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Chemistry

Síntesis De Pirazol Dependiente De pH, Imidazol, Y Fluoróforos De Isoindolona Dipirorina Usando Un Enfoque De Condensación De Claisen-Schmidt

Published: June 10, 2021 doi: 10.3791/61944
Automatic Translation
1, 2, 1
1Department of Physical and Life Sciences, Nevada State College, 2Department of Humanities, Nevada State College

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.

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Protocol

1. Procedimiento general para la síntesis de análogos de dipirorina 16-25

  1. Disolver pirrolinona/isoindolona (1,00 mmol) y el correspondiente pirazol/imidazol aldehído (1,00 mmol) en 5,0 mL de etanol en un matraz de fondo redondo.
  2. Añadir KOH acuoso (24,0 mmol, 10 M, 2,40 mL) al matraz en una porción.
  3. Revuelva y reflujo la mezcla hasta que tlc confirme la finalización de la reacción (ver Tabla 1 para una lista de tiempos de reacción). Se utilizó un eluente TLC de metanol al 10% en diclorometano y se ha observado que los análogos poseen valores de Rf en o alrededor del rango de 0,62 a 0,86. Aplique una cantidad suficiente de grasa al vacío o use un manguito de PTFE en la interfase de las juntas de vidrio para evitar que el vidrio del condensador y el matraz de fondo redondo se agarren bajo altas temperaturas y condiciones básicas.
  4. Deje que la mezcla de reacción se enfríe a temperatura ambiente y evapore los volátiles bajo presión reducida utilizando un evaporador rotatorio.
  5. Enfriar la mezcla de reacción a 0 °C usando un baño de hielo.
  6. Neutralice la mezcla aceitosa restante agregando ácido acético (30.0 mmol, 1.70 mL) en una porción.
  7. Purificar el material del producto resultante mediante filtración al vacío (ver Paso 2a,para compuestos: 17, 18, 20-22, 24 y 25)o utilizar extracción líquido-líquido/cromatografía de columna (ver Paso 2b,para compuestos: 16, 19y 23).

2. Procedimiento de purificación

  1. a través de filtración al vacío
    1. Coloque un embudo Hirsch en un matraz de brazo lateral con un adaptador de goma ajustado.
    2. Aplique un trozo de papel de filtro redondo al embudo Hirsch y moje ligeramente con agua desionizada para permitir la adherencia al embudo.
    3. Conecte una fuente de vacío al brazo lateral del matraz y asegúrese de que haya un sello de vacío suficiente asegurándose de que ninguno de los cristalerías se pueda separar mientras está bajo vacío.
    4. Verter el matraz que contiene el producto cristalizado sobre el filtro de vacío y dejar filtrar. Enjuague los cristales con 10 mL de agua desionizada helada.
    5. Deje que los cristales filtrados continúen secando en la parte superior del papel de filtro, mientras que todavía está conectado a la fuente de vacío, después de la filtración de todos los líquidos.
    6. Recoger los cristales filtrados y colocar en un matraz de fondo redondo de 25 ml.
    7. Acople el matraz de fondo redondo a un adaptador de línea de vacío/junta de vidrio esmerilado fritado. Asegure la unión de la junta de vidrio con un clip de keck.
    8. Al extremo acanalado del adaptador de línea de vacío alto de vidrio, conecte una línea de vacío que se enrute a una bomba de vacío alta y enfríe adecuadamente una trampa de vacío (usando refrigerante como nitrógeno líquido o hielo seco / acetona) para condensar cualquier material volátil que pueda evaporarse del material cristalino. Encienda la bomba de vacío alto para asegurar la evaporación completa de cualquier traza de disolvente restante de los cristales.
    9. Deje que los cristales se sequen a alto vacío durante un mínimo de 1 h. Retire el matraz de fondo redondo de la línea/adaptador de vacío, apague la bomba de vacío alta y limpie la trampa de vacío.
  2. Purificación del procedimiento a través de cromatografía de columna
    1. Diluir el contenido de la mezcla de reacción tratada con ácido acético (a partir de la etapa 1.6) con 10 mL de agua desionizada y transferir a un embudo separador. Añadir 10 mL de diclorometano al embudo separador. Agite suavemente y ventile el embudo separador para separar las dos capas.
    2. Extraiga la capa acuosa utilizando porciones posteriores de diclorometano (3 x 5 mL). Combinar las fracciones orgánicas y secar utilizando Na anhidro2SO4. Decantar y eliminar todos los volátiles bajo presión reducida utilizando un evaporador rotatorio.
    3. Diluir el residuo obtenido de la etapa 2.2.2. con 5 mL de CH2Cl2. Realice cromatografía de columna flash usando aproximadamente 75 g de gel de sílice. Elute la muestra con una solución de metanol al 10% en diclorometano.
    4. Retire las fracciones recogidas de disolvente a presión reducida utilizando un evaporador rotatorio. Transferir el residuo sólido a un matraz de fondo redondo de 25 ml utilizando aproximadamente 10 ml de CH2Cl2. Retire el disolvente a presión reducida con un evaporador rotatorio.
    5. Secar el residuo sólido restante a alto vacío como se describió anteriormente en los pasos 2.1.7 - 2.1.9.

