Synthesis of a Phthalocyanine Scaffold as a Core of Highly Glycosylated Dendritic Structures and a Novel Fluorenyl Spiro-Annelated Phthalocyanine.

Abstract

Das Hauptziel dieser Dissertation war es, einen Syntheseweg zu einem mehrfach mit Kohlenhydraten dekoriertem Phthalocyanin (Pc) auszuarbeiten. Zudem sollte das Pc eine dendritische Geometrie aufweisen, unter physiologischen Bedingungen löslich sein und einen aussichtsreichen Kandidaten bezüglich der zellulären Aufnahme in biologischen in vitro Tests darstellen.

Beim Verfolgen der ersten Synthesestrategie stellte sich die Struktureinheit des 1,2-Benzendimethanols als ein entscheidendes Synthon für den Pc-Vorläufer heraus, von dem die Cyclotetramerisierung ausgehen sollte. Es wurde eine effektive Multigramm Synthese, ausgehend von PMDA, zu einem Pc mit Si-Schutzgruppen entwickelt, das hervorragende Löslichkeitseigenschaften zeigt (S. 46).

Dieses ausgezeichnet lösliche ZnPc-op-CH2OTBDPS (33, 34) wurde aus zwei Reaktionsansätzen isoliert. Die Einkristallröntgenstrukturanalyse dieser beiden Chargen – 428 und 488 – unterscheiden sich lediglich durch den fünften Liganden der an das Zentralatom des Phthalocyanins koordiniert ist. Wie schon in der Einleitung ausgeführt, kommt der Löslichkeit von Phthalocyaninen eine entscheidende Bedeutung zu, sowohl wenn es um die Bestimmung der Eigenschaften neuartiger Phthalocyanine geht, als auch für die industrielle Anwendung, abseits der Verwendung als Pigmentfarbstoff (S. 14). In einer Kooperation mit der Uni Paderborn wurden einige physikochemische Eigenschaften wie Photolumineszenz und Elektrolumineszenz von Dünnfilmschichten des neuen ZnPc-op-CH2OTBDPS (33, 34) dankenswerterweise von Dr. Stephan Benning aus dem Arbeitskreis von Prof. Dr. Heinz-Siegfried Kitzerow untersucht. Erste, nicht optimierte Versuche bestätigten die erwarteten Eigenschaften der neuen Phthalocyanine als Emitter für OLEDs und als aktive Schicht in einer photovoltaischen Zelle (S. 74).

Nach vollständiger Entschützung konnte ein vielversprechendes Oktahydroxymethylen-ZnPc 39 isoliert werden. Der minimale strukturelle Unterschied im Vergleich zum beinahe unlöslichen Pc-Grundkörper ist glücklicherweise ausreichend, um die Löslichkeit in DMSO und Pyridin entscheidend zu verbessern.

Von den diversen Substitutions- und Additions-Reaktionen, die erfolgreich angewendet werden konnten, scheint die Alkylierung die Vielversprechendste für zukünftige Anwendungen zu sein. Die Alkinylierung im Speziellen stößt das Tor zum weiten Feld der „Click-Chemie“ auf und macht dieses zugänglich. Demzufolge konnte über zwei unterschiedliche Linker-Verfahren die Glycosylierung von ZnPc-op-CH2OH (39) erreicht werden: Zum Einen durch die Bildung von Carbamaten in der Reaktion mit Isocyanaten und zum Anderen über die Bildung von Triazolen aus Aziden – gemäß der „Click-Chemie“ – nach Alkinylierung von ZnPc-op-CH2OH (39).

In Kooperation mit Herrn Prof. Dr. med. Michael Schäfer vom Department der Molekularen Pharmakologie und Zellbiologie der Charité / FU-Berlin wurde die Verbindung ZnPc 81 in vitro an HepG2 Zellen getestet. Basierend auf den veröffentlichten Ergebnissen der Arbeitsgruppe um Prof. Dennis Ng wurden HepG2 Zellen auf coverslips mit ZnPc 81 inkubiert und mit einem Breitbandstrahler mit Monochromatoreinheit bei einer Anregungswellenlänge von 357 nm untersucht. Enttäuschenderweise konnte keine signifikante Fluoreszenz beobachtet werden, was sich am ehesten durch Quenching im wäßrigen Puffer zurückführen läßt. Aus diesem Grund wurden beim letzten Versuch HepG2 Zellen (10 mL Kulturmedium) mit 81 inkubiert und das Lysat in einer Küvette mit einem Standardspektrometer für UV-vis und Fluoreszenz untersucht. Im Vergleich zu einer Negativkontrolle konnte ein schwaches Indiz für die Anwesenheit von 81 im Lysat gefunden werden, wie in Figure 34 – Figure 36 gezeigt wird. Eine Positivkontrolle mit dem glucosylierten Triazol-ZnPc 80 wurde nicht ausgeführt. Dieser Vergleich hätte wahrscheinlich ausschließen können, daß es sich bei den detektierten Signalen eher um Artefakte handelt, die durch die Verschleppung während des Aufreinigungsprozesses oder durch unspezifische Physisorption hervorgerufen wurden, als durch Endozytose aufgenommenes 81 (S. 85).

