Synthese von pH-abhängigem Pyrazol, Imidazol und Isoindolon Dipyrrinon Fluorophoren mit einem Claisen-Schmidt-Kondensationsansatz
Summary
Die Claisen-Schmidt Kondensationsreaktion ist eine wichtige Methode zur Erzeugung von methin-überbrückten konjugierten bizyklischen aromatischen Verbindungen. Durch die Verwendung einer basisvermittelten Variante der Aldolreaktion kann eine Reihe fluoreszierender und/oder biologisch relevanter Moleküle durch einen allgemein kostengünstigen und operativ einfachen synthetischen Ansatz erreicht werden.
Abstract
Methin-überbrückte konjugierte bizyklische aromatische Verbindungen sind häufige Bestandteile einer Reihe von biologisch relevanten Molekülen wie Porphyrinen, Dipyrrinonen und Arzneimitteln. Darüber hinaus führt eine eingeschränkte Rotation dieser Systeme oft zu stark bis mäßig fluoreszierenden Systemen, wie sie in 3H,5H-Dipyrrolo[1,2-c:2′,1′-f]pyrimidin-3-ones, Xanthoglows, Pyrroloindolizinedion-Analogen, BODIPY-Analogen und den Phenol- und Imidazolinone-Ringsystemen von Green Fluorescent Protein (GFP) beobachtet werden. Dieses Manuskript beschreibt eine kostengünstige und operativ einfache Methode zur Durchführung einer Claisen-Schmidt-Kondensation, um eine Reihe fluoreszierender pH-abhängiger Pyrazol/Imidazol/Isoindolon-Dipyrrinonanaloga zu erzeugen. Während die Methodik die Synthese von Dipyrrinon-Analogen veranschaulicht, kann sie übersetzt werden, um eine breite Palette konjugierter bizyklischer aromatischer Verbindungen zu produzieren. Die bei dieser Methode verwendete Claisen-Schmidt-Kondensationsreaktion ist im Anwendungsbereich auf Nucleophile und Elektrophile beschränkt, die unter Grundbedingungen (Nucleophile Komponente) und nicht-enolizierbaren Aldehyden (elektrophile Komponente) enolizierbar sind. Darüber hinaus müssen sowohl die nucleophilen als auch die elektrophilen Reaktanten funktionelle Gruppen enthalten, die nicht versehentlich mit Hydroxid reagieren. Trotz dieser Einschränkungen bietet diese Methode Zugang zu völlig neuartigen Systemen, die als biologische oder molekulare Sonden eingesetzt werden können.
Introduction
Eine Reihe konjugierter bizyklischer Systeme, bei denen zwei aromatische Ringe durch eine Monomethinbrücke miteinander verbunden sind, durchlaufen eine Isomerisierung durch Bindungsrotation, wenn sie mit einem Photon angeregt werden (Abbildung 1A)1,2,3,4,5. Das angeregte Isomer wird sich in der Regel durch nicht-radiante Zerfallsprozesse6zum Boden entspannen. Wenn die Energiebarriere für die Bindungsrotation stark genug erhöht wird, ist es möglich, die Photoisomerisierung einzuschränken oder zu verhindern. Stattdessen führt photonische Anregung zu einem aufgeregten Singlet-Zustand, der sich oft über Fluoreszenz anstatt durch nicht-radiativen Zerfall entspannt (Abbildung 1B). Die Eindämmung der Photoisomerisierung wird am häufigsten durch mechanische Einschränkung der Bindungsrotation durch Binden der beiden aromatischen Ringsysteme durch kovalente Verbindungen erreicht, wodurch das Molekül in einen bestimmten isomerischen Zustand gesperrt wird. Dieser Ansatz wurde verwendet, um mehrere verschiedene fluoreszierende trizyklische Dipyrrinon- und Dipyrrolmethananaloga wie: 3H,5H-Dipyrrolo[1,2-c:2′,1′-f]pyrimidin-3-ones (1), zu erstellen. xanthoglows (2)6,7, pyrroloindolizinedione analogs (3)8und BODIPYanalogs 9 (4, Abbildung 2), wobei die Pyrrolidin- und/oder Pyrrolringsysteme mit Methylen, Carbonyl, oder Bor-Difluor-Linker. Typischerweise besitzen 1–4> 0,7, was darauf hindeutet, dass diese Systeme als Fluorophoreinheiten sehr effizient sind.