3. Adquisición de absortividad molar y UV / Vis pKa Estudios para análogos 16-25

  1. Crear soluciones de stock compuesto para espectrofotometría UV/Vis para análogos 16 - 25.
    1. Pesar 10 μmol del análogo de dipirorinano seleccionado (16 - 25) y añadirlo a un matraz a volumetúr de 10 ml.
    2. Añadir DMSO a la marca de 10,0 ml en el matraz a volumer.
      NOTA: Si el compuesto no se disuelve por completo, caliente el matraz con una pistola de calor y agíte el matraz según sea necesario para disolver completamente el compuesto.
  2. Haga soluciones salinas tamponadas con fosfato (PBS) a varios niveles de pH. Los análogos se caracterizaron en tampones de PBS que varían en pH de aproximadamente 4 a 15.
    1. Usando un cilindro volumétrico de 1 L, cree 1 L de solución común de PBS diluyendo 100 mL de PBS (x100) en 900 mL de agua desionizada.
    2. Transferir 50 mL de la solución común de PBS preparada (paso 3.2.1) a un beaker de 100 mL y añadir una barra de agitación magnética. Luego, utilizando un medidor de pH calibrado para monitorear los cambios en el pH, valore el tampón PBS con NaOH acuoso de 1.0 M (para obtener tampones con pH > 7.0) o HCl de 1.0 M (para obtener tampones con pH < 7.0).
      NOTA: Para obtener datos que da como resultado una curva de titulación bien definida, se recomienda generar búferes de pH en incrementos de 0,1 unidades de pH dentro de ± 0,5 del punto de inflexión previsto e incrementos de 0,5 fuera del punto de inflexión previsto.
  3. Adquirir espectros de absortividad molar para análogos 16 - 25 en pbs (pH 7.0) y 1.0 M NaOH (pH 14.0) soluciones.
    1. Prepare un "blanco" usando una cubeta de cuarzo limpia y seca y luego agregue 2.0 mL de solución común de PBS (pH 7.0) o NaOH acuoso de 1.0 M a la cubeta usando una micropipeta de 100 - 1000 μL.
      NOTA: Es importante para la integridad del proceso de adquisición de datos de la solución en blanco para garantizar que no haya burbujas de aire en la solución de cubeta y para limpiar a fondo los lados de la cubeta con una toallita Kim para evitar la dispersión de la luz resultante del polvo o los escombros en el exterior de la cubeta. Si las burbujas persisten, toque suavemente y repetidamente la cubeta en una toalla de papel colocada sobre una superficie dura.
    2. Utilizando un espectrofotómetro UV/Vis, deje en blanco la solución seleccionada para un rango de 200 a 800 nm.
    3. En una segunda cubeta de cuarzo limpia y seca, agregue 2,00 mL de PBS (pH 7,0) o 1,0 M de NaOH (pH 14) seguido de 10 μL de la solución común análoga de dipironrina(16 - 25)(consulte el paso 3.1) con una micropipeta de 5-50 μL. Coloque una tapa en la cubeta y agite bien además de invertir la cubeta.
      NOTA: Es importante para la integridad del proceso de adquisición de datos de la solución de muestra asegurarse de que no haya burbujas de aire en la solución de cubeta y limpiar completamente los lados de la cubeta con una toallita Kim para evitar la dispersión de la luz resultante del polvo o los desechos en el exterior de la cubeta. Si las burbujas persisten, toque suavemente y repetidamente la cubeta en una toalla de papel colocada sobre una superficie dura.
    4. Utilizando el espectrofotómetro UV/Vis, adquiera un espectro de absorción para la solución analógica de dipirorinana para un rango de 200 a 800 nm.
