Synthese van pH-afhankelijke pyrazol, imidazol en isoindodondiyrrinonefluoroforen met behulp van een Claisen-Schmidt condensatiebenadering
Summary
De Claisen-Schmidt condensatiereactie is een belangrijke methodiek voor het genereren van methine-overbrugde geconjugeerde bicyclische aromatische verbindingen. Door gebruik te maken van een basisgemedieerde variant van de aldolreactie, kan een reeks fluorescerende en/of biologisch relevante moleculen toegankelijk zijn via een over het algemeen goedkope en operationeel eenvoudige synthetische aanpak.
Abstract
Methine-overbrugde geconjugeerde bicyclische aromatische verbindingen zijn gemeenschappelijke bestanddelen van een reeks biologisch relevante moleculen zoals porfyrines, dipyrrinonen en geneesmiddelen. Bovendien resulteert beperkte rotatie van deze systemen vaak in sterk tot matig fluorescerende systemen zoals waargenomen in 3H,5H-dipyrrolo[1,2-c:2′,1′-f]pyrimidin-3-ones, xanthoglows, pyrroloindolizinedione analogen, BODIPY analogen, en de fenolische en imidazolinone ringsystemen van Green Fluorescent Protein (GFP). Dit manuscript beschrijft een goedkope en operationeel eenvoudige methode om een Claisen-Schmidt condensatie uit te voeren om een reeks fluorescerende pH-afhankelijke pyrazol/imidazol/isoindolon dipyrrinone analogen te genereren. Hoewel de methodologie de synthese van dipyrrinone-analogen illustreert, kan het worden vertaald om een breed scala aan geconjugeerde bicyclische aromatische verbindingen te produceren. De claisen-schmidtcondensatiereactie die bij deze methode wordt gebruikt, is beperkt tot nucleofielen en elektrofielen die onder basisomstandigheden (nucleofiele component) en niet-enolizeerbare aldehyden (elektrofiele component) kunnen worden geëvervandeerd. Bovendien moeten zowel de nucleofiele als de elektrofiele reactanten functionele groepen bevatten die niet per ongeluk met hydroxide zullen reageren. Ondanks deze beperkingen biedt deze methodologie toegang tot volledig nieuwe systemen die kunnen worden gebruikt als biologische of moleculaire sondes.
Introduction
Een aantal geconjugeerde bicyclische systemen, waarbij twee aromatische ringen met elkaar verbonden zijn door een monomethinebrug, ondergaan isomerisatie via bindingsrotatie, wanneer opgewekt met een foton (Figuur 1A)1,2,3,4,5. Het opgewonden isomeer zal over het algemeen ontspannen tot de grondtoestand door niet-radiatieve vervalprocessen6. Als de energiebarrière voor bindingsrotatie voldoende wordt verhoogd, is het mogelijk om de fotoisomerisatie te beperken of te voorkomen. In plaats daarvan resulteert fotonische excitatie in een opgewonden singlettoestand die vaak ontspant via fluorescentie in plaats van niet-radiatief verval (Figuur 1B). Het beperken van fotoisomerisatie wordt meestal bereikt door de bindingsrotatie mechanisch te beperken door de twee aromatische ringsystemen te binden door covalente verbindingen, waardoor het molecuul in een bepaalde isomeertoestand wordt vergrendeld. Deze benadering is gebruikt om verschillende fluorescerende tricyclische dipyrrinone en dipyrrolemethane analogen te creëren, zoals: 3H,5H-dipyrrolo[1,2-c:2′,1′-f]pyrimidin-3-ones (1), xanthoglows (2)6,7, pyrroloindolizinedione analogen( 3)8, en BODIPY carbonyl, of boordifluore linkers. Typisch, 1–4 bezitten ΦF > 0.7 suggererend deze systemen zeer efficiënt als fluorofooreenheden zijn.