Es ist auch möglich, die Photoisomerisierung durch andere Mittel als die kovalente Verknüpfung der Ringsysteme zu beschränken. Beispielsweise sind die Phenol- und Imidazolinon-Ringe (Abbildung 2) von Green Fluorescent Protein (GFP) auf die Rotation durch die Proteinumgebung beschränkt; die restriktive Einstellung erhöht die Quantenausbeute um drei Größenordnungen im Vergleich zur gleichen Chromophoreinheit in freier Lösung10. Es wird angenommen, dass das Proteingerüst von GFP eine Rotationsbarriere durch serische und elektrostatische Effekte11bietet. Kürzlich entdeckte unsere Gruppe in Zusammenarbeit mit der Odoh-Gruppe an der University of Nevada ein weiteres Fluorophorsystem, das strukturelle Ähnlichkeit mit den Dipyrrinon-basierten Xanthoglow-Systemen hat (Abbildung 2)12. Diese Dipyrrinon-Analoga unterscheiden sich jedoch vom Xanthoglow-System dadurch, dass intramolekulare Wasserstoffbindungen anstelle von kovalenten Bindungen photoisomerisieren und zu einem fluoreszierenden bizyklischen System führen. Darüber hinaus können die Analoga Pyrazol, Imidazol und Isoindolondipyrrinon in protonierten und deprotonierten Zuständen wasserstoffgebunden werden; Deprotonation führt zu einer Roten Verschiebung sowohl der Anregungs- als auch der Emissionswellenlängen, wahrscheinlich aufgrund einer Änderung der elektronischen Natur des Systems. Während Wasserstoffbindung berichtet wurde, um Quantenrenditen zu erhöhen, obwohl eingeschränkte Rotation13,14,15,16, wir sind uns eines anderen Fluorophorsystems bewusst, in dem eingeschränkte Isomerisierung als Eine Art der Fluoreszenz sowohl in protonierten als auch in deprotonierten Zuständen des Moleküls dient. Daher sind diese pH-abhängigen Dipyrrinon-Fluorophore in dieser Hinsicht einzigartig.
In diesem Video konzentrieren wir uns auf die Synthese und chemische Charakterisierung der fluoreszierenden Dipyrrinon-Analogserie. Insbesondere wird der Schwerpunkt auf die Claisen-Schmidt-Kondensationsmethodik gelegt, mit der die komplette Reihe fluoreszierender Analoga konstruiert wurde. Diese Reaktion beruht auf der Erzeugung eines basisvermittelten Vinylogous-Enolateon-Ions, das eine Aldehydgruppe angreift, um einen Alkohol zu erzeugen, der anschließend eliminiert wird. Für die Analogserie Dipyrrinon wird Pyrrolinon/Isoindolon in ein Enolate umgewandelt, um einen Angriff auf eine Aldehydgruppe zu erleichtern, die an einem Pyrazol- oder Imidazolring befestigt ist (Abbildung 3); nach der Eliminierung bildet sich ein vollständig konjugiertes bizyklisches System, das durch eine Methinbrücke verbunden ist. Bemerkenswert ist, dass die gesamte Serie von Dipyrrinon-Analogen aus leicht verfügbaren kommerziellen Materialien hergestellt werden kann und in einer einzigen Ein-Topf-Reaktionssequenz hergestellt werden kann, die typischerweise in moderaten bis hohen Erträgen erfolgt (Die Erträge reichen von etwa 50-95%). Da die meisten Dipyrrinonanaloga hochkristallin sind, ist für die Herstellung analytisch reiner Proben nur sehr wenig Reinigung außerhalb der Standard-Arbeitsbedingungen erforderlich. Folglich benötigt dieses Fluorophorsystem nur wenige Schritte für den Zugriff aus leicht zugänglichen kommerziellen Materialien und kann in relativ kurzer Zeit synthetisiert, gereinigt und für analytische oder biologische Studien vorbereitet werden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Der Claisen-Schmidt-Kondensationsansatz bietet ein ziemlich robustes Mittel zur Erzeugung von Pyrazol, Imidazol und Isoindolon-Dipyrrinonfluorophoren durch ein relativ operativ vereinfachendes Protokoll. Während die Synthese der fluoreszierenden Dipyrrinonanaloga im Mittelpunkt dieser Studie stand, ist zu beachten, dass ähnliche Bedingungen auf andere bizyklische Methin-verbundene Ringsysteme wie Dipyrrinone23,24,25 und Pyrrol…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Z.R.W. und N.B. danken dem NIH (2P20 GM103440-14A1) für ihre großzügige Finanzierung sowie Jungjae Koh und der University of Nevada, Las Vegas für ihre Unterstützung beim Erwerb von 1H und 13C NMR. Darüber hinaus möchten wir uns bei den Studenten der visuellen Medien von NSC, Arnold Placencia-Flores, Aubry Jacobs und Alistair Cooper für ihre Hilfe bei den Film- und Animationsprozessen innerhalb der Kinematografie-Teile dieses Manuskripts bedanken.
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 |
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