Name: 使用克莱森-施密特凝结方法合成pH依赖皮拉佐尔、伊米达佐尔和伊森多龙二苯酮氟磷 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2021-06-10T13:30:00.000+00:00
Duration: 14 min 11 s
Description: 了解克莱森-施密特缩合反应合成pH依赖性荧光二吡咯酮类似物的方法。该方案使用乙烯醇盐与吡唑或咪唑醛反应，生成具有比率式pH探针潜力的荧光化合物库。

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Z.R.W. 和 N.B. 感谢美国国立卫生研究院（NIH，项目编号：2P20 GM103440-14A1）提供的慷慨资助，同时感谢 Jungjae Koh 以及内华达大学拉斯维加斯分校在获取 1H 和 13C NMR 数据方面给予的帮助。此外，我们还要感谢 NSC 视觉媒体专业的学生 Arnold Placencia-Flores、Aubry Jacobs&#160;和 Alistair Cooper，在本论文的电影摄影部分拍摄与动画制作过程中所提供的协助。

1. 二吡咯酮类似物16-25的合成通法
<ol>
	<li>在圆底烧瓶中，将吡咯烷酮/异吲哚啉酮（1.00 mmol）和相应的吡唑/咪唑醛（1.00 mmol）溶于5.0 mL乙醇中。</li>
	<li>一次性向烧瓶中加入水溶液KOH（24.0 mmol，10 M，2.40 mL）。</li>
	<li>搅拌并回流混合物，直至薄层色谱（TLC）确认反应完成（反应时间见表1&#160;）。TLC展开剂为二氯甲烷中含10%甲醇，类似物的Rf值通常在0.62至0.86范围内。在玻璃接头接触面涂抹足量真空润滑脂或使用PTFE套管，以防止冷凝器与圆底烧瓶在高温及碱性条件下发生粘连。</li>
	<li>使反应混合物冷却至室温，然后使用旋转蒸发仪在减压条件下蒸发挥发性组分。</li>
	<li>将反应混合物置于冰浴中冷却至0 °C。</li>
	<li>一次性加入乙酸（30.0 mmol，1.70 mL）中和剩余油状混合物。</li>
	<li>对所得产物采用减压过滤纯化（化合物17、18、20–22、24和25参见步骤2a），或采用液-液萃取/柱层析纯化（化合物16、19和23参见步骤2b）。</li>
</ol>
2. 纯化步骤
<ol>
	<li>通过减压过滤
	<ol>
		<li>使用匹配的橡胶接头将赫氏漏斗（Hirsch funnel）连接到侧臂烧瓶上。</li>
		<li>将一张圆形滤纸贴附于赫氏漏斗内，并用去离子水轻微润湿，以使其紧贴漏斗表面。</li>
		<li>将真空源连接至烧瓶的侧臂，并确保具有足够的真空密封性，即在抽真空状态下所有玻璃器皿均无法被拉开。</li>
		<li>将含有结晶产物的烧瓶内容物倒入真空过滤装置中进行过滤。用 10 mL 冰冷的去离子水冲洗晶体。</li>
		<li>在所有液体过滤完毕后，继续保持晶体在滤纸上方、连接真空源的条件下干燥。</li>
		<li>收集过滤后的晶体，并转移至一个 25 mL 的圆底烧瓶中。</li>
		<li>将圆底烧瓶连接至带烧结玻璃砂芯的磨口接头/真空管线适配器，并使用凯氏夹（keck clip）固定玻璃接头连接处。</li>
		<li>在玻璃高真空管线适配器的肋状端口连接通往高真空泵的真空管路，并充分冷却真空阱（使用液氮或干冰/丙酮等冷却剂），以冷凝可能从晶体材料中挥发的任何物质。开启高真空泵，以确保晶体中残留的痕量溶剂完全蒸发。</li>
		<li>使晶体在高真空下干燥至少 1 小时。随后将圆底烧瓶从真空管线/适配器上取下，关闭高真空泵，并清理真空阱。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>柱层析纯化操作步骤
	<ol>
		<li>用 10 mL 去离子水稀释经乙酸处理的反应混合物（来自步骤 1.6），转移至分液漏斗中。向分液漏斗中加入 10 mL 二氯甲烷。轻轻振荡并放气，以实现两相分离。</li>
		<li>用若干份二氯甲烷（每次 5 mL，共 3 次）萃取水相。合并有机相，并用无水 Na2SO4 干燥。倾析后，使用旋转蒸发仪在减压条件下除去所有挥发性物质。</li>
		<li>用 5 mL CH2Cl2 稀释步骤 2.2.2 得到的残余物。采用约 75 g 硅胶进行快速柱层析。以含 10% 甲醇的二氯甲烷溶液作为洗脱剂洗脱样品。</li>
		<li>使用旋转蒸发仪在减压条件下除去所收集的各馏分中的溶剂。用约 10 mL CH2Cl2 将所得固体残余物转移至 25 mL 圆底烧瓶中，并再次使用旋转蒸发仪在减压条件下除去溶剂。</li>
		<li>将剩余的固体残余物按照前述步骤 2.1.7 至 2.1.9 所述方法在高真空下干燥。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. 类似物16-25的摩尔吸光系数测定及紫外/可见光pKa研究
<ol>
	<li>为二吡咯酮类似物 16 - 25 制备用于紫外/可见光分光光度法的化合物储备溶液。
	<ol>
		<li>称取10 μmol选定的二吡咯酮类似物（16 - 25），加入10 mL容量瓶中。</li>
		<li>用DMSO定容至容量瓶的10.0 mL刻度线。 
		&#8203;注意：如果化合物未完全溶解，可使用加热枪加热容量瓶，并根据需要摇动以确保化合物完全溶解。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>配制不同pH值的磷酸盐缓冲液（PBS）溶液。这些类似物在pH范围约为4至15的PBS缓冲液中进行了表征。
