Karboran Ve Metalokarboran Fonksiyonlu Ftalosiyaninler

Abstract

Son yıllarda karboran türevleri üzerine yapılan araştırmalarda büyük bir artış gözlenmiştir. Bunun nedeni, katalizör, nonlineer optik malzemeler, organik ışık yayan diyotlar ve bor-nötron yakalama terapisi (BNCT) gibi birçok farklı alanda kullanılmasını sağlayan büyüleyici yapılarıdır. Elektron çekici karakteri, üç boyutlu yarı aromatik yapısı, yüksek termal kararlılığı ve biyo-uyumluluk özelliği nedeniyle, yeni malzemelerin tasarımında anahtar bir modül olarak birçok avantaj sağlar. Ftalosiyaninler de boyama, elektrofotografi, enerji transferi, optik veri depolama, lazer teknolojisi gibi geniş bir uygulama alanına sahiptir. Bu alanlara ilaveten ftalosiyaninler tıbbi kimya alanında da kullanılmaktadır ve son yıllarda fotodinamik kanser tedavisi (PDT) için fotohissedici olarak kullanılması artan bir ivme kazanmıştır. Ftalosiyanin türevleri, porfirinlere kıyasla daha uzun dalga boylarında daha şiddetli absorbansa sahiptir ve bunların çoğu foto-kaynaklı singlet oksijen üretimine muktedirdir. Ftalosiyaninlerin fotohissedici olarak ilgi çeken noktası, periferal, nonperiferal ve aksiyel konumlarından sübstitüe ederek uygun yapının elde edilebilmesidir. Karboran veya metalokarboran içeren ftalosiyaninler bor nötron yakalama terapisi (BNCT) ve fotodinamik terapinin (PDT) birlikte kullanılabileceği potansiyel kanser ilaçları olarak kullanılabilirler. Her iki yöntem de lokal malign tümörler için bimodal terapi yöntemleridir. Bununla birlikte, ftalosiyaninlerin karboran veya metalokarboranlar ile sübstitüe edilmesi, ayrıca karboran gruplarının yapıya katılması ftalosiyaninlerin birçok çözücüdeki çözünürlüğünü arttırır. Anyonik metallokarboran ve nido karboranlar ftalosiyaninlere suda çözünürlük kazandırabilir. Karboranlar ve metalokarbonlarla sübstitüe ftalosiyaninler elektrokimyasal açıdan da güçlüdür. Bu nedenle karboran ve metallokarboranlar ile fonksiyonlandırılmış ftalosiyaninler zengin elektrokimyasal özelliklere sahiptirler. Bu tez kapsamında yapılan çalışmalar üç kısımda özetlenebilir. Birinci kısım metalokarboran grupları ile fonksiyonlandırılmış simetrik ve asimetrik ftalosiyanin bileşiklerinin sentezi ve karakterizasyonunu, ikinci kısım karboran grupları ile fonksiyonlandırılmış asimetrik ftalosiyanin bileşiklerinin sentezi ve karakterizasyonunu, üçüncü kısım ise seçilmiş bazı bileşiklerin elektrokimyasal özelliklerinin incelenmesini içermektedir. Çalışmanın birinci kısmında, ilk aşamada kobaltokarboran sübstitüe simetrik ftalosiyaninler sentezlenmiştir. İlk olarak periferal pozisyonlarında kobaltokarboran grupları bulunan simetrik tetrasübstitüe ftalosiyaninler sentezlenmiştir. Tetra kobaltokarboran fonksiyonlu 3Zn, 3Co ve 3Mn kompleksleri, tetra hidroksi fonksiyonlu 2Zn, 2Co ve 2Mn bileşiklerinin kobaltokarboran oksonyum kısmına nükleofilik atağıyla sentezlenmiştir. Elde edilen bileşikler FT-IR, 1H NMR, 11B NMR, UV–vis and kütle spektroskopisi teknikleriyle karakterize edilmiştir. 3Zn bileşiğinin floresans kuantum verimi karşılaştırmalı metotla 0.08 olarak bulunmuştur. Ayrıca singlet oksijen üretme yeteneği 1,3-difenilizobenzofuran bileşiğinin 411 nm’deki absorbansının zamanla azalışından kalitatif olarak belirlenmiştir. 3Zn bileşiğinin fotofiziksel özellikleri, bileşiğin tümörlerin PDT ve BNCT ile tedavisinde kullanılabilecek potansiyel bir fotohissedici olabileceğini göstermektedir. İkinci aşamada tek bir kobaltokarboran fonksiyonlu simetrik olmayan heptasübstitüe ftalosiyaninler sentezlenmiştir. Öncelikle tek hidroksi fonksiyonlu 4Zn, 4Co ve 4Mn bileşikleri, 4,5-bis(3-dietilaminofenoksi)ftalonitril ve 4-hidroksifenoksiftalonitrilin DMAE içerisinde uygun metal tuzuyla istatistiksel kondenzasyon yöntemiyle sentezlenmiştir. Kobaltokarboran içeren 5Zn, 5Co ve 5Mn bileşikleri, tetrakobaltakarboran sentezine benzer yöntemle hidroksi fonksiyonlu 4Zn, 4Co ve 4Mn bileşiklerinin kobaltokarboran oksonyum kısmına nükleofilik atağıyla elde edilmiştir. Sentezlenen bileşiklerin yapısal analizleri ve saflıkları 1H NMR, 13C NMR , 11B NMR, UV-Vis, IR, kütle ve elementel analiz yöntemleriyle karakterize edilmiştir. Elde edilen kompleksler elektrokimyasal olarak da karakterize edilmiş, tüm komplekslerin anodik taramada elektrokimyasal olarak polimerleştiği gözlenmiştir. Üçüncü aşamasında, moleküldeki bor oranını arttırmak için iki kobaltokarboran içeren hekzasübstitüe ftalosiyanin sentezlenmiş ve yapı kuaternize edilmiştir. 