クレイゼン・シュミット凝縮アプローチによるpH依存性ピラゾール、イミダゾール、イソインドロネジピロンフルオロフォアの合成

クライゼン・シュミット凝縮反応は古い反応であり、1881年にクライセンとシュミットによって同時に報告された。これは、赤で示される芳香族アルデヒドに、青で示されるケトンまたはアルデヒドのベースアシストエノレート添加を含む。最初に、角括弧に示すように、エノレートの添加はアルコールの形成をもたらす。

しかし、その後の脱水は最終的にエノンを生成します。アロアルデヒドはアルファ水素を含まないため、エノレートを形成することができない。その結果、多くの場合、水酸化物のような弱い塩基を、エノレートを生成するために使用することができる。

クレイゼン-シュミット凝縮は、長年にわたって化合物の数を生成するために使用されています。しかし、それは広範囲に赤と青で示されているカルコンとフラバノンの芳香環系に参加するために使用されています。青色部分は、芳香族部分のエノレートと赤色に由来することを示す。

カルコンおよびフラバノンは、置換パターンに応じて、抗菌、抗真菌、抗炎症、抗腫瘍などの様々な活性を有する生物学的活性分子の範囲に不可欠なコアである。クラゼン・シュミット縮合反応から生成される分子のもう一つの広範なクラスは、この研究で例を挙げるメチン橋状化合物です。当研究室では、ヘムの分解物を自然に生成する色素ビリルビンの蛍光成分に興味を持っています。

ビリルビンの合成とその構成成分の多くは、クラゼン・シュミット型の縮合を中心に展開し、青色のエノール酸と赤色の芳香族アルデヒド成分によって表示される構造で視覚化することができます。典型的には、ジピリノンのようなビリルビンの直接成分は、非蛍光である。しかし、1つがメチレンまたはカルボニル基で2つの窒素基を架橋する場合、得られる分子は、キサントホローの場合のような高い蛍光性となる。

通常、ジピリノンはUVまたは青色光を吸収し、ZからEの異性化プロセスを生じる。ブリッジドジピロンのNは、ブリッジドジピロンと同様にUVや青色光を吸収しますが、蛍光を介して励起状態でリラックスするという点で異なります。我々は最近、2つの窒素基を結ぶ共有橋なしで実際に蛍光を発する一連のジピリニオーネ誘導体を発見した。

その代わりに、水素結合がZからEの異性化プロセスを抑止しているように見え、蛍光のモードにつながる。また、これらの分子が基礎培地で脱プロトン化され、脱プロトン化された状態で赤ずれた吸収発光スペクトルを導くという予期せぬ発見がなされた。その結果、これらの分子は、レシオメトリックpHプローブとしての価値を有し得る。

蛍光ジピロン誘導体が使用され、伝統的なクレイゼン・シュミット縮合反応にわずかな適応を生じさせる。このプロトコルは、ピロリノンまたはイソインドロン由来のビニゴ性エノレートが求核性源であるという点で、伝統的なクレイゼン・シュミット縮合反応から逸脱する。ビニノギースエノレートは、ピラゾールまたはイミダゾールアルデヒドのいずれかに加えて、ジピリニロン類似体の小さなライブラリを生成する。

このライブラリの作成手順をビデオに示します。しかし、類似のステップは、伝統的なクレイゼン-シュミット反応を行うために使用することができる。クレイゼン・シュミット反応は依然として広く使用されている合成反応ですが、これは私たちが知っているこの方法の最初のビデオカウントです。

アルドール縮合を介した蛍光ジピロン類似体の合成に備えるために、選択された求核および求電子物と同等のものを等重み出す。次に、磁気攪拌棒を含む25ミリリットルの丸い底フラスコに追加します。段階のシリンダーを使用してエタノールの5ミリリットルを測定します。

その後、丸底フラスコにエタノールを加えます。卒業したシリンダーを使用して、以前に調製された10モル水酸化カリウムの2.4ミリリットルを測定します。その後、水酸化カリウムをフラスコに加えます。

フラスコを還流に設定するには、十分な量の真空グリースを反応コンデンサーのグランドガラスジョイントに塗布し、グランドガラスジョイントの圧入を防止します。コンデンサーを冷水供給に接続し、グリスチャーのグリースジョイントを丸底フラスコに取り付けます。その後、フラスコをオイルバスまたは熱プレートスターラーと熱結合を介して一定の温度を維持できるアルミニウム加熱ブロックのいずれかに置きます。

反応を攪拌しながら熱を逆流温度にする。反応液は、反応速度を測定し、出発物質の完全な消費をチェックするために、1、3、6、12および24時間の薄層クロマトグラフィーによって監視されるべきである。フラスコを室温まで冷却し、次にロータリーエバポレーターを使用してエタノール溶媒を蒸発させます。

フラスコを氷浴に入れ、フラスコを5分間にわたって氷浴の温度に平衡させます。フラスコに残っている水酸化カリウムを1つの部分に1.7ミリリットルの酢酸を加えて中和します。結晶形成が中和後に起こった場合は、次に真空濾過精製手順に従ってください。

結晶形成が認められない場合は、フラッシュカラムクロマトグラフィー精製手順に従ってください。丸いフィルターペーパーを漏斗の上に置き、脱イオン水を使って漏斗に付着して紙を軽く濡らします。結晶の真空ろ過に備えるために、ヒルシュまたはブフナー漏斗を、取り付けたゴム製アダプターを使用してサイドアームフラスコに取り付けます。

