Name: synthesis of ph dependent pyrazole, imidazole, and isoindolone dipyrrinone fluorophores using a claisen-schmidt condensation approach
Uploaded: 2021-06-10T13:30:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Synthesis of pH Dependent Pyrazole, Imidazole, and Isoindolone Dipyrrinone Fluorophores using a Claisen-Schmidt Condensation Approach at JoVE.com

Z.R.W. och N.B. tacka NIH (2P20 GM103440-14A1) för deras generösa finansiering samt Jungjae Koh och University of Nevada, Las Vegas för deras hjälp med att förvärva 1H och 13C NMR. Dessutom vill vi tacka NSC:s visuella mediestudenter Arnold Placencia-Flores, Aubry Jacobs och Alistair Cooper för deras hjälp i film- och animationsprocesserna inom filmdelen av detta manuskript.

1. Allmänt förfarande för syntes av dipyrrinonanaloger 16-25
<ol><li>Lös pyrrolinon/isoindolone (1,00 mmol) och motsvarande pyrazol/imidazolaldehyd (1,00 mmol) i 5,0 ml etanol i en kolv med rund botten.</li>
	<li>Tillsätt vattenhaltig KOH (24,0 mmol, 10 M, 2,40 ml) till kolven i en del.</li>
	<li>Rör om och återflöde blandningen tills reaktionsavslut bekräftas av TLC (se tabell 1 för en lista över reaktionstider). En TLC-eluent på 10% metanol i diklormetan användes och analogerna har obser...