4Zn bileşiğinin sentezine benzer olarak, 6Zn bileşiği 4,5-bis(3-dietilaminofenoksi)ftalonitril ve 4,5-dihidroksifenoksiftalonitril bileşiklerinin istatistiksel kondenzasyonu ile elde edilmiştir. 7Zn bileşiği yine hidroksi fonksiyonlarının nükleofilik atağıyla 90 % verimle elde edilmiştir. Kuaternize 7ZnQ bileşiği dietilamino gruplarının metil iyodür ile kuaternizasyonuyla elde edilmiştir. 7ZnQ bileşiği beklenenin aksine suda çözünürlük göstermemiştir. Çalışmanın ikinci kısmında karboran içeren ftalosiyaninler sentezlenmiştir. İlk karboran içeren bileşik olan 9Zn bileşiği, alkinil fonksiyonlu 8Zn bileşiğinin dekaboran ile toluen asetonitril karışımında reaksiyondan 51% verimle elde edilmiştir. İki adet o-karboran grubu içeren asimetrik oktasübstitüe çinko ftalosiyanin bileşiği 11Zn, suda çözünür kuaternize türevi 11ZnQ ile birlikte sentezlenmiştir. Karboran içeren ftalosiyaninlerin suda çözünürlüğü iki farklı yöntemle sağlanabilir. Birincisi karboranları anyonik nido karborana çevirerek, diğeri ftalosiyanine sübstitüe grupları suda çözünür hale getirerek. 11Zn bileşiğini suda çözünür hale getirmek için dietilamino grupları metil iyodür ile reaksiyona sokulmuştur. 11Zn bileşiğini elde etmek için, öncelikle alkinil sübstitüe 10Zn bileşiği, 6Zn bileşiğinin propargil tosilat bileşiği ile nükleofilik sübstitüsyonuyla elde edilmiştir. 9Zn bileşiğinin elde edilme yöntemindeki gibi 10Zn bileşiğinin dekaboran ile reaksiyonundan 43 % verimle 11Zn, 11Zn bileşiğinin metil iyodür ile kuaternizasyonundan 11ZnQ bileşiği 76 % verimle elde edilmiştir. Sentezlenen bileşiklerin yapısal analizleri ve saflıkları çeşitli yöntemlerle karakterize edilmiştir. d5-Piridin ve d6-DMSO içeren NMR numunesi içerisinde yaklaşık bir ay bekleyen 11ZnQ bileşiği tamamen nido- türevine dönüştüğü gözlenmiştir. 7Zn, 7ZnQ ve 11ZnQ bileşiklerinin BNCT uygulanabilirliği halen araştırılmaktadır. Etinilfenil-o-karboran ve 3-(dietilamino)fenoksi grupları içeren oktasübstitüe 13Zn bileşiğinin sentezi ise, 12Zn bileşiğinin daha önceden hazırlanmış iyot uçlu karboran ile Sonogashira kenetlenme reaksiyonu ile gerçekleşmiştir. 12Zn bileşiği, 4-(3-(dietilaminofenoksi)-5-trimetilsililetinil ftalonitril bileşiğinin siklotetramerizasyonu ve hemen ardından trimetilsilil koruma gruplarının TBAF ile kaldırılmasıyla elde edilmiştir. 12Zn bileşiğinin 1-p-iodofenil-o-karboran ile kenetlenme reaksiyonu ile 13Zn elde edilmiştir. Bu kısmın son aşamasında, karboranilferrosen grubunun konjuge olduğu asimetrik heptasübstitüe çinko ftalosiyanin sentezlenmiştir. Öncül bileşik olan alkinil fonksiyonlu 15Zn bileşiği iki aşamada sentezlenmiştir. 16Zn bileşiği, 15Zn bileşiği ile 1-p-iyodofenil-2-ferrosenil-o-karboran bileşiğinin paladyum katalizörlüğünde gerçekleşen Sonogashira kenetlenme reaksiyonuyla 62 % verimle elde edilmiştir.Çevresindeki hacimli lipofilik gruplar nedeniyle, 16Zn bileşiği birçok çözücüde yüksek çözünürlüğe sahiptir. Elde edilen komplekslerin yapısal karakterizasyonu ve saflığı 1H NMR, 13C NMR, 11B NMR, UV-Vis, FT-IR, kütle ve elemental analiz gibi çeşitli karakterizasyon teknikleri ile doğrulanmıştır. Çalışmanın son kısmında ise 3Zn, 3Co, 3Mn, 5Zn, 5Co ve 5Mn bileşiklerinin elektrokimyasal özellikleri kobaltokarboran içermeyen öncül bileşiler ile birlikte incelenmiştir. Elektrokimyasal aktif merkez metali içeren 3Co, 3Mn, 5Co ve 5Mn bileşikleri, halka kaynaklı indirgemeye ek olarak, merkez metalinin ve kobaltokarboran birimlerinin metal kaynaklı indirgemeleri gözlenmiştir. Dietilamino fenoksi grubu içeren asimetrik ftalosiyanin bileşikleri anodik taramada elektrokimyasal olarak polimerleşmiştir. Elektropolimerleşen bu bileşikler elektrokatalitik ve elektrokromik teknolojilerinde kullanılabilme potansiyeline sahiptirler. Karboran içeren 9Zn bileşiğinde ise sadece halka kaynaklı redoks reaksiyonları gözlenmiştir.

