Syntese af pH-afhængig Pyrazol, Imidazol og Isoindolone Dipyrrinone Fluorophores ved hjælp af en Claisen-Schmidt kondensationsmetode
Summary
Claisen-Schmidt kondensreaktionen er en vigtig metode til generering af methinebroerede konjugerede bicykliske aromatiske forbindelser. Ved at udnytte en base-medieret variant af aldol reaktion, en række fluorescerende og / eller biologisk relevante molekyler kan tilgås gennem en generelt billig og operationelt enkel syntetisk tilgang.
Abstract
Methine-bro konjugerede bicykliske aromatiske forbindelser er almindelige bestanddele af en række biologisk relevante molekyler såsom porfyriner, dipyrrinoner og lægemidler. Desuden resulterer begrænset rotation af disse systemer ofte i stærkt til moderat fluorescerende systemer som observeret i 3H,5H-dipyrrolo[1,2-c:2′,1′-f]pyrimidin-3-ones, xanthoglows, pyrroloindolizinedion analoger, BODIPY analoger, og phenol og imidazolinone ringsystemer af grøn fluorescerende protein (GFP). Dette manuskript beskriver en billig og operationelt enkel metode til at udføre en Claisen-Schmidt kondensation til at generere en række fluorescerende pH-afhængige pyrazol / imidazol / isoindolone dipyrrinone analoger. Mens metoden illustrerer syntesen af dipyrrinon analoger, kan den oversættes til at producere en bred vifte af konjugerede tocykliske aromatiske forbindelser. Den Claisen-Schmidt kondensreaktion, der anvendes i denne metode, er begrænset til nukleofile og elektrofile, der er oliolisable under grundlæggende forhold (nukleofil komponent) og ikke-enolizable aldehyder (elektrofil komponent). Derudover skal både de nukleofile og elektrofile reaktanter indeholde funktionelle grupper, der ikke utilsigtet reagerer med hydroxid. På trods af disse begrænsninger giver denne metode adgang til helt nye systemer, der kan anvendes som biologiske eller molekylære sonder.
Introduction
En række konjugerede tocykliske systemer, hvor to aromatiske ringe er forbundet med en monomethinebro, gennemgår isomerisering via obligationsrotation, når de er begejstrede med en foton (Figur 1A)1,2,3,4,5. Den ophidsede isomer vil generelt slappe af til jorden tilstand gennem ikke-radiative henfald processer6. Hvis energibarrieren for bindingsrotation øges i tilstrækkelig grad, er det muligt at begrænse eller forhindre fotoisomerisering. I stedet resulterer fotonisk excitation i en ophidset singlet-tilstand, der ofte slapper af via fluorescens snarere end ikke-radiativt henfald (Figur 1B). Fastholdelse af fotoisomerisering opnås oftest ved mekanisk at begrænse bindingsrotationen ved at binde de to aromatiske ringsystemer ved at kovalente forbindelser og derved låse molekylet i en bestemt isomeric tilstand. Denne fremgangsmåde er blevet anvendt til at skabe flere forskellige fluorescerende tricykliske dipyrrinon- og dipyrrolemethananaloger såsom: 3H,5H-dipyrrolo[1,2-c:2′,1′-f]pyrimidin-3-ones (1) xanthoglows (2)6,7, pyrroloindolizinedion analoger (3)8, og BODIPY analoger9 (4, Figur 2), hvorved pyrryd og/eller pyrrolringsystemerne er bundet med methylen, carbonyl, eller bor difluoro linkere. Typisk har 1–4 ΦF > 0,7, hvilket tyder på, at disse systemer er meget effektive som fluorophoreenheder.
