Design and synthesis of new photolabile protecting groups

  • Photolabile protecting groups (PPGs, cages, photocages) are molecules which can block the activity of a functional group and be removed by irradiation of light of an appropriate wavelength. One of the goals of this work was to design new photolabile protecting groups, based on a literature known one. The far-UV absorbing diethylamino benzyl (DEAMb) photocage, developed by Wang et al., was selected as structural basis for this work. In order to trigger the uncaging reaction with longer wavelengths (≥365 nm), thus allowing also biological applications, its structure was optimized. This was done by elongating the π-orbital conjugation using biphenyl derivatives instead of a single aromatic moiety. The photocage was loaded with glutamic acid as the leaving group. The highest bathochromic shift was shown by compounds, which had the smallest sterical hindrance imposed on the second aromatic ring. The absorption spectrum was more redshifted if the second aromatic ring contained an electron withdrawing group. However, the stronger the substituents electron withdrawing strength was, the lower the uncaging quantum yield was. It was rationalized, that this is due to a decreased excited state electron density at the benzylic carbon of the DEAMb core which is necessary to trigger bond dissociation. This has been confirmed using TDDFT (time-dependent density functional theory) computations done by Jan von Cosel, Konstantin Falahati and Carsten Hamerla (from the group of Irene Burghardt). The best uncaging quantum yield was 42% for m-phenyl substituted DEAMb, while if a strong electron withdrawing group was present (nitro group), there was no photoactivity at all. In order to achieve a better π-orbital conjugation of the non-coplanar biphenyl derivatives, a C-C bond was introduced between the benzylic carbon and the second aromatic ring. The resulting planar compounds belong to the fluorene class. The computational data predicted the photochemical meta effect to some extent to be preserved in these molecules. A set of fluorene derivatives was synthesized and photochemically characterized. The molar absorption coefficients of all prepared fluorene derivatives were higher than for any of the biphenyl derivatives. Quantum yields of the acetate release ranged between 3-42%, thus being as good as the best glutamic acid releasing biphenyl compounds. The highest uncaging cross section of the acetate release from the prepared fluorene derivatives was above 5000 M^-1 cm^-1. This value proves the high potential of the new fluorene based photocages developed in this work. Furthermore, release of hydroxide ion from fluorenol could be shown along with generation of, presumably, fluorenyl cation. These intriguing results paves a way for further exploration of fluorene based photocages for the release of bad leaving groups. The second part of this work describes the custom synthesis of 13C labeled compounds for the VIPER (VIbrationally Promoted Electronic Resonance) project. In the VIPER pulse sequence, a molecule is vibrationally excited by a narrow band IR-pump pulse. The following Vis-pump pulse will promote the vibrationally pre-excited molecules to an electronically excited state. This Vis-pump pulse is offresonant for the not vibrationally pre-selected species and only resonant with the molecules, which are already pre-excited by the IR-pump pulse. Since the IR absorption bands usually are well resolved, a selective excitation of one molecule in an ensemble of similar ones is possible in the IR frequency range. Isotopologues and isotopomers are an extreme case of molecules which are near identical and differ only by isotopic composition or position. As a result in solution and at room temperature they have an identical UV-Vis absorption spectrum but different IR spectrum. This allows vibrational excitation of only one isotopologue (or isotopomer). Isotopic labels were introduced in known photocages: 7-diethylamino coumarin (DEACM) and para-hydroxy phenacyl (pHP). The position for isotopic label incorporation in these molecules was guided by computations done by Jan von Cosel and Carsten Neumann. To allow control of the photoreactions in an ultrafast timescale, an IR active leaving group was used. The uncaging behavior of the prepared molecules in steady state was tested using chromatography (HPLC) and spectroscopy (1H NMR, FTIR and UV-Vis). The VIPER experiments were performed by Daniela Kern-Michler, Carsten Neumann, Nicole Mielke and Luuk van Wilderen (from the group of Jens Bredenbeck). A selective uncaging of only the vibrationally pre-excited molecules could be achieved.