	<ol>
		<li>使用1 L量筒，通过将100 mL PBS（×100）稀释于900 mL去离子水中，配制1 L PBS储备液。</li>
		<li>将50 mL已配制的PBS储备液（步骤3.2.1）转移至100 mL烧杯中，并加入磁力搅拌子。然后使用校准后的pH计监测pH变化，用1.0 M NaOH水溶液滴定PBS缓冲液（以获得pH &#62; 7.0的缓冲液）或1.0 M HCl（以获得pH &#60; 7.0的缓冲液）。 
		注意：为了获得能形成清晰滴定曲线的数据，建议在预期拐点±0.5范围内以0.1 pH单位为增量配制缓冲液，在预期拐点范围外则以0.5 pH单位为增量。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>测定类似物 16 - 25 在PBS（pH 7.0）和1.0 M NaOH（pH 14.0）溶液中的摩尔吸光系数光谱。
	<ol>
		<li>使用洁净干燥的石英比色皿准备一个&#34;空白&#34;，然后用100 - 1000 µL移液器向比色皿中加入2.0 mL PBS储备液（pH 7.0）或1.0 M NaOH水溶液。 
		注意：为确保空白溶液数据采集的准确性，必须确保比色皿溶液中无气泡，并用Kimwipe纸彻底擦拭比色皿外壁，防止因外部灰尘或杂质引起光散射。若仍有气泡，可将比色皿轻敲置于硬质表面的纸巾上，反复轻敲以去除气泡。</li>
		<li>使用紫外/可见光分光光度计，在200 - 800 nm波长范围内对选定溶液进行空白校正。</li>
		<li>在另一个洁净干燥的石英比色皿中加入2.00 mL PBS（pH 7.0）或1.0 M NaOH（pH 14），再用5-50 µL移液器加入10 µL二吡咯酮类似物（16 - 25）储备液（见步骤3.1）。盖上盖子后充分振荡并倒置混匀。 
		注意：为确保样品溶液数据采集的准确性，必须确保比色皿溶液中无气泡，并用Kimwipe纸彻底擦拭比色皿外壁，防止因外部灰尘或杂质引起光散射。若仍有气泡，可将比色皿轻敲置于硬质表面的纸巾上，反复轻敲以去除气泡。</li>
		<li>使用紫外/可见光分光光度计，在200 - 800 nm波长范围内采集二吡咯酮类似物溶液的吸收光谱。</li>
		<li>向同一比色皿中再加入10 µL二吡咯酮类似物储备液，并重复步骤3.3.3和3.3.4。</li>
		<li>重复步骤3.3.5，直至总共向比色皿中加入50 µL二吡咯酮类似物储备液，以获得至少五个激发波长数据点。重复步骤3.3.1 - 3.3.6，直至完成所有 16 - 25 类似物在PBS（pH 7.0）和1.0 M NaOH中的测定。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>利用最佳拟合线性回归分析，获得 16 - 25 在PBS（pH 7.0）和1.0 M NaOH中的摩尔吸光系数值。
	<ol>
		<li>使用GraphPad Prism 7等绘图软件，以测得的吸光度为纵坐标（y轴），二吡咯酮类似物浓度为横坐标（x轴）作图。对五个数据点进行最佳拟合线性回归分析。应观察到线性关系，且统计分析显示R2值 ≥ 0.98。</li>
		<li>对 16 - 25 类似物在PBS（pH 7.0）和1.0 M NaOH中的数据重复步骤3.4.1。</li>
		<li>利用最佳拟合线性曲线的斜率外推值，计算 16 - 25 在PBS（pH 7.0）和1.0 M NaOH中的摩尔吸光系数。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>利用紫外/可见光分光光度法测定 16 - 25 的pKa值
	<ol>
		<li>使用100 - 1000 µL移液器，将1,900 µL选定pH值的PBS缓冲液（步骤3.2中配制）转移至洁净干燥的石英比色皿中。 
		&#8203;注意：我们注意到某些缓冲液在储存过程中可能形成白色沉淀。为确保缓冲液完全均一，若观察到沉淀，请在使用前立即通过重力过滤去除沉淀。参见步骤3.3.1后的注释。</li>
		<li>使用紫外/可见光分光光度计，在200 - 800 nm波长范围内对选定的PBS缓冲液进行空白校正。</li>
		<li>在另一个洁净干燥的石英比色皿中，转移1,900 µL选定的PBS缓冲液，然后使用5-50 µL移液器加入100 µL选定的类似物储备液。盖上盖子后充分振荡并倒置混匀。 
		&#8203;注意：参见步骤3.3.3后的注释。</li>
		<li>使用紫外/可见光分光光度计，在200 - 800 nm波长范围内采集二吡咯酮类似物的吸收光谱。</li>
		<li>对步骤3.2中配制的每种PBS缓冲液中的 16 - 25 重复步骤3.5.1 - 3.5.4。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>使用最佳拟合S型曲线拟合函数确定 16 - 25 的pKa值。
	<ol>
		<li>使用绘图软件，绘制 16 - 25 在不同pH值下的吸光度随波长（nm）变化的曲线图。</li>
		<li>选择一个在380-415 nm之间的波长，该波长在较低pH（&#60; 7.0）时吸光度较小（0-0.1单位），而在较高pH（&#62; 12.0）时吸光度显著增大（0.8-1.0单位）。绘制该选定波长下的吸光度随pH变化的曲线。</li>
		<li>使用S型曲线函数，为每种类似物 16 - 25 生成最佳拟合曲线。报告曲线上半高处对应的外推pH值，即为所报告的pKa值。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. 量子产率测定与荧光研究