<ol>
	<li>Abbandonato, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cis-trans+photoisomerization+properties+of+GFP+chromophore+analogs.">Cis-trans photoisomerization properties of GFP chromophore analogs.</a> European Biophysics Journal. 40 (11), 1205-1214 (2011).</li><li>Funakoshi, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spectroscopic+studies+on+merocyanine+photoisomers.+IV.+Catalytic+isomerization+of+photoisomers+of+merocyanine+derivatives+in+protic+solvents.">Spectroscopic studies on merocyanine photoisomers. IV. Catalytic isomerization of photoisomers of merocyanine derivatives in protic solvents.</a> Nippon Kagaku Kaishi. (9), 1516-1522 (1989).</li><li>Puzicha, G., Shrout, D. P., Lightner, D. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Synthesis+and+properties+of+homomologated+and+contracted+dipyrrinone+analogs+of+xanthobilirubic+acid.">Synthesis and properties of homomologated and contracted dipyrrinone analogs of xanthobilirubic acid.</a> Journal of Heterocyclic Chemistry. 27 (7), 2117-2123 (1990).</li><li>Bonnett, R., Hamzetash, D., Asuncion Valles, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Propentdyopents+[5-(2-oxo-2H-pyrrol-5-ylmethylene)pyrrol-2(5H)-ones]+and+related+compounds.+Part+2.+The+Z+E+photoisomerization+of+pyrromethenone+systems.">Propentdyopents [5-(2-oxo-2H-pyrrol-5-ylmethylene)pyrrol-2(5H)-ones] and related compounds. Part 2. The Z E photoisomerization of pyrromethenone systems.</a> Journal of the Chemical Society, Perkins Transactions. 1 (6), 1383-1388 (1987).</li><li>Tikhomirova, K., Anisimov, A., Khoroshutin, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Biscyclohexane-Annulated+Diethyl+Dipyrrindicarboxylates:+Observation+of+a+Dipyrrin+Form+with+Absent+Visible+Absorption.">Biscyclohexane-Annulated Diethyl Dipyrrindicarboxylates: Observation of a Dipyrrin Form with Absent Visible Absorption.</a> European Journal of Organic Chemistry. 2012 (11), 2201-2207 (2012).</li><li>Brower, J. O., Lightner, D. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Synthesis+and+spectroscopic+properties+of+a+new+class+of+strongly+fluorescent+dipyrrinones.">Synthesis and spectroscopic properties of a new class of strongly fluorescent dipyrrinones.</a> Journal of Organic Chemistry. 67 (8), 2713-2716 (2002).</li><li>Woydziak, Z. R., Boiadjiev, S. E., Norona, W. S., McDonagh, A. F., Lightner, D. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Synthesis+and+Hepatic+Transport+of+Strongly+Fluorescent+Cholephilic+Dipyrrinones.">Synthesis and Hepatic Transport of Strongly Fluorescent Cholephilic Dipyrrinones.</a> Journal of Organic Chemistry. 70 (21), 8417-8423 (2005).</li><li>Jarvis, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Pyrrole+&#946;-amides:+Synthesis+and+characterization+of+a+dipyrrinone+carboxylic+acid+and+an+N-Confused+fluorescent+dipyrrinone.">Pyrrole &#946;-amides: Synthesis and characterization of a dipyrrinone carboxylic acid and an N-Confused fluorescent dipyrrinone.</a> Tetrahedron. 74 (14), 1698-1704 (2018).</li><li>Bodio, E., Denat, F., Goze, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=BODIPYS+and+aza-BODIPY+derivatives+as+promising+fluorophores+for+in+vivo+molecular+imaging+and+theranostic+applications.">BODIPYS and aza-BODIPY derivatives as promising fluorophores for in vivo molecular imaging and theranostic applications.</a> Journal of Porphyrins and Phthalocyanines. 23, 1159-1183 (2019).</li><li>Acharya, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photoinduced+Chemistry+in+Fluorescent+Proteins:+Curse+or+Blessing.">Photoinduced Chemistry in Fluorescent Proteins: Curse or Blessing.</a> Chemical Reviews. 117 (2), 758-795 (2017).</li><li>Romei, M. G., Lin, C. -. Y., Mathews, I. I., Boxer, S. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrostatic+control+of+photoisomerization+pathways+in+proteins.">Electrostatic control of photoisomerization pathways in proteins.</a> Science. 367 (6473), 76-79 (2020).</li><li>Benson, N., Suleiman, O., Odoh, S. O., Woydziak, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ryrazole,+Imidazole,+and+Isoindolone+Dipyrrinone+Analogues:+pH-Dependent+Fluorophores+That+Red-Shift+Emission+Frequencies+in+a+Basic+Solution.">Ryrazole, Imidazole, and Isoindolone Dipyrrinone Analogues: pH-Dependent Fluorophores That Red-Shift Emission Frequencies in a Basic Solution.</a> Journal of Organic Chemistry. 84 (18), 11856-11862 (2019).</li><li>Xie, P., Gao, G., Liu, J., Jin, Q., Yang, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+New+Turn+on+Fluorescent+Probe+for+Selective+Detection+of+Cysteine/Homocysteine.">A New Turn on Fluorescent Probe for Selective Detection of Cysteine/Homocysteine.</a> Journal of Fluorescence. 25 (5), 1315-1321 (2015).</li><li>Alty, I. G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Intramolecular+Hydrogen-Bonding+Effects+on+the+Fluorescence+of+PRODAN+Derivatives.">Intramolecular Hydrogen-Bonding Effects on the Fluorescence of PRODAN Derivatives.</a> Journal of Physical Chemistry A. 120 (20), 3518-3523 (2016).</li><li>Yang, Y., Li, D., Li, C., Liu, Y. F., Jiang, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hydrogen+bond+strengthening+induces+fluorescence+quenching+of+PRODAN+derivative+by+turning+on+twisted+intramolecular+charge+transfer.">Hydrogen bond strengthening induces fluorescence quenching of PRODAN derivative by turning on twisted intramolecular charge transfer.</a> Spectrochimica Acta, Part A. 187, 68-74 (2017).</li><li>Zhang, L., Liu, J., Gao, J., Zhang, F., Ding, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High+solid+fluorescence+of+a+pyrazoline+derivative+through+hydrogen+bonding.">High solid fluorescence of a pyrazoline derivative through hydrogen bonding.</a> Molecules. 22 (8), 1 (2017).</li><li>Williams, A. T. R., Winfield, S. A., Miller, J. