סינתזה של pH תלוי Pyrazole, Imidazole, ו Isoindolone דיפירינון פלואורופורים באמצעות גישת עיבוי Claisen-שמידט
Summary
תגובת עיבוי Claisen-Schmidt היא מתודולוגיה חשובה לדור של תרכובות ארומטיות אופניים מצומדים במתין. באמצעות שימוש בגרסה בתיווך בסיס של תגובת אלדול, ניתן לגשת למגוון מולקולות פלואורסצנטיות ו/או רלוונטיות ביולוגית באמצעות גישה סינתטית זולה בדרך כלל ופשוטה מבחינה תפעולית.
Abstract
תרכובות ארומטיות אופניים מצומדות במת’ין הן מרכיבים נפוצים במגוון מולקולות רלוונטיות ביולוגית כגון פורפירינים, דיפירינונים ותרופות. בנוסף, סיבוב מוגבל של מערכות אלה לעתים קרובות תוצאות במערכות פלואורסצנטיות מאוד עד בינוני כפי שנצפה 3H,5H-dipyrrolo[1,2-c:2′,1′-f]pyrimidin-3-one, xanthoglows, אנלוגים pyrroloindolizinedione, אנלוגים BODIPY, ומערכות טבעת פנולית imidazolinone של חלבון פלואורסצנטי ירוק (GFP). כתב יד זה מתאר שיטה זולה ופשוטה מבחינה תפעולית לביצוע עיבוי קלייסן-שמידט כדי ליצור סדרה של פירזולה תלויי pH פלואורסצנטיים pyrazole /imidazole/isoindolone דיפירינון אנלוגים. בעוד המתודולוגיה ממחישה את הסינתזה של אנלוגים dipyrrinone, זה יכול להיות מתורגם לייצר מגוון רחב של תרכובות ארומטיות אופניים מצומדים. תגובת העיבוי של Claisen-Schmidt המשמשת בשיטה זו מוגבלת בהיקפה לגרנוקלופלים ואלקטרופילים הניתנים לאנוליזון בתנאים בסיסיים (רכיב נוקלאופיל) ואלדהידים שאינם ניתנים לאנוליזון (רכיב אלקטרופילים). בנוסף, הן מגיבים נוקלאופילית ואלקטרופילית חייבים להכיל קבוצות תפקודיות שלא יגיבו בטעות עם הידרוקסיד. למרות מגבלות אלה, מתודולוגיה זו מציעה גישה למערכות חדשניות לחלוטין שניתן להעסיק כבדיקות ביולוגיות או מולקולריות.
Introduction
מספר מערכות אופניים מצומדות, בהן שתי טבעות ארומטיות מקושרות באמצעות גשר מונומטין, עוברות איזומריזציה באמצעות סיבוב אג”ח, כאשר הן נרגשות עם פוטון (איור 1A)1,2,3,4,5. Isomer נרגש יהיה בדרך כלל להירגע למצב הקרקע באמצעות תהליכי ריקבון לא קורן6. אם מחסום האנרגיה לסיבוב האג”ח מוגדל במידה רבה מספיק, ניתן להגביל או למנוע את הפוטואיזומריזציה. במקום זאת, עירור פוטוני גורם למצב סינגל נרגש שלעתים קרובות נרגע באמצעות פלואורסצנטיות ולא דרך ריקבון לא מקרין (איור 1B). פוטואיסמוריזציה מרסנת מושגת בדרך כלל על ידי הגבלה מכנית של סיבוב הקשר באמצעות קשירה של שתי מערכות הטבעת הארומטיות על ידי הצמדות קוולנטיות, ובכך נועלת את המולקולה למצב איסומרי מסוים. גישה זו נוצלה כדי ליצור מספר אנלוגים טריציקליים שונים של דיפירינון ודיפירולמתאן כגון: 3H,5H-דיפירולו[1,2-c:2′, 1′-f]pyrimidin-3-one (1), xanthoglows (2)6,7, pyrroloindolizinedione אנלוגים (3)8, ו- BODIPY אנלוגים9 (4, איור 2) לפיהן מערכות הטבעת פירולידין ו / או pyrrole קשורות במתילן, קרבוניל, או מקשרי בורון דיפלורו. בדרך כלל, 1–4 להחזיק ΦF > 0.7 מציע מערכות אלה יעילים מאוד כמו יחידות פלואורופור.
