Synthèse de fluorophores de pyrazole, d’imidazole et de dipyrrinone isoindolone dépendant du pH à l’aide d’une approche de condensation de Claisen-Schmidt

La réaction de condensation de Claisen-Schmidt est une réaction séculaire, rapportée pour la première fois par Claisen et Schmidt simultanément en 1881. Il implique l’addition d’énolate assisté par base d’une cétone ou d’un aldéhyde, représenté en bleu, dans un aldéhyde aromatique, représenté en rouge. Initialement, l’ajout de l’énolate entraîne la formation d’un alcool, comme indiqué entre parenthèses.

Cependant, une déshydratation ultérieure produit finalement un énone. Comme l’aro-aldéhyde ne contient pas d’alpha hydrogène, il ne peut pas former d’énolate. En conséquence, des bases souvent faibles, telles que l’hydroxyde, peuvent être utilisées pour générer l’énolate.

La condensation de Claisen-Schmidt a été utilisée pour générer un certain nombre de composés au fil des ans. Cependant, il a été largement utilisé pour rejoindre les systèmes cycliques aromatiques des chalcones et des flavanones, qui sont représentés en rouge et en bleu. La partie bleue indique que dérivé de l’énolate et du rouge est de la partie aromatique.

Les chalcones et les flavanones sont le noyau essentiel à une gamme de molécules biologiquement actives qui possèdent une gamme d’activités, telles que les antibactériens, les antifongiques, les anti-inflammatoires et les anti-tumoraux, selon le modèle de substitution. Une autre grande classe de molécules générées par la réaction de condensation de Claisen-Schmidt est celle des composés pontés par la méthine dont nous donnons des exemples dans cette étude. Notre laboratoire s’intéresse aux constituants fluorescents du pigment bilirubine, qui produit naturellement un produit de dégradation de l’hème.

La synthèse de la bilirubine et de plusieurs de ses constituants tourne autour de la condensation de type Claisen-Schmidt, qui peut être visualisée dans les structures affichées par les composants énolate bleu et aldéhyde aromatique rouge. Typiquement, les constituants directs de la bilirubine, tels que les dipyrrinones, sont non fluorescents. Cependant, si l’on relie les deux groupes azotés à un groupe méthylène ou carbonyle, les molécules résultantes deviennent hautement fluorescentes, comme dans le cas des xanthoglows.

Normalement, les dipyrrinones absorbent les UV ou la lumière bleue, ce qui entraîne un processus d’isomérisation de Z à E. Comme les dipyrrinones non abrégées, les N dans les dipyrrinones pontés absorbent également les UV ou la lumière bleue, mais diffèrent en ce qu’ils se détendent dans un état excité via la fluorescence. Nous avons récemment découvert une série de dérivés de dipyrrinone qui fluorent en fait sans pont covalent reliant les deux groupes azotés.

Au lieu de cela, une liaison hydrogène semble dissuader le processus d’isomérisation Z à E, conduisant à un mode de fluorescence. En outre, une découverte imprévue a été faite que ces molécules peuvent être déprotonées dans les milieux de base, conduisant à des spectres d’émission d’absorption vers le rouge vers le rouge dans les états déprotonés. Par conséquent, ces molécules peuvent avoir une valeur en tant que sondes de pH ratiométriques.

Les dérivés fluorescents de dipyrrinone sont utilisés, générant une légère adaptation dans la réaction de condensation traditionnelle de Claisen-Schmidt. Ce protocole s’écarte de la réaction de condensation traditionnelle de Claisen-Schmidt en ce qu’un énolate de vinylogous dérivé d’une pyrrolinone ou d’une isoindolone est la source nucléophile. L’énolate de vinylogous s’ajoute à un aldéhyde pyrazole ou imidazole pour générer une petite bibliothèque d’analogues de dipyrrinone.

La procédure utilisée pour créer cette bibliothèque est illustrée dans la vidéo. Cependant, des étapes analogues peuvent être utilisées pour réaliser la réaction traditionnelle de Claisen-Schmidt. Bien que la réaction de Claisen-Schmidt ait été et soit toujours une réaction synthétique largement utilisée, il s’agit du premier comptage vidéo de cette méthode, dont nous sommes conscients.

Pour préparer la synthèse d’un analogue fluorescent de la dipyrrinone par condensation d’aldol, peser des équivalents égaux du nucléophile et de l’électrophile choisis. Ajoutez-les ensuite à une fiole inférieure ronde de 25 millilitres contenant une barre d’agitation magnétique. Mesurer cinq millilitres d’éthanol à l’aide d’un cylindre gradué.

