Claisen-Schmidt Yoğuşma Yaklaşımı Kullanılarak pH Bağımlı Pyrazole, Imidazol ve İzinolon Dipyrrinone Flor Floroforlarının Sentezi
Summary
Claisen-Schmidt yoğuşma reaksiyoni, metin köprülü konjuge bisiklik aromatik bileşiklerin üretimi için önemli bir metodolojidir. Aldol reaksiyonunun baz aracılı bir varyantı kullanılarak, genellikle ucuz ve operasyonel olarak basit sentetik bir yaklaşımla bir dizi floresan ve/ veya biyolojik olarak ilgili moleküle erişilebilir.
Abstract
Metin köprülü konjuge bisiklik aromatik bileşikler porfirinler, diptirrinonlar ve farmasötikler gibi biyolojik olarak ilgili bir dizi molekülün ortak bileşenleridir. Ek olarak, bu sistemlerin kısıtlı dönüşü genellikle 3H,5H-dipyrrolo[1,2-c:2′,1′-f]pyrimidin-3-bir’lerde gözlendiği gibi yüksek ila orta derecede floresan sistemlerle sonuçlanır, xanthoglows, pyrroloindolizinedione analogları, BODIPY analogları ve Yeşil Floresan Protein (GFP) fenolik ve imidazolinon halka sistemleri. Bu makalede, bir dizi floresan pH bağımlı pirazol/imidazol/izoindolone diptirrinon analogu oluşturmak için Claisen-Schmidt yoğuşması gerçekleştirmenin ucuz ve operasyonel olarak basit bir yöntemi açıklanmaktadır. Metodoloji diptirrinon analoglarının sentezini gösterirken, çok çeşitli konjuge bisiklik aromatik bileşikler üretmek için çevrilebilir. Bu yöntemde kullanılan Claisen-Schmidt yoğuşma reaksiyonunun kapsamı, temel koşullar (nükleofili bileşeni) ve enolize edilemeyen aldehitler (elektrofil bileşeni) altında enolize edilebilen nükleofiller ve elektrofiller ile sınırlıdır. Ek olarak, hem nükleofilik hem de elektrofilik reaseptörler yanlışlıkla hidroksit ile reaksiyona girecek fonksiyonel gruplar içermelidir. Bu sınırlamalara rağmen, bu metodoloji biyolojik veya moleküler prob olarak kullanılabilen tamamen yeni sistemlere erişim sunar.
Introduction
İki aromatik halkanın monometrin bir köprü ile bağlandığı bir dizi konjuge bisiklik sistem, bir fotonla heyecanlandığında bağ dönüşü ile izomerizasyona uğrar (Şekil 1A) 1 ,2,3, 4,5. Heyecanlı izomer genellikle radyal olmayan çürüme süreçleri ile zemin durumuna gevşeyecektir6. Bağ dönüşüne karşı enerji bariyeri yeterince büyük ölçüde artırılırsa, fotoisomerizasyonun kısıtlanması veya önlenmesi mümkündür. Bunun yerine, fotonik heyecan genellikle radyal olmayan çürüme yerine floresan yoluyla gevşeyen heyecanlı bir singlet durumu ile sonuçlanır (Şekil 1B). Kısıtlayıcı fotoisomerizasyon en yaygın olarak, iki aromatik halka sistemini kovalent bağlantılarla bağlayarak bağ dönüşünü mekanik olarak kısıtlayarak ve böylece molekülü belirli bir izorik duruma kilitleyerek gerçekleştirilir. Bu yaklaşım, 3H,5H-dipyrrolo[1,2-c:2′,1′-f]pyrimidin-3-ones(1 ), x gibi birkaç farklı floresan trisiklik dipyrrinone ve dipyrrolemethane analogları oluşturmak için kullanılmıştır. ( 2 )6,7,pirroindolizinedione analogları (3)8ve BODIPY analogları9 (4, Şekil 2) ile pirrolidin ve/veya pirole halka sistemlerinin metilen, karbonil, veya bor difluoro bağlayıcılar. Tipik olarak, 1–4 ΦF > 0.7’ye sahiptir ve bu sistemlerin florofor üniteleri olarak çok verimli olduğunu düşündürmektedir.
