Studies on synthesis of new photosensitizers from porphyirinoid natural products

In this work, we studied the structural transformation of methylpheophorbide a (2), a derivative of chlorophyll a (1) that was extracted from seaweed Spirulina maxima. The main propose of the study was to obtain compounds with low aggregation and appropriate photophysical characteristics for applications in Photodynamic Therapy (PDT). In this way, we prompted to transform chlorin type derivatives into the corresponding bacteriochlorins using cycloaddition reaction approaches. The use of chlorophyll a (1) was mainly motivated by its availability and low cost. In addition, this compound has been a focus of study in our research group. Therefore, it was initially developed a method of extracting/processing chlorophyll a which directly provided compound 2 (Scheme 1). In this process we used an extraction/transesterification one-pot method using an acid solution of methanol and chlorin 2 was obtained in 0.8% yield from dried seaweed. Compound 3 was obtained from 2 (77%) and then hydrogenated to give 4 (80%). The chlorophyll derivative 4 was used as starting material in order to prepare the desired bacteriochlorin via cycloaddition methodology (Scheme 2). Scheme 1. Functionalization reactions of chlorophyll a. i, ii, iii, iv, v, vi) extracting/processing one-pot reaction of compound 2 from the seaweed Spirulina maxima dehydrated in the presence of MeOH/H2SO4 5% (v/v) for 24h 0.8% . vii) MeONa / MeOH, r.t., 8h, 77%; viii) H2, 1 atm, Pd/C, 80%. Several azomethine and nitrile oxide dipoles were tested in the 1,3- dipolar cycloaddition reactions. Nevertheless, none of the studied conditions provided the desired cycloaddition adduct (bacteriochlorin). In some cases, decarboxylation by-products or total/partial substrate 4 degradation was observed. Scheme 2. Synthesis of new bacteriochlorins. An alternative method for the synthesis of bacteriochlorins using a cycloaddition approach was designed starting from the vinyl-chlorin 13 and Nphenylmaleimide (15) (Scheme 3). The synthesis of compound 13 was accomplished starting from compound 4 by dihydroxylation reaction with OsO4 (67%) followed by double dehydration in 1,2-dichlorobenzene (30%). The most promising results from cycloaddition reaction were obtained with 13 and 15 with yields around 47% (75:25 ratio of diastereoisomers determined by 1H-NMR spectroscopy). Scheme 3. Synthesis of new bacteriochlorins. The synthesized compounds were characterized by 1D and 2D NMR and UV-vis spectroscopy, infra-red and mass spectrometry. Some preliminary photophysical studies, such as photobleaching, were also conducted in order to qualify bacteriochlorin compound 14 as a potential photosensitizer. Moreover, aggregation studies by UV-vis were performed, which confirmed the low aggregation of the obtained bacteriochlorins.Universidade Federal de Sao CarlosNeste trabalho foram realizados estudos de modificações estruturais no metil-feoforbídeo a (2), um derivado da clorofila a (1) extraída da alga Spirulina maxima. O objetivo principal foi obter compostos de baixa agregação e com características fotofísicas adequadas para aplicações em Terapia Fotodinâmica (PDT), buscando, por exemplo, transformar os derivados do tipo clorina em bacterioclorinas a partir de reações de cicloadição. O uso da clorofila a (1) foi motivado pela disponibilidade, baixo custo e por fazer parte de vários estudos de nosso grupo de pesquisa. Assim, inicialmente foi desenvolvido um método de extração/transformação da clorofila a fornecendo diretamente o composto 2 (Esquema 1). Neste processo foi empregada uma extração/transesterificação one-pot de 1, em uma solução ácida de metanol. Os rendimentos deste processo estiveram em torno de 0,8% a partir da alga desidratada. Em seguida, o composto 2 foi transformado em 3 (77%) e posteriormente hidrogenado para fornecer 4 (80%). Após a preparação de 4 foram iniciados alguns estudos de cicloadição visando preparar um derivado do tipo bacterioclorina (Esquema 2). Esquema 1. Reações de funcionalização do pigmento natural clorofila a. i, ii, iii, iv, v, vi) extração/transformação one-pot do composto 2 da reação da alga Spirulina maxima desidratada na presença de MeOH/H2SO4 5% (v/v) por 24h, 0,8% . vii) MeONa/MeOH, t.a., 8h, 77%; viii) H2, 1 atm, Pd/C, 80%.Para as reações de cicloadição 1,3-dipolar propostas, foram testados alguns dipolos do tipo azometino e óxido de nitrilo. Vários dos estudos realizados não forneceram os produtos de cicloadição desejados (bacterioclorina). Em algumas situações foram obtidos subprodutos de descarboxilação ou foi verificada degradação total/parcial do substrato 4. Esquema 2. Síntese de novas bacterioclorinas. Uma segunda abordagem visando à síntese de bacterioclorinas a partir de cicloadições foi delineada partindo-se da vinil-clorina 13 realizando-se uma reação de Diels-Alder com a N-fenilmaleimida (15) (Esquema 3). A síntese do composto 13 foi realizada a partir do composto 4 pela reação de bis-hidroxilação com OsO4 (67%) seguido da dupla desidratação em 1,2 diclorobenzeno (30%). Os melhores resultados da reação de cicloadição entre 13 e 15, apresentaram rendimentos na ordem de 47% (proporção aproximada de 75:25 dos diastereoisômeros determinada por RMN de 1H). Esquema 3. Síntese de novas bacterioclorinas. Os compostos sintetizados neste trabalho foram caracterizados utilizando-se técnicas de espectroscopia de RMN 1D e 2D, espectroscopia na região do UV-vis, espectroscopia na região do infravermelho e espectrometria de massas. Ao longo das abordagens sintéticas foram realizados alguns estudos fotofísicos preliminares, como photobleaching, de modo a qualificar a bacterioclorina 14 enquanto potencial fotossensibilizador. Também foi realizado estudo de agregação por UV-vis no qual se confirmou a baixa agregação das bacterioclorinas obtidas