Novos derivados porfirínicos: síntese e potenciais aplicações em PDT

Abstract

O trabalho apresentado nesta dissertação descreve estudos desenvolvidos segundo três metodologias para a funcionalização de meso-tetra-arilporfirinas; uma delas baseada na funcionalização com diazo compostos, outra na reacção de Suzuki-Miyaura e a terceira na reacção de metátese. O presente documento é composto por quatro partes distintas. Na primeira parte são feitas considerações gerais sobre propriedades e aplicações de macrociclos porfirínicos. Na segunda parte é apresentado o trabalho realizado na funcionalização de porfirinas com diazo compostos através de reacções de inserção com um catalisador de ródio(II). Este estudo envolveu a preparação de duas porfirinas com grupos O-H e N-H nas posições para dum substituinte meso-fenilo. Os estudos iniciaram-se com a reacção de 5-(4-hidroxifenil)-10,15,20-trifenilporfirinatozinco(II) com diazoacetato de etilo na presença de Rh2(OAc)4. Obteve-se o produto esperado de inserção com bons rendimentos. A reacção de 5-(4-aminofenil)- 10,15,20-trifenilporfirinatozinco(II) com esse diazo composto na presença de Rh2(OAc)4 mostrou um perfil diferente do da reacção com o outro porfirinato. Foram obtidos três produtos, a saber: produto de bis-inserção e dois outros contendo o grupo funcional amida. Este capítulo descreve ainda a síntese de glicoporfirinas e de glicoclorinas através de reacções de inserção e de ciclopropanação envolvendo, respectivamente, os complexos 5-(4-hidroxifenil)- 10,15,20-trifenilporfirinatozinco(II) e 5,10,15,20- tetraquis(pentafluorofenil)porfirinatozinco(II) com α-diazoacetatos com substituintes sacarídicos. Foram usados, como catalisadores, Rh2(OAc)4 e CuCl, respectivamente, na reacção de inserção e na de ciclopropanação. Tendo em vista a sua aplicação em PDT, os novos produtos foram descomplexados e a unidade glicosídica foi desprotegida. Estudos de geração de oxigénio singuleto mostraram que os compostos obtidos são bons geradores dessa espécie citotóxica. Foram também realizados estudos de avaliação da actividade fotodinâmica em células humanas tumorais HeLa e em células humanas saudáveis HaCaT. Estudos de viabilidade celular, após tratamento fotodinâmico, mostraram que as glicoclorinas são mais eficazes na fotoinactivação das células tumorais. Apenas o derivado da clorina com a unidade de galactose mostrou selectividade para a linha celular tumoral, inibindo o crescimento desta e não causando efeito significativo na linha celular saudável. Este fotossensibilizador não foi tóxico na ausência de luz e depois do tratamento fotodinâmico e em condições sub-letais, provocou vacuolização citoplasmática e retracção pronunciada nas células tumorais, enquanto que nas células saudáveis os danos sofridos foram escassos. Nos estudos de localização celular este fotossensibilizador localizou-se na membrana citoplasmática e nos lisossomas tanto nas células HeLa como nas HaCaT. Na terceira parte deste trabalho são descritos os resultados obtidos nos estudos de funcionalização de porfirinas através da reacção de Suzuki-Miyaura. O complexo 2-(4,4,5,5,-tetrametil-1,3,2-dioxaborolan-2-il)-5,10,15,20- tetrafenilporfirinatozinco(II) foi o composto escolhido como reagente de partida. Usando a reacção de Suzuki foi possível sintetizar complexos β-bromoarilporfirínicos em bons rendimentos. Estes complexos foram sujeitos à reacção de Suzuki com pinacolborano, tendo sido possível obter os produtos de acoplamento esperados e ainda derivados diméricos de complexos porfirínicos ligados por unidades fenileno. Esta metodologia reacional, catalisada por paládio, permitiu ainda sintetizar novos derivados quinolona-porfirina através da reacção do complexo porfirínico β-borilado anteriormente referido com bromo-quinolonas Nsubstiuídas com grupos alquílicos e glicosídicos. Deste modo foram obtidos derivados quinolona-porfirina em bons rendimentos. Com vista a realizar estudos de potencial aplicação em PACT, foram hidrolisados os grupos éster da unidade de quinolona e clivados os grupos protectores das unidades glicosídicas desses derivados. No estudo por MS Tandem (MS/MS) foi