    5. En la misma cubeta, añadir 10 μL adicionales de la solución común analógica de dipirorinana y repetir los pasos 3.3.3 y 3.3.4.
    6. Repita el paso 3.3.5 hasta que se haya añadido a la cubeta un total de 50 μL de solución común analógica de dipirorina para adquirir al menos cinco puntos de datos de longitud de onda de excitación. Repita los pasos 3.3.1 - 3.3.6 hasta que se hayan obtenido todas las soluciones de 16 - 25 en PBS (pH 7.0) y NaOH de 1.0 M.
  4. Obtener valores de absortividad molar para 16 - 25 en PBS (pH 7.0) y 1.0 M NaOH utilizando el análisis de regresión lineal de mejor ajuste.
    1. Utilizando un programa de gráficos como GraphPad Prism 7, trace la absorbancia medida (eje y) contra la concentración analógica de dipirorinana (eje x). Cree un análisis de regresión lineal de mejor ajuste para los cinco puntos trazados. Debe observarse una relación lineal y el análisis estadístico debe mostrar un valor deR2 ≥ 0,98.
    2. Repita el paso 3.4.1 para análogos 16 - 25 en PBS (pH 7.0) y NaOH de 1.0 M.
    3. Calcule la absortividad molar para 16 - 25 en PBS (pH 7.0) y NaOH de 1.0 M utilizando el valor de pendiente extrapolado de la curva lineal de mejor ajuste.
  5. Determinar los valores de pKa de 16 - 25 Estudios usando espectrofotometría UV/Vis
    1. En una cubeta de cuarzo limpia y seca, transfiera 1.900 μL del tampón de PBS al nivel de pH seleccionado (preparado en el paso 3.2) utilizando una micropipeta de 100 a 1000 μL.
      NOTA: Hemos notado en el almacenamiento que un precipitado blanco puede formarse en algunos de los búferes. Para asegurarse de que el tampón es completamente homogéneo y si cualquier precipitado es visible, utilice la filtración por gravedad para eliminar cualquier precipitado inmediatamente antes de su uso. Consulte la nota después del paso 3.3.1.
    2. Utilizando el espectrofotómetro UV/Vis, deje en blanco la solución tampón PBS seleccionada para un rango de 200 a 800 nm.
    3. En una segunda cubeta de cuarzo limpia y seca, transfiera 1.900 μL del tampón pbs seleccionado y luego agregue 100 μL de la solución común analógica seleccionada utilizando una micropipeta de 5-50 μL. Coloque una tapa en la cubeta y agite bien además de invertir la cubeta.
      Nota : consulte la nota anterior después del paso 3.3.3.
    4. Utilizando el espectrofotómetro UV/Vis, adquiera el espectro de absorción para el análogo de dipirorinana para un rango de 200 - 800 nm.
    5. Repita los pasos 3.5.1 - 3.5.4 para 16 - 25 en cada uno de los búferes PBS generados en el paso 3.2.
  6. Determine los valores de pKa para 16 - 25 utilizando una función de ajuste de curva sigmoidal de mejor ajuste.
    1. Usando un programa de graficación, graficar la absorbancia medida frente a la longitud de onda (nm) para 16 - 25 en los diversos niveles de pH.
    2. Elija una longitud de onda entre 380-415 nm donde a niveles de pH más bajos (< 7.0) la absorbancia es pequeña (0-0.1 unidades) y a mayor pH (> 12.0) la absorbancia es considerablemente mayor (0.8-1.0 unidades). Trazar la absorbancia en la longitud de onda elegida frente al pH.
    3. Utilizando una función de curva sigmoidal, generar una curva de mejor ajuste para cada uno de los análogos 16 - 25. Informe del pH extrapolado a la media altura de la curva. Este es el valor de pKa notificado.

