توليف البيرازول المعتمد على درجة الحموضة، إيميدازول، وإيزيندولون ديبيرينون فلوروفوريس باستخدام نهج التكثيف كلايسين شميدت
Summary
رد فعل التكثيف كلايسين شميدت هو منهجية هامة لتوليد المركبات العطرية ثنائية الحلقات المترافقة التي تم جسرها. ومن خلال استخدام متغير أساسي من تفاعل ال ألدول، يمكن الوصول إلى مجموعة من الجزيئات الفلورية و/أو ذات الصلة بيولوجيا من خلال نهج اصطناعي غير مكلف عموما وبسيط من الناحية التشغيلية.
Abstract
المركبات العطرية ثنائية الحلقات المترافقة التي يتم جسرها بالميثين هي مكونات شائعة لمجموعة من الجزيئات ذات الصلة بيولوجيا مثل البورفيرينات والديبيرينونات والمستحضرات الصيدلانية. بالإضافة إلى ذلك، دوران مقيد لهذه النظم غالبا ما يؤدي إلى أنظمة الفلورسنت عالية إلى معتدلة كما لوحظ في 3H، 5H-dipyrrolo[1،2-c:2’،1′-f]pyrimidin-3-ones، xanthoglows، النظائر بيرولويندوليزيديون، النظائر BODIPY، ونظم حلقة الفينول والإيميدازولينون من البروتين الفلوري الأخضر (GFP). تصف هذه المخطوطة طريقة بسيطة وغير مكلفة من الناحية التشغيلية لإجراء تكثيف Claisen-Schmidt لتوليد سلسلة من النظائر الفلورية المعتمدة على درجة الحموضة البيرازول /إيميدازول/إيزويندولون ديبيرينون. في حين أن المنهجية توضح توليف النظائر ثنائية الديبرينون ، يمكن ترجمتها لإنتاج مجموعة واسعة من المركبات العطرية ثنائية الحلقات المصاحبة. يقتصر تفاعل تكثيف Claisen-Schmidt المستخدمة في هذه الطريقة في نطاقها على النوى والكتروفيليين القابلين للانفزال في ظل الظروف الأساسية (مكون النيوكليوفيلي) والالدهيدات غير القابلة للتخصيص (مكون electrophile). بالإضافة إلى ذلك ، يجب أن تحتوي كل من المتفاعلات النووية والكهربائية على مجموعات وظيفية لن تتفاعل عن غير قصد مع الهيدروكسيد. وعلى الرغم من هذه القيود، توفر هذه المنهجية إمكانية الوصول إلى أنظمة جديدة تماما يمكن استخدامها كمسبارات بيولوجية أو جزيئية.
Introduction
وهناك عدد من نظم الدراجات المقترنة، التي ترتبط حلقتين العطرية من قبل جسر مونومايثين، الخضوع isomerization عن طريق تناوب السندات، عندما متحمس مع الفوتون (الشكل 1A)1،2،3،4،5. فإن ايزومر متحمس الاسترخاء عموما إلى حالة الأرض من خلال عمليات الاضمحلال غير الإشعاعي6. إذا تم زيادة حاجز الطاقة أمام دوران السندات إلى حد كبير بما فيه الكفاية ، فمن الممكن تقييد أو منع التصوير الضوئي. بدلا من ذلك ، يؤدي الإثارة الضوئية إلى حالة فردية متحمسة تسترخي في كثير من الأحيان عبر الفلورسينس بدلا من الاضمحلال غير الإشعاعي(الشكل 1B). يتم تحقيق تقييد الفوتويزومرات الأكثر شيوعا عن طريق تقييد دوران السندات ميكانيكيا من خلال ربط نظامي الحلقة العطرية عن طريق الروابط التساهمية ، وبالتالي قفل الجزيء في حالة متساوية الخواص. وقد استخدم هذا النهج لخلق عدة مختلفة ثلاثية الحلقات الفلورية dipyrrinone وdiyrrolemethane التناظرية مثل: 3H، 5H-dipyrrolo[1،2-c:2’،1′-f]pyrimidin-3-ones (1)، x نظائر بيرولويندوليدوز (2)6,7, pyrroloindolizinedione (3)8, و نظائر BODIPY9 (4, الشكل 2) حيث يتم ربط أنظمة حلقة بيروليدين و / أو بيرول مع الميثيلين, كاربونيل, أو وصلات بورون ديفلورو. عادة،1-4تمتلك ΦF > 0.7 مما يشير إلى أن هذه النظم فعالة جدا كوحدات الفلوروفور.
