stringtranslate.com

Диазирин

Диазирин общего назначения

В органической химии диазирины представляют собой класс органических молекул, состоящих из углерода , связанного с двумя атомами азота , которые связаны двойной связью друг с другом, образуя циклопропеновое кольцо, 3 H -диазирин ( >CN 2 ). Они изомерны с диазоуглеродными группами ( >C=N=N ), и подобно им могут служить предшественниками карбенов путем потери молекулы диазота. Например, облучение диазиринов ультрафиолетовым светом приводит к вставке карбена в различные связи C−H , N−H и O−H . [1] Следовательно, диазирины стали пользоваться популярностью как небольшие фотореактивные сшивающие реагенты. [2] Их часто используют в исследованиях по фотоаффинной маркировке для наблюдения за различными взаимодействиями, включая лиганд -рецептор, лиганд- фермент , белок -белок и белок- нуклеиновая кислота . [3]

Синтез

В литературе описан ряд методов получения диазиринов, которые начинаются с использования различных реагентов. [4]

Синтез из кетонов

Как правило, синтетические схемы, начинающиеся с кетонов ( >C=O ), включают преобразование кетона с желаемыми заместителями в диазиридины ( >CN 2 H 2 ). Эти диазиридины затем последовательно окисляются с образованием желаемых диазиринов.

Диазиридины могут быть получены из кетонов путем оксимирования, за которым следует тозилирование (или мезилирование ), а затем, наконец, путем обработки аммиаком ( NH 3 ). Обычно реакции оксимирования проводятся путем взаимодействия кетона с хлоридом гидроксиламмония ( NH 3 OH − Cl + ) при нагревании в присутствии основания, такого как пиридин . [5] [6] Последующее тозилирование или мезилирование альфа-замещенного кислорода тозил- или мезилхлоридом в присутствии основания дает тозил- или мезилоксим . [ 7] Окончательная обработка тозил- или мезилоксима аммиаком дает диазиридин. [1] [3] [7] [8]

Общий синтез диазиридина путем оксимирования, тозилирования и обработки аммиаком.

Диазиридины также могут быть получены непосредственно реакцией кетонов с аммиаком в присутствии аминирующего агента, такого как монохлорамин или гидроксиламин O-сульфоновая кислота. [9]

Диазиридины могут быть окислены до диазиринов несколькими способами. Они включают окисление реагентами на основе хрома , такими как окисление Джонса , [10] окисление йодом и триэтиламином , [5] окисление оксидом серебра , [11] окисление оксалилхлоридом, [7] или даже электрохимическое окисление на платино-титановом аноде. [12]

Окисление Джонса дженерика диазиридина до диазирина.

Синтез по реакции Грэма

Диазирины могут быть альтернативно образованы в однореакторном процессе с использованием реакции Грэма , начиная с амидинов . [13] Эта реакция дает галогенированный диазирин, галоген которого может быть замещен различными нуклеофильными реагентами. [14]

Химия

При облучении УФ-светом диазирины образуют реакционноспособные виды карбена . Карбен может существовать в синглетной форме, в которой два свободных электрона занимают одну и ту же орбиталь, или в триплетной форме с двумя неспаренными электронами на разных орбиталях.

Диазирины можно разложить с помощью УФ-излучения.

Триплетные и синглетные карбеновые продукты

Заместители в диазирине влияют на то, какие виды карбена генерируются при облучении и последующем фотолитическом расщеплении. Заместители диазирина, которые являются электронодонорными по своей природе, могут отдавать электронную плотность пустой p-орбитали карбена, который будет образован, и, следовательно, могут стабилизировать синглетное состояние. Например, фенилдиазирин производит фенилкарбен в синглетном карбеновом состоянии [15], тогда как 3-хлор-3-[(4-нитрофенил)метил]диазирин или трифторметилфенилдиазирин производят соответствующие триплетные карбеновые продукты. [16] [17]

Электронодонорные заместители также могут способствовать фотоизомеризации в линейное диазосоединение [18] , а не в синглетный карбен, и, следовательно, эти соединения неблагоприятны для использования в биологических анализах. [19] С другой стороны, трифторарилдиазирины, в частности, демонстрируют благоприятную стабильность и фотолитические качества [19] и чаще всего используются в биологических приложениях. [1]

Выше показаны три диазирина. Фенилдиазирин производит синглетный карбен, тогда как трифторметилфенилдиазирин и 3-хлор-3-[(4-нитрофенил)метил]диазирин производят триплетные карбены.