4. Adquisición de rendimiento cuántico y estudios de fluorescencia

  1. Crear soluciones de stock de estudio de fluorescencia para análogos de dipirorinana 16 - 18 y 20 - 25.
    1. Utilizando una solución común analógica de pirrinona creada en el paso 3.1, realice una dilución de la solución común añadiendo 10 μL de la solución común a un matraz a volumetrátrico de 1 mL utilizando una micropipeta de 2 a 20 μL y, a continuación, añada el tampón de PBS (pH 7,0) a la marca de 1 mL. Colocar una tapa en el matraz volumétrico y mezclar bien invirtiendo y agitando el matraz. Esta solución de stock diluido se utilizará para generar los espectros de fluorescencia y se denominará solución de stock de fluorescencia.
    2. Repita el paso 4.1.1 para los análogos 16 - 18 y 20 - 25.
  2. Adquirir espectros de emisión de fluorescencia a concentraciones variables, para análogos 16 - 18 y 20 - 25. Para todos los análogos distintos de 18,adquirir cinco espectros para cada análogo en soluciones de pH 7 y 14 a concentraciones de: 19,96, 39,84, 59,64, 79,37 y 99,01 nM. Para el análogo 18, adquiera cinco espectros en una solución de pH 7 a concentraciones de: 49,75, 99,01, 147,8, 196,1 y 243,9 nM. En una solución de pH 14, adquirir cinco espectros para analógico 18 a concentraciones de: 99.01, 196.1, 291.3, 384.6, 476.2 nM.
    1. En una cubeta transparente de cuarzo de cuatro lados, agregue 3.00 mL de PBS (pH 7.0) o 1.0 NaOH usando una micropipeta de 100 -1,000 μL en tres incrementos de 1,000 μL.
      Nota: Vea la nota después del paso 3.3.1.
    2. Utilizando el fluorómetro y el programa de software de fluorómetro FluorEssence, adquiera un espectro de emisión para la solución seleccionada y etiquete esto como la solución "en blanco".
    3. A la misma cubeta, añadir 6 μL de solución de espante de fluorescencia para el análogo de dipirorina seleccionado (Parte 4.1) utilizando una micropipeta de 0,5-10 μL. Coloque la tapa en la cubeta y mezcle bien invirtiendo y agitando suavemente la cubeta.
      Nota : consulte la nota después del paso 3.3.3.
    4. Utilizando el fluorómetro, adquiera un espectro de emisión para la solución compuesta seleccionada utilizando λmax abs como longitud de onda de excitación. La intensidad de excitación se midió en un rango de 200 nm a partir de 15 nm más allá de la longitud de onda de excitación (normalmente se requiere un rango de 200 nm para que la intensidad de fluorescencia regrese a la línea de base).
    5. Repita los pasos 4.2.3 - 4.2.4 hasta que se haya añadido un total de 30 μL de solución de material de fluorescencia a la cubeta.
    6. Repita los pasos 4.2.1 - 4.2.5 para análogos 16 - 25 en PBS (pH 7.0) y NaOH de 1.0 M.
      NOTA: Las concentraciones de cubeta se cambiaron para el análogo 18 y los datos se adquirieron utilizando: 2,0 mL de PBS con cinco incrementos consecutivos de 10 μL de solución madre de fluorescencia para una solución neutra (protonada 18)y 2,0 mL de NaOH de 1,0 M con cinco incrementos de 20 μL de solución madre compuesta añadida para una solución básica (desprotonada de 18).
  3. Determinar el rendimiento cuántico utilizando el método de Williams, A. T. et al.17
    1. Utilizando un programa de software de hoja de cálculo (es decir, Microsoft Excel), importe los datos (puntos de datos de intensidad de emisión) para los espectros de emisión para un solo análogo de dipirorinana (tomado en PBS [pH 7.0] o 1.0 M NaOH) en los diversos niveles de concentración.
    2. Importe los puntos de datos de los espectros de emisión para la solución "en blanco" (pasos 4.2.1 - 4.2.2) y reste los puntos de datos de intensidad de emisión "en blanco" de los puntos de datos de intensidad de emisión, en las longitudes de onda correspondientes, adquiridos en varios niveles de concentración.
    3. Transfiera los puntos de datos de intensidad de emisión corregidos "en blanco" a un programa de gráficos, como GraphPad Prism 7, y trace la emisión frente a la longitud de onda. Calcular el área bajo la curva para cada una de las curvas obtenidas en los distintos niveles de concentración de análogo de dipirorina.
    4. Siguiendo la técnica descrita por Williams, A. T. et al, calculan un valor de absorbancia extrapolado para cada uno de los diferentes niveles de concentración de análogo de dipirorina. Esto se logra multiplicando el valor de absortividad molar calculado (del análisis de regresión lineal de mejor ajuste, ver paso 3.4) por cada concentración de análogo de dipirorina utilizada en los pasos 4.2.3-4.2.5.
    5. Usando un programa de gráficos como GraphPad Prism 7, cree una gráfica de la absorbancia extrapolada del análogo (eje x) contra el área calculada bajo cada curva de concentración (paso 4.3.4) para la longitud de onda de emisión correspondiente al mayor valor de emisión. Se debe observar una relación lineal con un r2 ≥ 0,96.
    6. Realizar pasos análogos a 3.1-3.4 y 4.1-4.3.5 para quinina en 0.5 M H2SO4 (ΦF = 0.55)18 y antraceno en etanol (ΦF = 0.27)18,19 para obtener datos para las normas.
    7. Obtener los valores de rendimiento cuántico para 16 - 25 en PBS (pH 7.0) y 1.0 M NaOH utilizando las pendientes extrapoladas obtenidas de los pasos 4.3.5 y 4.3.6 en la siguiente ecuación:
      Φx =Φst(Gradx/Gradst)(η2x/η2st)
      donde Φst representa el rendimiento cuántico del estándar, Φx representa el rendimiento cuántico de lo desconocido, Grad es la pendiente del mejor ajuste lineal, y η es el índice de refracción del disolvente utilizado (la relación de índice de refracción se calculó utilizando η = 1,36 para etanol y η = 1,35 para 0,5 M H2SO4).
    8. Informe de los rendimientos cuánticos para 16 - 18 y 20 - 25 en PBS (pH 7.0) y 1.0 M NaOH como promedio del Φx obtenido para quinina y antraceno.