Halka sistemlerini kovalent olarak bağlamak dışında araçlarla fotoisomerizasyonu kısıtlamak da mümkündür. Örneğin, Yeşil Floresan Proteinin (GFP) fenolik ve imidazolinon halkaları (Şekil 2) protein ortamı tarafından rotasyonla sınırlanır; kısıtlayıcı ayar, kuantum verimini serbest çözelti10’dakiaynı kromofor birimine kıyasla üç büyüklük sırasına göre artırır. GFP’nin protein iskelesinin sterik ve elektrostatik etkiler yoluyla dönme bariyeri sağladığına inanılmaktadır11. Son zamanlarda, Nevada Üniversitesi’ndeki Odoh grubu ile işbirliği içinde grubumuz, Reno, dipyrrinone tabanlı xanthoglow sistemlerine yapısal benzerlik taşıyan başka bir florofor sistemi keşfetti (Şekil 2)12. Bununla birlikte, bu diptirrinon analogları, kovalent bağlar yerine, bu intramoleküler hidrojen bağlarındaki xanthoglow sisteminden farklıdır, fotoisomerizasyonu caydırır ve floresan bisiklik sistemle sonuçlanır. Ayrıca, pirazol, imidazol ve izoindolone diptirrinon analogları protonlu ve deprotonated durumlarda hidrojen bağı yapabilir; deprotonasyon, muhtemelen sistemin elektronik yapısındaki bir değişiklik nedeniyle hem eksitasyon hem de emisyon dalga boylarının kırmızıya kaymasına neden olur. Hidrojen bağlanmasının sınırlı rotasyon 13 ,14,15,16olsa da kuantum verimini artırdığı bildirilirken, kısıtlı izomerizasyonun molekülün hem protonlu hem de deprotonated durumlarında floresan modu olarak hizmet ettiği başka bir florofor sisteminden haberimiz yoktur. Bu nedenle, bu pH bağımlı dipyrrinone flor floroforları bu açıdan benzersizdir.
Bu videoda floresan diptirin analog serisinin sentezine ve kimyasal karakterizasyonuna odaklanıyoruz. Özellikle, floresan analogların tam serisini oluşturmak için kullanılan Claisen-Schmidt yoğuşma metodolojisine vurgu yapılmıştır. Bu reaksiyon, daha sonra ortadan kaldırılmasına neden olan bir alkol üretmek için bir aldehit grubuna saldıran baz aracılı vinylog enolate iyonunun üretilmesine dayanır. Dipyrrinone analog serisi için, bir piretrolon / izoindolon, bir pirezol veya imidazol halkasına bağlı bir aldehit grubuna saldırıyı kolaylaştırmak için bir enolate dönüştürülür (Şekil 3); ortadan kaldırmadan sonra, bir metin köprüsü ile birbirine bağlı tamamen konjuge bir bisiklik sistem oluşturulur. Tüm dipirrinon analog serisinin hazır ticari malzemelerden oluşturulabilmesi ve tipik olarak orta ila yüksek verimlerde tek bir tencere reaksiyon dizisinde üretilebilmesi dikkat çekicidir (verim yaklaşık% 50-95 arasındadır). Dipirrinon analoglarının çoğu doğada oldukça kristal olduğundan, analitik olarak saf numuneler üretmek için standart çalışma koşulları dışında çok az saflaştırma gerekir. Sonuç olarak, bu florofor sistemi hazır bulunan ticari malzemelerden erişmek için sadece birkaç adım gerektirir ve nispeten kısa bir zaman diliminde analitik veya biyolojik çalışmalar için sentezlenebilir, saflaştırılabilir ve hazırlanabilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Claisen-Schmidt yoğuşma yaklaşımı, nispeten operasyonel olarak basitleştirilmiş bir protokolle pirazol, imidazol ve izoindolone dipyrrinone floroforları üretmek için oldukça sağlam bir araç sağlar. Floresan dipirrinon analoglarının sentezi bu çalışmanın odak noktası olmakla birlikte, dipyrrinones23 , 24,25 ve pirole-furan adduc gibi diğer bisiklik metinin bağlantılı halka sistemlerine erişmek için benz…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Z.R.W. ve N.B. NIH’ye (2P20 GM103440-14A1) cömert fonlarının yanı sıra Jungjae Koh ve Nevada Üniversitesi, Las Vegas’a 1H ve 13C NMR satın almadaki yardımları için teşekkür eder. Ayrıca, NSC görsel medya öğrencilerine, Arnold Placencia-Flores, Aubry Jacobs ve Alistair Cooper’a bu makalenin sinematografi bölümlerindeki film ve animasyon süreçlerinde yardımcı olmaları için teşekkür ederiz.
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).
