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
Summary
La réaction de condensation de Claisen-Schmidt est une méthodologie importante pour la génération de composés aromatiques bicycliques conjugués pontés par la méthine. En utilisant une variante à médiation de base de la réaction aldol, une gamme de molécules fluorescentes et/ou biologiquement pertinentes peut être accessible par une approche synthétique généralement peu coûteuse et opérationnellement simple.
Abstract
Les composés aromatiques bicycliques conjugués à pont de methine sont des constituants communs d’une gamme de molécules biologiquement pertinentes telles que les porphyrines, les dipyrrinones et les produits pharmaceutiques. De plus, la rotation restreinte de ces systèmes entraîne souvent des systèmes fortement à modérément fluorescents comme observé dans les systèmes 3H,5H-dipyrrolo[1,2-c:2′,1′-f]pyrimidin-3-ones, les xanthoglows, les analogues de pyrroloindolizinedione, les analogues BODIPY et les systèmes cycliques phénoliques et imidazolinone de la protéine fluorescente verte (GFP). Ce manuscrit décrit une méthode peu coûteuse et simple sur le plan opérationnel d’effectuer une condensation de Claisen-Schmidt pour générer une série d’analogues fluorescents de pyrazole/imidazole/dipyrrinone isoindolone dépendant du pH. Bien que la méthodologie illustre la synthèse d’analogues de la dipyrrinone, elle peut être traduite pour produire un large éventail de composés aromatiques bicycliques conjugués. La réaction de condensation de Claisen-Schmidt utilisée dans cette méthode est limitée dans sa portée aux nucléophiles et aux électrophiles qui sont enolissables dans des conditions de base (composant nucléophile) et aux aldéhydes non énolithables (composant électrophile). De plus, les réactifs nucléophiles et électrophiles doivent contenir des groupes fonctionnels qui ne réagiront pas par inadvertance avec l’hydroxyde. Malgré ces limites, cette méthodologie offre un accès à des systèmes complètement nouveaux qui peuvent être utilisés comme sondes biologiques ou moléculaires.
Introduction
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 radiatifs6. 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 ΦF > 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 libre10. 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 restreinte13,14,15,16,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.
Protocol
Representative Results
Discussion
L’approche de condensation de Claisen-Schmidt fournit un moyen assez robuste de générer des fluorophores de pyrazole, d’imidazole et d’isoindolone dipyrrinone grâce à un protocole relativement simpliste sur le plan opérationnel. Bien que la synthèse des analogues fluorescents de la dipyrrinone ait été au centre de cette étude, il convient de noter que des conditions similaires peuvent être appliquées pour accéder à d’autres systèmes cycliques liés à la méthine tels que les dipyrrinones…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Z.R.W. et N.B. remercient les NIH (2P20 GM103440-14A1) pour leur généreux financement ainsi que Jungjae Koh et l’Université du Nevada, Las Vegas pour leur aide dans l’acquisition de rmn 1H et 13C. De plus, nous tenons à remercier les étudiants en médias visuels de NSC, Arnold Placencia-Flores, Aubry Jacobs et Alistair Cooper pour leur aide dans les processus de tournage et d’animation dans les parties cinématographiques de ce manuscrit.
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 |
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