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Representative Results

La reacción de condensación de Claisen-Schmidt proporcionó acceso a análogos de dipirorinana(16-25, Figura 4)utilizando el procedimiento de una olla descrito en la sección de protocolo (ver paso 1). Los análogos 16-25 fueron generados por la condensación de pirrolinona 9,bromoisoindolona 10,o isoindolona 11 con 1 H-imidazol-2-carboxaldehído(12),1 H-imidazol-5-carboxaldehído(13),1H-pirazol-3-carboxaldehído(14),o 1H-pirazol-4-carboxaldehído(15); las combinaciones produjeron diez análogos diferentes, incluyendo un compuesto de control, 19,que es incapaz de formar enlaces de hidrógeno intramoleculares(Tabla 1). Los tiempos de reacción hicieron necesario típicamente 24 h de reflujo para la terminación, sin embargo, en el caso de 20 solamente 6 h fueron requeridos, mientras que, para 23 y 24 épocas levemente más largas de 30 h y 27 h respectivamente eran necesarios. Los rendimientos de los productos variaron de 41% a 96%, como se ilustra en la Tabla 1,que siguen las tendencias tradicionales de reacciones de condensación análogas para las dipiromonas. Los compuestos 17, 18, 20-22,24 y 25, debido a su naturaleza altamente cristalina, fueron purificados por métodos simples de filtración al vacío; sólo los compuestos 16, 19y 23 requerían cromatografía para la purificación.

Las propiedades fotofísicas de los compuestos16-25,obtenidos de la realización de los pasos 3-4 en la sección de protocolo, se resumen en la Tabla 2. Los valores de pKa medidos para cada compuesto variaron de 12 a > 13,5, lo que sugiere que se necesitan condiciones suficientemente básicas para deprotonar completamente cada análogo de dipirorinana. Debido a las diferentes propiedades fotofísicas en los estados protonados y deprotonados de cada compuesto, se adquirieron espectros utilizando soluciones neutras (pH 7,0 PBS) y básicas (1,0 M NaOH) de 16a25. En pH neutro (estado protonado), los compuestos 16-25 tienen λ absmáximo que van desde 324 nm a 365 nm, que son todos azul-desplazados por 10 a 37 nm en comparación con los estados deprotonados. Las absortividades molares se extienden a partir del 15.000 a 30.000 pero no aparecen desviarse substancialmente entre los estados protonated y deprotonated de un análogo dado. Analógico 19 no mostró ninguna fluorescencia detectable, sin embargo, 16-18 y 20-25 luz emitida con λmax em que van desde 409 - 457 nm a pH neutro y 443 - 482 nm a pH básico; también se observa una tendencia de desplazamiento de rojo similar a la de las longitudes de onda de absorbancia protonadas/deprotonadas máximas para las longitudes de onda de emisión. El ΦF varió de 0,01 a 0,30 en soluciones acuosas neutras y básicas, que son considerablemente más bajas que los xantooglows comparables, pero los compuestos 16, 20y 25 caen en la región similar de fluoróforos muy utilizados como la rodamina B (ΦF = 0,23),20 naranja de acridina (ΦF = 0,36),21 pirroninas Y (ΦF = 0,22),20 y la mayor parte de la serie de colorantes de cianina (típicamente ΦF = 0,12-0,28). 22

