymi). Aza-BODIPY z podstawnikami m-dimetyloaminofenylowymi nie wykazywały emisji w temperaturze pokojowej, ale zmierzono ich widma fluorescencji w szkliwie uzyskanym w niskiej temperaturze (T = 77 K). Na podstawie zarejestrowanych widm fluorescencji wyznaczono energie wzbudzonego stanu singletowego (ES). Ponadto dla subftalocyjanin zarejestrowano widma fosforescencji oraz wyznaczono energię wzbudzonego stanu trypletowego (ET). Zastosowanie techniki czasowo-rozdzielczej spektroskopii laserowej umożliwiło zbadanie dynamiki wzbudzonych stanów singletowych (S1) i trypletowych (T1) oraz wyznaczenie ich czasów życia (τS, τT). Przeprowadzone eksperymenty elektrochemiczne pozwoliły na wyznaczenie potencjałów procesów: pierwszego utlenienia (Eox1) i pierwszej redukcji (Ered1) oraz obliczenie energii orbitali granicznych HOMO (EHOMO) i LUMO (ELUMO) jak również elektrochemicznej przerwy energetycznej (Eg). Zwieńczeniem badań było przeprowadzenie pomiarów wydajności kwantowych tworzenia tlenu singletowego (ΦΔ). Najwyższą wartość ΦΔ otrzymano dla chlorku heksajodo-subftalocyjaniny boru, ΦΔ = 0.90. Przeprowadzone eksperymenty dla aza-BODIPY z grupami –NMe2 wykazały, że dzięki obecności tych grup funkcyjnych, otrzymane barwniki są wrażliwe na pH roztworu, w którym się znajdują. Objawia się to hipsochromowym przesunięciem maksimum absorpcji oraz pojawieniem się silnej fluorescencji diprotonowanej (obie grupy -NMe2) formy barwnika. W świetle przedstawionych w pracy wyników, można wnioskować, że otrzymane barwniki wykazują duży potencjał jako nowe materiały dla wielu zastosowań praktycznych, między innymi jako: fotokatalizatory, warstwy fotoaktywne w ogniwach słonecznych (DSSC), organiczne diody elektroluminescencyjne (OLED), fotouczulacze w terapii i diagnostyce fotodynamicznej (PDT i PDD).The research presented in the doctoral thesis concentrated on the synthesis and determination of physicochemical properties of halogenated boron complexes, such as subphthalocyanine and aza-BODIPY. Subphthalocyanines (SubPcs) are lower homologs of phthalocyanines, containing 14 π electron core. Chlorine atom in axial position can be easily displaced by certain nucleophiles that allow synthesis monosubstituent derivatives. Synthesis of boron (III) hexaiodosubphthalocyanine chloride and its modification at the boron atom was designed and executed. Substitution of the chlorine atom in the axial position by reaction with 3-hydroxypyridine, followed by quaternization of the nitrogen atom present in the pyridine molecule, allowed to obtain novel, interesting photosensitizers, potentially better suited for photomedicine applications. Recently, there is a growing interest in new class of compounds, i.e. aza-4,4-difluoro-4-bora-3a,4a-diaza-s-indacenes (aza-BODIPY), which are derivatives of better-known 4.4-difluoro-4-bora-3a,4a-diaza-s-indacenes (BODIPY). Therefore, synthesis of polybrominated aza-BODIPY with p-dimethylaminophenyl or m-dimethylaminophenyl substituents as well as p-tert-butylphenyl substituents was undertaken. Dimethylamino groups (-NMe2) of electrondonor nature were introduced to the structure of synthesized compounds to shift the absorption and emission spectrum into the near infrared (NIR) region. Tert-butyl groups were added to increase the solubility and to facilitate the isolation and purification of the photosensitizers prepared. The iodine or bromine atoms present in molecules of dyes were introduced to increase the population of excited triplet state (T1), which should result in high quantum yield of singlet oxygen and other ROS formation (ΦΔ) on quenching with molecular oxygen. The dyes synthesized are characterized by strong absorption in the visible or near infrared region and low quantum yield of fluorescence (SubPc, aza-BODIPY with p-dimethylaminophenyl substituents) or are non-emissive at room temperature (aza-BODIPY with m-dimethylaminophenyl substituents). Based on the recorded fluorescence spectra, the energies of the excited singlet state (ES) were determined. In addition, for subphthalocyanine the phosphorescence spectra were recorded and the energies of the excited triplet state (ET) were calculated. Furthermore, time-resolved measurements allowed observation of the dynamics of excited singlet (S1) and triplet states (T1) and determination of their lifetime (τS, τT). Cyclic voltammetry (CV) and differential pulse voltammetry (DPV) were used to determine the first oxidation (Eox1) and the first reduction (Ered1) potentials as well as to calculate HOMO (EHOMO) and LUMO (ELUMO) energy levels and electrochemical energy gaps (Eg). Quantum yields of singlet oxygen generation (ΦΔ) were determined. The highest value of ΦΔ equal to 0.90 was obtained for boron (III) hexaiodosubphthalocyanine chloride. Due to the presence of -NMe2 groups aza-BODIPY are pH sensitive, as manifested by the hypsochromic shift of the absorption maximum and the appearance of strong fluorescence from the diprotonated (both -NMe2) dye forms. Based on the results presented in thesis, one can conclude that the obtained dyes have a great potential as new photoactive materials for various applications, such as: photocatalysts, photoactive layers in solar cells (DSSC), organic electroluminescent diodes (OLED), photosensitizers for photodynamic therapy (PDT and aPDT) and sensors