Far-red and near-infrared emitters for cell imaging

In den letzten Jahrzehnten hat die Bedeutung von fluoreszenten Molekülen in biologischen Anwendungen deutlich zugenommen. Insbesondere in der optischen Bildgebung wurde die Entwicklung von Farbstoffen für den tiefroten bis nahinfraroten (NIR) Bereich vorangetrieben. Durch die Verschiebung der Emissionswellenlängen in das sogenannte „biologische Fenster“ (engl. biological window) können durch diese Farbstoffe Limitierungen wie Hintergrundinterferenz, Gewebeabsorbtion und Autofluoreszenz umgangen werden. Dies erzielt das Eindringen in tiefere Gewebeschichten und eine erhöhte Sensitivität. ... mehrDennoch stellt das Design von optimalen bildgebenden Farbstoffen weiterhin eine Herausforderung dar, da diese eine Zahl an Anforderungen erfüllen müssen: Eine Emission im Bereich von 650 bis 900 nm, einen großen Stokes-Shift, hohe Quantenausbeuten in polaren Lösungsmitteln in Kombination mit einer hohen Stabilität und niedrigen Toxizität. Neben der großen Bandbreite an organischen NIR-Farbstoffen, gewinnen Koordinationskomplexe an Popularität. Trotz ihrer bemerkenswerten Performanz bestehen weitere Herausforderungen.
Obwohl Dipyrrine lange Zeit als triviale Verbindungen abgetan wurden, wird in dieser Arbeit auf die synthetischen Herangehensweisen eingegangen, um Zugang zu tiefroten Dipyrrinen zu erhalten. Dazu werden im Folgenden Methoden zur Erweiterung des konjugierten π-Systems mit aromatischen Gruppen über die Funktionalisierung der α-Position der Gerüststruktur, der Austausch des meso-Kohlenstoffs zum Zugang zu aza-Dipyrrinen, der Benzannulierung an der a-Bindung der Gerüststruktur, durch die Einführung von fusionierten Strukturen, und die Bildung von Schiff-basen Makrozyklen beschrieben. Mit dem maßgeschneiderten Design, welches in dieser Arbeit vorgeschlagen wird, konnten eine Zahl an heteroleptischen bis(dipyrrinato)ZnII Komplexen mit einer Emission von bis zu 800 nm und verbesserten Quantenausbeuten in polaren Lösungsmitteln erreicht werden. Diese molekularen Strukturen bieten den Vorteil des Arbeitens an zwei unabhängigen chelatisierenden Einheiten, wodurch die Modulierung der Farbstoffeigenschaften erleichtert wird. Daraus resultiert eine erhöhte Stabilität, einstellbare photophysikalische Eigenschaften und eine Resistenz gegenüber Photobleaching, wodurch verlässliche Bildgebung gewährleistet wird. Detaillierte Untersuchungen mit Hilfe von Konfokalmikroskopie zeigten die Vielseitigkeit dieser lumineszenten Komplexe, die sich als geeignete Sonden für die Bildgebung in lebenden und fixierten Zellen. Des Weiteren sorgt das einzigartige Design für einen großen pseudo-Stokes-Shift, eine erwünschte Eigenschaft, die zu einer Verbesserung der Präzision in der
Fluoreszenzdetektion führt, und damit deren Relevanz in biologischen Anwendungen unterstreicht.
In den Kapiteln dieser Arbeit werden die retrosynthetischen Strategien, die detaillierten Erklärungen der synthetischen Verfahren, sowie der durchgeführten Charakterisierungen beschrieben.

In recent decades, fluorescence has gained significant importance in biological sciences applications. In particular, the field of optical imaging has witnessed the development of far-red to near-infrared (NIR) dyes. By extending the emission wavelengths into the so-called biological window, these dyes have overcome limitations associated with background interferences, tissue absorption and autofluorescence, thus enabling deeper tissue penetration and improving sensitivity, reshaping the landscape of imaging and diagnostic. Nevertheless, the design of an ideal imaging probe which fulfills all the requirements, i.e., fluorescence maxima ranging from 650 to 900 nm, large Stokes shifts, high fluorescence quantum yields in polar solvents accompanied by high stability and low toxicity, still represents a major challenge. ... mehrAlongside the copious repertoire of organic NIR dyes, coordination metal complexes have gained increasing prominence, propelling the field forward. Despite their remarkable performances, several challenges persist.
Although dipyrrins have long been considered trivial compounds, in this work the synthetic approaches exploited to access far-red dipyrrins are highlighted, including the π-conjugation with aromatic groups via functionalization of the α positions of the core, the replacement of the meso carbon e.g., the formation of aza-dipyrrins, the benzannulation at the a bond of the skeleton by introducing fused structures and the formation of Schiff-base macrocycles. With the tailor-made design proposed in this thesis, several heteroleptic bis(dipyrrinato)ZnII complexes with emissions up to 800 nm and enhanced quantum yields in polar solvents were obtained. These molecular architectures feature the advantage of working on two distinct chelating units, thereby enabling the modulation of the dye properties achieving enhanced stability, tunable photophysical properties and resistance to photobleaching, thus ensuring reliable imaging. The detailed investigations through confocal microscopy confirmed the versatility of these luminescent complexes, which are suitable for the use as probes for live- and fixed-cell imaging. Further, the peculiar design of these dyes ensures large pseudo Stokes shifts, an appealing property which improves the accuracy of fluorescence detection, corroborating their relevance in bioimaging applications.
Each section of this thesis presents the retrosynthetic strategy accompanied by a detailed explanation of the synthetic procedures and the conducted characterization performed.