Ajouter ensuite l’éthanol à la fiole inférieure ronde. Mesurer 2,4 millilitres d’hydroxyde de potassium 10 molaires préalablement préparé à l’aide d’un cylindre gradué. Ajouter ensuite l’hydroxyde de potassium dans le ballon.

Pour régler le ballon jusqu’au reflux, appliquer une quantité suffisante de graisse sous vide sur le joint de verre rodé d’un condenseur de réaction pour éviter la saisie des joints en verre rodé. Raccorder le condenseur à une alimentation en eau froide, puis fixer le joint graissé du condenseur à la fiole inférieure ronde. Placez ensuite le ballon dans un bain d’huile ou sur un bloc chauffant en aluminium qui peut maintenir une température constante via un couple thermique avec un agitateur à plaques chauffantes.

Chauffer à la température de reflux tout en laissant la réaction remuer. Le mélange réactionnel doit être surveillé par chromatographie sur couche mince à une, trois, six, 12 et 24 heures pour évaluer la vitesse de réaction et vérifier la consommation complète des matières premières. Laisser refroidir le ballon à température ambiante, puis évaporer le solvant éthanolique à l’aide d’un évaporateur rotatif.

Placer le ballon dans un bain de glace et laisser le ballon s’équilibrer à la température du bain de glace pendant cinq minutes. Neutraliser tout hydroxyde de potassium restant dans le ballon en ajoutant 1,7 millilitre d’acide acétique dans une seule portion. Si la formation de cristaux s’est produite après la neutralisation, suivez la procédure de purification par filtration sous vide.

Si aucune formation de cristaux n’a été observée, suivez la procédure de purification par chromatographie sur colonne flash. Placez un morceau rond de papier filtre sur l’entonnoir et mouillez légèrement le papier à l’aide d’eau désionisée pour l’adhérer à l’entonnoir. Pour préparer la filtration sous vide des cristaux, installer un entonnoir Hirsch ou Buchner sur une fiole à bras latéral à l’aide d’un adaptateur en caoutchouc ajusté.

Pour éviter le colmatage du papier filtre qui peut entraver la filtration, nous avons utilisé un entonnoir Hirsch ou Buchner plus grand que ce qui est typique pour des processus de filtration à échelle similaire. Verser le contenu de la fiole inférieure ronde sur le papier filtre et laisser filtrer le mélange. Rincez les cristaux pendant le processus de filtration à l’aide de 10 millilitres d’eau désionisée glacée.

Après filtration, transférer les cristaux dans une fiole inférieure ronde de 25 millilitres. Appliquez une légère couche de graisse sous vide sur un adaptateur en verre de ligne à vide haute puissance, puis connectez l’adaptateur au ballon inférieur rond. Fixez le joint en verre avec un clip Keck.

Pour préparer le vide haute puissance pour sécher les cristaux de tout solvant résiduel, refroidissez adéquatement le piège à vide en verre avec un mélange de glace carbonique et d’acétone. Connectez une conduite de vide haute puissance à l’adaptateur en verre fixé à la fiole inférieure ronde. Allumez la pompe à vide haute puissance et laissez les cristaux sécher pendant au moins une heure.

Une fois que les cristaux ont été suffisamment séchés sous vide, éteignez la pompe à vide et relâchez le joint sous vide afin d’enlever la fiole inférieure ronde. Peser les cristaux séchés pour rapporter le pourcentage de rendement de la réaction. Pour préparer la purification par chromatographie sur colonne flash, ajouter le mélange traité à l’acide qui n’a pas formé de cristaux de la procédure de synthèse à un entonnoir séparateur.

Mesurer 10 millilitres de dichlorométhane à l’aide d’un cylindre gradué et l’utiliser pour diluer le mélange traité à l’acide dans l’entonnoir séparateur. Fermez et secouez doucement l’entonnoir séparateur tout en vous assurant de vous évacuer fréquemment. Ensuite, deux couches distinctes doivent être visibles dans l’entonnoir de séparation.

Extraire la couche aqueuse à l’aide de cinq millilitres supplémentaires de dichlorométhane. Terminez cette étape deux fois de plus. Mélanger toutes les fractions organiques et ajouter une quantité suffisante de sulfate de sodium anhydre afin de sécher les fractions organiques.

