Sveučilište u Zagrebu

Prirodoslovno-matematički fakultet

Kemijski odsjek

Poslijediplomski sveučilišni studij: Kemija

Smjer- Organska kemija

Kemijski seminar I

BODIPY spojevi: sinteza, fotofizička i spektroskopska

svojstva i primjena

Matej Cindrić

Zagreb, 05.07.2017.

SADRŽAJ

1. Uvod……………………………………………………………..1

2. Mogućnosti u sintezi BODIPY-a………..……………….….…..1

3. Funkcionalizacija BODIPY skeleta.……………………….……3

3.1. Reakcije elektrofilne supstitucije…………………………...3

3.2. Reakcije nukleofilne supstitucije…………………………...3

3.3. Reakcije katalizirane prijelaznim metalima………………...4

3.4. Aktivne metilne skupine……………………………………5

3.5. Modifikacije na borovu atomu……………………….……..5

4. Fotofizička i spektroskopska svojstva…………………….……..6

5. Primjena BODIPY spojeva………………………………….…..7

5.1. Formacija cassette struktura…………………………...…...7

5.2. Kemijski senzori……………………………………….…...7

5.3. Obilježavanje bioloških struktura………………………......8

6. Zaključak……………………………………………………......8

7. Literatura……………………………………………………....10

1

1. Uvod

Jednu od mnogih skupina fluorescentnih boja čini jezgra od 4,4-difluoro-4-bora-3a,4a-

diaza-s-indacena, poznata pod kraćim nazivima- difluoroboron dipirometen ili BODIPY.1 Prvog

predstavnika sintetizirali su još 1968. Treibs i Kreuzer.2 Do devedesetih ove fluorescentne boje

nisu bile osobito prepoznate, a tada su započela istraživanja mogućih primjena BODIPY-a kao

obilježivača makromolekula, fluorescentnih indikatora i fluorofora u raznim senzorima. Svi ovi

oblici primjene posljedica su svojstava koja posjeduju BODIPYspojevi, a to su očuvanje

stabilnosti strukture pri izlaganju svjetlosti i kemikalijama, dobra topljivost u raznim organskim

otapalima, postojanost u otopini bez stvaranja agregata, visoki molarni apsorpcijski koeficijenti i

fluorescencijska kvantna iskorištenja. Spektroskopska i fotofizička svojstva ovih spojeva mogu

se precizno modelirati ovisno o vrstama supstituenata (elektron donorskih, odnosno

akceptorskih) na samoj BODIPY jezgri.1

NB

N

F F

1

2

33a 4a

5

6

78

Shema 1. Prikaz BODIPY jezgre1

2. Mogućnosti u sintezi BODIPY-a

U sintezi BODIPY struktura u literaturi su zastupljena tri puta. Jedan od njih (Shema 2.)

uključuje kiselinom kataliziranu kondenzaciju aldehida s pirolom u kojoj je pirol korišten i kao

otapalo jer dio pirola polimerizira pa je potreban suvišak za postizanje visokih iskorištenja

reakcije.3

NH

+

OHNH HN N

BN

F F

NH N

H+ O BF3 x Et2O

baza

Shema 2. Prikaz 1. sintetskog puta BODIPY-a1

2

Za pirole supstituirane na položaju 2 multipla kondenzacija nije kompetitivna sporedna

reakcija pa nije poteban suvišak takvih pirola. U prvom koraku sinteze nastaje dipirometan koji

je nestabilan na zraku, svjetlu i u prisustvu kiseline, stoga ga nakon kromatografiranja treba

odmah oksidirati u dipirometen. Oksidacija se uobičajeno provodi uz DDQ (2,3-dikloro-5,6-

dicijano-p-benzokinon) ili p-chloranil (2,3,5,6-terakloro-p-benzokinon). U sljedećem koraku

dipirometen uz bazu kompleksira sa borovim (III) fluorid eteratom u stabilan kompleks

BODIPY-a. Kemijska stabilnost omogućava post-sintetske modifikacije meso-arilnog

supstituenta što uključuje mogućnost reakcija oksidacije, redukcije i nukleofilne aromatske

supstitucije (SNAr).1

U sljedećem poznatom sintetskom putu (Shema 3.) pirol reagira sa kiselinskim kloridom4,

anhidridom5 ili ortoesterom

6. Nastali acil-pirol može dalje reagirati, uz kisele uvjete, sa suviškom

pirola pri čemu nastaje dipirinijeva sol. Prednost ovog sintetskog puta leži u mogućnosti sinteze

asimetričnih dipirina jer izolirani acil-pirol može reagirati i sa različitim supstituiranim pirolima

formirajući upravo asimetrične dipirine. Također, sljedeći korak je isti kao u prvom sintetskom

putu, gdje uz suvišak baze i borovog (III) fluorid eterata dolazi do formacije BODIPY

kompleksa.