ניתן גם להגביל פוטואיזומריזציה באמצעים שאינם מקשרים באופן קוולנטי בין מערכות הטבעת. לדוגמה, טבעות הפנולי ואימידזולינון (איור 2) של חלבון פלואורסצנטי ירוק (GFP) מוגבלות לסיבוב על ידי סביבת החלבון; ההגדרה המגבילה מגדילה את התשואה הקוונטית בשלושה סדרי גודל בהשוואה לאותה יחידת כרומופור בתמיסה חופשית10. הוא האמין כי פיגום החלבון של GFP מספק מחסום סיבובי באמצעות אפקטים סטריים ואלקטרוסטטיים11. לאחרונה, הקבוצה שלנו בשיתוף עם קבוצת אודו באוניברסיטת נבאדה, רינו גילה מערכת פלואורופור נוספת הנושאת דמיון מבני למערכות xanthoglow מבוססות דיפרינון (איור 2)12. אנלוגים dipyrrinone אלה, לעומת זאת, נבדלים ממערכת xanthoglow באותה קשרים מימן תוך מולקולרי, ולא קשרים קוולנטיים, להרתיע פוטואיסומריזציה לגרום למערכת פלואורסצנטית רכיבה על אופניים. יתר על כן, pyrazole, imidazole, ו isoindolone דיפירינון אנלוגים יכול מימן להתחבר במצבים פרוטונים deprotonated; דה-פרוטוניזציה גורמת לשינוי אדום של אורכי הגל של העירור והפליטה, ככל הנראה עקב שינוי באופי האלקטרוני של המערכת. בעוד מליטה מימן דווח להגדיל את התשואות הקוונטיות למרות סיבוב מוגבל13,14,15,16, אנחנו לא מודעים לכל מערכת פלואורופור אחרים שבה איזומריזציה מוגבלת משמשת כמצב של פלואורסצנטיות הן במצבים פרוטונים והן deprotonated של המולקולה. לכן, אלה pH תלוי dipyrrinone פלואורים הם ייחודיים במובן זה.
בסרטון זה, אנו מתמקדים בסינתזה ובאפיון הכימי של הסדרה האנלוגית דיפרינון פלואורסצנטית. בפרט, יש דגש על מתודולוגיית עיבוי Claisen-שמידט ששימשה לבניית הסדרה המלאה של אנלוגים פלואורסצנטיים. תגובה זו מסתמכת על הדור של יון enolate vinylogous בתיווך בסיס אשר תוקף קבוצה אלדהיד, כדי לייצר אלכוהול כי לאחר מכן עובר חיסול. עבור הסדרה האנלוגית dipyrrinone, pyrrolinone / איזואינדולון מומר enolate כדי להקל על התקפה על קבוצת אלדהיד מחובר טבעת pyrazole או imidazole (איור 3); לאחר חיסול מערכת אופניים מצומדת במלואה, המקושרת על ידי גשר מת’ין, נוצרת. ראוי לציין כי כל הסדרה של אנלוגים dipyrrinone ניתן לבנות מחומרים מסחריים זמינים והוא יכול להיות מיוצר ברצף תגובה סיר אחד בדרך כלל בתשואות בינוניות עד גבוהות (התשואות נעות בין כ 50-95%). מאז רוב אנלוגים dipyrrinone הם גבישיים מאוד בטבע, טיהור מעט מאוד מחוץ לתנאי בדיקה סטנדרטיים נדרש לייצר דגימות טהורות אנליטיות. כתוצאה מכך, מערכת פלואורופור זו דורשת רק כמה צעדים כדי לגשת מחומרים מסחריים זמינים וניתן לסנתז, לטהר ולהכין למחקרים אנליטיים או ביולוגיים בתוך זמן קצר יחסית.