During the past few decades there has been an increase of research into carborane derivatives. This is mainly due to their fascinating structures which make them applicable in catalysis, nonlinear optical materials, organic light emitting diodes, and boron–neutron capture therapy (BNCT) techniques. Due to its electron acceptor character, three-dimensional pseudo-aromaticity, high thermal stability, and bio-compatibility, it has several advantages as a key module in the design of new materials. Phthalocyanines have a wide application range such as dyeing, electrophotography, energy transfer, optical data storage, laser technology, etc. In addition to these areas, phthalocyanines are also used in medicinal chemistry. Over the past decades, the use of phthalocyanines as photosensitizers for photodynamic therapy of cancer (PDT) has gained a rising momentum. Phthalocyanine derivatives have stronger absorbances at longer wavelengths compared to porphyrins and most of them are capable of photoinduced singlet oxygen generation. The exciting point of phthalocyanines as photosensitizing agents is having tunable properties with the addition of substituents to the periphery of the macrocycle or axial ligands to the chelated central metal ion. Compounds containing, on one hand, polyhedral boron derivatives and, on the other hand, the phthalocyanine macrocycle are interesting as potential drugs for a combined boron neutron capture therapy of cancer (BNCT) and photodynamic therapy of cancer (PDT). Both methods are bimodal therapies for local malignant tumors. Furthermore, substitution of phthalocyanines with carborane or metallocarborane group enhances the properties of the compound as it displays a rich chemistry. The introduction of carborane groups increase solubility of phthalocyanines in most solvents. The substituted carboranes and metallocarboranes are electrochemically powerful. The redox activity of phthalocyanine may improve when it is substituted with carborane group due to the high stability, electrochemistry and ease of functionalization related to carborane. The studies carried out within the scope of this thesis can be summarized in three parts. First part examines synthesis and characterization of cobaltacarborane functionalized symmetrical and unsymmetrical phthalocyanines, second part examines synthesis and characterization of carborane functionalized symmetrical and unsymmetrical phthalocyanines. In the third part electrochemical properties is described. In the first part of this thesis, cobaltocarborane substituted phthalocyanines were synthesized. Firstly, symmetrical phthalocyanines carrying tetrakis(cobaltacarborane) units at peripheral positions were synthesized. Tetrakis(cobaltacarborane) functionalized 3Zn, 3Co and 3Mn complexes were synthesized via the nucleophilic attack of 2Zn, 2Co and 2Mn to the oxonium adduct of cobalt bis(dicarbollide). The compounds were characterized by elemental analysis, FT-IR, 1H NMR, 11B NMR, UV–Vis and mass spectrometric data. Photophysical properties of 3Zn suggest that it have potential application as dual sensitizers in the PDT and BNCT treatment of tumors. In the second study, unsymmetrical mono cobaltacarborane functionalized heptasubstituted phthalocyanines were synthesized. First, monohydroxy functionalized phthalocyanines 4Zn, 4Co and 4Mn were synthesized by mixed condensation of 4,5-bis(3-dietylaminophenoxy)phthalonitrile and 4-hydroxy phenoxyphthalonitrile in DMAE using the appropriate metal salt, namely ZnCl2, CoCl2, and MnCl2. Boronated complexes 5Zn, 5Co and 5Mn were prepared from the corresponding Pc derivatives 4Zn, 4Co and 4Mn by reaction with the oxonium derivative of cobalt bis(dicarbollide) in acetone. Structural identifications and purity of the prepared complexes were confirmed by various characterization techniques such as 1H NMR, 13C NMR , 11B NMR, UV-vis, IR, MS and elemental analysis which gave results consistent with the proposed complex structures. The electrochemical properties of these phthalocyanine conjugates were investigated. All the complexes