Phthalocyanines : interaction with carbon structures and as PDT agents

Abstract

This dissertation describes the synthesis and characterization of different phthalocyanine (Pc) derivatives, as well as some porphyrins (Pors), for supramolecular interaction with different carbon nanostructures, to evaluate their potential application in electronic nanodevices. Likewise, it is also reported the preparation and biological evaluation of interesting phthalocyanine conjugates for cancer photodynamic therapy (PDT) and microorganisms photodynamic inactivation (PDI). The phthalonitrile precursors were prepared from commercial phthalonitriles by nucleophilic substitution of -NO2, -Cl, or -F groups, present in the phthalonitrile core, by thiol or pyridyl units. After the synthesis of these phthalonitriles, the corresponding Pcs were prepared by ciclotetramerization using a metallic salt as template at high temperatures. A second strategy involved the postfunctionalization of hexadecafluorophthalocyaninato zinc(II) through the adequate substituents of mercaptopyridine or cyclodextrin units on the macrocycle periphery. The different compounds were structurally characterized by diverse spectroscopic techniques, namely 1H, 13C and 19F nuclear magnetic resonance spectroscopies (attending the elemental composition of each structure); absorption and emission spectroscopy, and mass spectrometry. For the specific photophysical studies were also used electrochemical characterization, femtosecond and raman spectroscopy, transmission electron and atomic force microscopy. It was highlighted the noncovalent derivatisation of carbon nanostructures, mainly single wall carbon nanotubes (SWNT) and graphene nanosheets with the prepared Pc conjugates to study the photophysical properties of these supramolecular nanoassemblies. Also, from pyridyl-Pors and ruthenium phthalocyanines (RuPcs) were performed Por-RuPcs arrays via coordination chemistry. The results obtained of the novel supramolecular assemblies showed interesting electron donor-acceptor interactions and might be considered attractive candidates for nanotechnological devices. On the other hand, the amphiphilic phthalocyanine-cyclodextrin (Pc-CD) conjugates were tested in biological trials to assess their ability to inhibit UMUC- 3 human bladder cancer cells. The results obtained demonstrated that these photoactive conjugates are highly phototoxic against human bladder cancer cells and could be applied as promising PDT drugs.

Esta dissertação descreve a síntese e caracterização de diferentes derivados de ftalocianina (Pc), assim como de algumas porfirinas (Pors), para interação supramolecular com diferentes nanoestruturas de carbono para potencial aplicação em nanodispositivos eletrónicos. Igualmente, é também reportado a preparação e avaliação biológica de interessantes conjugados de Pc para a terapia fotodinâmica (PDT) de cancro e para a fotoinativação de microrganismos (PDI). Neste trabalho científico são discutidas as propriedades gerais das Pcs e metodologias sintéticas usadas na sua preparação, bem como algumas das suas importantes aplicações. Os precursores ftalonitrilo foram preparados a partir de ftalonitrilos comerciais por substituições nucleofílicas de grupos -NO2, -Cl ou -F, presentes no núcleo ftalonitrilo, por unidades tiol ou piridilo. As correspondentes Pcs foram preparadas por ciclotetramerização dos ftalonitrilos, previamente sintetizados, na presença de um sal metálico a temperaturas elevadas. Uma segunda estratégia envolveu a pós-funcionalização na periferia do macrociclo da ftalocianina hexadecafluor de zinco(II) com unidades de mercaptopiridina ou ciclodextrina. Os diferentes compostos foram caracterizados estruturalmente por diversas técnicas espectroscópicas, nomeadamente espectroscopia de ressonância magnética nuclear de 1H, 13C e 19F (atendendo à composição elementar de cada estrutura), espectroscopia de absorção e de emissão, e espectrometria de massa. Para estudos fotofísicos específicos foram também usadas a caracterização electroquímica, espectroscopia de femtossegundo e raman, microscopia de transmissão eletrónica e de força atómica. Foi realizado a derivatização não covalente de nanoestruturas de carbono, principalmente nanotubos de carbono de parede simples (SWNT) e nanofolhas de grafeno, com os conjugados de ftalocianina preparados, para dessa forma estudar as propriedades fotofísicas dessas nanoassembleias supramoleculares. Também, a partir de Pors-piridilo e ftalocianinas de ruténio (RuPcs) foram realizadas matrizes de Por-RuPcs via química de coordenação. Os resultados obtidos mostraram interessantes interações eletrónicas doador-aceitador e podem ser considerados candidatos atrativos para diversos dispositivos nanotecnológicos. Por outro lado, os conjugados anfifílicos de ftalocianina-ciclodextrina (Pc-CD) foram testados em ensaios biológicos para avaliar a sua capacidade de inibir células cancerígenas UM-UC-3 da bexiga humana. Os resultados obtidos demonstraram que estes conjugados fotoativos são altamente fototóxicos contra este tipo de células, mostrando-se bastante promissores como agentes em PDT.