Synthesis of N-heterocyclic carbene boranes as stimuli-responsive materials

Abstract

This M. Sc. thesis discusses the studies investigated for the development of stimuli-responsive materials based on N-heterocyclic (NHC) boranes. NHC-boranes, which feature NHCs coordinated to boron, are generally much more stable than free NHCs. NHC-organoboron derivatives have a vast potential to be used in various fields, but their applications have rarely been reported. In particular, we believe that NHC-boranes may be especially useful in the preparation of materials that respond selectively to reactive oxygen species (ROS) or reactive nitrogen species (RNS). Since ROS / RNS are produced in the body and have been implicated in a variety of diseases, research on ROS/RNS-responsive materials is important. Here, we describe our efforts for the development of NHC-borane-based platforms that can be triggered by ROS for the controlled release of various molecules. In Chapter I, in order to improve the understanding of this study, we summarize the known properties and applications of NHCs, boranes and borohydrides. NHCs are mainly used as catalysts in combination with transition metals, or else as organocatalysts. Their chemistry become very different when they are coordinated to main-group elements. In particular, NHC-boranes, a kind of NHC-main group element complex, were described in more details. Their stability, properties and various applications as reagents, reactants and initiators are presented. In Chapter II, NHC-boranes were studied as stimuli-responsive materials. First, NHC-boranes were synthesized from various imidazolium salts and triazolium salts. A large amount of NHC-boranes could be obtained in yields better than the previously reported by the Curran group. The synthesized NHC-boranes were converted to NHC-monoiodoboranes, and their B-Arylation with organometallic reagents was optimized. Various solvents, reagents and conditions have been tried, and the synthesis via aryl lithium substitution at cryogenic temperatures has been shown to be the most efficient. The developed conditions enabled the synthesis of various aromatic derivatives such as drugs and fluorescent materials. The ROS-triggered emission for the synthesized pyrene-derived NHC-monoarylborane 5 was followed by 1H, 11B, and 19F NMR, and by UV-Vis spectrophotometry. It was confirmed that NHC-monoarylborane 5 selectively reacted with specific ROS, and the rate of oxidation was influenced by their structures. The possibility of expanding the application range of NHC-monoarylborane 5 and other derivatives to fluorogenic probes, ROS-activated prodrugs, drug delivery, and theragnostics is discussed. In chapter III, studies on the BN bond as analogue of CC bond and cycloaddition of NHC-azidoborane are presented. Although thermolysis and photolysis experiments of NHC-azidoborane indicate its consumption, it has not been possible to confirm the formation of the postulated intermediate that possess a BN double bond, and trapping cycloaddition experimentswere not successful. The [3 + 2] Huisgen type cycloaddition of NHC-azidoborane and alkynes was found to work at moderate temperatures, even without a copper catalyst, and to be general in scope.;본 연구에서는 NHC-borane을 바탕으로 한 자극 반응성 물질을 만드는 것을 목표로 하였다. NHC-borane은 붕소원자가 N-heterocyclic carbene에 배위되어 있는 형태로 일반적인 NHCs보다 매우 안정하다는 특징이 있다. NHC-organoboron 유도체는 매우 잠재력이 있는 물질이지만 응용된 연구는 거의 보고되지 않았다. 본 연구에서는 다양한 분자들의 제어된 방출을 위하여 고반응성 산소종에 의해 유발될 수 있는 플랫폼을 NHC-borane에 기반하여 개발하였다. 제 1장에서는 본 연구의 이해를 높이기 위해 NHC와 borane, borohydride의 조사를 수행하였다. NHC, borane, borohydride의 정의, 구조, 특성에 대해 알아보았고, 그것의 종류와 활용에 대한 조사도 이루어졌다. NHC는 유기촉매나 전이금속과 결합하여 촉매로 주로 쓰이지만 다른 주요 그룹과 결합하여 새로운 특성을 띄는 물질이 되기도 한다. 특히, NHC의 한 종류인 NHC-borane에 대해서는 더욱 자세히 조사하여, 특수한 안정성을 확인할 수 있었고, 그러한 특성 덕분에 시약, 반응물, 개시재 등 다양히 활용되는 것을 확인하였다. 제 2장에서는 자극 반응성 물질로서의 NHC-borane에 대해 연구하였다. 먼저, 다양한 이미다졸륨염, 트리아졸륨염을 바탕으로 NHC-borane을 합성을 시도하였다. 기존에 발표된 논문보다 좋은 수율로 다량의 NHC-borane을 얻을 수 있었고, 합성한 NHC-borane을 NHC-monoiodoborane으로 치환하여 유기금속 촉매 하에 방향족과 합성을 시도하였다. 다양한 용매, 시약, 조건을 시도하였고 극저온에서 아릴리튬 치환을 통한 합성이 효율적인 것으로 나타났다. 개발한 조건은 약물, 형광물질 등의 다양한 방향족을 기반으로 한 합성을 가능하게 하였고 합성된 NHC-monoarylborane 5에 대한 유도방출을 1H, 11B, 19F NMR과 UV-Vis spectrometer로 관찰할 수 있었다. NHC-monoarylborane 5가 특정 ROS에 선택적으로 반응하는 것을 확인하였고, 분자에 따라 산화되는 속도가 다른 것 또한 확인할 수 있었다. NHC-monoarylborane 5을 발광 프로브 뿐만 아니라 ROS 활성 prodrugs, 약물 전달, theragnostics으로서의 응용 범위 확장의 가능성을 확인하였다. 제 3장에서는 NHC-azidoborane과 관련해 CC결합의 유사체로서의 BN결합과 첨가 환화에 관한 연구가 이루어졌다. NHC-azidoborane의 열분해, 광분해 실험은 출발물질의 변형을 보였지만, BN 이중결합을 가진 예상된 중간체는 형성하지 못했고, 트랩핑 첨가환화 실험 또한 실패하였다. [3+2] 휴이젠 타입의 첨가 환화는 구리촉매가 없더라도 온건한 온도 아래 보편적으로 반응이 이루어지는 것을 확인하였다.