<ol>
	<li>制备二吡咯酮类似物的荧光研究用储备溶液 16 - 18 和 20 - 25.
	<ol>
		<li>使用3.1步骤中制备的二吡咯酮类似物储备液，用2–20 µL微量移液器吸取10 µL储备液加入1 mL容量瓶中，再用PBS（pH 7.0）缓冲液定容至1 mL刻度线。盖紧容量瓶瓶盖，通过倒置并振荡充分混匀。该稀释后的储备液用于获取荧光光谱，称为荧光测定用储备液。</li>
		<li>重复步骤 4.1.1 以处理类似物 16 - 18 和 20 - 25.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>在不同浓度下获取类似物的荧光发射光谱 16 - 18 和 20 - 25除以下所有类似物外 18在 pH 7 和 pH 14 的溶液中，对每种类似物分别在以下浓度：19.96、39.84、59.64、79.37 和 99.01 nM 下采集五组光谱。对于类似物 18，在 pH 7 的溶液中，于以下浓度：49.75、99.01、147.8、196.1 和 243.9 nM 下采集五组光谱；在 pH 14 的溶液中，于以下浓度：99.01、196.1、291.3、384.6 和 476.2 nM 下采集五组光谱。
	<ol>
		<li>将3.00 mL PBS（pH 7.0）或1.0 NaOH使用100–1,000 µL移液器分三次、每次1,000 µL加入透明四面石英比色皿中。 
		&#8203;注意：见步骤 3.3.1 后的说明。</li>
		<li>使用荧光计及荧光计配套软件FluorEssence，获取所选溶液的发射光谱，并将此标记为该溶液 &#34;空白&#34;.</li>
		<li>向同一比色皿中，使用0.5–10 µL微量移液器加入6 µL所选二吡咯酮类似物（第4.1部分）的荧光储备溶液。盖上比色皿盖，通过倒置并轻轻振荡充分混匀。 
		注意：见步骤 3.3.3 之后的说明。</li>
		<li>使用荧光分光光度计，以选定的化合物溶液在λ激发波长下获取发射光谱最大值 以激发波长为abs。激发强度的测量范围为从激发波长起始点向后延伸15 nm，覆盖200 nm的波长范围（通常需要200 nm的范围才能使荧光强度恢复至基线水平）。</li>
		<li>重复步骤 4.2.3 至 4.2.4，直至向比色皿中总共加入 30 µL 荧光母液。</li>
		<li>重复步骤 4.2.1 - 4.2.5 以处理类似物 16 - 25 在 PBS（pH 7.0）和 1.0 M NaOH 中。 
		注意：比色皿中的浓度已针对类似物进行了调整 18 使用以下条件采集数据：2.0 mL PBS 缓冲液，依次加入五次荧光染料储备液，每次 10 µL，用于中性（质子化）条件 18）溶液和 2.0 mL 1.0 M NaOH，分五次加入共 20 µL 的化合物储备液，以形成碱性（去质子化） 18）溶液。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>使用 Williams, A. T. 等人的方法测定量子产率。17
	<ol>
		<li>使用电子表格软件程序（例如 Microsoft Excel），导入单个二吡咯酮类似物在不同浓度水平下的发射光谱数据（发射强度数据点），该数据是在 PBS（pH 7.0）或 1.0 M NaOH 中测得的。</li>
		<li>从发射光谱中导入数据点 &#34;空白&#34; 溶液（步骤 4.2.1 - 4.2.2），并减去 &#34;空白&#34; 在不同浓度水平下，在相应波长处获取的发射强度数据点中的发射强度数据点。</li>
		<li>转移 &#34;空白&#34; 将校正后的发射强度数据点导入图形处理软件（如 GraphPad Prism 7），绘制发射强度随波长变化的曲线。计算在不同浓度梯度的二吡咯酮类似物条件下所得各条曲线下的面积。</li>
		<li>根据 Williams, A. T. 等人所述技术，计算每种不同浓度水平的二吡咯酮类似物的外推吸光度值。该计算通过将步骤 3.4 中由最佳拟合线性回归分析得出的摩尔吸光系数值乘以步骤 4.2.3–4.2.5 中所用的每种二吡咯酮类似物的浓度来完成。</li>
		<li>使用 GraphPad Prism 7 等绘图软件，以该模拟物外推的吸光度（x 轴）对各浓度曲线在对应最大发射值的发射波长处计算出的曲线下面积（步骤 4.3.4）作图。应得到一个具有 r2 应观察到 ≥ 0.96。</li>
		<li>执行与 3.1–3.4 和 4.1–4.3.5 类似的步骤，用于 0.5 M H 中的奎宁2SO4 (ΦF = 0.55)18 和蒽在乙醇中的（ΦF = 0.27)18, 19 以获取标准品的数据。</li>
		<li>获取量子产率值 16 - 25 在 PBS（pH 7.0）和 1.0 M NaOH 中，利用步骤 4.3.5 和 4.3.6 获得的外推斜率，代入以下方程进行计算： 
		Φx = Φst（研究生x/Gradst)(η​2x/η2st) 
		其中 Φst 表示标准物质的量子产率，Φx&#160;表示未知样品的量子产率， 研究生 是最佳线性拟合的斜率，η 为所用溶剂的折射率（乙醇的折射率取 η = 1.36，0.5 M H2SO4).</li>
		<li>报告量子产率 16 - 18 和 20 - 25 在 PBS（pH 7.0）和 1.0 M NaOH 中的平均 Φ 值x 获得奎宁和蒽的相应结果。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

