Synthesis and studies of photoactive organic compounds with potential biological applications

Abstract

Luminol is an unparalleled chemiluminescent agent that has found numerous applications over the years, among others in forensics, real time imaging or as a ROS detection probe. This thesis presents a systematic study on the effects of substitution on the chemiluminescence quantum efficiency of luminol, as well as the synthesis of several luminol-based derivatives and dyads that could hold potential for use as bioimaging agents or as photosensitizers in cancer therapy.In chapter 1, a brief introduction is given on the main themes explored within this dissertation, in order to provide the background for the research presented in the next chapters. In this regard, the basic principles of chemiluminescence are presented first, followed by the mechanism of luminol’s chemiluminescence and the contemporary methods for its further functionalisation. We then dive into the characteristics and current treatment of glioblastoma multiforme, a highly invasive type of brain cancer, and look at the basic principles of photodynamic therapy. Finally, the chemistry and functionalisation methods of porphyrins (with a greater focus on protoporphyrin IX – PPIX) and fullerene C60 are presented.Chapter 2 explores the way substitution of luminol at C-6 and/or C-8 with electron donating groups (specifically Me, or Ph) affects the derivatives’ chemiluminescence efficiency. To this end, a novel synthetic approach for the derivatisation of luminol is developed, using a Suzuki-Miyaura coupling strategy in its key step. This approach offers a straightforward and more reproducible way of accessing such compounds, in comparison to the already reported methods. A complete series of mono and di-substituted luminol derivatives (at positions 6 and 8) is synthesised, along with their respective anhydrides. Then, studies carried out by collaborators on the chemiluminescence quantum yields of the former, the fluorescence quantum yields of the latter, along with related quantum chemistry computations are briefly reported, towards the determination of the steric and electronic effects that might enhance or lessen the observed chemiluminescence.The most potent of those luminol derivatives (in terms of light emission), is then utilised in chapter 3 to synthesise a mitochondrial targeting luminol derivative that can be used as an effective light source to trigger the excitation of PPIX—an often-used photosensitizer in photodynamic therapy—from inside the cell, thus allowing the treatment of non-accessible, aggressive tumours such as glioblastoma multiforme without the need for surgery. Mitochondrial targeting is achieved by linking the luminol with a triphenyl phosphonium cation via an alkyl chain. Two derivatives with different lengths of spacers are synthesised and evaluated in terms of their chemiluminescence efficiency and their ability to induce photodynamic action once inside the cell. A quenching effect from the triphenyl phosphonium cation is also reported herein for the first time.Chapter 4 serves as an extension of chapter 3 in the sense that it explores the synthesis of two PPIX-luminol dyads (with different lengths of spacers) through a “click” reaction between an azide functionalised PPIX derivative and N-propargyl luminol. These dyads could potentially be used as self-activating ROS generators. Studying the efficiency of the photoinduced energy or electron transfer between luminol and PPIX in these dyads, could provide, in the future, an understanding on how the distance between the two moieties affects this process.Finally, chapter 5 looks into the synthesis of two C60-luminol dyads. Given that fullerenes are great electron acceptors, it is expected that upon triggering luminol’s chemiluminescence, an effective through-space energy transfer will occur from luminol to the C60. The two dyads reported herein bear spacers of different lengths to also evaluate how the proximity of the two groups affects the energy transfer process.