Карбены, полученные из диазиринов, быстро гасятся в результате реакции с молекулами воды, [20] и, следовательно, выходы для фотореактивных анализов сшивания часто бывают низкими. Тем не менее, поскольку эта особенность минимизирует неспецифическую маркировку, это на самом деле преимущество использования диазиринов.

Использование в фотореактивной сшивке

Диазирины часто используются в качестве фотореактивных сшивающих реагентов, поскольку реактивные карбены, которые они образуют при облучении УФ-светом, могут встраиваться в связи CH, NH и OH. Это приводит к зависимой от близости маркировке других видов соединением, содержащим диазирин. Однако исследования показали, что диазирины имеют некоторую зависимость от pH в предпочтениях маркировки, отдавая предпочтение кислотным остаткам, таким как глутамат. [21] Были разработаны варианты диазирина для уменьшения этого смещения. [22]

Диазирины часто предпочитают другим фотореактивным сшивающим реагентам из-за их меньшего размера, большей длины волны облучения, короткого требуемого периода облучения и стабильности в присутствии различных нуклеофилов, а также в кислотных и основных условиях. [23] Бензофеноны , которые образуют реакционноспособные триплетные карбонильные виды при облучении, часто требуют длительных периодов облучения, что может привести к неспецифической маркировке, и, кроме того, часто инертны к различным полярным растворителям. [24] Арилазиды требуют низкой длины волны облучения, что может повредить исследуемые биологические макромолекулы.

Примеры исследований маркировки рецепторов

Диазирины широко используются в исследованиях по маркировке рецепторов. Это связано с тем, что содержащие диазирин аналоги различных лигандов могут быть синтезированы и инкубированы с соответствующими рецепторами, а затем впоследствии подвергнуты воздействию света для получения реактивных карбенов. Карбен будет ковалентно связываться с остатками в месте связывания рецептора. Соединение карбена может включать биоортогональную метку или ручку, с помощью которой интересующий белок может быть выделен. Затем белок может быть переварен и секвенирован с помощью масс-спектрометрии, чтобы определить, с какими остатками связан лиганд, содержащий карбен, и, следовательно, идентифицировать место связывания в рецепторе.

Примеры диазиринов, используемых в исследованиях по маркировке рецепторов, включают:

Пропофол (слева) и м -азипропофол, его диазириновый аналог

Примеры в исследованиях фермент-субстрата

Аналогично маркировке рецепторов, для идентификации связывающих карманов ферментов также использовались диазирины, содержащие соединения, которые являются аналогами природных субстратов. Примеры включают:

Примеры в исследованиях нуклеиновых кислот

Диазирины также использовались в экспериментах по фотоаффинной маркировке нуклеиновых кислот. Примеры включают:

Диазирины также использовались для изучения взаимодействия белков и липидов, например, взаимодействия различных сфинголипидов с белками in vivo. [34]

