Synthesis and structural and photophysical characterizations of diketopyrrolopyrroles for technical and biological applications

Abstract

The synthesis of new diketopyrrolopyrroles (DPP) derivatives and the study of their properties and applications has grown significantly in recent decades. Due to its chemical versatility, it is possible to modify these compounds in different positions, allowing to this purpose the selection of different synthetic routes. Given their physical and chemical properties, the resultant compounds from the structural modification reactions can present a wide range of potential chemical, biological or technological applications. In this context, the main goal of the present thesis was to synthesize and conduct the structural characterization of new DPP derivatives, exploring their synthetic versatility. Another important goal of this thesis was focused on the study of the photophysical properties of the synthetized compounds as well as in their application in different areas. The first work developed consisted in the introduction of alkyl groups through the N-alkylation reaction. This reaction allowed to increase the solubility of these compounds in several organic solvents and enabled its easier structural. In the next step, the Suzuki-Miyaura reaction was studied in the 4-chlorophenyl groups of one of the N-alkylated derivatives (the N,N’-dipentyl-DPP). Several reactions were carried out with different boronic acids and the products were structurally characterized. For the first time, nucleophilic substitution reactions were studied in a diketopyrrolopyrrole containing two N-pentaflurobenzyl groups. In this study, reactions were carried out with several types of nucleophiles, namely thiols, phenols and amines, having obtained new derivatives with promising photophysical properties for biological application. In general, the new compounds were obtained with good reaction yields, showing high stokes shifts as well as high fluorescence quantum yields. For the first time, the application of a cationic DPP as a ligand for the stabilizing G-quadruplexes of the DNA structure was studied. Based on the photophysical properties of the synthetized compounds, their potential application in the photoinactivation of Gram-negative and Gram-positive bacteria was explored, and their high efficacy was verified. Finally, the synthesis and characterization of new DPP–rhodamine conjugates and their evaluation as Cu²⁺ and Li⁺ sensors is described. Some of the compounds whose synthesis are described in this thesis also allow the introduction of new functional groups or structural moieties which can benefit the applications descried herein, but can also enable incorporation of these compounds in different materials/systems, in a near future.

A síntese de novos derivados de dicetopirrolopirróis (DPP) e o estudo das suas propriedades e aplicações tem crescido significativamente nas últimas décadas. Devido à sua versatilidade química é possível modificar em diferentes posições estes compostos e escolher diferentes vias sintéticas para esse efeito. Devido às suas propriedades físicas e químicas, os compostos resultantes das reações de modificação estrutural podem apresentar uma vasta gama de potenciais aplicações químicas, biológicas ou tecnológicas. Neste contexto, a presente tese teve como principal objetivo a síntese e caracterização estrutural de novos derivados de DPP, explorando a sua versatilidade sintética. Um outro objetivo importante desta tese centrou-se no estudo das propriedades fotofisicas dos compostos sintetizados bem como na aplicação dos mesmos em diferentes áreas. O primeiro trabalho desenvolvido consistiu na introdução de grupos alquilo através de reações de N-alquilação. Esta reação permitiu aumentar a solubilidade destes compostos em diversos solventes orgânicos e facilitar a sua modificação estrutural. Numa etapa seguinte foi estudada a reação de Suzuki–Miyaura nos grupos 4-clorofenilo de um dos derivados N-alquilados (o N,N’-dipentil-DPP). Foram realizadas várias reações com diferentes ácidos borónicos e os produtos foram caracterizados estruturalmente. Pela primeira vez, foram estudadas reações de substituição nucleofílica num dicetopirrolopirrol contendo dois grupos N-pentaflurobenzilo. Nesse estudo foram realizadas reações com nucleófilos de vários tipos, nomeadamente tióis, fenóis e aminas, tendo-se obtido novos derivados com propriedades fotofísicas promissoras para aplicação biológica. Em geral, os novos compostos foram obtidos com bons rendimentos de reação e apresentam desvios de Stokes elevados bem como rendimentos quânticos de fluorescência elevados. Pela primeira vez foi estudada a aplicação de um DPP catiónico como ligando para a estabilização de G-quadruplexos de estruturas de ADN. Dadas as propriedades fotofísicas dos compostos sintetizados, foi explorada a sua potencial aplicação na fotoinativação de bactérias Gram-negativas e Gram-positivas, tendo-se verificado a sua elevada eficácia. Por último, descreve-se a síntese e caracterização de novos conjugados DPP–rodamina e a sua avaliação como sensores de Cu²⁺ e Li⁺. Alguns dos compostos cujas sínteses se encontram descritas nesta tese permitem ainda a introdução de novos grupos funcionais ou de unidades estruturais que possam melhorar as aplicações aqui descritas, mas também permitam a incorporação destes compostos em diferentes materiais/sistemas num futuro próximo.