possível verificar que os isómeros dos derivados quinolona-porfirina sofrem as mesmas vias de fragmentação, confirmando as suas estruturas análogas. Foi possível ainda distinguir os derivados em que a unidade de porfirina está ligada à quinolona através da posição C-6 da quinolona daqueles em que a unidade de porfirina está ligada à quinolona através da sua posição C-7. Os estudos de geração de oxigénio singuleto mostraram que as porfirinas β- substituídas com unidades de quinolona são melhores geradoras desta espécie citotóxica do que a tetrafenilporfirina e que a eficiência que têm em gerar essa espécie é afectada pela posição da ligação entre a porfirina e a quinolona, assim como com o tipo do N-substituinte da quinolona. As bases livres dos conjugados quinolona-porfirinatos foram testadas como fotossensibilizadores em PACT em células do parasita Leishmania Braziliensis, tendo-se observado que estes compostos têm capacidade para fotoinactivar este parasita. Na quarta parte deste trabalho são descritos os resultados dos estudos de funcionalização de porfirinas através da reacção de metátese com catalisador de Grubbs, visando a obtenção de novos macrociclos com grupos triazolilo. Verificouse que a eficiência da reacção de metátese cruzada entre 2-vinil-5,10,15,20- tetrafenilporfirinatozinco(II) e 4-vinil-1,2,3-triazóis N-substituídos dependia das condições reaccionais e do triazol usado em cada caso. Foi possível ainda concluir que o impedimento estéreo das espécies envolvidas é um dos responsáveis pelo ciclo catalítico prosseguir por uma via secundária, originando uma espécie de ruténio pouco eficiente como catalisador. Este estudo foi estendido à reacção dos 4-vinil-1,2,3-triazois seleccionados com 2-butadienil-5,10,15,20- tetrafenilporfirinatoniquel(II); em cada caso foi possível obter uma mistura de isómeros dos derivados triazol-porfirina, geralmente em maiores rendimentos globais do que na reacção com 2-vinil-5,10,15,20-tetrafenilporfirinatozinco(II). Este facto será indicativo de que a reacção de metátase com esse derivado porfirínico segue, predominantemente, a via mais eficiente.

The work presented in this dissertation reports studies carried out according three different methodologies for the functionalization of meso-tetra-arylporphyrins: one is related with the functionalization with diazo compounds, another one considers the Suzuki-Miyaura approach and the third one the metathesis reaction. This document has four parts. The first one relates the main properties and applications of porphyrin derivatives. The second part reports results on studies carried out for the functionalization of porphyrins with diazo compounds through insertion reactions catalyzed by a rhodium-based catalyst. This study involved the preparation of two porphyrins with OH and NH groups in the p-position of one meso-phenyl substituent of those macrocycles. Reaction of 5-(4-hydroxyphenyl)-10,15,20- triphenylporphyrinatozinc(II) with ethyl diazoacetate in the presence of Rh2(OAc)4 gave rise to the expected insertion product in good yields. In the reaction of 5-(4- aminophenyl)-10,15,20-triphenylporphyrinatozinc(II) with such diazo compound in the presence of Rh2(OAc)4 a different profile was observed. Three products were obtained: one corresponding to the bis-insertion product and the other two having each one an amide function. This part of the thesis also describes the synthesis of glycoporphyrins and glycochlorins through insertion and cyclopropanation methodologies, respectively, in reactions with 5-(4-hydroxyphenyl)-10,15,20- triphenylporphyrinatozinc(II) and 5,10,15,20- tetrakis(pentafluorophenyl)porphyrinatozinco(II) with carbohydrate substituted α- diazoacetates. As catalysts were used Rh2(OAc)4 for the insertion reactions and CuCl for the cyclopropanation ones. Having in mind their potential applications in PDT, the new derivatives obtained were demetallated and the sugar units were deprotected. Studies on the singlet oxygen generation by the new compounds have shown that these derivatives are good generators of that cytotoxic species. The new compounds were tested as photosensitisers in