Ссылки

  1. ^ abc Дубинский, Люба; Кром, Бастиан П.; Мейлер, Майкл М. (2012-01-15). "Фотоаффинная маркировка на основе диазирина". Биоорганическая и медицинская химия . Химическая протеомика. 20 (2): 554–570. doi :10.1016/j.bmc.2011.06.066. PMID  21778062.
  2. ^ Хилл, Джеймс Р.; Робертсон, Аврил АБ (2018). «Выслеживание лекарственных препаратов: фокус на синтезе фотоаффинных зондов диазирина». Журнал медицинской химии . 61 (16): 6945–6963. doi : 10.1021/acs.jmedchem.7b01561. PMID  29683660.
  3. ^ ab Sinz, Andrea (2007-04-01). "Исследование взаимодействий белок-лиганд методом масс-спектрометрии". ChemMedChem . 2 (4): 425–431. doi :10.1002/cmdc.200600298. ISSN  1860-7187. PMID  17299828. S2CID  23769515.
  4. ^ Хилл, Джеймс Р.; Робертсон, Аврил АБ (2018). «Выслеживание лекарственных препаратов: фокус на синтезе фотоаффинных зондов диазирина». Журнал медицинской химии . 61 (16): 6945–6963. doi : 10.1021/acs.jmedchem.7b01561. PMID  29683660.
  5. ^ аб Буркард, Надя; Бендер, Тобиас; Вестмайер, Йоханнес; Нардманн, Кристин; Хасс, Маркус; Вечорек, Хельмут; Гронд, Стефани; фон Цезшвиц, Паультео (01 апреля 2010 г.). «Новые фтористые фотоаффинные метки (F-PAL) и их применение в исследованиях ингибирования V-АТФазы». Европейский журнал органической химии . 2010 (11): 2176–2181. дои : 10.1002/ejoc.200901463. ISSN  1099-0690.
  6. ^ Сун, Чжицюань; Чжан, Цишэн (2009-11-05). "Реагенты для фотоаффинной маркировки на основе фтористого арилдиазирина". Organic Letters . 11 (21): 4882–4885. doi :10.1021/ol901955y. ISSN  1523-7060. PMID  19807115.
  7. ^ abc Kumar, Nag S.; Young, Robert N. (2009-08-01). «Проектирование и синтез универсальной функциональной группы 3-(1,1-дифторпроп-2-инил)-3H-диазирин-3-ил для фотоаффинной маркировки». Bioorganic & Medicinal Chemistry . 17 (15): 5388–5395. doi :10.1016/j.bmc.2009.06.048. PMID  19604700.
  8. ^ Гу, Мин; Ян, Цзяньбинь; Бай, Чжиян; Чен, Юэ-Тин; Лу, Вэй; Тан, Цзе; Дуань, Люшэн; Се, Даосинь; Нан, Фа-Цзюнь (01 мая 2010 г.). «Разработка и синтез меченных биотином фотоаффинных зондов жасмонатов». Биоорганическая и медицинская химия . 18 (9): 3012–3019. doi : 10.1016/j.bmc.2010.03.059. ПМИД  20395151.
  9. ^ Дубинский, Люба; Ярош, Люция М.; Амара, Нери; Криф, Пнина; Кравченко, Владимир В.; Кром, Бастиан П.; Мейлер, Майкл М. (2009-11-24). «Синтез и валидация зонда для идентификации рецепторов, чувствительных к кворуму». Chemical Communications (47): 7378–7380. doi :10.1039/b917507e. PMID  20024234.
  10. ^ Вагнер, Джеральд; Нолл, Вольфганг; Бобек, Майкл М.; Брекер, Лотар; ван Хервинен, Хендрикус В.Г.; Бринкер, Удо Х. (15 января 2010 г.). «Взаимосвязь структура-реактивность: реакции 5-замещенного азиадамантана в кавитанде на основе резорцина [4] арена». Органические письма . 12 (2): 332–335. дои : 10.1021/ol902667a. ISSN  1523-7060. ПМИД  20017550.
  11. ^ Аль-Омари, Мохаммад; Банерт, Клаус; Хагедорн, Манфред (2006-01-01). «Би-3Н-диазирин-3-илы как предшественники высоконапряженных циклоалкинов». Angewandte Chemie International Edition . 45 (2): 309–311. doi :10.1002/anie.200503124. ISSN  1521-3773. PMID  16372311.
  12. ^ Веденяпина, доктор медицинских наук; Кузнецов В.В.; Нижниковский Е.А.; Стрельцова, Е.Д.; Махова, Н.Н.; Стручкова М.И.; Веденяпин, А.А. (01 ноября 2006 г.). «Электрохимический синтез пентаметилендиазирина». Российский химический вестник . 55 (11): 2013–2015. дои : 10.1007/s11172-006-0544-0. ISSN  1066-5285. S2CID  97472127.