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</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

Claisen-Schmidt缩合方法通过相对操作简便的方案，为制备吡唑、咪唑和异吲哚酮二吡咯酮类荧光染料提供了一种较为可靠的途径。尽管本研究的重点是荧光性二吡咯酮类似物的合成，但应注意，类似的反应条件也可用于构建其他双环次甲基连接的环系结构，例如二吡咯酮23,24,25、吡咯-呋喃加合物26、3H-吡唑-3-酮-呋喃加合物27、异吲哚酮-吡咯加合物28以及2H-吲哚-2-酮-吡啶加合物29，这些化合物作为潜在药物具有良好的前景。总体而言，所描述的方法能够以中等到较高的收率获得反应产物；然而，必须强调的是，持续监测反应进程对于取得成功结果至关重要。在我们的一些初步实验中发现，若反应加热时间过长，远超过反应完成所需时间（5–24小时），会导致分解产...

许多共轭双环体系由一个单次甲川桥连接两个芳香环，在光子激发下可通过键旋转发生异构化（图1A）1,2,3,4,5。激发态的异构体通常通过非辐射衰变过程回到基态6。如果键旋转的能量势垒被显著提高，则有可能限制或阻止光异构化。此时，光激发将产生一个激发单重态，该单重态通常通过荧光而非非辐射衰变进行弛豫（图1B）。限制光异构化最常用的方法是通过共价连接将两个芳香环系统固定，从而在机械上限制键的旋转，使分子锁定在特定的异构状态。该策略已被用于构建多种不同的荧光三环二吡咯酮和二吡咯甲烷类似物，例如：3H,5H-二吡咯并[1,2-c:2',1'-f]嘧啶-3-酮（1）、黄橙素（xanthoglows，2）6,7、吡咯并吲哚嗪二酮类似物（3）8以及BODIPY类似物9（4，图2），其中吡咯烷和/或吡咯环系统通过亚甲基、羰基或二氟硼连接基团进行连接。通常，1-4&#160;的荧光量子产率ΦF > 0.7，表明这些体系作为荧光团单元具有很高的效率。
除了通过共价连接环系来限制光异构化外，还可以采用其他方式实现这一目的。例如，绿色荧光蛋白（Green Fluorescent Protein, GFP）中的酚环和咪唑啉酮环（图2）由于受到蛋白质环境的限制而无法自由旋转；这种限制性环境使其量子产率相比相同发色团在自由溶液中的情况提高了三个数量级10。据认为，GFP的蛋白质骨架通过空间位阻和静电效应提供了旋转能垒11。最近，我们课题组与内华达大学里诺分校的Odoh课题组合作，发现了一类新的荧光团体系，其结构与基于二吡咯酮的xanthoglow体系具有相似性（图2）12。然而，这些二吡咯酮类似物与xanthoglow体系不同之处在于，它们通过分子内氢键而非共价键来抑制光异构化，从而形成具有荧光特性的双环体系。此外，吡唑、咪唑和异吲哚酮类的二吡咯酮类似物在质子化和去质子化状态下均可形成氢键；去质子化会导致激发波长和发射波长发生红移，这可能是由于体系电子性质发生变化所致。尽管已有报道表明，通过限制旋转的氢键作用可提高量子产率13,14,15,16，但目前尚未有其他荧光团体系被报道能够在分子的质子化和去质子化两种状态下均以受限异构化作为荧光产生的机制。因此，这类pH依赖性的二吡咯酮荧光团在这一方面具有独特性。
在本视频中，我们重点介绍荧光二吡咯酮类似物系列的合成及其化学表征。特别强调了用于构建完整荧光类似物系列所采用的克莱森-施密特缩合反应方法。该反应依赖于在碱性条件下生成乙烯基类烯醇负离子，进而进攻醛基，生成醇中间体，随后发生消除反应。对于二吡咯酮类似物系列，首先将吡咯啉酮/异吲哚啉酮转化为烯醇负离子，以进攻连接在吡唑或咪唑环上的醛基（图3）；经过消除反应后，形成由次甲基桥连接的完全共轭的双环体系。值得注意的是，整个二吡咯酮类似物系列均可由市售易得的原料制备，并可通过一步一锅法反应序列合成，通常获得中等至较高的产率（产率范围约为50–95%）。由于大多数二吡咯酮类似物具有高度结晶性，仅需常规后处理条件即可获得分析纯样品，几乎无需额外纯化步骤。因此，该荧光团体系可从市售原料经少数几步即可获得，能够在相对较短的时间内完成合成、纯化，并为分析或生物学研究做好准备。