Het is ook mogelijk om fotoisomerisatie te beperken door middel van andere middelen dan het covalent verbinden van de ringsystemen. De fenolische en imidazolinone ringen (figuur 2) van Green Fluorescent Protein (GFP) zijn bijvoorbeeld beperkt tot rotatie door de eiwitomgeving; de beperkende instelling verhoogt de kwantumopbrengst met drie ordes van grootte in vergelijking met dezelfde chromofooreenheid in vrije oplossing10. Er wordt aangenomen dat de eiwitsteiger van GFP een rotatiebarrière biedt door sterische en elektrostatische effecten11. Onlangs ontdekte onze groep in samenwerking met de Odoh-groep aan de Universiteit van Nevada, Reno een ander fluorofoorsysteem dat structurele gelijkenis vertoont met de op dipyrrinone gebaseerde xanthoglow-systemen (Figuur 2)12. Deze dipyrrinone-analogen verschillen echter van het xanthoglow-systeem in die tijd dat intramoleculaire waterstofbindingen, in plaats van covalente bindingen, fotoisomerisatie ontmoedigen en resulteren in een fluorescerend bicyclisch systeem. Bovendien kunnen de pyrazol-, imidazol- en isoindolondiprorinone-analogen waterstofbinding in geprotoneerde en gedeprotoneerde toestanden; deprotonatie resulteert in de roodverschuiving van zowel de excitatie- als de emissiegolflengten, waarschijnlijk als gevolg van een verandering in de elektronische aard van het systeem. Hoewel er is gemeld dat waterstofbinding de kwantumopbrengsten verhoogt, hoewel beperkte rotatie13,14,15,16, zijn we ons niet bewust van enig ander fluorofoorsysteem waarin beperkte isomeer als fluorescentiewijze dient in zowel geprotoneerde als gedeprotoneerde toestanden van het molecuul. Daarom zijn deze pH-afhankelijke dipyrrinonefluoroforen in dat opzicht uniek.
In deze video richten we ons op de synthese en chemische karakterisering van de fluorescerende dipyrrinone analoge serie. In het bijzonder wordt de nadruk gelegd op de Claisen-Schmidt condensatiemethode die werd gebruikt om de complete serie fluorescerende analogen te construeren. Deze reactie is gebaseerd op de generatie van een basisgemedieerd vinylogous enolaation dat een aldehydegroep aanvalt, om een alcohol te produceren die vervolgens wordt geëlimineerd. Voor de analoge difthrrinonereeks wordt een pyrrolinon/isoindolon omgezet in een enolaat om een aanval op een aldehydegroep die aan een pyrazol- of imidazolring is bevestigd, te vergemakkelijken (figuur 3); na eliminatie wordt een volledig geconjugeerd bicyclisch systeem gevormd, verbonden door een methinebrug. Het is opmerkelijk dat de hele serie dipyrrinone-analogen kan worden gemaakt van direct beschikbare commerciële materialen en kan worden geproduceerd in een enkele eenpotreactiesequentie, meestal in matige tot hoge opbrengsten (opbrengsten variëren van ongeveer 50-95%). Aangezien de meeste dipyrrinone-analogen zeer kristallijn van aard zijn, is er zeer weinig zuivering buiten de standaard workup-omstandigheden nodig om analytisch zuivere monsters te produceren. Bijgevolg vereist dit fluorofoorsysteem slechts een paar stappen om toegang te krijgen tot direct beschikbare commerciële materialen en kan het in relatief korte tijd worden gesynthetiseerd, gezuiverd en voorbereid voor analytische of biologische studies.
Protocol
Representative Results
Discussion
De Claisen-Schmidt condensatiebenadering biedt een vrij robuust middel om pyrazol, imidazol en isoindodondi synergrinonefluoroforen te genereren door middel van een relatief operationeel simplistisch protocol. Hoewel de synthese van de fluorescerende dipyrrinone-analogen de focus van deze studie was, moet worden opgemerkt dat vergelijkbare voorwaarden kunnen worden toegepast om toegang te krijgen tot andere bicyclische methine-gekoppelde ringsystemen zoals dipyrrinonen23 ,<su…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Z.R.W. en N.B. danken de NIH (2P20 GM103440-14A1) voor hun genereuze financiering, evenals Jungjae Koh en de Universiteit van Nevada, Las Vegas voor hun hulp bij het verwerven van 1H en 13C NMR. Daarnaast willen we NSC visual media studenten, Arnold Placencia-Flores, Aubry Jacobs en Alistair Cooper bedanken voor hun hulp bij de film- en animatieprocessen binnen de cinematografische delen van dit manuscript.
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).