electrochemically polymerized during anodic scan. In the last part of cobaltocarboran substituted phthalocyanines, in order to enhance the amount of boron content, we synthesized two cobaltacarborane including hexasubstituted zinc phthalocyanine together with its quaternized derivative. Similarly to the synthesis procedure of 4Zn, 6Zn was synthesized from 4,5-bis(3-dietylaminophenoxy)phthalonitrile and 4,5-dihydroxyphenoxyphthalonitrile. Boronated complex 7Zn was prepared by reaction with oxonium derivative of cobalt bis(dicarbollide) in acetone under reflux in 90 % yield. Further quaternization of the diethylamino substituents with methyl iodide yielded quaternized derivative 7ZnQ. Unfortunately, 7ZnQ was not soluble in water. In the second part of this thesis, carborane substituted phthalocyanines were synthesized. For the synthesis of the monocarborane including 9Zn, firstly alkynyl functionalized 8Zn was synthesized by mixed condensation of 4-(2-propynyloxy)-phthalonitrile and 4-[3-(diethylamino)phenoxy]phthalonitrile in DMAE in the presence of zinc chloride. The reaction of 8Zn and decaborane in a mixture of acetonitrile and toluene gave the mono-o-carboranyl-substituted phthalocyanine 9Zn in 51 % yield. The electrochemical studies showed that complex 9Zn give only ring-based redox processes. Two o-carborane including octasubstituted zinc phthalocyanine together with its quaternized derivative was synthesized in the next part. First, the alkynyl-substituted precursor, 10Zn, was prepared from 6Zn propargyl-p-toluenesulfonate via a nucleophilic substitution reaction using potassium carbonate in DMF. Using the same procedure described for 9Zn, 11Zn and decaborane in a mixture of acetonitrile and toluene gave the di-o-carboranyl-substituted 11Zn in 43 % yield. Finally, quaternization of the diethylamino substituents with methyl iodide yielded water soluble derivative 11ZnQ in 76 % yield. Structural identifications were confirmed by various characterization techniques which gave results consistent with the proposed complex structures. Carborane cages on 11ZnQ was totally transformed into nido- derivative upon standing over a period of one month in d5-pyridine including d6-DMSO. 7Zn, 7ZnQ and 11ZnQ are under investigation for BNCT applications. Octasubstituted 13Zn bearing 3-(diethylamino)phenoxy and etynylphenyl-o-carborane were synthesized using Sonogashira coupling reaction of 12Zn with a previously prepared iodinated carborane. The synthesis of 12Zn was achieved by cyclotetramerization of 4-(3-(diethylamino)phenoxy)-5-(trimethylsilyl)ethynyl phthalonitrile in DMAE and subsequently deprotection of the trimethylsilyl groups with TBAF. Sonogashira cross-coupling reaction of 12Zn with 1-p-iodophenyl-o-carborane yielded 13Zn. In the last part of the second study, we synthesized a new phthalocyanine–carborane conjugate consisting of an unsymmetrical heptasubstituted zinc phthalocyanine linked to a carboranylferrocene subunit by an arylene–alkynylene spacer. Firstly, etynyl functionalized 15Zn was carried out in two steps. 16Zn was prepared in 62% yield by Pd-catalyzed Sonogashira coupling between unsymmetrically ethynyl-substituted 15Zn and 1-p-iodophenyl-2-ferrocenyl-o-carborane. Due to the multiple bulky lipophilic groups attached at the periphery, 16Zn was very soluble in most solvents. Structural identifications and purity of the prepared complexes were confirmed by various characterization techniques such as 1H NMR, 13C NMR , 11B NMR, UV-vis, IR, MS and elemental analysis which gave results consistent with the proposed complex structures. In the last part of the study, the electrochemical properties of these phthalocyanine conjugates 3Zn, 3Co, 3Mn, 5Zn, 5Co ve 5Mn were investigated together with reference phthalocyanines. In the case of electroactive 3Co, 3Mn, 5Co and 5Mn phthalocyanine with cobaltacarborane substituents, in addition to ring based reduction, metal based reductions in both phthalocyanine core and cobaltocarborane units have been clearly identified. The electrochemical studies showed that complex 9Zn gave only ring-based redox processes.