Synthesis and characterization of heterocyclic compounds and modified amino acids with application in nonlinear optics and/or as fluorimetric and colorimetric sensors for anions and cations

Abstract

For the last two decades donor-acceptor substituted heterocyclic compounds have attracted widespread interest due to their exceptional optical properties, high thermal and chemical stability, and good transparency, as well as easy synthesis. Earlier studies demonstrated that they are strong candidates for use in several optoelectronic applications such as data storage communication, solvatochromic and fluorescent probes, nonlinear optical (NLO) materials and organic light emitting diodes (OLEDs). These technological applications motivated the present investigation, leading to the design and synthesis of new materials. The development of artificial receptors for the sensing and recognition of environmentally and biologically important ionic species is also currently of great interest. Highly selective anion or cation sensing is imperative for many areas, including environmental, biological, clinical, and waste management applications. Chemical sensors based on heterocyclic units are unique and useful for abiotic or biological recognition because, being generally highly fluorescent and having a very high capacity for electronic transfer, with the possibility of acting both as the recognition and signaling unit. Such heterocyclic moieties were combined with amino acid cores, resulting in unnatural amino acids that were reported as fluorescent biomarkers and colorimetric and/or fluorometric sensors of anions and cations. The work presented in this thesis reports the synthesis and characterization of heterocyclic compounds and heterocycle-based amino acid derivatives as well as the evaluation of their photophysical and thermal properties having in mind their potential application as nonlinear optical compounds, OLEDs, fluorescent probes and colorimetric or fluorimetric chemosensors for anions and cations. Several series of novel thermally stable second-order nonlinear optical (NLO) heterocyclic systems have been designed and synthesized from easily available precursors and low cost commercially available reagents, using simple and convenient synthetic and purification procedures. Different combinations of donor groups (alkoxyl, N,N-dialkylamino, etc.), -conjugated bridges (arylthiophene, oligothiophene and thienylpyrrole), and acceptor moieties (thiobarbituric acid, indanonedicyanovinyl, anthraquinone, benzimidazole, benzothiazole, phenanthroline) were studied in order to obtain more efficient NLO systems. The novel compounds were completely characterized by the usual characterization techniques (mass spectrometry, proton and carbon nuclear magnetic resonance spectroscopy, infrared spectroscopy and elemental analysis). The photophysical properties of the novel derivatives (absorption in the ultraviolet-visible and fluorescence) were also studied, while hyper-Rayleigh scattering (HRS) and thermogravimetric analysis (TGA) were employed to evaluate their nonlinear optical properties (determination of  ), and their thermal stability, respectively. For some compounds the theoretical investigation by Density Functional Theory (DFT), of the ground- and singlet excited state optimized geometries were also studied. This multidisciplinary study showed that these heterocyclic systems have good second-order molecular NLO activity, good thermal stabilities and interesting fluorescent properties making them interesting candidates as prospective second-order NLO and OLEDs materials. Secondly, several series of heterocyclic systems (imidazo-anthraquinones, imidazophenanthrolines, bis-indolylmethanes and crown ethers) bearing arylthienyl, oligothienyl, arylfuryl and thienylfuryl -bridges were synthesized and fully characterized. The interaction studies of these novel systems with a large diversity of anions and cations with analytical, environmental or medicinal relevance was performed by absorption and emission spectroscopy showing that they could be used as selective colorimetric and/or fluorimetric chemosensors with high selectivity for some anions (OH-, F-, CN-, AcO-) and cations (Ni2+,Ca2+, Cu2+, Hg2+, Zn2+, Pd2+). Unnatural amino acids (alanines and phenylalanines), bearing heterocyclic moieties (benzoxazole and benzimidazole) were also synthesized and fully characterized. The evaluation of the chemosensory properties of these novel amino acids revealed that they could be used as fluorimetric or colorimetric chemosensors for OH-, F- and Pd2+. Moreover, the evaluation of the photophysical properties of alanine derivatives revealed that they display exceptionally high fluorescence quantum yields, making them good candidates for application as fluorescent probes. Finally, thienyl- and furyl-imidazo-phenanthrolines were used as ligands for the synthesis of Ru2+ polypiridyl complexes. Studies of their interaction with DNA have suggested a partial intercalation of the probes into the nucleic acid double strand.