<table><tbody><tr><td>3-乙基-4-甲基-3-吡咯啉-2-酮</td><td>Combi-Blocks</td><td>&amp;nbsp;[766-36-9]</td><td>黄色固体试剂</td></tr><tr><td>异吲哚啉-1-酮</td><td>ArkPharm</td><td>&amp;nbsp;[480-91-1]</td><td>类白色固体试剂</td></tr><tr><td>5-溴异吲哚啉-1-酮</td><td>Combi-Blocks</td><td>&amp;nbsp;[552330-86-6]</td><td>粉红色固体试剂</td></tr><tr><td>2-甲酰基咪唑</td><td>Combi-Blocks</td><td>&amp;nbsp;[10111-08-7 ]</td><td>类白色固体试剂</td></tr><tr><td>咪唑-4-甲醛</td><td>ArkPharm</td><td>&amp;nbsp;[3034-50-2]</td><td>固体试剂</td></tr><tr><td>1-H-吡唑-4-甲醛</td><td>Oakwood Chemicals</td><td>&amp;nbsp;[35344-95-7]</td><td>固体试剂</td></tr><tr><td>1-H-吡唑-5-甲醛</td><td>Matrix Scientific</td><td>&amp;nbsp;[3920-50-1]</td><td>固体试剂</td></tr><tr><td>固体 KOH 颗粒</td><td>BeanTown Chemicals</td><td>[1310-58-3]</td><td>白色固体颗粒</td></tr><tr><td>Siliflash 硅胶</td><td>Scilicycle</td><td>R12030B</td><td>细白色粉末</td></tr><tr><td>磷酸盐缓冲液 (PBS) (10 倍浓缩液)</td><td>Growcells</td><td>MRGF-6235</td><td>无色透明液体</td></tr><tr><td>Beckman Coulter DU-800 紫外/可见光分光光度计及软件</td><td>Beckman Coulter</td><td>N/A</td><td>光谱分析仪器及软件</td></tr><tr><td>Fluoromax-4 荧光分光光度计</td><td>Horiba Scientific</td><td>N/A</td><td>光谱分析仪器</td></tr><tr><td>FluorEssence 荧光测量软件 V3.5</td><td>Horiba Scientific</td><td>N/A</td><td>光谱分析软件</td></tr><tr><td>Finnpipette II 微量移液器（规格：100–1,000、20–200 和 0.5–10 &amp;micro;L）</td><td>Fischerbrand</td><td>N/A</td><td>设备</td></tr><tr><td>Wilmad-LabGlass 旋转蒸发仪（型号：WG-EV311-V-PLUS）</td><td>SP Scienceware</td><td>N/A</td><td>设备</td></tr><tr><td>DuoSeal 真空泵（型号：1405）</td><td>Welch</td><td>N/A</td><td>设备</td></tr><tr><td>GraphPad Prism 4</td><td>GraphPad</td><td>N/A</td><td>数据分析软件</td></tr><tr><td>SympHony pH 计（型号：Sb70P）</td><td>VWR</td><td>N/A</td><td>设备</td></tr></tbody></table>

利用claisen-schmidt缩合方法合成ph依赖性的吡唑、咪唑和异吲哚酮二吡咯酮类荧光染料

Synthesis of pH Dependent Pyrazole, Imidazole, and Isoindolone Dipyrrinone Fluorophores using a Claisen-Schmidt Condensation Approach

亚甲基桥联的共轭双环芳香族化合物是多种生物相关分子（如卟啉、二吡咯酮、药物）中的常见组分。此外，这些体系的受限旋转通常会导致强至中等程度的荧光特性，这一现象在3H,5H-二吡咯并[1,2-c:2',1'-f]嘧啶-3-酮、黄荧素、吡咯并吲哚嗪二酮类似物、BODIPY类似物以及绿色荧光蛋白（GFP）的酚环和咪唑啉酮环体系中均有观察到。本文介绍了一种成本低廉且操作简便的Claisen-Schmidt缩合方法，用于合成一系列荧光性、pH依赖性的吡唑/咪唑/异吲哚酮二吡咯酮类似物。尽管该方法重点展示了二吡咯酮类似物的合成，但其同样可推广用于制备多种共轭双环芳香族化合物。本方法所采用的Claisen-Schmidt缩合反应在适用范围上仅限于在碱性条件下可烯醇化的亲核试剂（亲核组分）和不可烯醇化的醛类（亲电组分）。此外，亲核和亲电反应物均必须含有不会与氢氧根发生副反应的官能团。尽管存在这些限制，该方法仍可获得结构全新的体系，适用于作为生物或分子探针。

