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Previous issue date: 2016-03-21 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / In this thesis we describe studies towards the synthesis of porphyrins aiming the optimization of literature protocols leading to more environmental friendly approaches. Also, structural modifications and photophysical
evaluations in meso-tetraarylporphyrins were studied, especially in mesotetra(thien-2-yl) porphyrins. Classical synthetic methods for porphyrins involve the use of high
temperatures, toxic solvents, high dilution, and often low yields. In view of this,
we decided to explore the methodology described by Bonar-Law in order to
verify the feasibility of using aqueous environments in the synthesis of
porphyrins. Some modifications were studied using sodium dodecylbenzylsulfonate (SDBS) as a critical micelle-forming instead of sodium
dodecyl sulfate (SDS) as previously described, and the use of trichloroisocyanuric acid as oxidizing agent instead of 2,3-dichloro-5,6-dicyano-1,4-benzoquinone (DDQ), and montmorillonite K-10 as catalyst instead of HCl.
These were chosen in order to use reagents with less environmental impact.
However, the results were not satisfactory, yielding amounts of side-products
reported in the literature. Also, we have studied the synthesis of porphyrins under continuous flow conditions, since the use of this technology gives more safety and efficiency to
chemical reactions. The experiments under continuous flow conditions were
performed using an adaptation of Gonsalves and Lindsey methodologies. First,
the synthesis of tetraphenylporphyrin (TPP) was optimized, and different flow,
temperature and concentration of reagents were evaluated in order to obtain the
best reaction conditions.
Thus, under continuous flow conditions employing tubular reactors
(adaptations Gonsalves methodology), the highest yield for mesotetraphenylporphyrin
(TPP) was 31% using a concentration of 0.2 mol L-1 for the pyrrol, and benzaldehyde, a flow of 0.6 mL min-1 at 140 °C. For comparison, the same experiment performed in batch resulted in 25% yield for TPP. Moreover,
streaming technology has enabled the synthesis of various meso-substituted
derivatives in yields of 9% to 39% indicating good versatility of this tool. The use of solid phase reactors (Lindsey methodology adaptations) consisted of preliminary experiments should be explored in more detail and will be carried on by the research group.
With regard to meso-tetra(2-thienyl)porphyrins, these exhibit unique photophysical, photochemical and electrochemical properties and have been identified as potential photosensitizers for photodynamic therapy (PDT) and solar cells (CS) applications. In view of this, we decided to study different
conditions for the synthesis, structural modification and the photodynamic
properties of these porphyrin derivatives. Meso-tetra(2-thienyl)porphyrin was
successfully synthesized using different methodologies with improvements in
the yields after experimental modifications of the literature procedures. After
systematic studies, meso-tetra(thien-2-yl)porphyrin was obtained in pure form
with 36% yield, using chlorobenzene as solvent, hydroxylamine hydrochloride
as catalyst and nitrobenzene as oxidant.
Nitration reactions were carried out using mild reaction conditions with sodium nitrite and trifluoroacetic acid. The nitrated derivatives were obtained at α-position of thiophene in 66% yield for the mono-nitro product and 59% for the tetra-nitro product. Also, the Vilsmeier-Haack reaction was studied for obtaining
functionalized meso-tetra(2-thienyl)porphyrins with formyl groups. In these studies only formylations at the α-position of the thiophene ring were observed, and no formylation at the β position of the porphyrin core (common for
tetraphenylporphyrins). Moreover, we obtained reaction conditions in which only mono-formylated product was formed (10%), or only the tetra-formylated product (10%), as well as experimental conditions that yielded different products (mono, di, tri and tetra -formylated). After obtaining the desired formylated
product, we studied the application of mono-formylated product in Wittig reaction, Peterson olefination and condensation with 4,4-difluoro-4-bora-3a, 4adiaza-s-indacene (BODIPY ). The latter studies were only an initial exploration
and still require further elaboration.
Porphyrin derivatives as 2-thienyl-chlorins and 2-thieny- bacteriochlorins were obtained by cycloaddition reactions with nitrile oxide 1,3-dipole with good yields. Also, preliminary photophysical studies of these compounds were performed in order to evaluate the potential of these photosensitizers as
photoactive dyes. The photophysical results indicated that the obtained compounds are good producers of oxygen, present good photo-stability and did not undergo aggregation in the studied concentration range. Therefore, the 2-
thienyl-chlorins and 2-thienyl-bacteriochlorins obtained in this study showed promising characteristics for use as photosensitizers in photodynamic therapy. Finally, the new heterocycles herein obtained presented bathochromic shift of the absorption bands in the electromagnetic spectrum, since molecules
having this characteristic represent high interest in chemical photosensitizers. / Neste trabalho foram realizados alguns estudos metodológicos de sínteses de porfirinas buscando-se otimização/desenvolvimento de abordagens menos nocivas ao ambiente, tendo como foco a preparação/modificações estruturais de
meso-tetraarilporfirinas, em especial as meso-tetra(2-tienil)porfirinas. Os métodos clássicos de síntese de porfirinas envolvem a utilização de altas temperaturas, solventes tóxicos, alta diluição e, frequentemente, baixo