NH

+X O

R

NH

O

R+

NH

R´H+

ili POCl3

R

NH NR´ N

BN

R

F F

R´BF3 x Et2O

baza

X= Cl, Br, OOCR /

RC(OR´)3

Shema 3. Prikaz 2. sintetskog puta BODIPY-a1

U trećem sintetskom putu (Shema 4.) prikazana je mogućnost u kojoj fosforov oksiklorid

omogućava kondenzaciju pirol-2-karbaldehida sa samim sobom. U predloženom mehanizmu

prikazana je supstitucija aldehidnog kisika sa klorom pri čemu nastaje azafulven koji je napadnut

sa drugom molekulom pirol-2-karbaldehida. Potom dolazi do nukleofilnog napada klorida i

raspada nestabilnog intermedijera uz oslobađanje HCl i CO i stvaranja dipirometena koji dalje

kompleksira u BODIPY.1

3

NH

O

H

POCl3

NH

Cl

H

+

NH

O

HNH HN

-2 HCl, -CO

NBN

F F

BF3 x Et2O

Shema 4. Prikaz 3. sintetskog puta BODIPY-a1

Prednost 3. sintetskog puta je činjenica da se radi o one-pot sintezi u kojoj je potrebno malo

čišćenja uz visoka iskorištenja reakcije.

3. Funkcionalizacija BODIPY skeleta

3.1. Reakcije elektrofilne supstitucije

Treibs i Kreuzer2

su prvi pokazali da BODIPY spojevi sa slobodnim položajima 2 i 6

podliježu elektrofilnoj supstituciji u prisustvu klorsulfonske kiseline. Drugi elektrofili također se

mogu uvesti na analogan način pri čemu se dobiju spojevi koji sadrže brom7 ili jod

8 u položajima

2 i 6. Pri tome je važno napomenuti da nema narušavanja B-F veza.

NBN

F F

elektrofil u bezvodnom otapalu

NBN

F F

E E

E= Br, I, SO3H

Shema 5. Prikaz elektrofilne supstitucije F-BODIPY-a9

3.2. Reakcije nukleofilne supstitucije

Prisutnost dobrih odlazećih skupina, poput klora, na položajima 3 i 5 BODIPY jezgre

omogućava lagano uvođenje amino- i alkoksi- skupina nukleofilnom supstitucijom (Shema 6.).10

Također, tioalkilne skupine na položaju 8, poput tiometilne, moguće je zamijeniti nukleofilnom

supstitucijom sa aminom.11

4

NBN

F FCl Cl

Ar

2 Nu-

-2 Cl- NBN

F FNu Nu

Ar

Nu= -NHR, -OR, -SR

Shema 6. Prikaz nukleofilne supstitucije F-BODIPY-a9

3.3. Reakcije katalizirane prijelaznim metalima

Prisutnost halogenog atoma na BODIPY jezgri, ili arilnom supstituentu na položaju 8

BODIPY jezgre (ukoliko je prisutan u molekuli) omogućuje sintezu složenijih struktura kroz

reakcije katalizirane prijelaznim metalima. Tu su najviše zastupljene reakcije unakrsnog

povezivanja katalizirane paladijem, poput Suzukijeve, Stilleove, Sonogashirine, Heckove, no

moguće je izvesti i reakcije katalizirane bakrom poput Ullmanove eterifikacije.12

Ove reakcije su

se pokazale prihvatljivima jer omogućavaju uvođenje etinskih, etenskih i arilnih skupina u

BODIPY molekulu bez narušavanja stabilnosti samog kompleksa, tj. uz očuvanje B-F veza.

NBN

F FCl

R

kataliza prijelaznim metalom

NBN

F FR´

R

R´=

O

Stilleova i Suzukijevareakcija

Heckova reakcija

Sonogashirina reakcija Ullmanova reakcija

R´=

R´= R´=

Shema 7. Prikaz prijelaznim metalima kataliziranih reakcija na položaju 3 F-BODIPY-a1

5

3.4. Aktivne metilne skupine

BODIPY jezgre mogu u položajima 3 i 5 sadržavati metilne skupine koje se mogu

deprotonirati i potom dolazi do reakcije sa elektronima bogatim aromatskim aldehidom.13,14

Ovaj

tip reakcije naziva se Knoevenagelova reakcija. Na shemi 7. prikazano je nastajanje bis- derivata,

no moguće je postići i stvaranje mono- derivata ukoliko se na položaju 8 BODIPY jezgre nalazi

proton umjesto arilnog supstituenta14

ili jednostavnije, da se koristi ekvimolarna količina

aldehida u sintezi.