Claisen-Schmidt缩合反应可制备二吡咯酮类似物（16-25, 图4）采用方案部分所述的一步法（见步骤1）。类似物 16-25 均由吡咯烷酮缩合生成 9溴代异吲哚酮 10或异吲哚酮 11 1H咪唑-2-甲醛（12), 1H-咪唑-5-甲醛（13), 1H-吡唑-3-甲醛（14），或 1H-吡唑-4-甲醛（15）；这些组合产生了十种不同的类似物，包括一种对照化合物， 19，无法形成分子内氢键（表1）。反应时间通常需要回流24小时才能完成，但在某些情况下 <stron...

Claisen-Schmidt缩合反应是合成次甲基桥联共轭双环芳香族化合物的重要方法。通过采用碱介导的羟醛反应变体，可利用一种通常成本低廉且操作简便的合成途径，获得一系列具有荧光性或生物相关性的分子。

利用Claisen-Schmidt缩合方法合成pH依赖性的吡唑、咪唑和异吲哚酮二吡咯酮类荧光染料

亚甲基桥连共轭双环芳香化合物是多种生物相关分子（如卟啉类化合物）的常见组分，……

Claisen-Schmidt 缩合反应是一种古老的反应，最早由 Claisen 和 Schmidt 于 1881 年同时报道。该反应涉及在碱性条件下，由酮或醛（图中以蓝色表示）生成的烯醇负离子对芳香醛（图中以红色表示）的亲核加成。最初，烯醇负离子的加成会生成一种醇中间体，如方括号内所示。然而，随后的脱水反应最终会生成一个烯酮。由于芳醛不含α-氢，因此无法形成烯醇负离子。因此，通常可以使用弱碱（如氢氧根）来生成烯醇负离子。多年来，克莱森-施密特缩合反应已被用于合成多种化合物。然而，该反应被广泛用于连接查尔酮和黄烷酮中的芳香环体系，如图中红色和蓝色部分所示。其中蓝色部分表示来自烯醇负离子的部分，红色部分则代表芳香环部分。查尔酮和黄烷酮是一类具有多种生物活性分子的核心结构，其活性类型（如抗菌、抗真菌、抗炎和抗肿瘤作用）取决于取代基的模式。通过克莱森-施密特缩合反应生成的另一大类分子是次甲基桥连化合物，本研究中提供了相关实例。我们实验室关注胆红素色素中的荧光组分，胆红素是血红素在体内自然降解的产物。胆红素及其许多组分的合成围绕着克莱森-施密特型缩合反应展开，该反应可通过蓝色烯醇负离子与红色芳香醛组分的结构直观展示。通常，胆红素的直接组分（如二吡咯酮）不具有荧光性。然而，若通过亚甲基或羰基将两个氮原子连接起来，则所得分子会表现出强荧光性，例如黄荧素（xanthoglows）的情况。通常，二吡咯酮吸收紫外光或蓝光，从而引发从 Z 式到 E 式的异构化过程。与无桥连的二吡咯酮类似，桥连二吡咯酮中的氮原子也能吸收紫外光或蓝光，但不同之处在于它们通过荧光在激发态下发生弛豫。我们最近发现了一系列二吡咯酮衍生物，它们实际上能够在没有共价桥连两个氮基团的情况下产生荧光。相反，氢键似乎阻碍了从Z式到E式的异构化过程，从而导致了一种荧光模式的产生。此外，还意外发现这些分子在碱性介质中可发生去质子化，使其在去质子化状态下出现吸收和发射光谱的红移现象。因此，这些分子可能作为比率型pH探针具有应用价值。使用荧光二吡咯酮衍生物，对传统的克莱森-施密特缩合反应进行了轻微改进。本方案与传统克莱森-施密特缩合反应的不同之处在于，采用由吡咯啉酮或异吲哚啉酮衍生的烯醇化物作为亲核试剂。该烯醇化物与吡唑或咪唑醛发生加成反应，从而生成一系列二吡咯酮类似物的小型化合物库。本视频展示了构建该文库所采用的实验步骤。然而，类似的操作流程也可用于进行传统的克莱森-施密特反应。尽管克莱森-施密特反应过去已被广泛使用，至今仍是一种常用的合成反应，但据我们所知，本视频是首次对该方法进行的视频记录。为通过羟醛缩合反应合成荧光二吡咯酮类似物，需称取等摩尔量的选定亲核试剂和亲电试剂。然后将其加入含有磁力搅拌子的25毫升圆底烧瓶中。使用量筒量取5毫升乙醇。然后将乙醇加入圆底烧瓶中。使用量筒量取2.4毫升预先配制的10摩尔/升氢氧化钾溶液，再将氢氧化钾加入烧瓶中。为使烧瓶处于回流状态，需在反应冷凝管的磨口接头处涂抹适量真空润滑脂，以防止磨口接头卡住。将冷凝管连接至冷水供应装置，然后将已涂润滑脂的冷凝管接头与圆底烧瓶连接。随后将烧瓶置于油浴中或置于铝块加热板上，该加热装置可通过热电偶与加热搅拌器联动，以维持恒定温度。加热至回流温度，同时持续搅拌反应。应通过薄层色谱在反应进行1小时、3小时、6小时、12小时和24小时时监测反应混合物，以评估反应速率并确认起始原料是否完全消耗。