Der ursprüngliche Gedanke an ein spiroverknüpftes Pc wurde über die de novo Synthese einer Schlüsselverbindung, nämlich einem vierfach, symmetrisch substituierten Benzens über eine [2+2+2]-Alkincyclotrimerisierung, verwirklicht. Schließlich wurde daraus in weiterer Folge das einzigartige, mit 2,7-Dibromfluoren spiroannelierte ZnPc 90 gewonnen. Die NMR-Aufklärung war, bedingt durch die schlechte Löslichkeit in deuterierten Solventien, unvollständig. Folglich war eine 13C-NMR Charakterisierung unmöglich. Nichtsdestotrotz konnten die Daten von 1H-NMR, HSQC, Massenspektrometrie (MALDI-TOF), UV-vis und Fluoreszenzespektroskopie mit der vorgeschlagenen Struktur von ZnPc 90 in Einklang gebracht werden.

The major goal of this thesis was to explore a synthetic pathway to a manifold carbohydrate decorated phthalocyanine, potentially of dendritic structure, with prospect to be soluble under physiological conditions and a promising candidate for in vitro tests regarding the cellular uptake.

The first synthetic strategy to a substituted tetra-spiro-annelated Pc failed because of insufficient thermal stability in solution of the trispiro-cyclotriphosphazene precursor probably due to ring strain. In pursuing this aim, a decisive result of the first strategy was a benzene-1,2-dimethanol subunit as part of the Pc-precursor from which the cyclotetramerization should be performed. To get access to this subunit, an efficient multi-gram synthesis to a highly soluble Si-protected Pc starting from PMDA was developed, after the dissatisfactory bromination route (p. 45).

This highly soluble ZnPc-op-CH2OTBDPS (33, 34) was isolated from two experiments. According to X-ray analysis the two lots – 428 and 488 – differ with regard to a fifth ligand coordinated to the central atom of the Pc. As outlined in the introduction solubility is a crucial factor to explore Pcs’properties and for industrial applications, apart from the use as pigment (p. 14). Some physicochemical properties such as photoluminescence and electroluminescence from thin-films of the new ZnPc-op-CH2OTBDPS (33, 34) were kindly investigated in cooperation by Dr. Stephan Benning, from Prof. Dr. Heinz-Siegfried Kitzerow’s group at the University of Paderborn. Unoptimized tests affirmed – in principle – the applicability as emitter substance for red light OLEDs and as photovoltaic device (p. 74).

After promising preliminary tests the desired tetra-spiro annelated Pc (10) via an in situ deprotection-substitution-sequence could not be achieved. Instead, a novel, auspicious octahydroxymethylene ZnPc was obtained after deprotection. The minimal structural differences in relation to the nearly insoluble parent Pc were fortunately sufficient to improve remarkably solubility properties in DMSO and pyridine.

Severall substitution/addition reactions were successfully processed, from which alkylation is estimated to be the most promising for future developments. In particular, alkynylation made the wide field of “Click-chemistry” accessible. Thus, glycosylation of ZnPc-op-CH2OH (39) was accomplished by two different linker chemistries: Firstly, via carbamates by reaction with glucosyl isocyanate, and secondly, formation of triazoles from glycosyl azides – in accordance to “Click-chemistry” (p. 63) – after alkynylation of ZnPc-op-CH2OH (39).

In cooperation with Prof. Dr. med. Michael Schaefer at the Department of Molecular Pharmacology and Cell Biology of the Charité / FU-Berlin galactosylated triazole ZnPc 81 was tested on HepG2 cells in vitro. On the basis of the results published by the workgroup of Prof. Dennis Ng, microscopic fluorescence studies of the incubated cells on coverslips (2 mL culture medium) were examined with a multiwavelength illuminator (Polychrome IV, TILL Photonics) as excitation light source (at 357 nm). Disappointingly, no significant fluorescence could be observed, obviously due to quenching in aqueous buffers. Therefore, in a final attempt HepG2 cells (10 mL culture medium) were incubated with 81 and the lysate was investigated in a cuvette with a standard UV-vis and fluorescence spectrometer. In comparison to a negative control experiment, a weak indication for the presence of Pc was found as shown in Figure 34 – Figure 36. A positive control experiment with the glucosylated triazole ZnPc 80 was not performed. This possibly could have ruled out artifacts, caused either by carryover during the washing sequence or by unspecific physisorption instead of endocytosis (p. 85).

The primary rationale of a spiro linked Pc was resurrected during the course of synthesis of ZnPc-op-CH2OTBDPS (33) starting from PMDA. Intermediate 22 was presumed to be an ideal candidate for the spiro annelation with fluorene derivatives. However, this synthesis was of limited success. A more elegant synthetic sequence was realized with the de novo synthesis of the symmetrically tetra-substituted benzene key building block via alkyne cyclotrimerisation to eventually yield the unique fluorenyl spiro-annelated ZnPc 90. NMR elucidation was incomplete due to the poor solubility in deuterated solvents; hence, 13C-NMR characterization was not possible. Nevertheless, the expected structure could be corroborated by 1H-NMR, HSQC, mass- (MALDI-TOF), UV-vis and fluorescence spectroscopy data, which were in full agreement with the proposed structure of ZnPc 90.