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Relative+fluorescence+quantum+yields+using+a+computer-controlled+luminescence+spectrometer.">Relative fluorescence quantum yields using a computer-controlled luminescence spectrometer.</a> Analyst. 108 (1290), 1067-1071 (1983).</li><li>Eaton, D. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reference+materials+for+fluorescence+measurement.">Reference materials for fluorescence measurement.</a> Pure and Applied Chemistry. 60 (7), 1107-1114 (1988).</li><li>Dawson, W. R., Windsor, M. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fluorescence+yields+of+aromatic+compounds.">Fluorescence yields of aromatic compounds.</a> Journal of Physical Chemistry. 72 (9), 3251-3260 (1968).</li><li>Zhang, X. -. F., Zhang, J., Lu, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Fluorescence+Properties+of+Three+Rhodamine+Dye+Analogues:+Acridine+Red,+Pyronin+Y+and+Pyronin+B.">The Fluorescence Properties of Three Rhodamine Dye Analogues: Acridine Red, Pyronin Y and Pyronin B.</a> Journal of Fluorescence. 25 (4), 1151-1158 (2015).</li><li>Zanker, V., Rammensee, H., Haibach, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measurements+of+the+relative+quantum+yields+of+the+fluorescence+of+acridine+and+fluorescein+dyes.">Measurements of the relative quantum yields of the fluorescence of acridine and fluorescein dyes.</a> Zeitschrift f&#252;r Angewandte Physik. 10, 357-361 (1958).</li><li>Mujumdar, R. B., Ernst, L. A., Mujumdar, S. R., Lewis, C. J., Waggoner, A. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cyanine+dye+labeling+reagents:+Sulfoindocyanine+succinimidyl+esters.">Cyanine dye labeling reagents: Sulfoindocyanine succinimidyl esters.</a> Bioconjugate Chemistry. 4 (2), 105-111 (1993).</li><li>Battersby, A. R., Dutton, C. J., Fookes, C. J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Synthetic+studies+relevant+to+biosynthetic+research+on+vitamin+B12.+Part+7.+Synthesis+of+(&#177;)-bonellin+dimethyl+ester.">Synthetic studies relevant to biosynthetic research on vitamin B12. Part 7. Synthesis of (&#177;)-bonellin dimethyl ester.</a> Journal of the Chemical Society, Perkin Transactions. 1 (6), 1569-1576 (1988).</li><li>Pfeiffer, W. P., Lightner, D. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=(m.n)-Homorubins:+syntheses+and+structures.">(m.n)-Homorubins: syntheses and structures.</a> Monatschfte f&#252;r Chemie. 145 (11), 1777-1801 (2014).</li><li>Huggins, M. T., Musto, C., Munro, L., Catalano, V. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Molecular+recognition+studies+with+a+simple+dipyrrinone.">Molecular recognition studies with a simple dipyrrinone.</a> Tetrahedron. 63 (52), 12994-12999 (2007).</li><li>Groselj, U., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Synthesis+of+Spiro-&#948;2-Pyrrolin-4-One+Pseudo+Enantiomers+via+an+Organocatalyzed+Sulfa-Michael/Aldol+Domino+Sequence.">Synthesis of Spiro-&#948;2-Pyrrolin-4-One Pseudo Enantiomers via an Organocatalyzed Sulfa-Michael/Aldol Domino Sequence.</a> Advanced Synthesis &amp; Catalyst. 361 (22), 5118-5126 (2019).</li><li>El-Shwiniy, W. H., Shehab, W. S., Mohamed, S. F., Ibrahium, H. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Synthesis+and+cytotoxic+evaluation+of+some+substituted+pyrazole+zirconium(IV)+complexes+and+their+biological+assay.">Synthesis and cytotoxic evaluation of some substituted pyrazole zirconium(IV) complexes and their biological assay.</a> Applied Organometallic Chemistry. 32 (10), (2018).</li><li>Murray, L., O'Farrell, A. -. M., Abrams, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Preparation+of+indolinone+compounds+for+treatment+of+excessive+osteolysis.">Preparation of indolinone compounds for treatment of excessive osteolysis.</a> US Patent. , (2004).</li><li>Lozinskaya, N. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Synthesis+and+biological+evaluation+of+3-substituted+2-oxindole+derivatives+as+new+glycogen+synthase+kinase+3&#946;+inhibitors.">Synthesis and biological evaluation of 3-substituted 2-oxindole derivatives as new glycogen synthase kinase 3&#946; inhibitors.</a> Bioorganic &amp; Medicinal Chemistry. 27 (9), 1804-1817 (2019).</li><li>Montforts, F. P., Schwartz, U. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+directed+synthesis+of+the+chlorin+system.">A directed synthesis of the chlorin system.</a> Liebigs Annalen der Chemie. (6), 1228-1253 (1985).</li><li>Uddin, M. I., Thirumalairajan, S., Crawford, S. M., Cameron, T. S., Thompson, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Improved+synthetic+route+to+C-ring+ester-functionalized+prodigiosenes.">Improved synthetic route to C-ring ester-functionalized prodigiosenes.</a> Synlett. (17), 2561-2564 (2010).</li><li>Brower, J. O., Lightner, D. A., McDonagh, A. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Aromatic+congeners+of+bilirubin:+synthesis,+stereochemistry,+glucuronidation+and+hepatic+transport.">Aromatic congeners of bilirubin: synthesis, stereochemistry, glucuronidation and hepatic transport.</a> Tetrahedron. 57 (37), 7813-7827 (2001).</li><li>Clift, M. D., Thomson, R. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+of+a+Merged+Conjugate+Addition/Oxidative+Coupling+Sequence.+Application+to+the+Enantioselective+Total+Synthesis+of+Metacycloprodigiosin+and+Prodigiosin+R1.">Development of a Merged Conjugate Addition/Oxidative Coupling Sequence. Application to the Enantioselective Total Synthesis of Metacycloprodigiosin and Prodigiosin R1.</a> Journal of the American Chemical Society. 131 (40), 14579-14583 (2009).</li><li>Brower, J. O., Lightner, D. A., McDonagh, A. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Synthesis+of+a+New+Lipophilic+Bilirubin.+Conformation,+Transhepatic+Transport+and+Glucuronidation.">Synthesis of a New Lipophilic Bilirubin. Conformation, Transhepatic Transport and Glucuronidation.</a> Tetrahedron. 56 (40), 7869-7883 (2000).</li></ol>