  13. ^ Грэм, WH (1965-10-01). «Галогенирование амидинов. I. Синтез 3-галоген- и других отрицательно замещенных диазиринов1». Журнал Американского химического общества . 87 (19): 4396–4397. doi :10.1021/ja00947a040. ISSN  0002-7863.
  14. ^ Мосс, Роберт А. (2006-02-09). «Диазирины: предшественники карбенов Par Excellence». Accounts of Chemical Research . 39 (4): 267–272. doi :10.1021/ar050155h. ISSN  0001-4842. PMID  16618094.
  15. ^ Чжан, Юньлун; Бурдзински, Готард; Кубицкий, Яцек; Платц, Мэтью С. (2008-12-03). «Прямое наблюдение образования карбена и диазо из арилдиазиринов методом сверхбыстрой инфракрасной спектроскопии». Журнал Американского химического общества . 130 (48): 16134–16135. doi :10.1021/ja805922b. ISSN  0002-7863. PMID  18998681.
  16. ^ Ноллер, Бастиан; Пуассон, Лионель; Максименка, Раман; Гобер, Оливер; Фишер, Инго; Местдаг, Дж. М. (2009-04-02). "Сверхбыстрая динамика изолированных фенилкарбенов, сопровождаемая фемтосекундной визуализацией карты скоростей с временным разрешением". Журнал физической химии A. 113 ( 13): 3041–3050. Bibcode : 2009JPCA..113.3041N. doi : 10.1021/jp810974m. ​​ISSN  1089-5639. PMID  19245233.
  17. ^ Ноллер, Бастиан; Хембергер, Патрик; Фишер, Инго; Алькарас, Кристиан; Гарсия, Густаво А.; Солди-Лосе, Элоиз (2009-06-23). ​​«Фотоионизация двух фенилкарбенов и их предшественников диазирина, исследованная с использованием синхротронного излучения». Физическая химия Химическая физика . 11 (26): 5384–5391. Bibcode : 2009PCCP...11.5384N. doi : 10.1039/b823269e. PMID  19551206.
  18. ^ Корнеев, Сергей М. (ноябрь 2011 г.). «Валентная изомеризация между диазосоединениями и диазиринами». European Journal of Organic Chemistry . 2011 (31): 6153–6175. doi :10.1002/ejoc.201100224. ISSN  1434-193X.
  19. ^ ab Brunner, J.; Senn, H.; Richards, FM (1980-04-25). "3-Трифторметил-3-фенилдиазирин. Новая группа, генерирующая карбены для фотомеченных реагентов". Журнал биологической химии . 255 (8): 3313–3318. doi : 10.1016/S0021-9258(19)85701-0 . ISSN  0021-9258. PMID  7364745.
  20. ^ Ван, Джин; Кубицкий, Яцек; Пэн, Хуолей; Платц, Мэтью С. (2008-05-01). «Влияние растворителя на скорости интерсистемного пересечения карбенов». Журнал Американского химического общества . 130 (20): 6604–6609. doi :10.1021/ja711385t. ISSN  0002-7863. PMID  18433130.
  21. ^ Уэст, Александр В.; Мунчипинто, Джованни; Ву, Хун-Йи; Хуан, Эндрю К.; Лабенски, Мэтью Т.; Джонс, Лин Х.; Ву, Кристина М. (2021-05-05). «Предпочтения в маркировке диазиринов с помощью белковых биомолекул». Журнал Американского химического общества . 143 (17): 6691–6700. doi :10.1021/jacs.1c02509. ISSN  0002-7863. PMID  33876925.
  22. ^ Уэст, Александр В.; Амако, Юка; Ву, Кристина М. (2022-11-23). ​​«Разработка и оценка метки циклобутана диазирина алкина для фотоаффинной маркировки в клетках». Журнал Американского химического общества . 144 (46): 21174–21183. doi :10.1021/jacs.2c08257. ISSN  0002-7863. PMID  36350779.
  23. ^ Хатанака, Ясумару; Садакане, Ютака (2002-03-01). «Фотоаффинная маркировка в разработке и открытии лекарств: химические ворота для выхода на протеомный рубеж». Текущие темы в медицинской химии . 2 (3): 271–288. doi :10.2174/1568026023394182. ISSN  1568-0266. PMID  11944820.
  24. ^ Prestwich, Glenn D.; Dormán, György; Elliott, John T.; Marecak, Dale M.; Chaudhary, Anu (1997-02-01). «Фотозонды на основе бензофенона для фосфоинозитидов, пептидов и лекарств». Photochemistry and Photobiology . 65 (2): 222–234. doi :10.1111/j.1751-1097.1997.tb08548.x. ISSN  1751-1097. PMID  9066302. S2CID  12577596.