待反应瓶冷却至室温后，使用旋转蒸发仪除去乙醇溶剂。将烧瓶置于冰浴中，使其在五分钟内逐渐平衡至冰浴温度。向烧瓶中一次性加入1.7毫升乙酸，以中和残留的氢氧化钾。若中和后出现结晶现象，则按真空过滤纯化步骤进行操作。若未观察到晶体形成，则按照快速柱层析纯化步骤进行操作。将一张圆形滤纸置于漏斗顶部，并用去离子水轻轻润湿滤纸，使其贴附于漏斗表面。为准备晶体的真空过滤，使用匹配的橡胶接头将赫希（Hirsch）或布氏（Buchner）漏斗连接至带侧臂的锥形瓶上。为避免滤纸堵塞而影响过滤效果，我们使用了比常规类似规模过滤过程更大的赫氏（Hirsch）或布氏（Buchner）漏斗。将圆底烧瓶中的内容物倒入滤纸上，使混合物自然过滤。在过滤过程中，用10毫升冰冻的去离子水冲洗晶体。过滤后，将晶体转移至一个25毫升的圆底烧瓶中。在高功率真空管路玻璃接头上均匀涂抹一层薄薄的真空润滑脂，然后将该接头连接到圆底烧瓶上。使用Keck夹固定玻璃接头。为了利用高功率真空干燥晶体中残留的溶剂，需用干冰和丙酮的混合物充分冷却玻璃真空阱。将高功率真空管路连接至连接在圆底烧瓶上的玻璃接头。开启高功率真空泵，使晶体干燥至少一小时。将晶体在真空下充分干燥后，关闭真空泵并释放真空密封，取下圆底烧瓶。称量干燥后的晶体以计算反应的百分产率。为进行快速柱层析纯化，将合成步骤中未结晶的酸处理混合物加入分液漏斗中。使用量筒量取10毫升二氯甲烷，并用其稀释分液漏斗中经酸处理的混合物。关闭分液漏斗，轻轻振荡，同时确保频繁排气。随后，分液漏斗中应出现两个明显的分层。使用额外的5 mL二氯甲烷萃取水层，重复此步骤两次。合并所有有机相，并加入足量的无水硫酸钠以干燥有机相。将干燥的有机相转移至圆底烧瓶中，使用旋转蒸发仪除去二氯甲烷。用额外的5毫升二氯甲烷稀释残留物。使用约75克硅胶装柱，以含10%甲醇的二氯甲烷作为洗脱剂，对样品进行快速柱色谱分离。使用旋转蒸发仪将收集到的馏分中的洗脱液蒸发除去。按照之前真空过滤纯化步骤中所述，准备好高功率真空泵和玻璃溶剂捕集阱，并将收集到的固体在高真空下干燥至少一小时。待晶体在真空条件下充分干燥后，称量干燥晶体的质量，以计算反应的百分产率。为了确认文库中每种二吡咯酮类似物的结构，采用了多种光谱方法联用，包括核磁共振波谱、红外光谱和高分辨质谱。紫外-可见吸收光谱和荧光光谱用于荧光二吡咯酮类似物的光物理性质表征。通过Claisen-Schmidt缩合反应，我们合成了一个包含10种化合物的小型化合物库，其中包括一种无法参与分子间氢键作用的对照化合物。二吡咯酮类似物的产率从大约40%到接近定量不等，每种分子下方均列出了相应的产率。在质子化和去质子化形式下均具有最高量子产率的化合物是由2-甲酰基咪唑衍生而来的，以粉红色框标出。作为对照的化合物不产生荧光，以青色框标出。在标准的365纳米长波长灯下，二吡咯酮衍生物表现出可观察到的荧光。通过观察小瓶的颜色，可以直观地看到去质子化导致的荧光红移现象，其颜色从蓝色逐渐转变为青色。有关二吡咯酮衍生物的光物理及其他物理性质的更多定量数据，我们引导读者参阅论文书面部分的表二。总体而言，克莱森-施密特缩合反应可制备一系列亚甲基连接的双环芳香族化合物。然而，该方法也存在一些局限性。该反应的成功缩合依赖于同时使用可烯醇化的亲核试剂和不可烯醇化的醛类亲电试剂（例如芳香醛）。若未能满足这一基本要求，则尝试进行该反应很可能无法实现环系之间的连接，和/或产生竞争性副产物。另一个需考虑的因素是，反应需在碱性条件下生成烯醇负离子亲核试剂，这可能与易与氢氧根发生反应的官能团产生不相容性。在这些情况下，可以使用氮碱或碳酸盐替代氢氧根，已有使用 DBU、三乙胺、哌啶、胡宁碱（Hunig's base）和碳酸钠实现的先例。我们选择使用氢氧化钾仅仅是由于其易得性和相对较低的成本。尽管存在这些局限性，本方案中所述的方法仍可通过一种操作简单且成本低廉的单步反应，为多种体系提供偶联芳香环的有效途径。在我们已合成的二吡咯酮类似物中，克莱森-施密特缩合反应为迄今所报道的pH依赖性荧光团提供了最易实现的合成途径之一。然而，未来二吡咯酮类似物的设计将采用文中所述方法，以开发出具有更强分子间氢键能力及更低pKa值的荧光化合物。预计这些性能增强的pH依赖性探针将具有更高的量子产率，同时能够更广泛地可视化细胞内多种生理事件中的pH变化。