Claisen-Schmidt kondensation tillvägagångssätt ger ett ganska robust sätt att generera pyrazol, imidazol och isoindolone dipyrrinon fluorforer genom ett relativt operativt förenklat protokoll. Medan syntesen av fluorescerande dipyrrinonanaloger var i fokus för denna studie, bör det noteras att liknande villkor kan tillämpas för att komma åt andra bicykliska metinlänkade ringsystem som dipyrrinones23,24, 25 och pyrrole-furan-adducts 23,24,<su...

Ett antal konjugerade cykliska system, där två aromatiska ringar är sammankopplade med en monometrinbro, genomgår isomerisering via bondrotation, när de är upphetsade med en foton (Figur 1A)1,2,3,4,5. Den upphetsade isomeren kommer i allmänhet att koppla av till marktillståndet genom icke-radiativa sönderfallsprocesser6. Om energibarriären för bindningsrotation ökas i tillräckligt stor utsträckning är det möjligt att begränsa eller förhindra fotoisomeriseringen. I stället resulterar fotonisk excitation i ett upphetsad singlet-tillstånd som ofta slappnar av via fluorescens snarare än icke-radiativt förfall (Figur 1B). Att begränsa fotoisomeriseringen åstadkoms oftast genom att mekaniskt begränsa bindningsrotationen genom att binda de två aromatiska ringsystemen genom kovavta kopplingar och därigenom låsa molekylen i ett visst isomeriskt tillstånd. Detta tillvägagångssätt har använts för att skapa flera olika fluorescerande trecykliska dipyrrinon- och dipyrrolemetananaloger som: 3H,5H-dipyrrolo[1,2-c:2',1'-f]pyrimidin-3-ones (1), xanthoglows(2)6,7,pyrroloindolizinedione analoger(3)8och BODIPY analoger9 (4, figur 2),varigenom pyrrolidin- och/eller pyrroleringsystemen är bundna med metylen, karbonyl, eller bor difluoro länkar. Vanligtvis har 1-4 ΦF > 0,7 vilket tyder på att dessa system är mycket effektiva som fluoroforenheter.
Det är också möjligt att begränsa fotoisomeriseringen genom andra medel än att kovalent koppla ihop ringsystemen. Till exempel är fenol- och imidazonringarna (figur 2) av grönt fluorescerande protein (GFP) begränsade till rotation av proteinmiljön; den restriktiva inställningen ökar kvantutbytet med tre storleksordningar jämfört med samma kromoforenhet i fri lösning10. Man tror att proteinställningen i GFP ger en rotationsbarriär genom steriska och elektrostatiska effekter11. Nyligen upptäckte vår grupp i samarbete med Odoh-gruppen vid University of Nevada, Reno ett annat fluorforsystem som bär strukturell likhet med de dipyrrinonbaserade xanthoglowsystemen (Figur 2)12. Dessa dipyrrinone analoger skiljer sig dock från xanthoglow systemet i det intramolekylära vätebindningar, snarare än kovalena band, avskräcka fotoisomerisering och resultera i ett fluorescerande cykliskt system. Dessutom kan pyrazol, imidazol och isoindolone dipyrrinon analoger vätebindning i protonerade och deprotonerade tillstånd; avprotonering resulterar i rödförskjutning av både excitations- och emissionsvåglängder, sannolikt på grund av en förändring av systemets elektroniska karaktär. Medan vätebindning har rapporterats öka kvantutbytet även om begränsad rotation13,14,15,16, vi är omedvetna om något annat fluorforsystem där begränsad isomerisering fungerar som ett flöde av fluorescens i både protonerade och deprotonerade tillstånd av molekylen. Därför är dessa pH-beroende didyrrinonfluorforer unika i det avseendet.
I den här videon fokuserar vi på syntesen och kemisk karakterisering av den fluorescerande dipyrrinon analoga serien. I synnerhet betonas claisen-Schmidts kondensationsmetodik som användes för att konstruera hela serien fluorescerande analoger. Denna reaktion förlitar sig på genereringen av en basmedierad vinylogous enolate jon som attackerar en aldehydgrupp, för att producera en alkohol som därefter genomgår eliminering. För den analoga serien ditemprinon omvandlas en pyrrolinon/isoindolon till ett isolerat för att underlätta en attack på en aldehydgrupp som är fäst vid en pyrazol- eller imidazolring (figur 3). Efter eliminering bildas ett fullständigt konjugerat cykliskt system, länkat av en metinbro. Det är anmärkningsvärt att hela serien av dipyrrinonanaloger kan konstrueras av lättillgängliga kommersiella material och kan produceras i en enda reaktionssekvens med en kruka vanligtvis i måttlig till hög utbyte (utbyten varierar från cirka 50-95%). Eftersom de flesta dipyrrinonanaloger är mycket kristallina i naturen krävs mycket lite rening utanför standardbehandlingsförhållandena för att producera analytiskt rena prover. Följaktligen kräver detta fluoroforsystem endast några steg för att få tillgång från lättillgängliga kommersiella material och kan syntetiseras, renas och förberedas för analytiska eller biologiska studier på relativt kort tid.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>3-ethyl-4-methyl-3-pyrrolin-2-one</td>
			<td>Combi-Blocks</td>
			<td>&#160;[766-36-9]</td>
			<td>Yellow solid reagent</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>isoindolin-1-one</td>
			<td>ArkPharm</td>
			<td>&#160;[480-91-1]</td>
			<td>Off-white solid reagent</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>5-bromoisoindolin-1-one</td>
			<td>Combi-Blocks</td>
			<td>&#160;[552330-86-6]</td>
			<td>Pink solid reagent</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2-formylimidazole</td>
			<td>Combi-Blocks</td>
			<td>&#160;[10111-08-7 ]</td>
			<td>Off-white solid reagent</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Imidazole-4-carbaldehyde</td>
			<td>ArkPharm</td>
			<td>&#160;[3034-50-2]</td>
			<td>Solid reagent</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1-H-pyrazole-4-carbaldehyde</td>
			<td>Oakwood Chemicals</td>
			<td>&#160;[35344-95-7]</td>
			<td>Solid reagent</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1-H-pyrazole-5-carbaldehyde</td>
			<td>Matrix Scientific</td>
			<td>&#160;[3920-50-1]</td>
			<td>Solid reagent</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Solid KOH Pellets</td>
			<td>BeanTown Chemicals</td>
			<td>[1310-58-3]</td>
			<td>White solid pellets</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Siliflash Silica Gel</td>
			<td>Scilicycle</td>
			<td>R12030B</td>
			<td>Fine white powder</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Phosphate Buffered Saline (PBS) (x10)</td>
			<td>Growcells</td>
			<td>MRGF-6235</td>
			<td>Colorless translucent liquid</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Beckman Coulter DU-800 UV/Vis Spectrophotometer and Software</td>
			<td>Beckman Coulter</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Spectroscopy Instrument and Software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fluoromax-4 Spectrofluorometer</td>
			<td>Horiba Scientific</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Spectroscopy Instrument</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>FluorEssence Fluoremetry Software V3.5</td>
			<td>Horiba Scientific</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Spectroscopy Software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Finnpipette II Micropipette (sizes: 100-1,000, 20-200, and 0.5-10 &#181;L)</td>
			<td>Fischerbrand</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Equipment</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Wilmad-LabGlass Rotary Evaporator (Model: WG-EV311-V-PLUS)</td>
			<td>SP Scienceware</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Equipment</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DuoSeal Vacuum Pump (Model Number: 1405)</td>
			<td>Welch</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Equipment</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>GraphPad Prism 4</td>
			<td>GraphPad</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Data Analysis Software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SympHony pH Meter (Model: Sb70P)</td>
			<td>VWR</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Equipment</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

