Design und Synthese von Metall-Porphyrinen für die funktionelle, medizinische Bildgebung sowie von metallfreien Bakteriochlorinen für die Photodynamische Therapie

Peters, Morten ORCID

Die molekulare Spinschaltung ist für eine Vielzahl von Anwendungen interessant, wie beispielsweise für die Realisierung eines intelligenten schaltbaren Kontrastmittels für die Magnetresonanztomographie (MRT). Diesbezüglich ist der Light-Driven Coordination-Induced Spin State Switch (LD-CISSS) einer der erfolgreichsten Ansätze für die reversible Spinschaltung in homogener Lösung bei Raumtemperatur. Basierend auf diesem Konzept wird in dieser Dissertation die erste lichtgesteuerte molekulare Spinschaltung auf Fe(III)-Basis vorgestellt. Hierbei wird der Spin-Switching-Prozess durch einen photoschaltbaren Azopyridinliganden induziert, welcher zu einer reversiblen Schaltung zwischen High-Spin (S = 5/2) und Low-Spin (S = 1/2) führt. Um weitere Untersuchungen an diesem System vorzunehmen und es zu optimieren, erfolgten zahlreiche Synthesen zur Herstellung von überbrückten Porphyrinen und Azopyridinen. Zusätzlich stand die Funktionalisierung von Porphyrinen im Fokus, um das Schalten im bio-optischen Fenster zu ermöglichen. Hierbei wurden die Porphyrine mittels einer Diels-Alder-Reaktion in ihre reduzierten Derivate, Chlorine, Isobakteriochlorine und Bakteriochlorine überführt. Durch die neu entwickelte, sehr milde sowie effiziente Methode, Nickel unter Verwendung von Bis(cycloocta-1,5-dien)nickel in Porphyrine einzulagern, konnte erstmals die gesamte Reihe von Hydroporphyrinen mit Ni(II) im Tetrapyrrolkern hergestellt und charakterisiert werden. Desweiteren wurde das metallfreie Bakteriochlorin auf die Anwendbarkeit als Photosensibilisator untersucht und aufgrund der guten Eigenschaften weiterentwickelt. Das neu synthetisierte wasserlösliche Bakteriochlorin zeigt eine starke Absorption im Nahinfrarot-Bereich bei 733 nm und eine gute Quantenausbeute. Damit ist die Verbindung hervorragend für die Anwendung in der Photodynamischen Therapie geeignet.

Molecular spin switching is of interest for a number of different applications, such as switchable contrast agents for magnetic resonance imaging (MRI). The Light-Driven Coordination-Induced Spin State Switch (LD-CISSS) concept is the most successful approach for reversible spin switching in homogeneous solution at room temperature. Based on this concept, this thesis presents the first light-controlled molecular spin switch based on Fe(III). This spin-switching process is induced by a photoswitchable azopyridine ligand. In this process the spin state can be reversibly switched between low-spin (S = 1/2) and high-spin (S = 5/2). In order to investigate and optimize this system, a large number of bridged porphyrins and azopyridines were synthesized. In addition, the functionalization of porphyrins has been studied to shift the switching frequencies into the bio-optical window. The porphyrins react as dienophiles with the highly reactive diene isobenzofuran in very high yields under mild conditions to the reduced derivatives, namely chlorins, isobacteriochlorins and bacteriochlorins. The new, very mild and efficient method to insert nickel into porphyrins at room temperature using Ni(COD)2 can be used to prepare the first whole series of hydroporphyrins with Ni(II) in the tetrapyrrolic core. Furthermore, the metal-free bacteriochlorins were investigated as potential photosensitizers. Synthetic modification improved the properties of those compounds. The novel water-soluble bacteriochlorin shows strong near-infrared absorption at 733 nm and good quantum efficiency. This chromophore is a promising candidate for photodynamic therapy.

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Peters, Morten: Design und Synthese von Metall-Porphyrinen für die funktionelle, medizinische Bildgebung sowie von metallfreien Bakteriochlorinen für die Photodynamische Therapie. 2019.

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