NBN

F F

Ar

+

OH

OH

piperidin / AcOH

- H2O, molekularna sita

NBN

F F

Ar

OHHO

Shema 7. Prikaz Knoevenagelove reakcije na odabranom primjeru BODIPY-a

3.5. Modifikacije na borovu atomu

Uz modifikacije BODIPY jezgre na ugljikovim atomima, moguće su i one na borovu atomu.

Prvi su Murase i suradnici15

registrirali patent u kojem su zamijenili fluorove atome na F-

BODIPY-u sa arilnim grupama uz fenilmagnezijev klorid. Kasnije su Urich, Ziessel i suradnici

razvijali daljnje mogućnosti zamjene fluora i uspjeli uvesti arilne16

, etinilarilne17

i etinilne

skupine18

na atom bora. Prvi prijavljeni O-BODIPY imao je zamjenjene atome fluora i o-fenoksi

skupine koje su se nalazile na polažajima 3 i 5 uz prisustvo BBr3.19

Također, moguće je

zamijeniti atome fluora sa hidroksilnim skupinama uz prisustvo jake Lewisove kiseline.20

6

NBN

F F

R1

R2

R3

R8R7

R6

R5NBN

R1

R2

R3

R8R7

R6

R5

NBN

O O

R1

R2

R3

R8R7

R6

R5

NBN

R4 R4

R1

R2

R3

R8R7

R6

R5

R4MgX

ili

R4Li

R4 Liili

R4 MgX

R4 R4

R4ONa

ili

AlCl3/R4OH

R4 R4

R4=aril, alkil, H

R4=aril, alkil, tetrametilsilil

R4=aril, alkil

Shema 8. Prikaz modifikacije BODIPY-a na borovom atomu9

4. Fotofizička i spektroskopska svojstva

Jedna od prednosti BODIPY molekula je jednostavno modificiranje osnovnog skeleta što

omogućava utjecanje na njihova fotofizička i spektroskopska svojstva. Ovi spojevi imaju oštre

vrpce u apsorpcijskom spektru, visoke molarne apsorpcijske koeficijente (40000-110000 M-1

cm-

1), visoka fluorescencijska kvantna iskorištenja (60-90%), duga vremena života pobuđenog

singletnog stanja (1-10 ns), odličnu kemijsku i fotokemijsku stabilnost i u otopinama i u krutom

stanju.9 Također, ovi spojevi su dobro topljivi u većini organskih otapala i ne podliježu agregaciji

u otopini. Apsorpcijski spektri snimani u otopini ili plastičnim filmovima pokazuju izražene

prijelaze koji odgovaraju S0-S1 procesu i umjerene prijelaze zbog apsorpcije iz S0 u S2 stanje.

Kod pobuđivanja, bilo u S1 ili S2 stanje, jaka fluorescencija je opažena kod S1 stanja što pokazuje

dobru zrcalnu simetriju s najnižom energetskom apsorpcijskom vrpcom. Nije opažena

flourescencija iz S2 stanja i dolazi do kvantitativne interne konverzije. Pobuđeno tripletno stanje

može se detektirati laserskom flash fotolizom, a vrijeme života iznosi nekoliko mikrosekundi u

odsutnosti molekularnog kisika.1 BODIPY spojevi su kromofori koji apsorbiraju u vidljivom

dijelu spektra što se može iskoristiti u humanoj terapiji. Primjerice, ako se povežu sa

prekursorima kinon metida tada samo prevođenje prekursora u reaktivni kinon metid, koje se

mora odvijati u stanicama zbog kratkog života kinon metida, neće biti toksično za okolne zdrave

stanice jer se koristi zračenje valne duljine vidljive svjetlosti.21

7

5. Primjena BODIPY spojeva

5.1. Formacija cassette struktura

Uobičajeni problem kod organskih boja je nedovoljno velik Stokesov pomak za optimalnu

primjenu u protočnoj citometriji i fluorescencijskoj mikroskopiji. Taj problem se pokušao riješiti

na način da se na BODIPY jezgru kovalentno veže dodatna, pomoćna struktura i time stvori

