o-Nitrobenzyl Photolabile Protecting Groups with Red-Shifted Absorption: Syntheses and Uncaging Cross-Sections for One- and Two-Photon Excitation

Authors

  • Isabelle Aujard Dr.,

    1. Département de Chimie (C.N.R.S. U.M.R. 8640), École Normale Supérieure, 24, rue Lhomond, 75231 Paris Cedex 05, France, Fax: (+33) 144-323-325
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  • Chouaha Benbrahim,

    1. Département de Chimie (C.N.R.S. U.M.R. 8640), École Normale Supérieure, 24, rue Lhomond, 75231 Paris Cedex 05, France, Fax: (+33) 144-323-325
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  • Marine Gouget,

    1. Département de Chimie (C.N.R.S. U.M.R. 8640), École Normale Supérieure, 24, rue Lhomond, 75231 Paris Cedex 05, France, Fax: (+33) 144-323-325
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  • Odile Ruel Dr.,

    1. Département de Chimie (C.N.R.S. U.M.R. 8640), École Normale Supérieure, 24, rue Lhomond, 75231 Paris Cedex 05, France, Fax: (+33) 144-323-325
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  • Jean-Bernard Baudin Dr.,

    1. Département de Chimie (C.N.R.S. U.M.R. 8640), École Normale Supérieure, 24, rue Lhomond, 75231 Paris Cedex 05, France, Fax: (+33) 144-323-325
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  • Pierre Neveu,

    1. Département de Chimie (C.N.R.S. U.M.R. 8640), École Normale Supérieure, 24, rue Lhomond, 75231 Paris Cedex 05, France, Fax: (+33) 144-323-325
    2. Département de Physique (C.N.R.S. U.M.R. 8550), École Normale Supérieure, 24, rue Lhomond, 75231 Paris Cedex 05, France
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  • Ludovic Jullien Prof. Dr.

    1. Département de Chimie (C.N.R.S. U.M.R. 8640), École Normale Supérieure, 24, rue Lhomond, 75231 Paris Cedex 05, France, Fax: (+33) 144-323-325
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Abstract

We evaluated the o-nitrobenzyl platform for designing photolabile protecting groups with red-shifted absorption that could be photolyzed upon one- and two-photon excitation. Several synthetic pathways to build different conjugated o-nitrobenzyl backbones, as well as to vary the benzylic position, are reported. Relative to the reference 4,5-dimethoxy-2-nitrobenzyl group, several o-nitrobenzyl derivatives exhibit a large and red-shifted one-photon absorption within the near-UV range. Uncaging after one-photon excitation was studied by measuring UV-visible absorption and steady-state fluorescence emission on model caged ethers and esters. In the whole series investigated, the caged substrates were released cleanly upon photolysis. Quantum yields of uncaging after one-photon absorption lie within the 0.1–1 % range. We observed that these drop as the maximum wavelength absorption of the o-nitrobenzyl protecting group is increased. A new method based on fluorescence correlation spectroscopy (FCS) after two-photon excitation was used to measure the action uncaging cross section for two-photon excitation. The series of o-nitrobenzyl caged fluorescent coumarins investigated exhibit values within the 0.1–0.01 Goeppert–Mayer (GM) range. Such results are in line with the low quantum yields of uncaging associated with cross-sections of 1–50 GM for two-photon absorption. Although the cross-sections for one- and two-photon absorption of o-nitrobenzyl photolabile protecting groups can be readily improved, we emphasize the difficulty in enlarging the corresponding action uncaging cross-sections in view of the observed trend of their quantum yield of uncaging.

Abstract

Cet article évalue le squelette o-nitrobenzyle pour définir des groupements protecteurs photolabiles possédant une absorption déplacée vers le rouge qui peuvent être photolysés après excitation à un ou à deux photons. Nous décrivons plusieurs voies d'accès pour synthétiser différents squelettes o-nitrobenzyle conjugués, ainsi que pour modifier la position benzylique. Vis-à-vis du groupement protecteur de référence 4,5-diméthoxy-2-nitrobenzyle, plusieurs dérivés o-nitrobenzyle présentent une forte absorption déplacée vers le rouge se situant dans le proche UV. La photodéprotection après excitation à un photon a été étudiée par absorption UV-visible et par émission de fluorescence stationnaire sur des éthers et esters modèles cagés. L'intégralité des substrats cagés est efficacement déprotégée par photolyse. Les rendements quantiques de déprotection après excitation à un photon sont d'environ 0.1–1 %. Ils semblent diminuer lorsque la longueur d'onde d'absorption maximum du groupement protecteur o-nitrobenzyle augmente. Une nouvelle méthode reposant sur l'utilisation de la spectroscopie de correlation de fluorescence après excitation biphotonique a été employée pour mesurer les sections efficaces de photodéprotection après excitation à deux photons. Celles de la série de coumarines fluorescentes cagées par nos groupements protecteurs o-nitrobenzyliques se situent dans la gamme 0.1–0.01 GM. Ces résultats sont en accord avec les faibles valeurs des rendements quantiques de photodéprotection associées à des sections efficaces d'absorption biphotoniques d'environ 1–50 GM. Alors qu'il est aisé d'augmenter les sections efficaces d'absorption à un et deux photons dans cette série, cette étude démontre qu'il est difficile d'améliorer les sections efficaces de photodéprotection correspondantes du fait de l'évolution des rendements quantiques de déprotection mise en évidence dans cet article.

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