Los análogos de dipirorinana 16a25 se caracterizaron químicamente mediante análisis de punto de fusión, espectroscopia IR, espectroscopia de RMN 1H y RMN 13C, y espectrometría de masas de alta resolución, además de los experimentos de espectroscopia UV/Vis y fluorescencia resumidos en la Tabla 2. La caracterización química y los espectros originales de RMN 1H y RMN 13C se pueden encontrar a partir de la fuente bibliográfica original,12 sin embargo, para mayor comodidad, la caracterización de los compuestos 16, 20y 23,que poseen los mayores rendimientos cuánticos, se informa a continuación:

(Z)-5-((1H-imidazol-2-yl)metileno)-3-etil-4-metil-1,5-dihidro-2H-pirrol-2-una (16). Se descompone a 160 °C; 1 H RMN (400 megaciclos, DMSO-d6) δ 12,3 (brs, 1H), 9,87 (s, 1H), 7,13 (aplicaciones, 2H), 5,93 (s, 1H), 2,23 (q, J = 7,5 hertzios, 2H), 2,00 (s, 3H), 0,98 (t, J = 7,5 hertzios, 3H); 13. RMN C (101 megaciclos, DMSO- d6) δ 170,7, 144,8, 140,0, 139,6, 133,9, 130,2, 117,6, 94,1, 16,7, 13,6, 9,33; IR (película delgada) 3742, 3148, 3063, 2924, 2353, 1651, 1543, 1450, 771, 717 cm-1; HRMS (ESI-TOF) m/z: [M+Na]+ Calcd para C11H13N3ONa 226.0956, Encontrado 226.0956.

(Z)-5-((1H-pirazol-4-yl)metileno)-3-etil-4-metil-1,5-dihidro-2H-pirrol-2-una (19). Se descompone a 202 °C; 1 RMN H (400 MHz, 20% CD3OD en CDCl3)δ 1H RMN (400 MHz, Cloroformo-d)δ 7,74 (s, 2H), 6,01 (s, 1H), 2,27 (q, J = 7,4 Hz, 2H), 2,02 (s, 3H), 1,02 (t, J = 7,4 Hz, 3H); 13. C{1H} RMN (101 MHz, CDCl3) δ 173.7, 141.9, 136.0, 133.0, 116.1, 105.0, 100.8, 16.9, 13.4, 9.61; IR (película delgada) 3163, 3117, 3048, 2963, 2362, 1674, 1558, 1512, 1396, 1257, 1157, 948, 871, 794, 702 cm-1; HRMS (ESI-TOF) m/z: [M+Na]+ Calcd para C11H13N3ONa 226.0956, Encontrado 226.0955.

(Z)-3-((1H-imidazol-2-yl)metileno)-5-bromoisoindolin1-ona (20). Se descompone a 213 °C; 1 H RMN (400 megaciclos, DMSO-d6) δ 7,97 (s, 1H), 7,59 (d, J = 7,8 hertzios, 1H), 7,48 (d, J = 8,0, 1H), 7,06 (s, 2H), 6,57 (s, 1H); 13. RMN C (101 megaciclos, DMSO-d6) δ 167.7, 146.6, 140.2, 134.5, 131.7, 129.1, 125.8, 125.03, 124.99, 123.6, 96.5; IR (película delgada) 3742, 3240, 2314, 1682, 1543, 1520, 1435, 1312, 1080, 826, 694 cm-1; HRMS (ESI-TOF) m/z: [M+Na]+ Calcd para C12H8BrN3ONa 311.9749, Encontrado 311.9752.