synthesis of ph dependent pyrazole, imidazole, and isoindolone dipyrrinone fluorophores using a claisen-schmidt condensation approach

Metin-bryggade konjugerade bicykliska aromatiska föreningar är vanliga beståndsdelar i en rad biologiskt relevanta molekyler såsom porfyriner, dipyrrinoner och läkemedel. Dessutom resulterar begränsad rotation av dessa system ofta i mycket till måttligt fluorescerande system som observerats i 3H,5H-dipyrrolo[1,2-c:2',1'-f]pyrimidin-3-ones, xanthoglows, pyrroloindolizinedione analoger, BODIPY analoger och fenoliska och imidazolinone ringsystem av gröna fluorescerande protein (GFP). Detta manuskript beskriver en billig och operativt enkel metod för att utföra en Claisen-Schmidt kondensation för att generera en serie fluorescerande pH-beroende pyrazol/imidazol/isoindolone dipyrrinon analoger. Medan metoden illustrerar syntesen av dipyrrinon analoger, Det kan översättas för att producera ett brett utbud av konjugerade bicykliska aromatiska föreningar. Claisen-Schmidt kondensationsreaktion som används i denna metod är begränsad i omfattning till nukleofiler och elektrofiler som är enolizable under grundläggande förhållanden (nukleofil komponent) och icke-enolizable aldehyder (elektrofil komponent). Dessutom måste både de nukleofila och elektrofila reaktanterna innehålla funktionella grupper som inte oavsiktligt reagerar med hydroxi. Trots dessa begränsningar erbjuder denna metod tillgång till helt nya system som kan användas som biologiska eller molekylära sonder.

Claisen-Schmidts kondensationsreaktion gav tillgång till dipyrrinonanaloger (16-25, figur 4) med hjälp av det förfarande med en kruka som beskrivs i protokollavsnittet (se steg 1). Analoger 16-25 genererades alla av kondenserande pyrrolinon 9,bromoisoindolone 10, eller isoindolone 11 med 1H-imidazole-2-karboxaldehyd (12), 1 H-imidazol-5-karboxald...

Watch this Scientific Journal Video about Synthesis of pH Dependent Pyrazole, Imidazole, and Isoindolone Dipyrrinone Fluorophores using a Claisen-Schmidt Condensation Approach at JoVE.com

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

Claisen-Schmidt kondensationsreaktion är en viktig metodik för generering av metin-bryggda konjugerade bicykliska aromatiska föreningar. Genom att använda en basmedierad variant av aldolreaktionen kan en rad fluorescerande och/eller biologiskt relevanta molekyler nås genom ett allmänt billigt och operativt enkelt syntetiskt tillvägagångssätt.

Syntes av pH-beroende pyrazol, Imidazol och isoindolone dipyrrinonfluorforer med hjälp av en Claisen-Schmidt kondensation tillvägagångssätt

Methine-bridged conjugated bicyclic aromatic compounds are common constituents of a range of biologically relevant molecules such as porphyrins, ...

