Síntesis De Pirazol Dependiente De pH, Imidazol, Y Fluoróforos De Isoindolona Dipirorina Usando Un Enfoque De Condensación De Claisen-Schmidt
Summary
La reacción de condensación de Claisen-Schmidt es una metodología importante para la generación de compuestos aromáticos bicíclicos conjugados puenteados con metina. A través de la utilización de una variante mediada por la base de la reacción aldólica, se puede acceder a una gama de moléculas fluorescentes y / o biológicamente relevantes a través de un enfoque sintético generalmente económico y operativamente simple.
Abstract
Los compuestos aromáticos bicíclicos conjugados metina-puenteados son componentes comunes de una gama de moléculas biológicamente relevantes tales como porfirinas, dipyrrinones, y productos farmacéuticos. Además, la rotación restringida de estos sistemas a menudo resulta en sistemas altamente a moderadamente fluorescentes como se observa en 3H,5H-dipyrrolo [1,2-c:2′,1′-f]pirimidina-3-onas, xanthoglows, análogos de pyrroloindolizinedione, análogos de BODIPY, y los sistemas de anillo fenólico e imidazolinona de proteína fluorescente verde (GFP). Este manuscrito describe un método barato y operacionalmente simple de realizar una condensación de Claisen-Schmidt para generar una serie de análogos fluorescentes del pirazol/del imidazole/del dipyrrinone dependiente del pH. Mientras que la metodología ilustra la síntesis de análogos de dipirorinana, se puede traducir para producir una amplia gama de compuestos aromáticos bicíclicos conjugados. La reacción de condensación de Claisen-Schmidt utilizada en este método se limita en alcance a los nucleófilos y electrófilos que son enolizables bajo condiciones básicas (componente nucleófilo) y aldehídos no enolizables (componente electrófilo). Además, tanto los reactivos nucleófilos como los electrofílicos deben contener grupos funcionales que no reaccionen inadvertidamente con hidróxido. A pesar de estas limitaciones, esta metodología ofrece acceso a sistemas completamente novedosos que pueden ser empleados como sondas biológicas o moleculares.
Introduction
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 noradiativos 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 ΦF > 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 restringida13,14, 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.
Protocol
Representative Results
Discussion
El enfoque de condensación de Claisen-Schmidt proporciona un medio bastante robusto de generar pirazol, imidazol e isoindosolona dipirorinan fluoróforos a través de un protocolo relativamente operacionalmente simplista. Mientras que la síntesis de los análogos fluorescentes del dipyrrinone era el foco de este estudio, debe ser observado que las condiciones similares se pueden aplicar para acceder a otros sistemas metina-ligados bicíclicos del anillo tales como dipyrrinones23,<sup …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Z.R.W. y N.B. agradecen a los NIH (2P20 GM103440-14A1) por su generoso financiamiento, así como a Jungjae Koh y la Universidad de Nevada, Las Vegas por su asistencia en la adquisición de RMN 1H y 13C. Además, nos gustaría agradecer a los estudiantes de medios visuales de NSC, Arnold Placencia-Flores, Aubry Jacobs y Alistair Cooper por su ayuda en los procesos de filmación y animación dentro de las partes cinematográficas de este manuscrito.
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 |
Riferimenti
- 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).