Transférer les fractions organiques séchées dans une fiole inférieure ronde et retirer le dichlorométhane à l’aide d’un évaporateur rotatif. Diluer le résidu restant avec cinq millilitres supplémentaires de dichlorométhane. Préparez une colonne en utilisant environ 75 grammes de gel de silice et utilisez-la pour effectuer une chromatographie flash sur colonne sur l’échantillon, en utilisant 10% de méthanol dans le dichlorométhane comme éluant.

Évaporer l’éluant des fractions collectées à l’aide d’un évaporateur rotatif. Préparez la pompe à vide haute puissance et le piège à solvant en verre, comme décrit précédemment dans la procédure de purification par filtration sous vide, et laissez le solide collecté sécher sous vide élevé pendant au moins une heure. Une fois que les cristaux ont été suffisamment séchés sous vide, peser les cristaux séchés pour rapporter le pourcentage de rendement de la réaction.

Pour confirmer la structure de chacun des analogues de dipyrrinone dans la bibliothèque, plusieurs méthodes spectroscopiques ont été utilisées en combinaison, y compris la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire, la spectroscopie infrarouge et la spectrométrie de masse à haute résolution. Uv-Vis et spectroscopie fluorescente ont été utilisés dans la caractérisation photophysique des analogues fluorescents de dipyrrinone. En utilisant la réaction de condensation de Claisen-Schmidt, nous avons pu synthétiser une petite bibliothèque de 10 composés, y compris celle d’un composé témoin qui ne peut pas s’engager dans des liaisons hydrogène intermoléculaires.

Les rendements des analogues de la dipyrrinone variaient d’environ 40 % à presque quantitatifs et sont énumérés sous chaque molécule. Les composés avec les rendements quantiques les plus élevés, à la fois sous forme protonée et déprotonée, ont été dérivés du 2-formylimidazole et sont affichés dans des boîtes roses. Le composé témoin, qui ne fluore pas, se trouve dans une boîte cyan.

Les dérivés de dipyrrinone sous une lampe standard de longueur d’onde longue de 365 nanomètres donnent la fluorescence observée. On peut observer visuellement la fluorescence vers le rouge qui résulte de la déprotonation. Grâce à la couleur des flacons, ils passent du bleu au cyan.

Pour obtenir des données plus quantitatives sur les propriétés photophysiques et autres propriétés physiques des dérivés de la dipyrrinone, nous dirigeons les spectateurs vers le tableau deux dans la partie écrite du manuscrit. Dans l’ensemble, la réaction de condensation de Claisen-Schmidt donne accès à une gamme de composés aromatiques bicycliques liés à la méthine. Cependant, il y a certaines limites.

La réaction dépend de l’utilisation à la fois d’un nucléophile énolimable et d’un électrophile d’aldéhyde non énolimable, tel qu’un aro-aldéhyde, afin de subir une condensation réussie. En ne respectant pas cette exigence de base, les tentatives d’effectuer cette réaction entraîneront probablement l’incapacité de relier les systèmes d’anneaux entre eux et/ou la génération de produits secondaires concurrents. Une autre considération est que les conditions de base sont utilisées pour générer le nucléophile énolate qui peut créer des incompatibilités avec des groupes fonctionnels qui sont sensibles aux réactions avec l’hydroxyde.

Dans de tels cas, il est possible de remplacer l’hydroxyde par des bases azotées ou du carbonate qui a été accompli avec du DBU, de la triéthylamine, de la pipéridine, de la base de Hunig et du carbonate de sodium. Nous avons simplement choisi d’utiliser de l’hydroxyde de potassium en raison de sa disponibilité et de ses dépenses relatives. Malgré ces limitations, la méthode décrite dans le protocole peut fournir un moyen de coupler des cycles aromatiques pour de nombreux systèmes grâce à une réaction en une seule étape simple et rentable sur le plan procédural.

Dans le cas des analogues de la dipyrrinone que nous avons synthétisés, la condensation de Claisen-Schmidt a permis l’une des voies les plus accessibles aux fluorophores dépendant du pH décrits à ce jour. Néanmoins, les futures conceptions d’analogues de la dipyrrinone seront développées en utilisant la procédure décrite afin de générer des composés fluorescents avec une plus grande capacité de liaison intermoléculaire de l’hydrogène et des valeurs de pKa plus faibles. Prévoyez que ces sondes dépendantes du pH améliorées posséderont des rendements quantiques plus élevés tout en permettant la visualisation des fluctuations du pH pour un plus large éventail d’événements intracellulaires.