Authors:	Neidlinger, Andreas
Title:	Ferrocene-phenol conjugates – secondary structures and reactivity
Online publication date:	15-Jan-2017
Year of first publication:	2017
Language:	english
Abstract:	The investigation of electron transfer reactions, especially in combination with proton transfers − so called proton coupled electron transfers − is of considerable interest from a chemical and biological perspective. For example, in photosystem II, the electron transfer from the oxygen evolving complex is achieved via a proton coupled electron transfer to a tyrosyl residue. Successful operation of photosynthesis is influenced by many factors. The presence of highly reactive intermediates and the complicated environment, however, render the investigation of such processes in vitro quite difficult, despite of their utmost importance. Accordingly, especially proton coupled electron transfer reactions between organic and organometallic redox centers lack experimental studies. The successful syntheses of several amide-linked conjugates of ferrocene and phenol moieties allows a facile insight into the influences of intramolecular hydrogen bonding on the redox potentials of both redox centers (ferrocene vs. phenol(ate)) and the stability of the respective valence isomers and tautomers. Intramolecular proton coupled electron transfer via light excitation is evidenced by the presence of a characteristic NIR intervalence charge transfer band for a mixed-valent ferrocenium-phenolate involving proton movement in the intramolecular hydrogen bond according to DFT calculations. The influence of the lack of intramolecular hydrogen bonds is illustrated by an appropriate ferrocene-phenol conjugate, showing rapid follow-up reactions under alkaline and oxidative conditions. Cooperative hydrogen bonding is furthermore presented for a series of conjugates varying in substitution pattern and hydrogen bond donating/accepting capabilities, respectively. The mutual influence of one or more intramolecular hydrogen bonds on the stability of secondary structures and on the redox behavior is presented. In a second project, the general behavior of ferrocenium compounds in an alkaline medium is investigated. Possible degradation pathways of ferrocenyl compounds are in focus of pharmaceutical research, due to the high efficiency of ferrocene-containing (pro-)drugs in the treatment of malaria and some types of cancer. The increased efficiency of such pharmaceuticals in comparison with similar ferrocene-free compounds is at least partially assigned to the enhanced redox behavior of ferrocene and its derivatives in contrast to purely organic substrates. Besides the formation of reactive oxygen species, the presence of carbon-centered ferrocenyl radicals was proposed for some ferrocene-containing drugs. Experimental evidence of such highly reactive species for simple ferrocene derivatives is illustrated in this work by rapid-freeze EPR and spin-trapping techniques, providing references for the effectiveness of ferrocene-containing drugs. The last project deals with the investigation of the influence of dipole moments on electron transfer reactions via a hopping mechanism. In this theoretical approach, synthetic access to immobilizable wires, available from literature known ferrocenyl precursors by established amide coupling procedures, is presented. The formation of stable macrodipole moments of oligoferrocenyl amides is evidenced by literature references. DFT calculations corroborate these results for the wires. Therefore, these wires could act as a first test system for the investigation of intramolecular electron transfer rates with respect to a macrodipole moment within the wire. Untersuchungen von Elektronentransferprozessen, besonders im Zusammenspiel mit Protonentransfers – sogenannten Protonengekoppelten Elektronentransfers – sind vom immensem Interesse von chemischer, als auch von biologischer Seite. Beispielsweise wird im Photosystem II der Elektronentransfer vom Oxygen-Evolving-Complex über einen Protonengekoppelten Elektronentransfer zu einem Tyrosylrest der umgebenden Proteinmatrix realisiert. Der erfolgreiche Ablauf der Photosynthese ist von vielen Faktoren abhängig. Die Anwesenheit hochreaktiver Zwischenprodukte und die komplexe Umgebung machen eine Erforschung dieser Prozesse jedoch sehr schwierig. Entsprechend gibt es für Protonengekoppelte Elektronentransfers zwischen organischen und metallorganischen Redoxzentren nur wenige experimentelle Studien. Die erfolgreiche Synthese mehrerer amidverknüpfter Konjugate von Ferrocen- und Phenol-Resten ermöglicht den Einblick in die Einflüsse intramolekularer Wasserstoffbrückenbindungen auf die Redoxzentren (Ferrocen vs. Phenol(at)), sowie die Stabilität der entsprechenden Valenzisomere und -tautomere. Lichtinduzierter intramolekularer Protonengekoppelter Elektronentransfer wird durch die Anwesenheit einer charakteristischen NIR-Intervalenz-Charge-Transfer-Bande für ein gemischtvalentes Ferrocenium-Phenolat bestätigt. Die zugehörige Protonenbewegung in der intramolekularen Wasserstoffbrückenbindung wird durch DFT-Rechnungen gezeigt. Das Fehlen der intramolekularen Wasserstoffbrückenbindung führt zu schnellen Folgereaktionen unter den basischen und oxidativen Bedingungen, wie an einem geeigneten Ferrocen-Phenol-Konjugat gezeigt wird. Kooperative Wasserstoffbrückenbindungen werden weiterhin an einer Serie verschiedener Konjugate illustriert, die sich in ihrem Substitutionsmuster und ihren Wasserstoffbrücken-Donor- bzw. -Akzeptor-Fähigkeiten unterscheiden. Der gegenseitige Einfluss einer oder mehrerer intramolekularer Wasserstoffbrückenbindungen auf die Stabilität der Sekundärstrukturen und das Redoxverhalten wird präsentiert. In einem zweiten Projekt wird das generelle Verhalten von Ferroceniumverbindungen im basischen Milieu untersucht. Mögliche Zersetzungswege von Ferrocenylverbindungen stehen im Fokus pharmazeutischer Forschung, da ferrocenhaltige (Pro-)Pharmakone in der Behandlung von Malaria und einigen Krebstypen eine hohe Wirksamkeit zeigen. Diese erhöhte Effizienz im Vergleich mit ferrocen-freien Wirkstoffen wird zumindest teilweise dem erweiterten Redoxverhalten des Ferrocens und seiner Derivate zugeschrieben. Neben der Bildung von reaktiven Sauerstoffspezies wird auch die Anwesenheit hochreaktiver, kohlenstoffzentrierter Ferrocenylradikale für einige ferrocenhaltige Wirkstoffe diskutiert. Experimentelle Beweise erhalten durch rapid-freeze EPR-spektroskopische Untersuchungen dieser hochreaktiven Verbindungen für einfache Ferrocenderivate sind Bestandteil dieser Arbeit und bieten eine Referenz für die Effizienz der ferrocenhaltigen Pharmazeutika. Im letzten Projekt wird der Einfluss des Dipolmoments auf Elektronentransfers über den Hopping-Mechanismus untersucht. Diese theoretische Studie zeigt einen synthetischen Zugang zu immobilisierbaren molekularen Drähten ausgehend von literaturbekannten Ferrocenylverbindungen über etablierte Amidkupplungsreaktionen. Die Bildung von stabilen Makrodipolen in Oligoferrocenylamiden ist literaturbekannt. DFT-Rechnungen bestätigen diese Ergebnisse für die untersuchten Drähte. Entsprechend könnten diese Verbindungen als erstes Testsystem zur Untersuchung von intramolekularem Elektronentransferraten im Bezug auf das Makrodipolmoment des Drahtes genutzt werden.
DDC:	540 Chemie 540 Chemistry and allied sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-2785
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000009409
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	IV, 255 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen