Sintesi di pirazolo dipendente dal pH, imidazolo e fluorofori di Isoindolone Dipyrrinone usando un approccio di condensazione claisen-schmidt

Un certo numero di sistemi biciclici coniugati, in cui due anelli aromatici sono collegati da un ponte monometina, subiscono l’isomerizzazione tramite rotazione del legame, quando eccitati con un fotone(Figura 1A)^1,2,3,4,5. L’isomero eccitato si rilasserà generalmente allo stato del suolo attraverso processi di decadimento non^{radiativi 6}. Se la barriera energetica alla rotazione del legame è aumentata in misura sufficiente, è possibile limitare o prevenire la fotoisomerizzazione. Invece, l’eccitazione fotonica si traduce in uno stato di singoletto eccitato che spesso si rilassa attraverso la fluorescenza piuttosto che il decadimento non radiativo (Figura 1B). La fotoisomerizzazione restrittiva è più comunemente realizzata limitando meccanicamente la rotazione del legame attraverso il collegamento dei due sistemi di anelli aromatici mediante collegamenti covalenti, bloccando così la molecola in un particolare stato isorico. Questo approccio è stato utilizzato per creare diversi analoghi fluorescenti triciclici dipirirolo e dipirolemetano come: 3H,5H-dipirrolo[1,2-c:2′,1′-f]pirimidina-3-uno (1), xanthoglows (2)^6,7, analoghi pirroloindolizinedione (3)⁸e analoghi BODIPY 9 (⁴ , Figura 2) in base ai quali i sistemi ad anello di pirrolidina e/o pirrolole sono reticolati con metilene, carbonile, o linker difluoro al boro. Tipicamente, 1–4 possiedono Φ_{F >} 0,7 suggerendo che questi sistemi sono molto efficienti come unità di fluoroforo.

È anche possibile limitare la fotoisomerizzazione attraverso mezzi diversi dal collegamento covalente dei sistemi ad anello. Ad esempio, gli anelli fenolici e imidazolinone (Figura 2) della proteina fluorescente verde (GFP) sono limitati alla rotazione da parte dell’ambiente proteico; l’impostazione restrittiva aumenta la resa quantica di tre ordini di grandezza rispetto alla stessa unità di cromoforo nella soluzione libera¹⁰. Si ritiene che l’impalcatura proteica della GFP fornisca una barriera rotazionale attraverso effetti sterici ed elettrostatici¹¹. Recentemente, il nostro gruppo in collaborazione con il gruppo Odoh dell’Università del Nevada, Reno ha scoperto un altro sistema a fluoroforo che presenta una somiglianza strutturale con i sistemi xanthoglow a base di dipirrinone (Figura 2)¹². Questi analoghi dipirrinone, tuttavia, differiscono dal sistema xanthoglow in quanto i legami idrogeno intramolecolari, piuttosto che legami covalenti, scoraggiano la fotoisomerizzazione e si traducono in un sistema biciclico fluorescente. Inoltre, gli analoghi pirazolo, imidazolo e isoindolone dipirrinone possono legare idrogeno in stati protonati e deprotonati; la deprotonazione si traduce nello spostamento verso il rosso delle lunghezze d’onda di eccitazione ed emissione, probabilmente a causa di un cambiamento nella natura elettronica del sistema. Mentre è stato riferito che l’legame idrogeno aumenta le rese quantistiche attraverso una rotazione limitata^13,14, 15^,16, non siamo a conoscenza di nessun altro sistema di fluoroforo in cui l’isomerizzazione limitata serve come modalità di fluorescenza sia negli stati protonati che deprotonati della molecola. Pertanto, questi fluorofori di dipirrinone dipendenti dal pH sono unici in questo senso.

In questo video, ci concentriamo sulla sintesi e caratterizzazione chimica della serie analogica fluorescente dipyrrinone. In particolare, c’è un’enfasi posta sulla metodologia di condensazione claisen-schmidt che è stata utilizzata per costruire la serie completa di analoghi fluorescenti. Questa reazione si basa sulla generazione di uno ione enolato vinilegoo mediato in base che attacca un gruppo di aldeide, per produrre un alcol che successivamente subisce l’eliminazione. Per la serie analogica del dipirrinone, un pirrolinone/isoindolone viene convertito in un enolato per facilitare un attacco ad un gruppo di aldeidi attaccato ad un anello di pirazolo o imidazolo(Figura 3); dopo l’eliminazione si forma un sistema biciclico completamente coniugato, collegato da un ponte di metina. È degno di nota che l’intera serie di analoghi dipyrrinone possa essere costruita con materiali commerciali prontamente disponibili e possa essere prodotta in una singola sequenza di reazione a un vaso tipicamente in rese da moderate a alte (le rese vanno da circa il 50-95%). Poiché la maggior parte degli analoghi del dipirrinone sono di natura altamente cristallina, è necessaria pochissima purificazione al di fuori delle condizioni di lavoro standard per produrre campioni analiticamente puri. Di conseguenza, questo sistema a fluoroforo richiede solo pochi passaggi per accedere da materiali commerciali prontamente disponibili e può essere sintetizzato, purificato e preparato per studi analitici o biologici in un lasso di tempo relativamente breve.