(Z)-3-((1H-imidazol-2-yl)metileno)isoindolina-1-ona (23). Se descompone a 228 °C; 1 RMN H (400 MHz, DMSO-d6) δ 12,34 (s, 1H), 10,74 (s, 1H), 7,90 (d, J = 7,5 Hz, 1H), 7,74 (d, J = 7,6 Hz, 1H), 7,63 (dd, J = 7,6, 7,2 Hz, 1H), 7,50 (dd, J = 7,6, 7,3 Hz, 1H), 7,17 (s, 2H), 6,46 (s, 1H); 13. RMN C (101 megaciclos, DMSO-d6) δ 167.3, 144.9, 137.3, 135.1, 132.8, 129.9, 129.3, 123.6, 121.0, 117.6, 92.9; IR (película delgada) 3741, 3201, 3086, 2361, 2322, 1682, 1543, 1520, 1119, 748, 687 cm-1; HRMS (ESI-TOF) m/z: [M+Na]+ Calcd para C12H9N3ONa 234.0643, Encontrado 234.0641.

entrada Pirrolinona/Isoinolona aldehído Rendimiento (%)b Tiempo (h) producto
1 9 12 80 24 16
2 9 13 41 24 17
3 9 14 79 24 18
4 9 15 61 24 19
5 10 12 96 6 20
6 10 13 70 24 21
7 10 14 66 24 22
8 11 12 49 30 23
9 11 13 49 27 24
10 11 14 94 24 25

Tabla 1. Condiciones y rendimientos de reacción para la síntesis de 16-25a

a Reacciones realizadas en una escala de 1 mmol en 5 mL de EtOH. b Rendimiento aislado.

compuesto Abs. λmáx. (nm) ε (M-1 cm-1) Fluor. λmáx. (nm) Φb pKa
16 351 (384) 24500 (22800) 451 (482) 0.30 (0.30) 12.7
17 338 (380) 18600 (18600) 442 (462) 0.01 (0.03) 12.8
18 324 (349) 29800 (25700) 455 (465) 0.01 (0.02) 13
19 326 (358) 29900 (21300) –a –a 12.9
20 365 (378) 15000 (15500) 457 (475) 0.22 (0.20) 12.5
21 355 (380) 15100 (16800) 409 (443) 0.03 (0.01) 12.9
22 341 (363) 19800 (23100) 427 (452) 0.02 (0.01) >13.5
23 360 (373) 29000 (21300) 449 (474) 0.25 (0.26) 12
24 351 (373) 17200 (19400) 432 (454) 0.07 (0.05) 12.8
25 340 (357) 20200 (23500) 410 (449) 0.02 (0.02) >13.5

Tabla 2. Propiedades fotofísicas y valores de pKa de 6-14 y 22 en pH 7,0 PBS buffer y 1 M NaOH (dado entre paréntesis).

a La fluorescencia no era perceptible para 19. b Se utilizaron como estándares quinina (Q =0,55) 15 y antraceno (Q = 0,27)15,16.

Figure 1
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Figure 2
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Figure 3
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Figure 4
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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 dipyrrinones23,24,25 y aductos del pirrol-furano26 así como 3H-pyrazol-3-un-furan aductos27,aductos del pirrol del isoindolone28,y 2 Aductos deH-Indol-2-one-pyrindine29 que sostienen promesa como productos farmacéuticos potenciales. En general, el procedimiento descrito proporciona productos de reacción en rendimientos moderados a altos, sin embargo, es importante tener en cuenta que el monitoreo continuo del progreso de la reacción es esencial para los resultados exitosos. En algunos de nuestros ensayos preliminares, se encontró que el calentamiento para tiempos de reacción excesivos, mucho más allá (5 - 24 h) de la finalización de la reacción, llevó a productos de descomposición que pueden complicar los pasos de purificación posteriores. Por esta razón, se recomienda encarecidamente que el análisis TLC se realice a las marcas de tiempo de 1 h, 3 h, 6 h, 12 h y 24 h para monitorear el progreso de la reacción y obtener una idea de la velocidad de reacción, así como la tasa de descomposición del producto.

