Synthèse de fluorophores de pyrazole, d’imidazole et de dipyrrinone isoindolone dépendant du pH à l’aide d’une approche de condensation de Claisen-Schmidt

Un certain nombre de systèmes bicycliques conjugués, dans lesquels deux cycles aromatiques sont reliés par un pont monométhine, subissent une isomérisation par rotation de liaison, lorsqu’ils sont excités par un photon(figure 1A)^1,2,3,4,5. L’isomère excité va généralement se détendre à l’état fondamental par des processus de désintégration non radiatifs^6. Si la barrière d’énergie à la rotation de liaison est augmentée dans une mesure suffisamment importante, il est possible de restreindre ou d’empêcher la photoisomérisation. Au lieu de cela, l’excitation photonique se traduit par un état siat excité qui se détend souvent par fluorescence plutôt que par désintégration non radiative(Figure 1B). La photoisomérisation restrictive est le plus souvent accomplie en limitant mécaniquement la rotation des liaisons en attachant les deux systèmes cycliques aromatiques par des liaisons covalentes, verrouillant ainsi la molécule dans un état isomérique particulier. Cette approche a été utilisée pour créer plusieurs analogues tricycliques différents de dipyrrinone et de dipyrroleméthane tels que: 3H,5H-dipyrrolo[1,2-c:2′,1′-f]pyrimidin-3-ones(1),xanthoglows(2)^6,7,analogues pyrroloindolizinedione(3)^8,et analogues BODIPY⁹ (4, Figure 2)par lesquels les systèmes de cycle pyrrolidine et / ou pyrrole sont attachés avec des linkers de difluoro méthylène, carbonyle ou bore. Typiquement, 1–4 possèdent Φ_F > 0,7 ce qui suggère que ces systèmes sont très efficaces en tant qu’unités de fluorophore.

Il est également possible de restreindre la photoisomérisation par d’autres moyens que la liaison covalente des systèmes d’anneaux. Par exemple, les cycles phénolique et imidazolinone (Figure 2) de la protéine fluorescente verte (GFP) sont limités à la rotation par l’environnement protéique; le réglage restrictif augmente le rendement quantique de trois ordres de grandeur par rapport à la même unité de chromophore en solution libre^10. On pense que l’échafaudage protéique de GFP fournit une barrière de rotation par des effets stériques et électrostatiques¹¹. Récemment, notre groupe en collaboration avec le groupe Odoh de l’Université du Nevada, Reno a découvert un autre système de fluorophores qui présente des similitudes structurelles avec les systèmes xanthoglow à base de dipyrrinone (Figure 2)¹². Ces analogues de dipyrrinone, cependant, diffèrent du système xanthoglow en ce que les liaisons hydrogène intramoléculaires, plutôt que les liaisons covalentes, déterment la photoisomérisation et ont comme conséquence un système bicyclique fluorescent. En outre, les analogues de pyrazole, d’imidazole, et de dipyrrinone d’isoindolone peuvent se lier à hydrogène dans des états protonés et déprotonés ; la déprotonation entraîne le déplacement vers le rouge des longueurs d’onde d’excitation et d’émission, probablement en raison d’un changement dans la nature électronique du système. Alors que la liaison hydrogène a été signalé pour augmenter les rendements quantiques bien que la rotation restreinte^13,14,15,16,nous ne sommes pas au courant de tout autre système de fluorophore dans lequel l’isomérisation restreinte sert de mode de fluorescence dans les états protonés et déprotonés de la molécule. Par conséquent, ces fluorophores de dipyrrinone dépendants du pH sont uniques à cet égard.

Dans cette vidéo, nous nous concentrons sur la synthèse et la caractérisation chimique de la série analogique de dipyrrinone fluorescente. En particulier, l’accent est mis sur la méthodologie de condensation de Claisen-Schmidt qui a été utilisée pour construire la série complète d’analogues fluorescents. Cette réaction repose sur la génération d’un ion énolate vinylogous médié par la base qui attaque un groupe aldéhyde, pour produire un alcool qui subit ensuite une élimination. Pour la série analogique dipyrrinone, une pyrrolinone/isoindolone est convertie en énolate pour faciliter une attaque sur un groupe aldéhyde attaché à un cycle pyrazole ou imidazole (Figure 3) ; après élimination, un système bicyclique entièrement conjugué, relié par un pont de méthine, est formé. Il est à noter que toute la série d’analogues de la dipyrrinone peut être construite à partir de matériaux commerciaux facilement disponibles et peut être produite dans une seule séquence de réaction à un pot généralement dans des rendements modérés à élevés (les rendements varient d’environ 50 à 95%). Étant donné que la plupart des analogues de la dipyrrinone sont de nature très cristalline, très peu de purification en dehors des conditions de manoeuvre standard est nécessaire pour produire des échantillons analytiques purs. Par conséquent, ce système de fluorophores ne nécessite que quelques étapes pour accéder à partir de matériaux commerciaux facilement disponibles et peut être synthétisé, purifié et préparé pour des études analytiques ou biologiques dans un laps de temps relativement court.