Síntesis De Pirazol Dependiente De pH, Imidazol, Y Fluoróforos De Isoindolona Dipirorina Usando Un Enfoque De Condensación De Claisen-Schmidt

Una serie de sistemas bicíclicos conjugados, en los que dos anillos aromáticos están unidos por un puente monometino, se someten a isomerización a través de la rotación de enlaces, cuando se excitan con un fotón (Figura 1A)^1,2,3,4,5. El isómero excitado generalmente se relajará al estado fundamental a través de procesos de decaimiento no^{radiativos 6}. Si la barrera de energía a la rotación de enlace se incrementa en una medida lo suficientemente grande, es posible restringir o prevenir la fotoisomerización. En cambio, la excitación fotónica da como resultado un estado de singlete excitado que a menudo se relaja a través de la fluorescencia en lugar de la desintegración no radiativa (Figura 1B). La restricción de la fotoisomerización se logra más comúnmente restringiendo mecánicamente la rotación de enlaces a través de la atadura de los dos sistemas de anillos aromáticos mediante enlaces covalentes, bloqueando así la molécula en un estado isomérico particular. Este enfoque se ha utilizado para crear varios diferentes análogos tricíclicos fluorescentes de dipirorinana y dipirorolemetano, tales como: 3H,5H-dipyrrolo [1,2-c:2′,1′-f]pirimidina-3-onas(1),xanthoglows(2)^6,7,análogos de pirroloindolizinediona(3)^8,y análogos bodipy 9(4,Figura 2)por lo que los sistemas de anillo pirrolidina y / o pirrol están atados con enlaces de metileno, carbonilo o boro difluoro. Típicamente, 1–4 poseen Φ_F > 0.7 sugiriendo que estos sistemas son muy eficientes como unidades de fluoróforo.

También es posible restringir la fotoisomerización a través de medios distintos de la vinculación covalente de los sistemas de anillos. Por ejemplo, los anillos fenólicos e imidazolinona(Figura 2)de la Proteína Verde Fluorescente (GFP) están restringidos a la rotación por el entorno proteico; el ajuste restrictivo aumenta el rendimiento cuántico en tres órdenes de magnitud en comparación con la misma unidad de cromóforo en solución libre¹⁰. Se cree que el andamiaje proteico de la GFP proporciona una barrera rotacional a través de efectos estéricos y electrostáticos¹¹. Recientemente, nuestro grupo en colaboración con el grupo Odoh de la Universidad de Nevada, Reno descubrió otro sistema de fluoróforos que tiene similitud estructural con los sistemas de xanthoglow basados en dipirorinana(Figura 2)^12. Estos análogos de la dipironrina, sin embargo, difieren del sistema xanthoglow en que los enlaces de hidrógeno intramoleculares, en lugar de los enlaces covalentes, disuaden la fotoisomerización y dan lugar a un sistema bicíclico fluorescente. Además, el pirazol, el imidazol y los análogos de dipirorina isoinolona pueden vincularse al hidrógeno en estados protonados y deprotonados; la deprotonación resulta en el desplazamiento rojo de las longitudes de onda de excitación y emisión, probablemente debido a un cambio en la naturaleza electrónica del sistema. Mientras que el enlace de hidrógeno se ha divulgado para aumentar rendimientos cuánticos a través de la rotación restringida^{13,14, 15,16,}no somos conscientes de cualquier otro sistema del fluoróforo en el cual la isomerización restricta sirve como modo de fluorescencia en estados protonados y deprotonated de la molécula. Por lo tanto, estos fluoróforos de dipirorinona dependientes del pH son únicos en ese sentido.

En este vídeo, nos centramos en la síntesis y caracterización química de la serie analógica de dipirorinano fluorescente. En particular, hay un énfasis puesto en la metodología de condensación de Claisen-Schmidt que se utilizó para construir la serie completa de análogos fluorescentes. Esta reacción se basa en la generación de un ion enolato vinilogous mediado por la base que ataca a un grupo aldehído, para producir un alcohol que posteriormente se somete a eliminación. Para la serie analógica de dipirorinana, una pirrolinona/isoindolona se convierte en enolato para facilitar un ataque a un grupo aldehído unido a un anillo pirazol o imidazol(Figura 3); después de la eliminación se forma un sistema bicíclico completamente conjugado, unido por un puente metina. Cabe destacar que toda la serie de análogos de dipirorinana se puede construir a partir de materiales comerciales fácilmente disponibles y se puede producir en una sola secuencia de reacción de una olla típicamente en rendimientos moderados a altos (los rendimientos oscilan entre aproximadamente el 50-95%). Dado que la mayoría de los análogos de dipirorinano son de naturaleza altamente cristalina, se requiere muy poca purificación fuera de las condiciones de trabajo estándar para producir muestras analíticamente puras. En consecuencia, este sistema de fluoróforo requiere sólo unos pocos pasos para acceder a materiales comerciales fácilmente disponibles y puede ser sintetizado, purificado y preparado para estudios analíticos o biológicos en un marco de tiempo relativamente corto.