Claisen-Schmidt kondensationsreaktion är en ur gammal reaktion, som först rapporterades av Claisen och Schmidt samtidigt 1881. Det innebär basassisterad oliat tillsats av en keton eller aldehyd, visas i blått, till en aromatisk aldehyd, visas i rött. Ursprungligen resulterar tillsatsen av enolate i bildandet av en alkohol, som visas i parenteserna.En efterföljande uttorkning ger dock i slutändan en enone. Eftersom aroaldehyden inte innehåller ett alfaväte kan den inte bilda ett isolerat. Som ett resultat kan ofta svaga baser, såsom hydroxid, användas för att generera enolate.Claisen-Schmidt-kondensationen har använts för att generera ett antal föreningar genom åren. Det har dock i stor utsträckning använts för att ansluta sig till de aromatiska ringsystemen i chalcones och flavanones, som visas i rött och blått. Den blå delen indikerar att härledd från den enolate och den röda är av den aromatiska delen.Chalcones och flavanones är väsentliga kärna till en rad biologiskt aktiva molekyler som har en rad aktiviteter, såsom antibakteriella, svampdödande, antiinflammatoriska och antitumörer, beroende på substitutionsmönstret. En annan bred klass av molekyler som genereras från Claisen-Schmidt kondensationsreaktionen är de metinbroderade föreningar som vi ger exempel på i denna studie. Vårt labb är intresserat av fluorescerande beståndsdelar i pigmentet bilirubin, som naturligt producerar en nedbrytningsprodukt av heme.Syntesen av bilirubin och många av dess beståndsdelar kretsar kring Claisen-Schmidt-typen kondensation, som kan visualiseras i strukturerna som visas av det blå enolatet och de röda aromatiska aldehydkomponenterna. Vanligtvis är direkta beståndsdelar i bilirubin, såsom dipyrrinoner, icke-fluorescerande. Men om man överbryggar de två kvävegrupperna med en metylen- eller karbonylgrupp blir de resulterande molekylerna mycket fluorescerande, till exempel när det gäller xanthoglows.Normalt absorberar dipyrrinoner UV eller blått ljus, vilket resulterar i en Z till E isomeriseringsprocess. Liksom oavkortade dipyrrinoner absorberar N i bryggade dipyrrinoner också UV eller blått ljus, men skiljer sig genom att de slappnar av i ett upphetsadt tillstånd via fluorescens. Vi har nyligen upptäckt en serie dipyrrinonderivat som faktiskt fluorescerar utan en kovamerad bro som förbinder de två kvävegrupperna.I stället verkar en vätebindning avskräcka Z till E-isomeriseringsprocessen, vilket leder till ett fluorescenssätt. Dessutom gjordes en oväntad upptäckt att dessa molekyler kan deprotoneras i grundläggande medier, vilket leder till redshifted absorption emission spectra i de avprotonerade tillstånden. Följaktligen kan dessa molekyler ha värde som ratiometriska pH-sonder.Fluorescerande dipyrrinonderivat används, vilket genererar en liten anpassning i den traditionella Claisen-Schmidt kondensationsreaktionen. Detta protokoll avviker från den traditionella Claisen-Schmidt kondensationsreaktionen genom att ett vinylogöst avolate som härrör från en pyrrolinon eller isoindolone är den nukleofila källan. Det vinylogösa lydnaden bidrar till antingen en pyrazol eller imidazolaldehyd för att generera ett litet bibliotek av dipyrrinonanaloger.Proceduren som används för att skapa det här biblioteket illustreras i videon. Analoga steg kan dock användas för att utföra den traditionella Claisen-Schmidt-reaktionen. Medan Claisen-Schmidt-reaktionen har varit och fortfarande är en allmänt använd syntetisk reaktion, är detta det första videoantalet av denna metod, som vi är medvetna om.För att förbereda för syntesen av en fluorescerande dipolrrinonanalog via aldolkondensering, väg ut lika motsvarigheter till den valda nukleofilen och elektrofilen. Lägg dem sedan i en 25 milliliter rund bottenkolv som innehåller en magnetisk omrörningsstång. Mät fem milliliter etanol med en graderad cylinder.Tillsätt sedan etanolen i den runda bottenkolven. Mät 2,4 milliliter tidigare beredd 10 molar kaliumhydroxid med hjälp av en graderad cylinder. Tillsätt sedan kaliumhydroxiden i kolven.För att ställa upp kolven för att återloppsa, applicera en tillräcklig mängd vakuumfett på en reaktionskondensators malda glasfog för att förhindra lagring av de malda glasfogarna. Anslut kondensorn till en kallvattenförsörjning och fäst sedan kondensorns smorda fog på den runda bottenkolven. Placera sedan kolven i antingen ett oljebad eller på ett aluminiumvärmeblock som kan upprätthålla en konstant temperatur via termiskt par med en omrörare av värmeplatta.Värm för att återloppstemperatur samtidigt som reaktionen kan röras om. Reaktionsblandningen bör övervakas med tunn skiktkromatografi vid ett, tre, sex, 12 och 24 timmar för att mäta reaktionshastigheten och för att kontrollera om startmaterialen är helt förbrukning. Låt kolven svalna till rumstemperatur och avdunsta sedan etanollösningsmedlet med en roterande förångare.Placera kolven i ett isbad och låt kolven balansera till isbadets temperatur under loppet av fem minuter. Neutralisera eventuellt kvarvarande kaliumhydroxid i kolven genom att tillsätta 1,7 milliliter ättiksyra i en enda portion. Om kristallbildning inträffade efter neutralisering, följ sedan vakuumfiltreringsreningsproceduren.Om ingen kristallbildning observerades, följ sedan flash kolumn kromatografi rening förfarande. Placera ett runt filterpapper ovanpå tratten och blöta lätt papperet med avjoniserat vatten för att fästa det på tratten. För att förbereda för vakuumfiltrering av kristaller, montera en Hirsch- eller Buchnertratt på en sidoarmkolv med hjälp av en monterad gummiadapter.För att undvika igensättning av filterpapperet som kan hindra filtrering använde vi en större Hirsch- eller Buchnertratt än vad som är typiskt för