Det er også muligt at begrænse fotoisomerisering ved hjælp af andre midler end kovalent forbinder ringsystemerne. F.eks. er phenol- og imidazolinonringene (figur 2) af grønt fluorescerende protein (GFP) begrænset til rotation efter proteinmiljøet; den restriktive indstilling øger kvanteudbyttet med tre størrelsesordener i forhold til den samme kromoforenhed i fri opløsning10. Det antages, at proteinstilladset i GFP giver en rotationsbarriere gennem steriske og elektrostatiske effekter11. For nylig, vores gruppe i samarbejde med Odoh-gruppen ved University of Nevada, Reno opdaget en anden fluorophore system, der bærer strukturelle lighed med dipyrrinone-baserede xanthoglow systemer (Figur 2)12. Disse dipyrrinonanaloger adskiller sig imidlertid fra xanthoglow-systemet i det intramolekylære hydrogenbindinger snarere end kovalentbindinger, afskrækker fotoisomerisering og resulterer i et fluorescerende bicyklisk system. Desuden kan pyrazol-, imidazol- og isoindolone-dipyrrinonanaloger hydrogenbindes i protonerede og afproducerede tilstande; deprotonering resulterer i en rødforskydning af både excitations- og emissionsbølgelængderne, sandsynligvis som følge af en ændring i systemets elektroniske karakter. Mens brintbinding er blevet rapporteret til at øge kvanteudbyttet gennem begrænset rotation13,14,15,16, er vi uvidende om noget andet fluorophore-system, hvor begrænset isomerisering fungerer som en form for fluorescens i både protonerede og afprotonerede tilstande af molekylet. Derfor er disse pH-afhængige dipyrrinon fluorophorer unikke i denne henseende.
I denne video fokuserer vi på syntesen og den kemiske karakterisering af den fluorescerende dipyrrinone analoge serie. Der lægges især vægt på Claisen-Schmidt-kondensmetoden, der blev brugt til at konstruere hele serien af fluorescerende analoger. Denne reaktion er afhængig af generering af en base-medieret vinylogous enolate ion, som angriber en aldehyd gruppe, til at producere en alkohol, der efterfølgende undergår eliminering. For analoge serier af dipyrrinon omdannes en pyrrolinon/isoindolone til et enolat for at lette et angreb på en aldehydgruppe, der er fastgjort til en pyrazol- eller imidazolring (figur 3); efter eliminering dannes et fuldt konjugeret bicyklisk system, forbundet med en methinebro. Det er bemærkelsesværdigt, at hele serien af dipyrrinonanaloger kan konstrueres af let tilgængelige kommercielle materialer og kan produceres i en enkelt one-pot reaktionssekvens typisk i moderat til højt udbytte (udbyttet spænder fra ca. 50-95%). Da de fleste dipyrrinonanalogier er meget krystallinske, kræves der meget lidt rensning uden for standardarbejdsbetingelserne for at producere analytisk rene prøver. Derfor kræver dette fluorophoresystem kun få trin for at få adgang fra let tilgængelige kommercielle materialer og kan syntetiseres, renses og forberedes til analytiske eller biologiske undersøgelser inden for en relativt kort tidsramme.
Protocol
Representative Results
Discussion
Claisen-Schmidt-kondensmetoden giver et ret robust middel til at generere pyrazol, imidazol og isoindolone dipyrrinon fluorophorer gennem en relativt operationelt forenklet protokol. Mens syntesen af fluorescerende dipyrrinon analoger var i fokus i denne undersøgelse, skal det bemærkes, at lignende betingelser kan anvendes til at få adgang til andre bicykliske methinde-linked ring systemer såsom dipyrrinones23,24,25 og pyrro…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Z.R.W. og N.B. takker NIH (2P20 GM103440-14A1) for deres generøse finansiering samt Jungjae Koh og University of Nevada, Las Vegas for deres hjælp til at erhverve 1H og 13C NMR. Derudover vil vi gerne takke NSC visuelle medier studerende, Arnold Placencia-Flores, Aubry Jacobs, og Alistair Cooper for deres hjælp i optagelserne og animation processer inden for filmvidenskab dele af dette manuskript.
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).