Protocol
Representative Results
Discussion
גישת עיבוי Claisen-שמידט מספקת אמצעי חזק למדי ליצירת pyrazole, imidazole, ו פלואורים דיפרינון איזואינדולון באמצעות פרוטוקול פשטני יחסית מבחינה מבצעית. בעוד הסינתזה של אנלוגים dipyrrinone פלואורסצנטי היה המוקד של מחקר זה, יש לציין כי תנאים דומים ניתן להחיל כדי לגשת למערכות טבעת אחרות הקשורות מתאן אופניים כ…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Z.R.W. ו N.B. להודות NIH (2P20 GM103440-14A1) על המימון הנדיב שלהם, כמו גם יונגג’אי קו ואוניברסיטת נבאדה, לאס וגאס על עזרתם ברכישת 1H ו 13C NMR. בנוסף, ברצוננו להודות לסטודנטים לתקשורת חזותית של המל”ל, ארנולד פלזנסיה-פלורס, אוברי ג’ייקובס ואליסטר קופר על עזרתם בתהליכי הצילום והאנימציה בחלקי הצילום של כתב יד זה.
Materials
| 3-ethyl-4-methyl-3-pyrrolin-2-one | Combi-Blocks | [766-36-9] | Yellow solid reagent |
| isoindolin-1-one | ArkPharm | [480-91-1] | Off-white solid reagent |
| 5-bromoisoindolin-1-one | Combi-Blocks | [552330-86-6] | Pink solid reagent |
| 2-formylimidazole | Combi-Blocks | [10111-08-7 ] | Off-white solid reagent |
| Imidazole-4-carbaldehyde | ArkPharm | [3034-50-2] | Solid reagent |
| 1-H-pyrazole-4-carbaldehyde | Oakwood Chemicals | [35344-95-7] | Solid reagent |
| 1-H-pyrazole-5-carbaldehyde | Matrix Scientific | [3920-50-1] | Solid reagent |
| Solid KOH Pellets | BeanTown Chemicals | [1310-58-3] | White solid pellets |
| Siliflash Silica Gel | Scilicycle | R12030B | Fine white powder |
| Phosphate Buffered Saline (PBS) (x10) | Growcells | MRGF-6235 | Colorless translucent liquid |
| Beckman Coulter DU-800 UV/Vis Spectrophotometer and Software | Beckman Coulter | N/A | Spectroscopy Instrument and Software |
| Fluoromax-4 Spectrofluorometer | Horiba Scientific | N/A | Spectroscopy Instrument |
| FluorEssence Fluoremetry Software V3.5 | Horiba Scientific | N/A | Spectroscopy Software |
| Finnpipette II Micropipette (sizes: 100-1,000, 20-200, and 0.5-10 µL) | Fischerbrand | N/A | Equipment |
| Wilmad-LabGlass Rotary Evaporator (Model: WG-EV311-V-PLUS) | SP Scienceware | N/A | Equipment |
| DuoSeal Vacuum Pump (Model Number: 1405) | Welch | N/A | Equipment |
| GraphPad Prism 4 | GraphPad | N/A | Data Analysis Software |
| SympHony pH Meter (Model: Sb70P) | VWR | N/A | Equipment |
References
- Abbandonato, G., et al. Cis-trans photoisomerization properties of GFP chromophore analogs. European Biophysics Journal. 40 (11), 1205-1214 (2011).
- Funakoshi, H., et al. Spectroscopic studies on merocyanine photoisomers. IV. Catalytic isomerization of photoisomers of merocyanine derivatives in protic solvents. Nippon Kagaku Kaishi. (9), 1516-1522 (1989).
