Innovative π-conjugated heterocyclic systems as optical chemosensors and two-photon absorbing (TPA) chromophores: design, synthesis, characterization and development for applications

Abstract

Molecular receptors are chemical species designed to achieve a high degree of complementarity with a selected guest. When synthetic receptors are coupled with certain signaling units that are capable of changing one or more physical properties upon receptor-guest interaction (e.g. color, fluorescence, redox potential), a molecular sensor is obtained. In this field, it is especially appealing to employ optical outputs such as changes in color and/or fluorescence that allow the use of lowcost and widely available instrumentation. In recent years there has been considerable effort dedicated to design, synthesize and apply novel molecular probes that selectively and specifically respond to the presence of specific analytes (ions and neutral molecules). Optical response (fluorescence/color) allows the highest sensitivity (up to detection of single molecules) in sensory applications. Recently, increasing interest in the design of NLO chromophores for two photon absorption (TPA) applications has been motivated by the numerous and varied applications of TPA phenomenon in fields such as materials science (3D data storage and microfabrication, optical power limiting), biology and medicine (fluorescence imaging, two-photon microscopy (TPM), photodynamic therapy). For in vivo imaging, two-photon processes allow finer resolution and in-depth tissue penetration, with reduced cell damage. High two-photon excited fluorescence (TPEF) quantum yields, good photostability, adequate solubility, and optimized response wavelengths are also required in fields such as fluorescence microscopy or upconversion lasing. Incorporation of heterocycles into π-conjugated systems allows the fine tuning of electrooptical properties and often results in strong fluorescence, mandatory for certain TPA-based applications. The work presented in this thesis reports the synthesis and characterisation of heterocyclic compounds as well as the evaluation of their photophysical properties having in mind their potential application as colorimetric and/or fluorimetric chemosensors for anions and cations and as TPA fluorophores. Various heterocyclic compounds with improved functionalities, such as fluorescence and the ability to recognize anions and cations, were synthesized from easily obtained precursors and low cost commercially available reagents. Different combinations of donor and/or acceptor groups and π-conjugated bridges were studied in order to obtain more efficient optical systems. New unnatural amino acids were also obtained by synthetic manipulation in the side chain of natural amino acids with the incorporation of sulfur, nitrogen and oxygen heterocycles and their chemosensory ability evaluated in the presence of cations. The heterocycles used in the present work were thiophene, furan, imidazole, benzoxazole and benzothiazole, and with these π-conjugated systems of heterocyclic nature, the primary aim was to improve the photophysical properties of the resulting systems, and to optimize the recognition of the target analytes by introducing additional binding sites in the overall structure and the TPA capacity. All heterocyclic compounds were completely characterized by the usual characterization techniques (proton and carbon nuclear magnetic resonance spectroscopy, UV-vis absorption and fluorescence spectroscopy, infrared spectroscopy and mass spectrometry and/or elemental analysis). The photophysical properties of the synthesized compounds were evaluated in organic solvents of different character and in aqueous mixtures, and in some cases, related to the values of 􀁓* proposed by Kamlet and Taft. In general, the novel compounds displayed high fluorescence quantum yields, making them good candidates for application as fluorimetric chemosensors and as efficient TPA fluorophores. In order to evaluate the sensing ability of the compounds towards organic and inorganic anions (AcO-, F-, Cl-, Br-, CN-, NO3-, BzO-, H2PO4- and HSO4-) and alkaline, alkaline-earth and transition metal cations (Na+, Cu2+, Ca2+, Co2+, Pd2+, Ni2+, Hg2+, Zn2+, Fe2+, Fe3+ and Cr3+) spectrophotometric/fluorimetric titrations were carried in acetonitrile and aqueous mixtures. Studies have shown that these compounds can be used as chemical sensors for AcO-, F-, CN-, BzO-, H2PO4 -, Cu2+, Ni2+, Hg2+ and Fe3+. The association constants and the stoichiometry of the formed complexes were calculated by HypSpec software and the stoichiometry was confirmed by Job’s plots. The binding process of the ions was also studied using 1H NMR spectroscopy. The TPA study for some heterocyclic derivatives, in ethanol, revealed that compounds functionalized with strong acceptor groups (CN, NO2) and/or containing a bithienyl spacer exhibited the highest TPA cross-section (σ2) values.