  25. ^ Киносита, Тошинори; Каньо-Дельгадо, Ана; Сето, Хидехару; Хиранума, Саёко; Фудзиока, Шозо; Ёсида, Сигео; Чори, Джоанн (2005). «Связывание брассиностероидов с внеклеточным доменом киназы рецептора растений BRI1». Nature . 433 (7022): 167–171. Bibcode :2005Natur.433..167K. doi :10.1038/nature03227. PMID  15650741. S2CID  4379617.
  26. ^ Балас, Лоренс; Дюран, Тьерри; Саха, Саттьябрата; Джонсон, Иннеке; Мукхопадхай, Сомнат (2009-02-26). «Полный синтез фотоактивируемых или флуоресцентных анандамидных зондов: новые биоактивные соединения с ангиогенной активностью». Журнал медицинской химии . 52 (4): 1005–1017. doi :10.1021/jm8011382. ISSN  0022-2623. PMID  19161308.
  27. ^ Холл, Майкл А.; Си, Цзинь; Лор, Чонг; Дай, Шуйпин; Пирс, Роберт; Дейли, Уильям П.; Экенхофф, Родерик Г. (12 августа 2010 г.). «м-Азипропофол (AziPm) фотоактивный аналог внутривенного общего анестетика пропофол». Журнал медицинской химии . 53 (15): 5667–5675. doi :10.1021/jm1004072. ISSN  0022-2623. PMC 2917171. PMID 20597506  . 
  28. ^ Чи, Гайк-Лин; Ялович, Джек К.; Боднер, Эндрю; Ву, Син; Хасинофф, Брайан Б. (2010-01-15). «Фотоаффинный этопозидный зонд на основе диазирина для маркировки топоизомеразы II». Биоорганическая и медицинская химия . 18 (2): 830–838. doi :10.1016/j.bmc.2009.11.048. PMC 2818565. PMID  20006518 . 
  29. ^ Фува, Харухико; Такахаси, Ясуко; Конно, Ю; Ватанабэ, Наото; Мияшита, Хироюки; Сасаки, Макото; Нацугари, Хидеаки; Кан, Тосиюки; Фукуяма, Тору (1 июня 2007 г.). «Дивергентный синтез многофункциональных молекулярных зондов для выяснения ферментативной специфичности дипептидных ингибиторов γ-секретазы». АКС Химическая биология . 2 (6): 408–418. дои : 10.1021/cb700073y. ISSN  1554-8929. ПМИД  17530731.
  30. ^ Ю, Сок-Хо; Бойс, Майкл; Вандс, Эмберлин М.; Бонд, Мишель Р.; Бертоцци, Кэролин Р.; Колер, Дженнифер Дж. (2012-03-27). «Метаболическая маркировка обеспечивает селективное фотосшивание модифицированных O-GlcNAc белков с их партнерами по связыванию». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 109 (13): 4834–4839. doi : 10.1073/pnas.1114356109 . ISSN  1091-6490. PMC 3323966. PMID  22411826 . 
  31. ^ Толеман, Клиффорд А.; Шумахер, Мария А.; Ю, Сок-Хо; Цзэн, Вэньцзе; Кокс, Натан Дж.; Смит, Тимоти Дж.; Содерблом, Эрик Дж.; Вандс, Эмберлин М.; Колер, Дженнифер Дж.; Бойс, Майкл (2021-05-20). «Структурная основа распознавания O-GlcNAc белками млекопитающих 14-3-3». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 115 (23): 5956–5961. doi : 10.1073/pnas.1722437115 . PMC 6003352. PMID  29784830 . 
  32. ^ Либманн, Майке; Ди Паскуале, Франческа; Маркс, Андреас (2006-12-04). «Новый фотоактивный строительный блок для исследования взаимодействий остова ДНК: фотоаффинная маркировка человеческой ДНК-полимеразы β». ChemBioChem . 7 (12): 1965–1969. doi :10.1002/cbic.200600333. ISSN  1439-7633. PMID  17106908. S2CID  22908416.
  33. ^ Виннакер, Мальте; Бригер, Саша; Штрассер, Ральф; Карелл, Томас (2009-01-05). «Новые диазиринсодержащие ДНК-фотоаффинные зонды для исследования ДНК-белковых взаимодействий». ChemBioChem . 10 (1): 109–118. doi :10.1002/cbic.200800397. ISSN  1439-7633. PMID  19012292. S2CID  5605171.
  34. ^ Ямамото, Тетсуя; Хасегава, Хироко; Хакоги, Тошиказу; Кацумура, Шигео (2006-11-01). «Универсальный метод синтеза сфинголипидов и функционализированных производных сфингозина с помощью перекрестного метатезиса олефинов». Organic Letters . 8 (24): 5569–5572. doi :10.1021/ol062258l. ISSN  1523-7060. PMID  17107074.