- Puzicha, G., Shrout, D. P., Lightner, D. A. Synthesis and properties of homomologated and contracted dipyrrinone analogs of xanthobilirubic acid. Journal of Heterocyclic Chemistry. 27 (7), 2117-2123 (1990).
- Bonnett, R., Hamzetash, D., Asuncion Valles, M. Propentdyopents [5-(2-oxo-2H-pyrrol-5-ylmethylene)pyrrol-2(5H)-ones] and related compounds. Part 2. The Z E photoisomerization of pyrromethenone systems. Journal of the Chemical Society, Perkins Transactions. 1 (6), 1383-1388 (1987).
- Tikhomirova, K., Anisimov, A., Khoroshutin, A. Biscyclohexane-Annulated Diethyl Dipyrrindicarboxylates: Observation of a Dipyrrin Form with Absent Visible Absorption. European Journal of Organic Chemistry. 2012 (11), 2201-2207 (2012).
- Brower, J. O., Lightner, D. A. Synthesis and spectroscopic properties of a new class of strongly fluorescent dipyrrinones. Journal of Organic Chemistry. 67 (8), 2713-2716 (2002).
- Woydziak, Z. R., Boiadjiev, S. E., Norona, W. S., McDonagh, A. F., Lightner, D. A. Synthesis and Hepatic Transport of Strongly Fluorescent Cholephilic Dipyrrinones. Journal of Organic Chemistry. 70 (21), 8417-8423 (2005).
- Jarvis, T., et al. Pyrrole β-amides: Synthesis and characterization of a dipyrrinone carboxylic acid and an N-Confused fluorescent dipyrrinone. Tetrahedron. 74 (14), 1698-1704 (2018).
- Bodio, E., Denat, F., Goze, C. BODIPYS and aza-BODIPY derivatives as promising fluorophores for in vivo molecular imaging and theranostic applications. Journal of Porphyrins and Phthalocyanines. 23, 1159-1183 (2019).
- Acharya, A., et al. Photoinduced Chemistry in Fluorescent Proteins: Curse or Blessing. Chemical Reviews. 117 (2), 758-795 (2017).
- Romei, M. G., Lin, C. -. Y., Mathews, I. I., Boxer, S. G. Electrostatic control of photoisomerization pathways in proteins. Science. 367 (6473), 76-79 (2020).
- Benson, N., Suleiman, O., Odoh, S. O., Woydziak, Z. Ryrazole, Imidazole, and Isoindolone Dipyrrinone Analogues: pH-Dependent Fluorophores That Red-Shift Emission Frequencies in a Basic Solution. Journal of Organic Chemistry. 84 (18), 11856-11862 (2019).
- Xie, P., Gao, G., Liu, J., Jin, Q., Yang, G. A New Turn on Fluorescent Probe for Selective Detection of Cysteine/Homocysteine. Journal of Fluorescence. 25 (5), 1315-1321 (2015).
- Alty, I. G., et al. Intramolecular Hydrogen-Bonding Effects on the Fluorescence of PRODAN Derivatives. Journal of Physical Chemistry A. 120 (20), 3518-3523 (2016).
- Yang, Y., Li, D., Li, C., Liu, Y. F., Jiang, K. Hydrogen bond strengthening induces fluorescence quenching of PRODAN derivative by turning on twisted intramolecular charge transfer. Spectrochimica Acta, Part A. 187, 68-74 (2017).
- Zhang, L., Liu, J., Gao, J., Zhang, F., Ding, L. High solid fluorescence of a pyrazoline derivative through hydrogen bonding. Molecules. 22 (8), 1 (2017).
- Williams, A. T. R., Winfield, S. A., Miller, J. N. Relative fluorescence quantum yields using a computer-controlled luminescence spectrometer. Analyst. 108 (1290), 1067-1071 (1983).