Os recetores moleculares são espécies químicas desenhadas para alcançar um alto grau de complementaridade com um analito selecionado. Quando os recetores sintéticos são acoplados com certas unidades de sinalização, que podem mudar uma ou mais propriedades físicas após a interação recetor-hospedeiro (por exemplo, cor, fluorescência, potencial redox), é obtido um sensor molecular. Neste campo é especialmente atraente o uso de sinais óticos, como mudanças de cor e/ou fluorescência que permitem o uso de instrumentação de baixo custo e facilmente disponível. Nos últimos anos, houve esforços consideráveis no design, síntese e aplicação de novas sondas moleculares que respondem seletiva e especificamente à presença de analitos específicos (iões e moléculas neutras), pois a resposta (fluorescência/cor) permite uma maior sensibilidade (até para deteção de moléculas únicas) em aplicações sensoriais. Recentemente, um crescente interesse no design de cromóforos óticos não lineares para aplicações de absorção de dois fotões foi motivado pelas inúmeras e variadas aplicações do fenómeno de absorção de dois fotões em áreas como ciência dos materiais (armazenamento de dados 3D e microfabricação, limitação de potência ótica), biologia e medicina (imagiologia de fluorescência, microscopia de dois fotões, terapia fotodinâmica). Para imagens in vivo, os processos de dois fotões permitem uma resolução mais fina e uma penetração profunda do tecido, com danos celulares reduzidos. Elevados rendimentos quânticos de fluorescência de dois fotões, boa fotoestabilidade, solubilidade adequada e comprimentos de onda de resposta otimizados também são necessários nas áreas de microscopia de fluorescência ou laser de conversão ascendente. A incorporação de heterociclos em sistemas π-conjugados permite o ajuste fino das propriedades eletro-óticas e, muitas vezes, resulta em forte fluorescência, obrigatória para determinadas aplicações baseadas em absorção de dois fotões. O trabalho apresentado nesta tese reporta a síntese e caracterização de compostos heterocíclicos, bem como a avaliação das suas propriedades fotofísicas tendo em mente a sua potencial aplicação como sensores químicos colorimétricos e/ou fluorimétricos de aniões e catiões e fluoróforos com absorção de dois fotões. Vários compostos heterocíclicos com funcionalidades melhoradas, tais como fluorescência e a capacidade de reconhecimento de aniões e catiões foram sintetizados a partir de precursores obtidos facilmente e de reagentes de baixo custo disponíveis no mercado, usando métodos de síntese simples. Foram estudadas várias combinações de grupos dadores e/ou aceitadores de eletrões e pontes π-conjugadas tendo como objetivo a obtenção de sistemas óticos mais eficientes. Novos aminoácidos não naturais foram obtidos por manipulação sintética na cadeia lateral de aminoácidos naturais com a incorporação de heterociclos de enxofre, nitrogénio e oxigénio. Os heterociclos utilizados no presente trabalho foram: tiofeno, furano, imidazole, benzoxazole e benzotiazole. Usando estas moléculas de natureza heterocíclica pretendeu-se melhorar as propriedades fotofísicas dos sistemas resultantes, otimizar o reconhecimento dos analitos alvo através da introdução de locais de ligação adicionais na estrutura global e a capacidade de absorção de dois fotões. Todos os compostos heterocíclicos foram completamente caracterizados pelas técnicas de caracterização usuais (espetroscopia de ressonância magnética nuclear de protão e carbono, espetroscopia de absorção no UV-vis e de fluorescência, espetroscopia de infravermelho e espetrometria de massa e/ou análise elementar). As propriedades fotofísicas dos compostos sintetizados foram avaliadas em solventes orgânicos de diferente caráter e em misturas aquosas, e em alguns casos, relacionadas com os valores de π* propostos por Kamlet e Taft. Na generalidade, os novos compostos possuem rendimentos quânticos de fluorescência elevados, o que os torna bons candidatos para aplicação como sensores químicos fluorimétricos e para aplicação como cromóforos de absorção de dois fotões. Para avaliar a capacidade sensora dos compostos face a aniões orgânicos e inorgânicos (AcO-, F-, Cl-, Br-, CN-, NO3-, BzO-, H2PO4- e HSO4-) e catiões de metais alcalinos, alcalino-terrosos e de transição (Na+, Cu2+, Ca2+, Co2+, Pd2+, Ni2+, Hg2+, Zn2+, Fe2+, Fe3+ e Cr3+) foram realizadas titulações espetrofotométricas/espetrofluorimétricas em acetonitrilo e misturas aquosas. Os estudos revelaram que estes compostos podem ser usados como sensores químicos para AcO-, F-, CN-, BzO-, H2PO4-, Cu2+, Ni2+, Hg2+ e Fe3+. As constantes de associação e a estequiometria dos complexos formados foram calculadas pelo software HypSpec e confirmada por gráficos de Job’s. O processo de ligação dos iões também foi estudado por espetroscopia de 1H RMN. O estudo fotofisico de absorção de dois fotões para alguns derivados heterocíclicos revelou que os compostos funcionalizados com grupos fortemente retiradores de eletrões (CN, NO2) e/ou contendo uma ponte-π de bitiofeno exibiram os maiores valores de secção transversal de absorção de dois fotões (σ2).