Multiple “Click” Reactions on Porphyrins

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2010-10-29
Issue Year
2010
Authors
Lang, Nina
Editor
Abstract

The concept of the 1,3-dipolar “click” alkyne-azide cycloaddition was successfully applied to ortho-benzylic fuctionalized tetraphenylporphyrins presented by JUX in 2000. As the further modification of these porphyrins is indispensable the “click” cycloaddition was optimized for these basic porphyrins in order to obtain good yields and easy working procedures. Thus, over 40 sophisticated and complex molecular structures were prepared. All of these new compounds feature the triazole ring as binding motif and could be characterized by standard chemical analytic methods. The optimized reaction conditions were determined successfully to be CuSO4*H2O as Cu(I)-source and sodium ascorbate as reducing agent. As solvent, a mixture of dichloromethane, ethanol and water delivered the best results. Very important is the addition of the sterical demanding base N,N’-diisopropylethylamine, which increases the yield enormously. Thus, diverse acetylene compounds were attached to various azidoporphyrins with different symmetries. The ortho-benzylic fuctionalized tetraphenylporphyrins synthesized turned out to be favorable precursors for this reaction class as the azido functionalized derivatives can be generated in a few easy steps which all proceed under full conversion. In this manner, tetraphenylporphyrins with up to eight azido units in the ortho-benzylic positions can be obtained easily. As acetylene compounds ethynyl ferrocene, phenyl acetylene and a dendritic ferrocene alkyne conjugate were chosen and were reacted with the different azidoporphyrins. Thus, a plenitude of triazole connected porphyrin conjugates was prepared. This modified “click” method allowed the easy attachment of new functional groups to the basic porphyrins. The yields of the less often functionalized systems (mono- and bis-substituted porphyrins) were satisfactory with around 60%, but excellent results were achieved for the highly-substituted systems (tetra- and octa-substituted porphyrins). These reactions proceeded with complete conversion, which means that the yield for each single reaction center on the porphyrin is higher than 99%. An autocatalytical mechanism and the stabilization of the catalytically active Cu(I)-species by the triazole moieties were supposed to be the reason for this excellent success. The structures of these systems were determined by NMR spectroscopy as well as by mass spectrometry. The ferrocene conjugates were also examined via cyclic voltammetry as the ferrocene unit offers interesting electrochemical behavior. Since this “click” approach turned out to work very well with the JUX porphyrins bridged porphyrins modeled on BALDWIN’S capped porphyrins were created. As bridging unit ferrocene or a dendritic compound were used and anchored to the azido groups of two different azidoporphyrins. In this way, simple- and double-capped ferrocene porphyrins as well as simple- and double-capped dendritic porphyrins were formed. The electrochemical properties of these systems were investigated via cyclic voltammetry and showed an astonishing additional oxidation step, whose origin can be found in the strained configuration of the porphyrin. The capability of the 1,3-dipolar “click” reaction with our porphyrin systems was underlined by creating oligomers consisting of different porphyrins. An array of conjugates built up of different porphyrins, ferrocene units and dendritic NEWKOME branches was generated. One approach, for instance, was the synthesis of a pentamer consisting of one porphyrin in the core and four porphyrins attached to it. A tetrakisazidoporphyrin was used as core porphyrin and four alkyne porphyrins were connected via the 1,3 dipolar SHARPLESS cycloaddition. Due to the autocatalytical process caused by the ortho-position of the azido groups this reaction gave full conversion. Other examples for synthesized oligomers are porphyrins which are linked via a ferrocenyltriazolyl bridge or dendritic ferrocenyl-bridged porphyrins. At last, a long desired approach was realized with this Cu(I)-catalyzed alkyne-azide coupling on the azidoporphyrins: the side-selective functionalization of the tetrakis and octakisazidoporphyrin. This synthesis is challenging due to a lot of isomers that can be formed when the porphyrins are not converted on every of its four or eight reaction centers. By taking the right stoichiometrically deficient proportion of the alkyne compound, the triazole units were built only on one side of the porphyrin plane. Thus, the side-selective modification was carried out successfully via the “click” approach. The side-selective functionalization can clearly be determined via the NMR spectra which prove the difference between the upper and the lower side of the porphyrin plane. Thus, hydrophilic and hydrophobic groups can be attached to the highly-substituted porphyrin in a regioselective manner.