cassetta. Ta pomoćna struktura je sekundarni kromofor, najčešće aromatski policikl, a namjera je

usmjeriti sve fotone, apsorbirane preko sekundarnog kromofora, prema BODIPY emiteru. U tom

sustavu je velika razlika između ekscitacijskih i emisijskih valnih duljina i omogućena je

maksimalna iskoristivost BODIPY-a kao emitera.9

NBN

F F

NBN

F F

Shema 9. Prikaz cassette sustava9

Profili apsorpcijskih spektara sadrže značajan doprinos obaju kromofora, dok se

fluorescencija pojavljuje isključivo kod BODIPY fragmenta.22

5.2. Kemijski senzori

Razvoj efikasnih senzora temeljenih na fluorescencijskom odzivu je ključan za mnoga

područja poput analitičke kemije kao i za kliničko-medicinske i okolišne znanosti.23

Osnova

funkcioniranja takvih senzora je da uhvate analit na definiranom mjestu senzora (npr. šupljina

unutar makrocikla) što će uzrokovati određenu promjenu u fluorescencijskim svojstvima senzora

koji će time dati određenu informaciju. U ovom slučaju prepoznavanje analita od strane senzora

8

dovodi do pojave ili gašenja fluorescencije. U analitičkom smislu bolje je da prisutnost analita

uzrokuje pojavu fluorescencije jer je takva metoda pouzdanija i lakša za pratiti.9 Dizajnirani su

razni senzori poput pH-senzora24

, senzora baziranih na krunastim eterima25

, piridinu26

itd. Dizajn

pH senzora temelji se na fotoinduciranom transferu elektrona (PET) pri čemu dolazi do gašenja

fluorescencije u polarnom okruženju pri sobnoj temperaturi. Uobičajena strategija je ugradnja

amino- donora ili nitro- akceptora blizu BODIPY jezgre tako da transfer elektrona može biti

kompetitivan s fluorescencijom.1

U sintezi senzora s krunastim eterima temelj je

intramolekularni transfer naboja (PCT) gdje su system koji je odgovoran za emisiju (BODIPY)

i anilino- donor smješteni ortogonalno jedan prema drugome, što minimizira elektronsko

sparivanje.1 Ovi potonji su zgodna vrsta senzora za praćenje kationa jer se mjesto

kompleksiranja, dakle sama makrociklička šupljina, može modelirati ovisno o veličini kationa

koji se želi pratiti.25

5.3. Obilježavanje bioloških struktura

Obzirom na svojstva BODIPY-a rađena su istraživanja o mogućnostima njihova korištenja u

obilježavanju bioloških materijala. Tako su dizajnirane razne probe za prepoznavanje -

amiloidnih plakova27

te je selektivnost pokazana u mozgu miša.28

Zanimljiva je i kombinacija

granisetrona vezanog na BODIPY jezgru koja je pokazala visoki afinitet za serotoninske

receptore.29

Rađene su i probe za druge biološke strukture poput tau proteina30

, no još je ostalo

puno faktora koji se moraju definirati, poput mogućnosti prolaska ovih složenih proba kroz

krvno-moždanu barijeru.28

6. Zaključak

BODIPY spojevi spojevi spadaju u manji broj fluorescentnih proba koje su našle svoju

primjenu i u kemiji i u biologiji. Budući da BODIPY jezgra osigurava mogućnosti detekcije i

obilježavanja fluorescencijom, potrebno je usmjeriti se na sintezu specifičnih kelatora za

dokazivanje pojedinih analita i sintezu poveznica koje će omogućiti specifično vezanje za

biološke strukture. U ovom radu prikazane su mogućnosti sinteze, koje, mada ne sadržavaju

puno reakcijskih koraka, ne daju velika iskorištenja zbog problema sa polimerizacijom pirolskih

9

struktura i nestabilnosti određenih prekursora.1 Unatoč ovome, već sada je razvijen pregršt raznih

vrsta detektora koji sadrže BODIPY jezgru upravo zato što različitim reakcijama (oksidacija,

redukcija, supstitucije) možemo izazvati promjenu u informaciji pri detekciji, odnosno

obilježavanju specifičnog analita, odnosno biološke strukture.

10

7. Literatura

1. N. Boens, V. Leen, W. Dehaen, Chem. Soc. Rev. 41 (2012), 1130-1172.

2. A .Treibs, F. H. Kreuzer, Justus Liebigs Ann. Chem. 718 (1968), 208-223.

3. T. Rohand, E. Dolusic, T. H. Ngo, W. Maes, W. Dehaen, ARKIVOC 10 (2007), 307-324.

4. M. Shah, K. Thangaraj, M. L. Soong, L. T. Wolford, J. H. Boyer, I. R. Politzer, T. G.

Pavlopoulos, Heteroat. Chem. 1 (1990), 389-399.