Η λουμινόλη είναι μια εξαιρετικά χρήσιμη χημειοφωταυγάζουσα ένωση η οποία έχει βρει πολλαπλές εφαρμογές, μεταξύ άλλων στην εγκληματολογία, τη βιοαπεικόνιση σε πραγματικό χρόνο ή και ως ανιχνευτής δραστικών μορφών οξυγόνου. Η παρούσα διατριβή παρουσιάζει μια συστηματική μελέτη της επίδρασης της υποκατάστασης της λουμινόλης στην κβαντική απόδοση της χημειοφωταύγειάς της, καθώς και τη σύνθεση παραγώγων και δυάδων λουμινόλης που πιθανόν να μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως δείκτες βιοαπεικόνισης ή ως φωτοευαισθητοποιητές για την αντιμετώπιση διαφόρων τύπων καρκίνου.Στο κεφάλαιο 1 γίνεται μια σύντομη εισαγωγή στα βασικά θέματα που πραγματεύεται η εργασία αυτή, ώστε να συντεθεί το υπόβαθρο για την έρευνα που παρουσιάζεται στα επόμενα κεφάλαια. Έτσι, αρχικά περιγράφονται οι βασικές αρχές της χημειοφωταύγειας, ακολουθούμενες από τον μηχανισμό χημειοφωταύγειας της λουμινόλης, καθώς και τις σύγχρονες μεθόδους παραγωγοποίησής της. Εν συνεχεία, παρουσιάζονται τα κύρια χαρακτηριστικά και οι τρόποι θεραπείας του πολύμορφου γλοιοβλαστώματος, ενός εξαιρετικά επιθετικού τύπου καρκίνου του εγκεφάλου, καθώς και οι βασικές αρχές της φωτοδυναμικής θεραπείας. Τέλος, αναφέρονται τα χημικά χαρακτηριστικά και οι τρόποι παραγωγοποίησης των πορφυρινών (κυρίως της πρωτοπορφυρίνης ΙΧ – PPIX) και του φουλλερενίου C60.Στο κεφάλαιο 2 διερευνάται ο τρόπος με τον οποίο η υποκατάσταση στους άνθρακες C-6 και/ή C-8 της λουμινόλης με ηλεκτρονιοδοτικούς υποκαταστάτες (συγκεκριμένα Me ή Ph) επηρεάζει την απόδοση της παρατηρούμενης χημειοφωταύγειας. Για το σκοπό αυτό, παρουσιάζεται μια νέα συνθετική πορεία παραγωγοποίησης της λουμινόλης μέσω καταλυτικής σύζευξης Suzuki-Miyaura. Η πορεία αυτή προσφέρει ευκολότερη πρόσβαση σε παρόμοιες ενώσεις και πιο επαναλήψιμα αποτελέσματα σε σχέση με τις ήδη υπάρχουσες μεθόδους. Έτσι, συντίθεται μια πλήρης σειρά μονο- και δι-υποκατατεστημένων παραγώγων λουμινόλης (στις θέσεις 6 και 8), καθώς και οι αντίστοιχοι αμινοφθαλικοί ανυδρίτες. Εν συνεχεία, γίνεται μια σύντομη αναφορά στη μελέτη των κβαντικών αποδόσεων χημειοφωταύγειας των παραγώγων λουμινόλης, φθορισμού των ανυδριτών, και κβαντομηχανικών υπολογισμών (που πραγματοποιήθηκαν από συνεργαζόμενες ερευνητικές ομάδες), σε μια προσπάθεια να αποσαφηνιστούν οι στερικοί και ηλεκτρονικοί παράγοντες που ενισχύουν ή ελαττώνουν την αποτελεσματικότητα της παρατηρούμενης χημειοφωταύγειας.Το ισχυρότερο από τα παράγωγα αυτά της λουμινόλης (ως προς την εκπομπή φωτός), χρησιμοποιείται στο κεφάλαιο 3 για τη σύνθεση ενός μιτοτροπικού παραγώγου λουμινόλης που μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως αποτελεσματική πηγή φωτός που θα καταλύει τη διέγερση της πρωτοπορφυρίνης ΙΧ—ενός συχνά χρησιμοποιούμενου φωτοευαισθητοποιητή στη φωτοδυναμική θεραπεία—εντός του κυττάρου, επιτρέποντας έτσι τη μη επεμβατική θεραπεία μη προσβάσιμων, επιθετικών όγκων, όπως το πολύμορφο γλοιοβλάστωμα. Η στόχευση του μιτοχονδρίου γίνεται με σύνδεση της λουμινόλης με ένα τριφαινυλοφωσφονιακό κατιόν, μέσω μιας άλκυλο- αλυσίδας. Παρουσιάζεται η σύνθεση δύο τέτοιων παραγώγων με διαφορετικά μήκη αλυσίδων, τα οποία μελετήθηκαν από συνεργαζόμενες ερευνητικές ομάδες τόσο ως προς την απόδοση της χημειοφωταύγειάς τους, όσο και ως προς τη δυνατότητά τους να εμφανίζουν φωτοδυναμική δράση κατόπιν ενσωμάτωσης σε κύτταρα. Επίσης, το φαινόμενο απόσβεσης της χημειοφωταύγειας της λουμινόλης από τα τριφαινυλοφωσφονιακά κατιόντα αναφέρεται εδώ για πρώτη φορά.Το κεφάλαιο 4 αποτελεί επέκταση του κεφαλαίου 3, υπό την έννοια ότι διερευνάται η σύνθεση δυο δυάδων PPIΧ-λουμινόλης που διαφέρουν ως προς την απόσταση μεταξύ των δυο αυτών ομάδων. Η σύνδεση γίνεται μέσω μιας αντίδρασης «click» μεταξύ ενός παραγώγου PPIX-αζιδίου και της Ν-προπαργυλο-λουμινόλης. Οι δυάδες αυτές πιθανόν να λειτουργούν ως αυτοενεργοποιούμενες μονάδες παραγωγής δραστικών μορφών οξυγόνου. Διερεύνηση της αποτελεσματικότητας της φωτοεπαγώμενης μεταφοράς ενέργειας ή/και ηλεκτρονίων από τη λουμινόλη στην PPIX θα βοηθήσει στην κατανόηση της επίδρασης της χωρικής απόστασης μεταξύ των δυο ομάδων στην διαδικασία αυτή.Τέλος, στο κεφάλαιο 5 αναφέρεται η σύνθεση δυο δυάδων φουλλερενίου C60-λουμινόλης. Δεδομένης της εξαιρετικής ηλεκτρονιοδεκτικότητας που παρουσιάζουν τα φουλλερένια, αναμένεται, κατά την αντίδραση χημειοφωταύγειας της λουμινόλης, να γίνεται χωρική μεταφορά ενέργειας στο C60. Οι δυο δυάδες που παρουσιάζονται εδώ, διαφέρουν ως προς το μήκος των αλυσίδων που χωρίζουν τη λουμινόλη από το φουλλερένιο, ώστε να διευκρινιστεί και πάλι η επίδραση της απόστασης στην αποτελεσματικότητα της διαδικασίας μεταφοράς ενέργειας.