Über lange Zeit war die Herstellung von Indigo ein wirtschaftlich sehr wichtiger Prozess. Bevor großtechnische chemische Synthesen kostengünstigen Zugang zu Indigo ermöglichten, wurden die Vorläuferstoffe bereits vor christlicher Zeitrechnung aus natürlichen Quellen gewonnen. Der Anbau indigoproduzierender Pflanzen (natürliches Indigo) in Europa wurde im 17th Jahrhundert unrentabel, da der Gehalt an Indigovorläufern in der indischen Indigopflanze (0,2–0,8 %) etwa 30-mal höher ist. Gegen Ende des 19. Jahrhunderts verdrängte die chemische Synthese von Indigo den herkömmlichen Anbau1,2.
Natürlicherweise in Pflanzen vorkommende Indigovorstufen umfassen Indican (1), Insatan A (2) und Isatan B (3) (Abbildung 1). Alle bestehen aus einem mit einer glycosylierten Restgruppe verbundenen Indoxyl-Motiv. Der Abbau der glycosidischen Bindung, beispielsweise durch enzymatische Hydrolyse, führt zur Freisetzung von Indoxyl (4). Indoxyl selbst ist nahezu farblos, kann aber rasch zu einem Indigofarbstoff (5) oxidiert werden. Diese empfindliche Reaktion wurde in der Biochemie, Histochemie, Bakteriologie und Molekularbiologie zur Überwachung enzymatischer Aktivitäten angepasst. Eine Aktivitätsprüfung in vivo, ohne Isolierung oder Reinigung der Enzyme, sowie schnelle Tests auf Agarplatten oder in Lösung (z. B. Blau-Weiß-Screening, Mikrogefäße) sind möglich. Abhängig von der mit der Indoxyl-Einheit verknüpften Restgruppe (z. B. Ester, Glycoside, Sulfate) wurden geeignete Substrate für verschiedene Enzymklassen (z. B. Esterasen, Glycosidasen, Sulfatasen) entwickelt3. Im Folgenden steht die Bildung und Anwendung von Indoxylglycosiden im Mittelpunkt.

Abbildung 1: Natürliche Indigovorstufen und Bildung des Indigofarbstoffs durch Hydrolyse. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.
Das Substitutionsmuster des Indoxylrests bestimmt die Farbe und die physikalischen Eigenschaften des resultierenden Indigofarbstoffs. Die gebräuchlichsten Substitutionsmuster sind 5-Bromo-4-chloro (abgekürzt mit X; grünlich-blau), 5-Bromo (blau) und 5-Bromo-6-chloro (magenta), da diese die kleinsten Farbstoffpartikel bilden, keine Granula ausbilden und die geringste Diffusion von den Hydrolysestellen aufweisen. Letztere Eigenschaft ist besonders wichtig für in vivo-Experimente3.
Der erste Bericht über ein indigogenes Verfahren zur Nachweisung der Esteraseaktivität wurde 1951 von Barrnett und Seligman veröffentlicht, die Indoxylacetat und Indoxylbutyrat verwendeten4. Etwa ein Jahrzehnt später wurde das indigene Prinzip für die Lokalisierung von Säuger-Glucosidasen angepasst5. Bis heute wurden mehrere Indoxylglycoside entwickelt, obwohl sich ihre Synthese als schwierig erwiesen hat. Die meisten Synthesen basieren auf der Verwendung eines N-acetylierten Indoxyls als Akzeptor und des jeweiligen glycosylierten Halid-Donors6–14. Die Glycosylierung wird in Aceton mit Natriumhydroxid durchgeführt. Unter diesen Bedingungen treten zahlreiche Nebenreaktionen auf, die die Ausbeute erheblich verringern. Insbesondere für Glucose-ähnliche Strukturen wurden sehr niedrige Glycosylierungsausbeuten berichtet (z. B. 15 % für (N-Acetyl-5-bromo-4-chloro-indol-3-yl)-2,3,4,6-tetra-O-acetyl-β-ᴅ-glucopyranosid6 und 26 % für (N-Acetyl-5-bromo-4-chloro-indol-3-yl)-2,3,2',3',4'-penta-O-acetyl-β-ᴅ-xylobiosid14 in einem jüngeren Beispiel). Durch einen neuartigen Ansatz unter Verwendung von Indoxylsäureestern wurden eine beträchtliche Anzahl an Indoxylglycosiden in guten Ausbeuten hergestellt (z. B. (N-Acetyl-5-bromo-4-chloro-indol-3-yl)-2,3,4,6-tetra-O-acetyl-β-ᴅ-glucopyranosid mit 57 % Ausbeute).
Das folgende Protokoll beschreibt die einfache Synthese des Allylesters der Indoxylsäure (5-Brom-4-chlor) und darauf basierend die Synthese eines Indoxylglycosids (X-Gal). Ein einfaches Modellexperiment zeigt die Enzymaktivität von β-Galactosidase unter Verwendung von X-Gal.