5. Z. Li, E. Mintzer, R. Bittman, J. Org. Chem. 71 (2006), 1718-1721.

6. V. P. Yakubovskyi, M. P. Shandura, Y. P. Kovtun, Eur. J. Org. Chem. 38 (2009), 3237-3243.

7. T. Yogo, Y. Urano, Y. Ishitsuka, F. Maniwa, T. Nagano, J. Am. Chem. Soc. 127 (2005), 12162

-12163.

8. K. Rurack, M. Kollmannsbergre, J. Daub, New J. Chem. 25 (2001), 289.

9. G. Ulrich, R. Ziessel, A. Harriman, Angew. Chem. Int. Ed. 47 (2008), 1184-1201.

10. W. Qin, T. Rohand, M. Baruah, A. Stefan, M. van der Auweraer, W. Dehaen, N. Boens,

Chem. Phys. Lett. 420 (2006), 562-568

11. T. V. Goud, A. Tutar, J. F. Biellmann, Tetrahedron 62 (2006), 5084-5091.

12. A. Harriman, J. P. Rostron, M. Cesario, G. Ulrich, R. Ziessel, J. Phys. Chem. 110 (2006),

7994-8002.

13. N. Saki, T. Dinc, E. U. Akkaya, Tetrahedron 62 (2006), 2721-2725.

14. G. Sathyamoorthi, L. T. Wolford, A. M. Haag, J. H. Boyer, Heteroat. Chem. 5 (1994), 245-

249.

15. S. Murase, T. Tominaga, A. Kohama, Eur. Pat. (2002), 1253151a.

16. C. Goze, G. Ulrich, L. J. Mallon, B. D. Allen, A. Harriman, R. Ziessel, J. Am. Chem. Soc.

128 (2006), 10231-10239.

11

17. C. Goze, G. Ulrich, R. Ziessel, J. Org. Chem. 72 (2007), 313-322.

18. C. Goze, G. Ulrich, R. Ziessel, Org. Lett. 8 (2006), 4445-4448.

19. H. Kim, A. Burghart, M. B. Welch, J. Reibenspies, K. Burgess, Chem. Commun. (1999),

1889-1890.

20. C. Tahtaoui, C. Thomas, F. Rohmer, P. Klotz, G. Duportail, Y. Mely, D. Bonnet, M. Hibert,

J. Org. Chem. 72 (2007), 269-272.

21. L. Uzelac, Đ. Škalamera, K. Mlinarić-Majerski, N. Basarić, M. Kralj, Eur. Jour. Med. Chem.

(2017) doi: 10.1016/j.ejmech.2017.05.063, in press

22. A. Harriman, G. Izzet, R. Ziessel, J. Am. Chem. Soc. 128 (2006), 10868-10875.

23. A. P. de Silva, H. Q. N. Gunaratne, T. Gunnlaugsson, A. J. M. Huxley, C. P. McCoy, J. T.

Rademacher, T. E. Rice, Chem. Rev. 87 (1997), 1515-1566.

24. C. N. Baki, E. U. Akkaya, J. Org. Chem. 66 (2001), 1512-1513.

25. K. Yamada, Y. Nomura, D. Citterio, N. Iwasawa, K. Suzuki, J. Am. Chem. Soc. 127 (2005),

6956-6957.

26. G. Ulrich, R. Ziessel, J. Org. Chem. 69 (2004), 2070-2083.

27. A. K. Parhi, M. P. Kung, K. Ploessl, H. F. Kung, Tetrahedron Lett. 49 (2008), 3395-3399.

28. M. Ono, M. Ishikawa, H. Kimura, S. Hayashi, K. Matsumura, H. Watanabe, Y. Shimitzu, Y.

Cheng, M. Cui, H. Kawashima, H. Saji, Bioorg. Med. Chem. Lett. 20 (2010), 3885-3888.

29. S. K. V. Vernekar, H. Y. Hallaq, G. Clarkson, A. J. Thompson, L. Silvestri, S. C. R. Lummis,

M. Lochner, J. Med. Chem. 53 (2010), 2324-2328.

30. A. Ojida, T. Sakamoto, M. Inoue, S. H. Fujishima, G. Lippens, I. Hamachi, J. Am. Chem.

Soc. 131 (2009), 6543-6548.