liknande skalfiltreringsprocesser. Häll innehållet från den runda bottenkolven över filterpapperet och låt blandningen filtreras. Skölj kristallerna under filtreringsprocessen med 10 milliliter iskallt avjoniserat vatten.Efter filtrering överför du kristallerna till en rund bottenkolv på 25 milliliter. Applicera ett lätt lager vakuumfett på en vakuumledningsglasadapter med hög effekt och anslut sedan adaptern till den runda bottenkolven. Fäst glasfogen med en Keck-klämma.För att förbereda högeffektsvakuumet för torkning av kristallerna av eventuellt restlösningsmedel, kyl glasdammsugaren tillräckligt med en blandning av torr is och aceton. Anslut en vakuumledning med hög effekt till glasadaptern som är fäst vid den runda bottenkolven. Slå på vakuumpumpen med hög effekt och låt kristallerna torka i minst en timme.När kristallerna har torkats tillräckligt under vakuum, stäng av vakuumpumpen och släpp vakuumtätningen för att ta bort den runda bottenkolven. Väg de torkade kristallerna för att rapportera reaktionsprocentutbytet. För att förbereda för rening via blixtkolonnkromatografi, tillsätt den syrabehandlade blandningen som inte bildade kristaller från syntesproceduren till en separatory tratt.Mät 10 milliliter diklormetan med hjälp av en graderad cylinder och använd denna för att späda ut den syrabehandlade blandningen i den separatory tratten. Stäng och skaka försiktigt den separatory tratten samtidigt som du ser till att ventilera ofta. Därefter ska två separata lager vara synliga i den avgränsande tratten.Extrahera vattenskiktet med ytterligare fem milliliter diklormetan. Slutför det här steget två gånger till. Kombinera alla organiska fraktioner och tillsätt en tillräcklig mängd vattenfritt natriumsulfat för att torka de organiska fraktionerna.Överför de torkade organiska fraktionerna till en rund bottenkolv och ta bort diklormetan med hjälp av en roterande förångare. Späd ut de återstående resterna med ytterligare fem milliliter diklormetan. Förbered en kolonn med cirka 75 gram kiselgel och använd denna för att utföra flashkolonnkromatografi på provet, med 10% metanol i diklormetan som eluent.Avdunsta eluenten från de uppsamlade fraktionerna med hjälp av en roterande förångare. Förbered vakuumpumpen med hög effekt och lösningsmedelsfällan av glas, som tidigare beskrivits i vakuumfiltreringsreningsproceduren, och låt det uppsamlade fasta ämnen torka under högt vakuum i minst en timme. När kristallerna har torkats tillräckligt under vakuum, väg de torkade kristallerna för att rapportera reaktionsprocentutbytet.För att bekräfta strukturen hos var och en av dipyrrinone analoger i biblioteket, flera spektroskopiska metoder användes i kombination, inklusive kärnmagnetisk resonans spektroskopi, infraröd spektroskopi och högupplösta masspektrometri. UV-Vis och fluorescerande spektroskopi användes i den fotofysiska karakteriseringen av fluorescerande dipyrrinon analoger. Med hjälp av Claisen-Schmidt kondensationsreaktionen kunde vi syntetisera ett litet bibliotek med 10 föreningar, inklusive ett kontrollförening som inte kan delta i intermolecular vätebindningar.Utbyten för dipyrrinonanaloger varierade från ungefär 40% till nästan kvantitativa och listas under varje molekyl. Föreningarna med de högsta kvantutbytena, både i protonerade och deprotonerade former, härleddes från 2-formylimidazol och visas i rosa lådor. Kontrollföreningen, som inte fluorescerar, ligger i en cyanlåda.Dipyrrinonderivat under en standard 365 nanometer lång våglängdslampa ger den observerade fluorescensen. Man kan visuellt observera den rödförändrade fluorescensen som är resultatet av deprotonation. Genom färgen på injektionsflaskan övergår de från blått till cyan i färg.För mer kvantitativa data om de fotofysiska och andra fysiska egenskaperna hos dipyrrinonderivaten leder vi tittarna till tabell två i den skrivna delen av manuskriptet. Sammantaget ger Claisen-Schmidt kondensationsreaktion tillgång till en rad metinlänkade bicykliska aromatiska föreningar. Det finns dock vissa begränsningar.Reaktionen är beroende av användningen av både en enolizable nukleofil och en icke-enolizable aldehyd elektrofil, såsom en aro-aldehyd, för att genomgå framgångsrik kondensation. Om detta grundläggande krav inte uppfylls kommer försök att utföra denna reaktion sannolikt att leda till oförmåga att koppla samman ringsystemen och/eller genereringen av konkurrerande sidoprodukter. En annan faktor är att grundläggande villkor används för att generera den inolate nukleofyllen som kan skapa inkompatibiliteter med funktionella grupper som är mottagliga för reaktioner med hydroxi.I sådana fall är det möjligt att ersätta hydroxi med kvävehaltiga baser eller karbonat som har åstadkommits med DBU, trietylamin, piperidin, Hunigs bas och natriumkarbonat. Vi valde helt enkelt att använda kaliumhydroxid på grund av dess tillgänglighet och relativa kostnader. Trots dessa begränsningar kan metoden som beskrivs i protokollet ge ett sätt att koppla aromatiska ringar för många system genom en procedurmässigt enkel och kostnadseffektiv enstegsreaktion.När det gäller dipyrrinonanaloger som vi har syntetiserat har Claisen-Schmidt-kondensationen möjliggjort en av de mest tillgängliga vägarna till pH-beroende fluorforer som beskrivits hittills. Icke desto mindre kommer framtida konstruktioner av dipyrrinonanaloger att utvecklas med hjälp av det skisserade förfarandet för att generera fluorescerande föreningar med starkare intermolecular vätebindningskapacitet och lägre pKa-värden. Förutse dessa förbättrade pH-beroende sonder kommer att ha högre kvantutbyten samtidigt som visualisering av pH-fluktuationer möjliggör ett bredare spektrum av intracellulära händelser.