ومن الممكن أيضا تقييد التصوير الضوئي من خلال وسائل أخرى غير الربط بين أنظمة الحلقة بشكل متناقض. على سبيل المثال، تقتصر حلقات الفينول والإيميدازولينون(الشكل 2)من بروتين الفلورسنت الأخضر (GFP) على الدوران من قبل بيئة البروتين. يزيد الإعداد التقييدي من عائد الكم بمقدار ثلاثة أوامر من الحجم بالمقارنة مع نفس وحدة الكروموفور في الحل الحر10. ويعتقد أن سقالة البروتين من GFP يوفر حاجز الدوران من خلال آثار steric والكهروستاتيكي11. في الآونة الأخيرة، مجموعتنا بالتعاون مع مجموعة أودوه في جامعة نيفادا، اكتشف رينو نظام الفلوروفور آخر يحمل التشابه الهيكلي لأنظمة xanthoglow المستندة إلى ديبيرينون (الشكل 2)12. هذه النظائر dipyrrinone، ومع ذلك، تختلف عن نظام xanthoglow في أن الروابط الهيدروجينية داخل الجزيئية، بدلا من السندات التساهمية، ردع photoisomerization ويؤدي إلى نظام دوري الفلورسنت. وعلاوة على ذلك، فإن البيرازول، إيميدازول، ونظائر إيزويندولون ديبيرينون يمكن أن السندات الهيدروجين في الدول بروتونات وإزالة البروتونات. يؤدي إزالة الانبعاثات إلى التحول الأحمر لكل من الإثارة والأطوال الموجية للانبعاثات ، على الأرجح بسبب تغيير في الطبيعة الإلكترونية للنظام. في حين تم الإبلاغ عن الترابط الهيدروجين لزيادة غلة الكم على الرغم من تقييد دوران13،14،15،16، ونحن لا نعلم من أي نظام الفلوروفورية الأخرى التي isomerization المقيدة بمثابة وسيلة للفلور في كل من حالات البروتونات وإزالة البروميد من الجزيء. ولذلك، فإن هذه الفلوروفوريس dipyrrinone تعتمد على الحموضة هي فريدة من نوعها في هذا الصدد.
في هذا الفيديو، ونحن نركز على توليف وتوصيف الكيميائية للسلسلة التناظرية dipyrrinone الفلورسنت. على وجه الخصوص ، هناك تركيز على منهجية تكثيف Claisen-Schmidt التي تم استخدامها لبناء سلسلة كاملة من النظائر الفلورية. يعتمد رد الفعل هذا على توليد أيون الفينيلوغوس إينولات بوساطة أساسية يهاجم مجموعة ألدهيد ، لإنتاج الكحول الذي يخضع للقضاء عليه لاحقا. لسلسلة التناظرية dipyrrinone, يتم تحويل بيرولينون / ايزويندولون إلى إينولات لتسهيل هجوم على مجموعة ألدهيد تعلق على حلقة بيروزول أو إيميدازول (الشكل 3); بعد القضاء على نظام الدراجات المزدوجة مترافقة تماما، ويرتبط جسر الميثين، يتم تشكيل. ومن الجدير بالذكر أن سلسلة كاملة من النظائر dipyrrinone يمكن بناؤها من المواد التجارية المتاحة بسهولة ويمكن أن تنتج في تسلسل رد فعل وعاء واحد عادة في الغلة المعتدلة إلى العالية (الغلة تتراوح بين ما يقرب من 50-95٪). نظرا لأن معظم نظائر ثنائي الديبيرينيون بلورية للغاية في طبيعتها ، فإن التنقية خارج ظروف العمل القياسية مطلوبة لإنتاج عينات نقية تحليليا. وبالتالي، فإن نظام الفلوروفور هذا لا يتطلب سوى بضع خطوات للوصول من المواد التجارية المتاحة بسهولة، ويمكن تصنيعه وتنقيته وإعداده للدراسات التحليلية أو البيولوجية في إطار زمني قصير نسبيا.
Protocol
Representative Results
Discussion
يوفر نهج التكثيف Claisen-Schmidt وسيلة قوية إلى حد ما لتوليد البيرازول والإيميدازول وفلوروور إيزويندولون ديبيرينون من خلال بروتوكول تبسيطي تشغيلي نسبيا. في حين أن توليف النظائر ثنائي الفلورسنت dipyrrinone كان محور هذه الدراسة، تجدر الإشارة إلى أنه يمكن تطبيق ظروف مماثلة للوصول إلى غيرها من أنظمة حل?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Z.R.W. وN.B. أشكر المعاهد القومية للصحة (2P20 GM103440-14A1) على تمويلها السخي وكذلك Jungjae كوه وجامعة نيفادا، لاس فيغاس لمساعدتهم في الحصول على 1H و 13C NMR. بالإضافة إلى ذلك، نود أن نشكر طلاب وسائل الإعلام المرئية في مجلس الأمن القومي، أرنولد بلاسنسيا فلوريس، أوبري جاكوبس، وأليستر كوبر على مساعدتهم في عمليات التصوير والرسوم المتحركة ضمن أجزاء التصوير السينمائي من هذه المخطوطة.
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).