synthesis-ph-dependent-pyrazole-imidazole-isoindolone-dipyrrinone

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使用克莱森-施密特凝结方法合成pH依赖皮拉佐尔、伊米达佐尔和伊森多龙二苯酮氟磷

微波辅助分子内脱氢Diels-Alder（DA）反应可高效构建官能团化的环戊二烯并[b萘类构筑单元。通过布赫瓦尔德-哈特维希钯催化偶联反应，将脱氢DA加成产物一步转化为新型溶致变色荧光染料，展示了该方法的实用性。...

微波辅助分子内脱氢Diels-Alder反应合成功能化萘类化合物/溶致变色染料

光稳定的氰基染料连接到寡核苷酸上，通过能量转移来监测杂交过程。...

利用光稳定性氰基染料合成波长位移DNA杂交探针

本文介绍了一种高效热活化延迟荧光发光材料的放大合成方法。...

基于二苯并噻吩-S,S-二氧化物核心的热激活延迟荧光发光体的化学合成放大

流动化学凭借其优异的混合效果、热传导性能和成本优势，在环境和经济方面具有显著优点。本文提供了一种将化学反应从间歇式反应模式转移至流动反应模式的实施方案。以二苯基重氮甲烷（DDM）与...

连续流动化学：二苯基重氮甲烷的反应 p硝基苯甲酸

详细介绍了N-(2-烷氧基乙烯基)磺酰胺的合成及其后续转化为酞喃和苯乙胺衍生物的代表性实验步骤。...

由 N-对甲苯磺酰基-1,2,3-三唑制备N-(2-烷氧基乙烯基)磺酰胺及其后续转化为取代的酞烷和苯乙胺

通过2-[4-甲苯磺酰氧基丁基]氮杂环丙烷生成双环氮杂环丙烯𬭩离子，例如1-氮杂双环[4.1.0]庚烷对甲苯磺酸盐，并利用该中间体与多种亲核试剂发生区域选择性和立体专一性的环扩增反应，制备取代的哌啶和氮杂环庚烷。这一高效的方法使我们能够合成多种含氮杂环化合物，包括天然产物如枫碱（fagomine）、抗疟碱类似物（febrifugine...

稳定双环氮杂环丙烷离子的制备及其开环反应用于合成氮杂环化合物

本文介绍了一种高效合成螺环杂环化合物的实验方案。该五步合成法采用固相合成与可再生的迈克尔连接子策略。螺环化合物通常难以合成，本文所提出的方法具有可定制性，能够合成其他现代方法难以获得的螺环分子。...

[4.4]螺环肟的固相合成

通过简单的有机催化1,3-偶极环加成反应，可不对称合成对映体富集的双螺环[γ-丁内酯-吡咯烷-4,4'-吡唑啉酮]骨架。...

通过α-亚氨基-γ-内酯与亚烷基吡唑啉酮的有机催化环加成高效构建类药双螺环骨架

本文提供了[(DPEPhos)(bcp)Cu]PF6（一种通用的铜基光氧化还原催化剂）的合成详细通法，以及该催化剂在合成化学中的应用方法，包括用于（杂）芳烃C-H键的直接芳基化反应和有机卤化物的自由基环化反应。...

[(DPEPhos)(bcp)Cu]PF6：一种通用且广泛适用的铜基光氧化还原催化剂

1-芳基-1H-吡唑-5-胺类化合物通过芳基肼与3-氨基-2-丁烯腈或α-氰基酮在1 M HCl溶液中，使用微波反应器反应制备。大多数反应在10–15分钟内完成，可直接获得纯净产物 通过...

微波辅助制备1-芳基-1H-吡唑-5-胺

温和条件下尾孢菌素光催化偶氮烯烃的[4+1]和[4+2]环加成反应

了解克莱森-施密特缩合反应合成pH依赖性荧光二吡咯酮类似物的方法。该方案使用乙烯醇盐与吡唑或咪唑醛反应，生成具有比率式pH探针潜力的荧光化合物库。

利用Claisen-Schmidt缩合方法合成pH依赖性的吡唑、咪唑和异吲哚酮二吡咯酮类荧光染料

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