濾過を妨げる可能性のあるフィルターペーパーの詰まりを避けるために、同様のスケールろ過プロセスに典型的であるよりも大きなヒルシュまたはブフナー漏斗を使用しました。丸底フラスコの内容物を濾紙の上に注ぎ、混合物を濾過できるようにします。10ミリリットルの氷冷脱イオン水を使用して、濾過プロセス中に結晶をリンスします。

濾過後、結晶を25ミリリットルの丸底フラスコに移します。高出力真空ラインガラスアダプターに真空グリースのライトコートを適用し、そのアダプターを丸底フラスコに接続します。ガラスジョイントをKeckクリップで固定します。

残留溶媒の結晶を乾燥させる高出力真空を調製するために、ドライアイスとアセトンの混合物でガラス真空トラップを適切に冷却する。丸底フラスコに取り付けられたガラスアダプターにハイパワー真空ラインを接続します。高出力真空ポンプをオンにし、結晶を少なくとも1時間乾燥させます。

結晶が真空下で十分に乾燥したら、真空ポンプをオフにして真空シールを放して丸底フラスコを取り除きます。乾燥した結晶を秤量して反応率を報告する。フラッシュカラムクロマトグラフィーによる精製の準備をするために、合成手順から結晶を形成しなかった酸処理混合物をセパリー漏斗に加えます。

段階的なシリンダーを使用してジクロロメタンの10ミリリットルを測定し、これを使用してセパリー漏斗で酸処理混合物を希釈します。頻繁に通気するようにしながら、セパレーター漏斗を閉じて穏やかに振ります。これに続いて、セパレートファネルに 2 つの別々のレイヤーが表示されます。

さらに5ミリリットルのジクロロメタンを用いて水層を抽出する。この手順をさらに 2 回実行します。すべての有機分画を組み合わせ、有機分を乾燥させるために十分な量の無水硫酸ナトリウムを加えます。

乾燥した有機分を丸底フラスコに移し、ロータリーエバポレーターを使用してジクロロメタンを取り除きます。残りの残渣を追加の5ミリリットルのジクロロメタンで希釈します。約75グラムのシリカゲルを使用してカラムを調製し、これを使用して、溶出液としてジクロロメタン中の10%メタノールを使用して、サンプル上のフラッシュカラムクロマトグラフィーを行います。

ロータリーエバポレーターを使用して、回収された分率から溶離を蒸発します。真空濾過精製手順に記載されているように、高出力真空ポンプとガラス溶剤トラップを準備し、収集した固体を高真空下で少なくとも1時間乾燥させます。結晶を真空下で十分に乾燥させたら、乾燥した結晶を秤量して反応率を報告する。

ライブラリー内の各ジピリニオン類似体の構造を確認するために、核磁気共鳴分光法、赤外線分光法、高分解能質量分析など、いくつかの分光法を組み合わせて利用した。蛍光ジピロン類似体の光物理特性解析においてUV-Visおよび蛍光分光法が用いられた。Claisen-Schmidt凝縮反応を用いて、分子間水素結合に関与できない対照化合物を含む10化合物の小さなライブラリを合成することができました。

ジピリロン類似体の収率は、およそ40%からほぼ定量的に変化し、各分子の下にリストされています。量子収率が最も高い化合物は、プロトン化およびデプロトン化された形態の両方で、2-フォルミミダゾールに由来し、ピンクのボックスで表示される。蛍光を発しない対照化合物は、シアンボックス内にあります。

標準の365ナノメートルの長波長ランプの下でジピリロン誘導体は観察された蛍光を与える。1つは、デプロトネーションから生じる赤ずれた蛍光を視覚的に観察することができる。バイアルの色を通して、彼らは色の青からシアンに移行します。

ジピリノン誘導体の光物理学的および他の物理的性質に関するより定量的なデータについては、原稿の書かれた部分の表2に視聴者を導く。全体として、クレイゼン-シュミット凝縮反応は、メチン結合二環芳香族化合物の範囲へのアクセスを提供する。ただし、いくつかの制限があります。

この反応は、結露を成功させるために、溶起性の求核球と、アロアルデヒドのような非溶化性アルデヒド電気ファンフィルの両方の使用に依存する。この基本的な要件を満たしていない場合、この反応を実行しようとすると、リングシステムや競合する副産物の生成を相互にリンクできなくなる可能性があります。もう一つの考慮事項は、塩水酸化物との反応を受けやすい官能基との非互換性を生じ得るエノレート求核球を生成するために基本的な条件が使用されるということです。

このような場合、水酸化物を、DBU、トリエチルアミン、ピピトリジン、フニッヒの塩基、炭酸ナトリウムで達成した窒素塩基または炭酸塩で置換することが可能です。私たちは、単にその可用性と相対的な費用のために水酸化カリウムを使用することを選択しました。これらの制限にもかかわらず、プロトコルで概説されている方法は、手続き的に簡単で費用対効果の高いシングルステップ反応を通じて、多数のシステムに芳香環を結合する手段を提供することができる。

我々が合成したジピリノン類似体の場合、クレイゼン・シュミット凝縮は、これまでに記述されたpH依存性フルオロフォアへの最もアクセス可能なルートの1つを可能にした。それにもかかわらず、ジピリニロン類似体の将来の設計は、より強い分子間水素結合能力と低いpKa値を有する蛍光化合物を生成するために、概説された手順を用いて開発される。これらの強化されたpH依存プローブは、より広い範囲の細胞内事象に対するpH変動の視覚化を可能にしながら、より高い量子収量を有すると予想する。