- Eaton, D. F. Reference materials for fluorescence measurement. Pure and Applied Chemistry. 60 (7), 1107-1114 (1988).
- Dawson, W. R., Windsor, M. W. Fluorescence yields of aromatic compounds. Journal of Physical Chemistry. 72 (9), 3251-3260 (1968).
- Zhang, X. -. F., Zhang, J., Lu, X. The Fluorescence Properties of Three Rhodamine Dye Analogues: Acridine Red, Pyronin Y and Pyronin B. Journal of Fluorescence. 25 (4), 1151-1158 (2015).
- Zanker, V., Rammensee, H., Haibach, T. Measurements of the relative quantum yields of the fluorescence of acridine and fluorescein dyes. Zeitschrift für Angewandte Physik. 10, 357-361 (1958).
- Mujumdar, R. B., Ernst, L. A., Mujumdar, S. R., Lewis, C. J., Waggoner, A. S. Cyanine dye labeling reagents: Sulfoindocyanine succinimidyl esters. Bioconjugate Chemistry. 4 (2), 105-111 (1993).
- Battersby, A. R., Dutton, C. J., Fookes, C. J. R. Synthetic studies relevant to biosynthetic research on vitamin B12. Part 7. Synthesis of (±)-bonellin dimethyl ester. Journal of the Chemical Society, Perkin Transactions. 1 (6), 1569-1576 (1988).
- Pfeiffer, W. P., Lightner, D. A. (m.n)-Homorubins: syntheses and structures. Monatschfte für Chemie. 145 (11), 1777-1801 (2014).
- Huggins, M. T., Musto, C., Munro, L., Catalano, V. J. Molecular recognition studies with a simple dipyrrinone. Tetrahedron. 63 (52), 12994-12999 (2007).
- Groselj, U., et al. Synthesis of Spiro-δ2-Pyrrolin-4-One Pseudo Enantiomers via an Organocatalyzed Sulfa-Michael/Aldol Domino Sequence. Advanced Synthesis & Catalyst. 361 (22), 5118-5126 (2019).
- El-Shwiniy, W. H., Shehab, W. S., Mohamed, S. F., Ibrahium, H. G. Synthesis and cytotoxic evaluation of some substituted pyrazole zirconium(IV) complexes and their biological assay. Applied Organometallic Chemistry. 32 (10), (2018).
- Murray, L., O’Farrell, A. -. M., Abrams, T. Preparation of indolinone compounds for treatment of excessive osteolysis. US Patent. , (2004).
- Lozinskaya, N. A., et al. Synthesis and biological evaluation of 3-substituted 2-oxindole derivatives as new glycogen synthase kinase 3β inhibitors. Bioorganic & Medicinal Chemistry. 27 (9), 1804-1817 (2019).
- Montforts, F. P., Schwartz, U. M. A directed synthesis of the chlorin system. Liebigs Annalen der Chemie. (6), 1228-1253 (1985).
- Uddin, M. I., Thirumalairajan, S., Crawford, S. M., Cameron, T. S., Thompson, A. Improved synthetic route to C-ring ester-functionalized prodigiosenes. Synlett. (17), 2561-2564 (2010).
- Brower, J. O., Lightner, D. A., McDonagh, A. F. Aromatic congeners of bilirubin: synthesis, stereochemistry, glucuronidation and hepatic transport. Tetrahedron. 57 (37), 7813-7827 (2001).
- Clift, M. D., Thomson, R. J. Development of a Merged Conjugate Addition/Oxidative Coupling Sequence. Application to the Enantioselective Total Synthesis of Metacycloprodigiosin and Prodigiosin R1. Journal of the American Chemical Society. 131 (40), 14579-14583 (2009).
- Brower, J. O., Lightner, D. A., McDonagh, A. F. Synthesis of a New Lipophilic Bilirubin. Conformation, Transhepatic Transport and Glucuronidation. Tetrahedron. 56 (40), 7869-7883 (2000).