Abstract

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die 1,3-dipolare SHARPLESS Alkin-Azid Cycloaddition sehr erfolgreich auf die von JUX im Jahr 2000 vorgestellten ortho-benzylisch substituierten Tetraphenylporphyrinen übertragen. Durch diese Reaktion gelang es über 40 komplexe und anspruchsvolle Moleküle in sehr guter Ausbeute zu synthetisieren. Als gemeinsames Verknüpfungsmotiv besitzen diese Strukturen den durch die Cycloaddition gebildeten Triazolring. Die dargestellten Verbindungen wurden durch die gängigen analytischen Methoden charakterisiert. Bei der 1,3-dipolaren Cu(I)-katalysierten Cycloaddition wurden die Bedingungen auf die Umsetzung mit den vorliegenden ortho-funktionalisierten Porphyrinen erfolgreich optmimiert und bestimmt. Als Cu(I)-Quelle wurde CuSO4*5 H2O verwendet, welches in situ durch Natriumascorbat reduziert wurde. Eine Mischung aus Dichlormethan, Ethanol und Wasser diente als Lösungsmittel und als zusätzliche Base lieferte N,N‘-Diisopropylethylamin die besten Resultate. Auf diese Weise konnten verschiedene Alkinkomponenten an die entsprechenden Porphyrine gekoppelt werden und so eine Fülle an komplizierten Porphyrinstrukturen mit verschiedenen Symmetrien erhalten werden. Die Azidopophyrine, welche die Ausgangsverbindungen für die entsprechenden „Click“ Reaktionen sind, wurden sehr einfach aus den von JUX et al. vorgestellten ortho-benzylisch funktionalisierten Porphyrinen erhalten. Als Alkinkomponente wurden Phenylacetylen, Ethinylferrocen und ein dendritisches Ferrocenderivat eingesetzt. Bei den durchgeführten „Click“ Cycloadditionen fiel auf, dass die Ausbeuten je Reaktionszentrum zunahm, desto mehr Substituenten das Porphyrin trägt. So verlief die Umsetzung von einfach und doppelt funktionalisierten Azidoporphyrinen mit etwa 50 - 60% zwar mit einer zufriedenstellenden Ausbeute, doch eine quantitative Umsetzung wurde für die Reaktion der hochsubstituierten Systeme (vier und achtfach funktionalisierte Porphyrine) beobachtet. Als Erklärung hierfür wurde ein autokatalytischer Prozess postuliert, der durch die steigende Anzahl an Triazoleinheiten hervorgerufen wird. Die Triazolringe können das katalytisch-aktive Cu(I) stabilisieren, was zu einer signifikanten Verbesserung der Ausbeute führt. Aufgrund der guten Ergebnisse, wurden überbrückte Porphyrinsysteme nach dem Beispiel von „BALDWINS capped porphyrin“ synthetisiert. Als Brückeneinheit wurde ein Ferrocendialkin und ein dendritisches Dialkin verwendet, welche jeweils an den Azidogruppen des Porphyrins verankert wurden. Dieser Ansatz gelang mit dem zweifach substituierten syn-Porphyrin und dem vierfach substituierten Porphyrin. Auf diese Art und Weise konnten einfach und doppelt verbrückte Porphyrine in guten Ausbeuten erhalten werden. Die elektrochemischen Eigenschaften dieser Konjugate wurden mit Hilfe von zyklischer Voltammetrie untersucht. Zu den typischen zwei Ein-Elektronen-Oxidationen des Porphyrins wurde bei diesen Systemen eine zusätzliche Oxidation detektiert, deren Ursache die verzerrrte Konfiguration der Porphyrine ist. Weiterhin wurde durch die „Click“ Chemie eine Reihe von oligomeren Konjugaten aus verschiedenen Porphyrinen synthetisiert. Einerseits gelang es Oligomere, die durch Ferroceneinheiten verknüpft sind darzustellen andererseits wurden auch verschiedene Porphyrine durch Triazolringe zu höheren Konjugaten verknüpft. Die Idee der einseitigen Funktionalisierung an den beiden verschiedenen Seiten des Porphyrins konnte durch die optimierte „Click“ Reaktion verwirklicht werden. Durch den richtig-berechneten stöchiometrischen Unterschuss wurde der Triazolring nur an einer Seite der Porphyrinebene gebildet. Dadurch können verschiedene Substituenten auf beiden Seiten eingeführt werden und die beiden Ebenen selektiv modifiziert werden. So kann durch die SHARPLESS Cycloaddition z. B. eine hydrophile und eine hydrophobe Halbsphäre um das Porphyrin erzeugt werden.

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