Kinetics and Synthesis of ROS/RNS Responsive N-Heterocyclic Carbene Borane and Synthetic Explorations Toward NHC-Stabilized Borylenes

Abstract

This thesis discusses two different topics. The first one involves the design, synthesis and investigations of NHC-boranes as ROS/RNS-responsive materials, and the second one involves NHC-stabilized borylenes as potential organic electronics materials. NHC-boranes are known to be oxidized through electrophilic oxidation mechanism. Further research revealed that NHC-boranes can release drugs by oxidation. In the first chapter, NHC-boranes that can release functional ‘payloads’ not limited to drugs were designed, and reaction kinetics of the oxidation of NHC-boranes by several ROS was investigated. In the second chapter, NHC-stabilized borylenes as a potential organic electronics material were designed inspired by previous research, and synthesis routes toward their preparation were explored. In Chapter I, different NHC-boranes that can release functional ‘payloads’ were synthesized. The payloads could be drugs, dyes, or odorants. All of the payloads were either alcohols or amines, connected to the NHC-boranes through self-immolative carbonate or carbamate linkers. The reaction kinetics of NHC-boranes were studied by UV-Vis spectrometry using a NHC-borane that can release coumarin 120. In Chapter II, NHC-stabilized borylenes were targeted for synthesis. Borylenes are homologues of carbenes. Like free carbenes they are reactive, but NHCs are stabilized, and NHC-stabilized borylenes can also be stable enough to isolate. The chapter discusses about the importance of NHC-stabilized borylenes as potential p-type organic electronic materials. Also, a target molecule was designed according to the design hypothesis, and the synthesis toward the target molecule is explored. ;본 논문은 다음의 두 주제에 대해 논한다. 첫 번째는 ROS/RNS 반응 물질로서 NHC-borane의 설계와 합성에 대해 다루고, 두 번째는 유기 전자 물질 후보로서 NHC-stabilized borylene을 다룬다. NHC-borane은 electrophilic 산화 메커니즘을 통해 산화되는 것이 알려져 있다. 또한, NHC-borane은 산화에 의해 약물을 방출할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 첫 장에서는 약물에 국한되지 않는 기능적 'payload'를 방출할 수 있는 NHC-borane을 설계하고, 여러 ROS에 의한 NHC-borane의 산화 반응역동학을 조사했다. 두 번째 장에서는, 이전 연구에서 영감을 받아 잠재적 유기 물질로서의 NHC-stabilized borylene이 설계되었으며, 이에 대한 합성을 탐구하였다. 제 1장에서는 기능을 가지는 payload를 방출할 수 있는 여러 NHC-borane이 합성되었다. Payload의 종류로는 약품, 염료 또는 향이 나는 물질이 있었다. 모든 payload는 알코올이나 아민이었으며 자가-희생기 (self-immolative) 카보네이트나 카바메이트를 통해 NHC-borane과 연결되어 있었다. NHC-borane의 반응역동학은 쿠마린 120을 방출할 수 있는 NHC-borane을 사용하여 UV-Vis 분광법에 사용하여 연구되었다. 제 2장에서는 NHC-stabilized borylene을 합성하는 것을 목표로 하였다. Borylene은 카벤의 동종이다. 자유 카벤은 반응성이 높지만 NHC는 안정적이듯이, NHC-stabilized borylene은 충분히 안정적이라서 분리 가능하다. 이 장에서는 잠재적 p형유기 전자 물질로서 NHC 안정화 보릴렌의 중요성에 대해 논의한다. 또한, 목표 분자는 가설에 따라 설계되었고, 이 목표 분자에 대한 합성 과정을 기술한다.