PDT, on a cancer cellular line, HeLa and on a normal cell line, HaCaT. Studies on cell viability after PDT treatment have shown that glycochlorins are more effective in the photoinactivation of the tumor cell line. Only the galactose-chlorin derivative showed selectivity for HeLa cells, inhibiting the growth of this tumoral cell line and causing no significant effect on the normal cell line. This photosensitiser was not toxic in the absence of light and it caused cytoplasmatic vacuolization and pronounced retraction in tumoral cell line, while in HaCaT the damages were scarce. In the study of cellular localization, this photosensitiser was located in the cytoplasmic membrane and lysosomes in both HeLa and HeCat cells. The third part of this dissertation describes the results obtained on the functionalization of porphyrins under the Suzuki-Miyaura reaction conditions. The 2-(4,4,5,5-tetramethyl-1,3,2-dioxaborolan-2-yl)-5,10,15,20- tetraphenylporphyrinatozinc(II) was chosen for being used in this reaction. Using the Suzuki methodology it was possible to synthesize β-bromo-arylporphyrinic complexes in good yields. These brominated porphyrinates were used in the Suzuki reaction with pinacol borane; it was possible to obtain novel coupling product derivatives and also porphyrin dimers linked by phenylene units. This reaction catalyzed by palladium also allowed us to synthesize new quinoloneporphyrin derivatives by the reaction of the β-borylated porphyrinic complex with Nsubstituted bromo-quinolones with alkyl and glycosyl groups affording quinoloneporphyrin derivatives in good yields. It was also performed the hydrolysis of the ester groups of the quinolone moieties and the deprotection of the glycosidic units of the quinolone-porphyrin derivatives, having in mind their potential application in PACT. In the electrospray tandem mass spectrometry (MS/MS) of the quinoloneporphyrin derivatives it was possible to verify that isomeric porphyrin-quinolone derivatives give rise to similar fragmentation pathways, confirming their analogous structures. Due to the relative abundance of some peaks it was possible to distinguish between derivatives with the porphyrin moiety linked at C-6 of the quinolone unit from those having the porphyrin moiety linked to the 7-position of the quinolone moiety. Singlet oxygen studies have shown that all the β-substituted porphyrin-quinolones are better singlet oxygen generators than TPP and that the efficiency of these compounds to generate singlet oxygen is affected by the linkage position between the porphyrin and the quinolone moieties, and also by the type of the N-substituent of the quinolone group. The free bases of quinolone-porphyrin conjugates were tested as photossensitizers in PACT against the Leishmania Braziliensis parasite cells; it was observed that these compounds are able to photoinactivate such parasite. photoinactivate such parasite. In the fourth part of this document it is described the results obtained in the study of the functionalization involving triazolyl groups of porphyrin macrocycles by the metathesis reaction using the Grubbs catalyst. It was found that the reaction between 2-vinyl-5,10,15,20-tetraphenylporphyrinatozinc(II) and N-substituted 4- vinyl-1,2,3-triazoles are dependent on the reaction conditions and on the triazole. The best conditions found were used for the synthesis of new triazole-porphyrin derivatives. The study of the reaction mechanism has shown that the steric hindrance between the two species involved is a main reason for the catalytic cycle to continue on a path characterized by the poor efficiency. This study of the metathesis reaction was extended to the reaction of selected N-substituted 4-vinyl- 1,2,3-triazoles with 2-butadienyl-5,10,15,20-tetraphenylporphyrinatonickel(II) (a porphyrinic complex with less steric hindrance) affording a mixture of isomeric triazole-porphyrin derivatives, in higher global yields than the reactions with 2-vinyl- 5,10,15,20-tetraphenylporphyrinatozinc(II). This might indicate that the metathesis reactions with the former porphyrin follows, predominantly, the more efficient route.