Los análogos de dipirorinana 16-25,en el estado protonado/neutro, poseen una gama de propiedades de solubilidad en disolventes orgánicos de uso común que pueden ser problemáticos al estudiar propiedades fotofísicas, biológicas y analíticas. En general, 16-25 tenían solubilidad variada en agua, disolventes de alcohol (metanol/etanol), y CH2Cl2, pero todos tenían buena solubilidad en disolventes aproticos altamente polares como DMF, DMSO y acetonitrilo. En consecuencia, todas las soluciones de stock para UV/Vis (Paso 3.1 del protocolo) y los estudios de fluorescencia (Paso 4.1 del protocolo) y la mayoría de los estudios de RMN se llevaron a cabo utilizando DMSO o DMSO-d6. Aunque la mayoría de los compuestos requerían un calentamiento suave (usando una pistola de calor) para solubilizarse completamente en DMSO, una vez disuelto, 16-25 parecen permanecer solubles e incluso pueden diluirse en soluciones acuosas sin precipitarse. Debido a la naturaleza altamente polar del estado iónico, los análogos 16-25 en solución básica son altamente solubles en agua pero tienen poca solubilidad en disolventes orgánicos.

Mientras que la reacción de condensación de Claisen-Schmidt proporciona acceso a una gama de compuestos aromáticos bicíclicos ligados a la metina, más allá de los análogos de dipirorina describen en su interior, las condiciones de reacción pueden limitar los tipos de moléculas producidas a través de este método. Como requisito fundamental de la reacción, tanto un nucleófilo enolizable (como una pirrolinona o isoinolona) como un electrófilo aldehído no enolizable deben reaccionar para permitir la condensación. El incumplimiento de este requisito básico puede dar lugar a la incapacidad de conectar los sistemas de anillos y/o a la generación de productos secundarios competidores. Además, se utilizan condiciones considerablemente básicas para generar el nucleófilo enolado, que puede crear incompatibilidades con grupos funcionales (es decir, ésteres, nitrilos, haluros, etc.) que son susceptibles a reacciones con hidróxido. En tales casos, es posible sustituir el hidróxido por bases nitrogenadas o carbonato, como se ha logrado con 1,8-Diazabiciclo[5.4.0]undec-7-ene (DBU)30, trietilamina31,piperidina32,base de Hünig33,yNa2CO334. Para llevar a cabo una reacción análoga, optamos por utilizar hidróxido de sodio simplemente por su disponibilidad y gasto relativo. Si bien estas restricciones pueden requerir modificaciones en el procedimiento para acceder a compuestos específicos o impedir el acceso a otros por completo, el método descrito en el protocolo puede proporcionar un medio de acoplamiento de anillos aromáticos para numerosos sistemas a través de una reacción de un solo paso procedimentalmente simple y rentable. En el caso de los análogos de dipirorina 16-25,la condensación de Claisen-Schmidt ha permitido una de las rutas más accesibles a los fluoróforos dependientes del pH descritos hasta la fecha.

La reacción de condensación de Claisen-Schmidt tiene el potencial de servir como una reacción clave para la creación de una gama de diferentes sistemas de fluoróforos bicíclicos y tricíclicos. Si bien esta reacción ha sido crítica para el desarrollo de 3H,5H-dipyrrolo[1,2-c:2',1'-f]pirimidina-3-onas(1),xanthoglows(2), análogos de pirroloindolizinediona(3, Figura 1),y más recientemente análogos de dipirorina 16-25, es posible generar una gama de sistemas fluorescentes completamente novedosos a través del emparejamiento de la condensación de Claisen-Schmidt con diseños moleculares para restringir los procesos fotoisoméricos. Más específico para el estudio en cuestión, los diseños futuros de análogos de dipirorinana probablemente se desarrollarán utilizando este procedimiento descrito con el fin de generar compuestos fluorescentes con una mayor capacidad de enlace de hidrógeno intramolecular y valores de pKa más bajos. Anticipamos que estas sondas dependientes del pH mejoradas poseerán mayores rendimientos cuánticos al tiempo que permiten la visualización de las fluctuaciones de pH para una gama más amplia de eventos intracelulares.

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Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

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

Name Company Catalog Number Comments
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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Química Número 172 Condensación de Claisen-Schmidt Fotoisomerización fluorescencia dependiente del pH fluoróforo dipirorina pirazol imidazol e isoindosolona
Síntesis De Pirazol Dependiente De pH, Imidazol, Y Fluoróforos De Isoindolona Dipirorina Usando Un Enfoque De Condensación De Claisen-Schmidt
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Benson, N., Davis, A., Woydziak, Z.… More

Benson, N., Davis, A., Woydziak, Z. R. Synthesis of pH Dependent Pyrazole, Imidazole, and Isoindolone Dipyrrinone Fluorophores using a Claisen-Schmidt Condensation Approach. J. Vis. Exp. (172), e61944, doi:10.3791/61944 (2021).

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