rendimento. Em vista disso, resolvemos explorar de maneira mais ampla a
metodologia descrita por Bonar-Law com o objetivo de verificar a viabilidade
do uso de ambientes aquosos na síntese de porfirinas. Algumas das modificações
estudadas foram: o uso de dodecilbenzilssulfonato de sódio (SDBS) como
agente formador de meio micelar crítico como outra opção ao do dodecil sulfato
de sódio (SDS) já descrito; o uso de ácido tricloroisocianúrico como agente
oxidante em substituição à 2,3-dicloro-5,6-diciano-1,4-benzoquinona (DDQ) e
montmorilonita K-10 como catalisador ácido em substituição ao HCl. Estes
últimos foram escolhidos visando utilizar reagentes com menor impacto
ambiental (metodologias mais limpas). Entretanto, os resultados obtidos tanto
com as reprodutibilidades quanto nas modificações experimentais não foram
satisfatórios, rendendo quantidades de produtos inferiores aos reportados na
literatura. Ainda neste contexto, realizamos as sínteses de porfirinas em regime de
fluxo contínuo, pois o uso desta tecnologia pode trazer mais segurança e eficiência para este processo. Os experimentos de reações em fluxo contínuo foram realizados
utilizando uma adaptação das metodologias de Gonsalves e de Lindsey. Primeiramente, realizou-se a síntese da meso-tetrafenilporfirina (TPP) para que
os parâmetros de vazão, temperatura e concentração dos reagentes fossem
avaliados visando obter a melhor condição reacional e, a partir de então, testar
estas condições na síntese de outros derivados porfirinóides. Assim, nos estudos empregando-se reatores tubulares em fluxo contínuo (adaptações da metodologia de Gonsalves), o maior rendimento observado para meso-tetrafenilporfirina (TPP) foi de 31% quando se utilizou a concentração de
0,2 mol.L-1 de pirrol e de benzaldeído, vazão de 0,6 mL.min-1 e 140°C. Para fins
comparativos, o mesmo experimento só que realizado em batelada resultou em
25% de rendimento de TPP. Além disso, a tecnologia de fluxo contínuo permitiu
as sínteses de diferentes derivados meso-substitídos com rendimentos de 9% a
39% indicando boa versatibilidade desta técnica. O uso de reatores de fase sólida (adaptações da metodologia de Lindsey)
consistiu de experimentos preliminares devendo ser explorados com mais
detalhes e continuado pelo grupo de pesquisa.
A respeito das meso-tetra(2-tienil)porfirinas, estas apresentam propriedades fotofísicas, fotoquímicas e eletroquímicas únicas e vêm sendo apontadas como possíveis fotossensibilizadores para aplicações em Terapia Fotodinâmica (PDT) e Células Solares (CS). Em vista disso, decidiu-se estudar
metodologias de síntese, modificação estrutural e atividades fotodinâmicas deste
tipo de porfirina. Desse modo, a meso-tetra(2-tienil)porfirina foi sintetizada por algumas
metodologias descritas na literatura, e também por meio de alterações experimentais visando melhorar os rendimentos e a pureza.
Após alguns estudos sistemáticos, a meso-tetra(2-tienil)porfirina foi obtida com 36% de rendimento e de forma pura, empregando-se clorobenzeno como solvente, cloridrato de hidroxilamina como catalisador e nitrobenzeno
como oxidante. Sobre as funcionalizações, reações de nitração foram efetuadas usando
condições reacionais brandas com nitrito de sódio e ácido trifluoracético. Obtendo-se os derivados nitrados na posição α do tiofeno com 66% de rendimento para o produto mono-nitrado e com 59% para o tetra-nitrado.
Ainda, foram utilizadas as reações de Vilsmeier-Haack para obtenção da
meso-tetra(2-tienil)porfirina funcionalizadas com grupos formil. Nestes estudos
foram observados somente a formilação na posição α anel tiofeno e nenhuma
formilação na posição β do núcleo porfirínico (comum para tetrafenilporfirinas).
Além disso, conseguiram-se obter condições reacionais que rendessem somente
o produto mono-formilado (10%) ou somente o produto tetra-formilado (10%), e
também condições experimentais que rendessem diferentes produtos formilados
(mono, di, tri e tetra-formilados). Após a obtenção dos produtos formilados,
estudou-se a aplicação do mono-formilado em reações de Wittig, de Olefinação
de Peterson e de condensação com 4,4-difluoro-4-bora-3a,4a-diaza-s-indaceno
(BODIPY). Estes últimos estudos foram apenas uma exploração inicial e ainda
requerem de maior aprofundamento.
Derivados do tipo 2-tienil-clorinas e 2-tienil-bacterioclorinas foram obtidos por meio de reações de cicloadição 1,3-dipolares com dipolos óxido de nitrilas com bons rendimentos.. Ainda, foram realizados estudos fotofísicos preliminares de alguns destes compostos a fim de avaliar o potencial destes
como corantes fotossensibilizadores. Os resultados fotofísicos indicaram que são
bons produtores de oxigênio, apresentam boa foto-estabilidade e não sofreram
agregação na faixa de concentração estudada. Logo, as 2-tienil-clorinas e 2-
tienil-bacterioclorinas obtidas neste trabalho apresentaram características
promissoras para serem utilizadas como fotossensibilizadores em Terapia
Fotodinâmica. Por fim, a obtenção dos novos heterociclos visou à disponibilização de
compostos que apresentassem deslocamento batocrômico das bandas de absorção no espectro eletromagnético, uma vez que moléculas com esta característica representam elevado interesse na química de fotossensibilizadores.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.ufscar.br:ufscar/8030 |
| Date | 21 March 2016 |
| Creators | Momo, Patrícia Betoni |
| Contributors | Oliveira, Kleber Thiago de |
| Publisher | Universidade Federal de São Carlos, Câmpus São Carlos, Programa de Pós-graduação em Química, UFSCar |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFSCAR, instname:Universidade Federal de São Carlos, instacron:UFSCAR |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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