Durante as últimas duas décadas os compostos heterocíclicos substituídos por grupos dadores e aceitadores de electrões têm atraído grande interesse devido a excepcionais propriedades ópticas, elevadas estabilidades térmicas e químicas e boa transparência, assim como a facilidade da sua síntese. Estudos anteriores demonstraram que estes derivados são fortes candidatos em diversas aplicações optoeletrónicas tais como armazenamento de dados, sondas solvatocrómicas e fluorescentes, materiais ópticos não-lineares (NLO) e díodos orgânicos emissores de luz (OLEDs). Estas aplicações tecnológicas têm impulsionado a investigação nesta área conduzindo ao design e síntese de novos materiais. O desenvolvimento de recetores artificiais para o reconhecimento e deteção selectiva de aniões e catiões é um tópico extremamente importante com aplicação em várias áreas nomeadamente ambiental, biológica, clínica e de gestão de resíduos. Os sensores químicos heterocíclicos são únicos e de grande utilidade no reconhecimento abiótico e biológico devido a poderem actuar simultaneamente como local de reconhecimento e sinalização da interação pois são sistemas conjugados, geralmente muito fluorescentes, e com elevada capacidade de transferência electrónica. As unidades heterocíclicas foram combinadas com aminoácidos dando origem a aminoácidos não naturais que foram também descritos como biomarcadores fluorescentes e como sensores químicos colorimétricos e/ou fluorimétricos de aniões e catiões. O trabalho apresentado nesta tese descreve a síntese e a caracterização de compostos heterocíclicos e de aminoácidos funcionalizados com anéis heterocíclicos, assim como a avaliação das suas propriedades fotofísicas e térmicas, tendo como objectivo a sua potencial aplicação como compostos ópticos não lineares (NLO), díodos orgânicos emissores de luz (OLEDs), sondas fluorescentes e sensores químicos colorimétricos ou fluorimétricos de aniões e catiões. Várias séries de compostos heterocíclicos novos, termicamente estáveis, foram sintetizadas a partir de precursores obtidos facilmente e de reagentes de baixo custo disponíveis no mercado, usando métodos de síntese simples e convenientes. Foram x estudadas várias combinações de grupos dadores de electrões (alcoxilo, N,N-dialquilamino, etc.), pontes -conjugadas (ariltiofeno, oligotiofeno e tienilpirrole) e de grupos aceitadores de electrões (ácido tiobarbitúrico, indanonadicianovinilo, antraquinona, benzimidazole, benzotiazole, fenantrolina) tendo como objectivo a obtenção de sistemas ópticos nãolineares mais eficientes. Os novos compostos foram completamente caracterizados pelas técnicas de caracterização usuais (espectrometria de massa, espectroscopia de ressonância magnética nuclear de protão e de carbono, espectroscopia de infravermelho e análise elementar). As propriedades fotofísicas dos novos derivados (absorção no ultravioleta-visível e fluorescência) também foram estudados, enquanto que a dispersão de hyper-Rayleigh e a análise termogravimétrica foram usadas para avaliar as suas propriedades ópticas nãolineares (determinação de  ) e a estabilidade térmica, respectivamente. Para alguns compostos foi ainda efectuado o estudo teórico das geometrias optimizadas usando a Teoria da densidade funcional (DFT). Este estudo multidisciplinar demonstrou que estes sistemas heterocíclicos têm boas propriedades ópticas não-lineares, excelente estabilidade térmica e propriedades fluorescentes interessantes fazendo com que sejam candidatos interessantes na aplicação como materiais ópticos geradores de segunda harmónica e OLEDs. Em segundo lugar foram também sintetizadas e completamente caracterizadas várias séries de compostos heterocíclicos (imidazo- antraquinonas e fenantrolinas, bisindolilmetanos e éteres de coroa). Os estudos de interação destes novos sistemas com uma grande variedade de aniões e catiões com importância analítica, ambiental e medicinal foram feitos através de espectroscopia de absorção e de emissão demonstrando que estes compostos poderão ser usados como sensores químicos fluorimétricos e colorimétricos com elevada selectividade para alguns aniões (OH-, F-, CN-, AcO-) e catiões (Ni2+,Ca2+, Cu2+, Hg2+, Zn2+, Pd2+). Foram também sintetizados e completamente caracterizados aminoácidos não naturais (alaninas e fenilalaninas) contendo heterociclos (benzoxazole e benzimidazole). A avaliação destes novos aminoácidos como sensores químicos revelou que estes compostos podem ser usados como sensores colorimétricos ou fluorimétricos de OH-, F- e Pd2+. Por outro lado, o estudo das propriedades fotofísicas dos novos aminoácidos revelou que exibem rendimentos quânticos de fluorescência excelentes, tornando-os bons candidatos para aplicação como sondas fluorescentes. Finalmente, derivados de tienil- e furil-imidazo-fenantrolinas foram usados como ligandos na síntese de complexos de Ru2+. Os estudos da sua interação sugeriram que ocorre uma intercalação parcial das sondas fluorescentes dentro da hélice dupla do ADN.