  • Photolabile Schutzgruppen sind Moleküle, die die Aktivität einer funktionellen Gruppe blockieren und durch Bestrahlung mit Licht einer geeigneten Wellenlänge entfernt werden können. Ein Ziel dieser Arbeit war, neue photolabile Schutzgruppen zu entwickeln, die auf einer bereits literaturbekannten Verbindung basieren. Als Ausgangspunkt für diese Arbeit wurde das kürzlich veröffentlichte Diethylaminobenzyl (DEAMb) als photolabile Schutzgruppe gewählt. Der einzige Nachteil dieser Photolabile Schutzgruppe ist die Notwendigkeit, UV-Licht (<330 nm) für die Photoaktivierung des DEAMb zu verwenden. Ein Ziel dieser Arbeit war es daher, die DEAMb-Struktur so zu modifizieren, dass längere Wellenlängen (≥365 nm) zum Starten der Photoreaktion genutzt werden können. Dies wurde durch Verlängerung der π-Orbitalkonjugation unter Verwendung von Biphenylderivaten anstatt einzelner aromatischer Einheiten erreicht. Als Abgangsgruppe wurde Glutaminsäure benutzt. In Zusammenarbeit mit Jan von Cosel, Konstantin Falahati und Carsten Hamerla (Arbeitskreis Irene Burghardt) wurden auch TDDFT-Rechnungen für die DEAMb-Optimierung verwendet. Den höchsten Extinktionskoeffizienten zeigten Verbindungen mit geringer sterischer Hinderung zwischen den zwei aromatischen Ringen. Die sterische Hinderung zwingt die aromatischen Ringe aus der Planarität heraus und reduziert somit den Überlapp der π-Obritale. Hierbei konnte ein klarer Trend festgestellt werden, der die elektronenziehende Wirkung eines Substituenten mit dem Absorptionsmaximum und der Quantenausbeute der Reaktion verbindet. Die Absorptionsspektren sind für Moleküle mit einem Elektronenakzeptor-Substituenten am stärksten rotverschoben. Gleichzeitig sind die Quantenausbeuten verringert. Die beste Quantenausbeute betrug 42% für m-Phenyl-substituiertes DEAMb, jedoch lag überhaupt keine Photoaktivität vor, wenn eine starke Elektronenziehende Gruppe vorhanden war (Nitrogruppe). Um eine bessere π-Orbital-Konjugation der nicht-koplanaren Biphenyl-Derivate zu erreichen, wurde eine C-C-Bindung zwischen dem Benzyl-Kohlenstoff und dem zweiten aromatischen Ring eingeführt. Die daraus resultierenden planaren Verbindungen gehören zur Klasse der Fluorene. Eine Reihe von Fluoren-Derivaten wurde synthetisiert und photochemisch charakterisiert. Um den Synthesebedarf zu reduzieren, wurde die Abgangsgruppe in Acetat umgewandelt. Die molaren Absorptionskoeffizienten aller hergestellten Fluoren-Derivate waren höher als die der Biphenyl-Derivate. Die Quantenausbeuten der Acetat-Freisetzung lagen zwischen 3-42% und sind vergleichbar mit den besten zuvor entwickelten Glutaminsäure-freisetzenden Biphenylverbindungen. Der höchste Photonen-Wirkungsquerschnitt der Acetatfreisetzung aus den hergestellten Fluoren-Derivaten lag über 5000 M^-1 cm^-1. Dieser Wert belegt das hohe Potential der neuen fluoren-basierten Photolabilen Schutzgruppen, die in dieser Arbeit entwickelt wurden. Die Ergebnisse bestätigen auch, dass die berechneten Vorhersagen erfolgreich verwendet werden können, um die photochemischen Eigenschaften einer photolabilen Schutzgruppe zu verbessern. Der zweite Teil dieser Arbeit beschreibt die Synthese von 13C-markierten Verbindungen für das VIPER-Projekt (VIbrationally Promoted Electronic Resonance). Mit der VIPER-Pulssequenz wird ein Molekül von einem schmalbandigen IR-Pump-Puls vibrationsangeregt. Der folgende Vis-Pump-Puls versetzt die vibrationell vorangeregten Moleküle in einen elektronisch angeregten Zustand. Dieser Vis-Pump-Puls kann nur von den Molekülen absorbiert werden, die bereits durch den IR-Pump-Puls vorangeregt sind. Für die nicht schwingungsmäßig vorausgewählten Spezies ist der sichtbare Anregepuls nicht resonant. Da die IR-Absorptionsbanden in der Regel gut aufgelöst sind, ist eine selektive Anregung eines Moleküls in einem Ensemble von ähnlichen Molekülen im IR-Frequenzbereich möglich. Isotopologe und Isotopomere sind ein Extremfall von Molekülen, die nahezu identisch sind und sich nur durch Isotopenzusammensetzung oder -position unterscheiden. Somit haben sie in Lösung bei Raumtemperatur identische UV-Vis-Absorptionsspektren, aber unterschiedliche IR-Spektren. Die verschiedenen IR-Spektren erlauben die Vibrationsanregung von nur einem Isotopolog (oder Isotopomer). Isotopenmarkierungen wurden in bekannte Photolabile Schutzgruppen eingeführt: 7-Diethylaminocoumarin und para-Hydroxyphenacyl (pHP). Die Position für den Isotopenmarkierungseinbau in diese Moleküle wurde durch Berechnungen von Jan von Cosel und Carsten Neumann bestimmt. Um die Photoreaktionen auf einer ultraschnellen Zeitskala kontrollieren zu können, wurde eine IR-aktive Abgangsgruppe verwendet. Das Uncaging-Verhalten der hergestellten Moleküle im stationären Zustand wurde mittels Chromatographie (HPLC) und Spektroskopie (1H-NMR, FTIR und UV-Vis) getestet. Die VIPER-Experimente wurden von Daniela Kern-Michler, Carsten Neumann, Nicole Mielke und Luuk van Wilderen (Arbeitskreis Jens Bredenbeck) durchgeführt. Eine selektive Photoreaktion von nur den vibrationsvorangeregten Molekülen konnte beobachtet werden.

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Metadaten
Author:Matiss Reinfelds
URN:urn:nbn:de:hebis:30:3-479823
Place of publication:Frankfurt am Main
Referee:Alexander HeckelORCiD, Jens Bredenbeck
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2018/10/23
Year of first Publication:2018
Publishing Institution:Universitätsbibliothek Johann Christian Senckenberg
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Universität
Date of final exam:2018/10/16
Release Date:2018/10/25
Tag:Photolabile Schutzgruppen
Fluorene derivatives; Meta effect; Photocages; Photolabile protecting groups
Page Number:X, 221
HeBIS-PPN:437917118
Institutes:Biochemie, Chemie und Pharmazie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
Sammlungen:Universitätspublikationen
Sammlung Biologie / Biologische Hochschulschriften (Goethe-Universität)
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht