Syntes av pH-beroende pyrazol, Imidazol och isoindolone dipyrrinonfluorforer med hjälp av en Claisen-Schmidt kondensation tillvägagångssätt
Summary
Claisen-Schmidt kondensationsreaktion är en viktig metodik för generering av metin-bryggda konjugerade bicykliska aromatiska föreningar. Genom att använda en basmedierad variant av aldolreaktionen kan en rad fluorescerande och/eller biologiskt relevanta molekyler nås genom ett allmänt billigt och operativt enkelt syntetiskt tillvägagångssätt.
Abstract
Metin-bryggade konjugerade bicykliska aromatiska föreningar är vanliga beståndsdelar i en rad biologiskt relevanta molekyler såsom porfyriner, dipyrrinoner och läkemedel. Dessutom resulterar begränsad rotation av dessa system ofta i mycket till måttligt fluorescerande system som observerats i 3H,5H-dipyrrolo[1,2-c:2′,1′-f]pyrimidin-3-ones, xanthoglows, pyrroloindolizinedione analoger, BODIPY analoger och fenoliska och imidazolinone ringsystem av gröna fluorescerande protein (GFP). Detta manuskript beskriver en billig och operativt enkel metod för att utföra en Claisen-Schmidt kondensation för att generera en serie fluorescerande pH-beroende pyrazol/imidazol/isoindolone dipyrrinon analoger. Medan metoden illustrerar syntesen av dipyrrinon analoger, Det kan översättas för att producera ett brett utbud av konjugerade bicykliska aromatiska föreningar. Claisen-Schmidt kondensationsreaktion som används i denna metod är begränsad i omfattning till nukleofiler och elektrofiler som är enolizable under grundläggande förhållanden (nukleofil komponent) och icke-enolizable aldehyder (elektrofil komponent). Dessutom måste både de nukleofila och elektrofila reaktanterna innehålla funktionella grupper som inte oavsiktligt reagerar med hydroxi. Trots dessa begränsningar erbjuder denna metod tillgång till helt nya system som kan användas som biologiska eller molekylära sonder.
Introduction
Ett antal konjugerade cykliska system, där två aromatiska ringar är sammankopplade med en monometrinbro, genomgår isomerisering via bondrotation, när de är upphetsade med en foton (Figur 1A)1,2,3,4,5. Den upphetsade isomeren kommer i allmänhet att koppla av till marktillståndet genom icke-radiativa sönderfallsprocesser6. Om energibarriären för bindningsrotation ökas i tillräckligt stor utsträckning är det möjligt att begränsa eller förhindra fotoisomeriseringen. I stället resulterar fotonisk excitation i ett upphetsad singlet-tillstånd som ofta slappnar av via fluorescens snarare än icke-radiativt förfall (Figur 1B). Att begränsa fotoisomeriseringen åstadkoms oftast genom att mekaniskt begränsa bindningsrotationen genom att binda de två aromatiska ringsystemen genom kovavta kopplingar och därigenom låsa molekylen i ett visst isomeriskt tillstånd. Detta tillvägagångssätt har använts för att skapa flera olika fluorescerande trecykliska dipyrrinon- och dipyrrolemetananaloger som: 3H,5H-dipyrrolo[1,2-c:2′,1′-f]pyrimidin-3-ones (1), xanthoglows(2)6,7,pyrroloindolizinedione analoger(3)8och BODIPY analoger9 (4, figur 2),varigenom pyrrolidin- och/eller pyrroleringsystemen är bundna med metylen, karbonyl, eller bor difluoro länkar. Vanligtvis har 1–4 ΦF > 0,7 vilket tyder på att dessa system är mycket effektiva som fluoroforenheter.
Det är också möjligt att begränsa fotoisomeriseringen genom andra medel än att kovalent koppla ihop ringsystemen. Till exempel är fenol- och imidazonringarna (figur 2) av grönt fluorescerande protein (GFP) begränsade till rotation av proteinmiljön; den restriktiva inställningen ökar kvantutbytet med tre storleksordningar jämfört med samma kromoforenhet i fri lösning10. Man tror att proteinställningen i GFP ger en rotationsbarriär genom steriska och elektrostatiska effekter11. Nyligen upptäckte vår grupp i samarbete med Odoh-gruppen vid University of Nevada, Reno ett annat fluorforsystem som bär strukturell likhet med de dipyrrinonbaserade xanthoglowsystemen (Figur 2)12. Dessa dipyrrinone analoger skiljer sig dock från xanthoglow systemet i det intramolekylära vätebindningar, snarare än kovalena band, avskräcka fotoisomerisering och resultera i ett fluorescerande cykliskt system. Dessutom kan pyrazol, imidazol och isoindolone dipyrrinon analoger vätebindning i protonerade och deprotonerade tillstånd; avprotonering resulterar i rödförskjutning av både excitations- och emissionsvåglängder, sannolikt på grund av en förändring av systemets elektroniska karaktär. Medan vätebindning har rapporterats öka kvantutbytet även om begränsad rotation13,14,15,16, vi är omedvetna om något annat fluorforsystem där begränsad isomerisering fungerar som ett flöde av fluorescens i både protonerade och deprotonerade tillstånd av molekylen. Därför är dessa pH-beroende didyrrinonfluorforer unika i det avseendet.
I den här videon fokuserar vi på syntesen och kemisk karakterisering av den fluorescerande dipyrrinon analoga serien. I synnerhet betonas claisen-Schmidts kondensationsmetodik som användes för att konstruera hela serien fluorescerande analoger. Denna reaktion förlitar sig på genereringen av en basmedierad vinylogous enolate jon som attackerar en aldehydgrupp, för att producera en alkohol som därefter genomgår eliminering. För den analoga serien ditemprinon omvandlas en pyrrolinon/isoindolon till ett isolerat för att underlätta en attack på en aldehydgrupp som är fäst vid en pyrazol- eller imidazolring (figur 3). Efter eliminering bildas ett fullständigt konjugerat cykliskt system, länkat av en metinbro. Det är anmärkningsvärt att hela serien av dipyrrinonanaloger kan konstrueras av lättillgängliga kommersiella material och kan produceras i en enda reaktionssekvens med en kruka vanligtvis i måttlig till hög utbyte (utbyten varierar från cirka 50-95%). Eftersom de flesta dipyrrinonanaloger är mycket kristallina i naturen krävs mycket lite rening utanför standardbehandlingsförhållandena för att producera analytiskt rena prover. Följaktligen kräver detta fluoroforsystem endast några steg för att få tillgång från lättillgängliga kommersiella material och kan syntetiseras, renas och förberedas för analytiska eller biologiska studier på relativt kort tid.
Protocol
Representative Results
Discussion
Claisen-Schmidt kondensation tillvägagångssätt ger ett ganska robust sätt att generera pyrazol, imidazol och isoindolone dipyrrinon fluorforer genom ett relativt operativt förenklat protokoll. Medan syntesen av fluorescerande dipyrrinonanaloger var i fokus för denna studie, bör det noteras att liknande villkor kan tillämpas för att komma åt andra bicykliska metinlänkade ringsystem som dipyrrinones23,24, 25 och pyrrole-furan-adducts 23,24,<su…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Z.R.W. och N.B. tacka NIH (2P20 GM103440-14A1) för deras generösa finansiering samt Jungjae Koh och University of Nevada, Las Vegas för deras hjälp med att förvärva 1H och 13C NMR. Dessutom vill vi tacka NSC:s visuella mediestudenter Arnold Placencia-Flores, Aubry Jacobs och Alistair Cooper för deras hjälp i film- och animationsprocesserna inom filmdelen av detta 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).