Research

Education

JoVE Core

JoVE Journal

Organic Chemistry

Chemistry

Unit 1

&alpha;-Carbon Chemistry: Enols, Enolates, and Enamines

SCIENTISTS IN ACTION

Preparation and Use of Samarium Diiodide (SmI2) in Organic Synthesis: The Mechanistic Role of HMPA and Ni(II) Salts in the Samarium Barbier Reaction

Preparation and Use of Samarium Diiodide SmI2 in Organic Synthesis: The Mechanistic Role of HMPA and NiII Salts in the Samarium Barbier Reaction

Beredning och användning av samariumdijodid (SMI<sub&gt; 2</sub&gt;) I Organic Synthesis: den mekanistiska roll HMPA och Ni (II) salter i Samarium Barbier Reaktion

Although initially considered an esoteric reagent, SmI2 has become a common tool for synthetic organic chemists. SmI2 is generated through the addition of ...

Synthesis, Cellular Delivery and In vivo Application of Dendrimer-based pH Sensors

Synthesis, Cellular Delivery and In vivo Application of Dendrimer-based pH Sensors

Synthesis, Cellular Leverans och<em&gt; In vivo</em&gt; Tillämpning av Dendrimer-baserade pH-sensorer

The development of  fluorescent indicators represented a revolution for life sciences. Genetically  encoded and synthetic fluorophores with sensing ...

Seeded Synthesis of CdSe/CdS Rod and Tetrapod Nanocrystals

Seeded Syntes av CdSe / CdS Rod och tetrapod nanokristaller

We demonstrate a method for the synthesis of multicomponent nanostructures consisting of CdS and CdSe with rod and tetrapod morphologies. A seeded ...

Covalent Binding of BMP-2 on Surfaces Using a Self-assembled Monolayer Approach

Kovalent Bindning av BMP-2 på ytorna med en själv monterade monolager Approach

Bone morphogenetic protein 2 (BMP-2) is a growth factor embedded in the extracellular matrix of bone tissue. BMP-2 acts as trigger of mesenchymal cell ...

Qualitative Identification of Carboxylic Acids, Boronic Acids, and Amines Using Cruciform Fluorophores

Kvalitativ Identifiering av karboxylsyror, boronsyror och aminer Använda Cruciform Fluoroforer

Molecular cruciforms are X-shaped systems in which two conjugation axes intersect at a central core. If one axis of these molecules is substituted with ...

Synthesis and Characterization of Functionalized Metal-organic Frameworks

Syntes och karakterisering av funktionaliserad metal-organic frame

Metal-organic frameworks have attracted extraordinary amounts of research attention, as they are attractive candidates for numerous industrial and ...

Synthesis and Exfoliation of Discotic Zirconium Phosphates to Obtain Colloidal Liquid Crystals

Syntes och exfoliering av disko Zirkonium Fosfater Skaffa Colloidal Liquid Crystals

Due to their abundance in natural clay and potential applications in advanced materials, discotic nanoparticles are of interest to scientists and ...

The Synthesis of [Sn10(Si(SiMe3)3)4]2- Using a Metastable Sn(I) Halide Solution Synthesized via a Co-condensation Technique

The Synthesis of [Sn10SiSiMe334]2- Using a Metastable SnI Halide Solution Synthesized via a Co-condensation Technique

Syntes av [Sn<sub&gt; 10</sub&gt; (Si (SiMe<sub&gt; 3</sub&gt;)<sub&gt; 3</sub&gt;)<sub&gt; 4</sub&gt;]<sup&gt; 2</sup<sup&gt; -</sup&gt; Med hjälp av en meta Sn (I) Halide Lösning syntetiseras via en Co-kondensation Technique

The number of well-characterized metalloid tin clusters, synthesized by applying the disproportionation of a metastable Sn(I) halide in the presence of a ...

Solid-phase Synthesis of [4.4] Spirocyclic Oximes

Fasta fasen syntes av [4.4] gröna Oximes

A convenient synthetic route for spirocyclic heterocycles is well sought after due to the molecule&#39;s potential use in biological systems. By means of ...

Synthesis of Esters Via a Greener Steglich Esterification in Acetonitrile

Syntesen av estrar Via en grönare Steglich Esterification i acetonitril

The Steglich esterification is a widely-used reaction for the synthesis of esters from carboxylic acids and alcohols. While efficient and mild, the ...