クレイゼン・シュミット凝縮アプローチによるpH依存性ピラゾール、イミダゾール、イソインドロネジピロンフルオロフォアの合成
Summary
クレイゼン-シュミット凝縮反応はメチンブリッジ結合二環芳香族化合物の生成のための重要な方法論である。アルドール反応の塩基媒介バリアントを利用することにより、蛍光および/または生物学的に関連する分子の範囲は、一般的に安価で運用的に簡単な合成アプローチを通じてアクセスすることができます。
Abstract
メチンブリッジ結合二環芳香族化合物は、ポルフィリン、ジピリノン、医薬品などの生物学的に関連する様々な分子の一般的な成分です。さらに、これらのシステムの回転を制限すると、3H,5H-dipyrrolo[1,2-c:2′,1′-f]ピリミジン-3-1、キサントホグロー、ピロロインドリンジネジオン類似体、BODIPYアナログ、フェノールおよびイミダゾロン環で観察されるほど中程度の蛍光系が多い。本稿では、クラゼン・シュミット凝縮を行い、一連の蛍光pH依存性ピラゾール/イミダゾール/イソインドロロンジピリノン類似体を生成する安価で運用上簡単な方法を説明しています。方法論はジピリロン類似体の合成を示すが、それは結合二環芳香族化合物の広い範囲を生成するために翻訳することができる。この方法で利用されるClaisen-Schmidt縮合反応は、塩基性条件下で起用される求核物質および求電子物(求核成分)および非溶化性アルデヒド(電子親水成分)に限定される。さらに、求核反応物質と求水反応物質の両方は、誤って水酸化物と反応しない官能基を含んでいる必要があります。これらの制限にもかかわらず、この方法論は、生物学的または分子プローブとして使用することができる完全に新しいシステムへのアクセスを提供します。
Introduction
2つの芳香環がモノメチン橋で連結される多くの共役二環系は、結合回転を介して異性化を受け、光子(図1A)1、2、3、4、5で励起した場合である。励起された異性体は、一般的に非放射減衰プロセス6を通じて地盤状態に緩和する。ボンド回転に対するエネルギーバリアが十分に大きくなると、光異性化を制限または防止することができる。その代わりに、フォトニック励起は、非放射減衰ではなく蛍光を介してリラックスすることが多い励起された一重の状態をもたらす(図1B)。光異性化の抑制は、共有結合によって2つの芳香環系をテザリングして結合回転を機械的に制限することによって最も一般的に達成され、それによって分子を特定の異性体状態にロックする。このアプローチは、次のようないくつかの異なる蛍光三環式ジピリノンおよびジピロールメタンアナログを作成するために利用されてきた:3H,5H-ジピロロ[1,2-c:2′,1’f]ピリミジン-3-1(1),キサント ホグロース(2)6、7、ピロロインドリンジインジオンアナログ(3)8、およびBODIPYアナログ9(4、図2)によりピロリジンおよび/またはピロールリングシステムがメチレン、カルボニル、カルボニルとつながれている、 またはホウ素ジフルオロリンカー。通常、1~4 は ΦF > 0.7 を所有しており、これらのシステムはフルオロフォアユニットとして非常に効率的であることを示唆しています。
また、環系を共有結合する以外の手段により光異性化を制限することも可能である。例えば、緑色蛍光タンパク質(GFP)のフェノールおよびイミダゾリノンリング(図2)は、タンパク質環境による回転に制限されています。制限的な設定は自由解10の同じ発火単位と比較して量子収率を3桁増加させる。GFPのタンパク質足場は、立体及び静電効果11を通じて回転バリアを提供すると考えられている。最近、ネバダ大学のOdohグループと共同で、リノはジピリノー系のキサントホロー系と構造的類似性を持つ別のフルオロフォア系を発見した(図2)12。しかし、これらのジピロン類似体は、共有結合ではなく分子内水素結合という点でキサントホロー系とは異なり、光異性化を抑止し、蛍光二環系をもたらす。さらに、ピラゾール、イミダゾール、およびイソインドロネジピロン類似体は、プロトン化および脱プロトン化された状態で水素結合することができる。デプロトネーションは、励起波長と発光波長の両方の赤ずれをもたらし、システムの電子的性質の変化による可能性が高い。水素結合は、13、14、15、16の制限された回転を経ても量子収率を増加させると報告されているが、分子のプロトン化および分解状態の両方で制限異性化が蛍光のモードとなる他の蛍光系は認識していない。したがって、これらのpH依存性ジピロンフルオロフォアは、その点でユニークである。
このビデオでは、蛍光ジピロンアナログシリーズの合成と化学特性に焦点を当てています。特に、一連の蛍光アナログを完全に構築するために使用されたクラゼン・シュミット凝縮方法論に重点が置かれています。この反応は、アルデヒド基を攻撃する塩基媒介性ビニノラスエノール酸イオンの生成に依存し、その後、排除を受けるアルコールを生成する。ジピリノーンアナログシリーズの場合、ピロリニオン/イソインドロンは、ピラゾールまたはイミダゾールリングに付着したアルデヒド群への攻撃を容易にするためにエノレートに変換される(図3);除去後、メチン橋によって連結された完全結合二環系が形成される。ジピリロンアナログのシリーズ全体は、容易に入手可能な市販材料から構築することができ、一般的に中程度から高い収率(収率は約50〜95%)で単一のワンポット反応シーケンスで製造することができることは注目に値します。ジピリニオンアナログの大部分は、本質的に結晶性が高いため、分析的に純粋なサンプルを生成するために標準的なワークアップ条件以外の精製はほとんど必要ありません。したがって、このフルオロフォアシステムは、容易に入手可能な市販材料からアクセスするためにわずかなステップしか必要とされず、比較的短い時間枠での分析または生物学的研究のために合成、精製、および調製することができる。
Protocol
Representative Results
Discussion
Claisen-Schmidt 凝縮アプローチは、ピラゾール、イミダゾール、イソインドロロンジピリノンフルオロフォアを比較的操作的に単純化したプロトコルを介して生成するかなり堅牢な方法を提供します。蛍光ジピロンアナログの合成がこの研究の焦点であったが、同様の条件はジピリノン23、24、25およびピロールフラン付加物のような他の二環性メチン結?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Z.R.W.とN..B.は、NIH(2P20 GM103440-14A1)の寛大な資金に感謝し、ユングジェ・コーとネバダ大学ラスベガスは 1Hと 13C NMRの買収を支援しました。さらに、NSCビジュアルメディアの学生、アーノルド・プラセンシア=フローレス、オーブリー・ジェイコブス、アリスター・クーパーの皆さんに、この原稿の撮影部分の撮影とアニメーションのプロセスに協力してくださったことに感謝します。
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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