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Diazirina

Una diazirina genérica

En química orgánica , las diazirinas son una clase de moléculas orgánicas que consisten en un carbono unido a dos átomos de nitrógeno , que están unidos por un doble enlace entre sí, formando un anillo similar al ciclopropeno , 3 H -diazirina ( >CN 2 ). Son isómeros con grupos diazocarbonados ( >C=N=N ), y como ellos pueden servir como precursores de carbenos por pérdida de una molécula de dinitrógeno. Por ejemplo, la irradiación de diazirinas con luz ultravioleta conduce a la inserción de carbenos en varios enlaces C−H , N−H y O−H . [1] Por lo tanto, las diazirinas han ganado popularidad como pequeños reactivos de reticulación fotorreactivos . [2] A menudo se utilizan en estudios de etiquetado de fotoafinidad para observar una variedad de interacciones, incluidas las interacciones ligando -receptor, ligando- enzima , proteína-proteína y proteína- ácido nucleico . [3]

Síntesis

En la literatura existen numerosos métodos para la preparación de diazirinas, que parten de una variedad de reactivos. [4]

Síntesis a partir de cetonas

En general, los esquemas sintéticos que comienzan con cetonas ( >C=O ) implican la conversión de la cetona con los sustituyentes deseados a diaziridinas ( >CN 2 H 2 ). Estas diaziridinas se oxidan posteriormente para formar las diazirinas deseadas.

Las diaziridinas se pueden preparar a partir de cetonas por oximación, seguida de tosilación (o mesilación ) y, finalmente, por tratamiento con amoníaco ( NH3 ) . Generalmente, las reacciones de oximación se realizan haciendo reaccionar la cetona con cloruro de hidroxilamonio ( NH3OH − Cl + ) bajo calor en presencia de una base como la piridina . [5] [6] La tosilación o mesilación posterior del oxígeno alfa-sustituido con cloruro de tosilo o mesilo en presencia de una base produce la oxima de tosilo o mesilo . [7] El tratamiento final de la oxima de tosilo o mesilo con amoníaco produce la diaziridina. [1] [3] [7] [8]

Síntesis genérica de diaziridina por oximación, tosilación y tratamiento con amoníaco.

Las diaziridinas también se pueden producir directamente mediante la reacción de cetonas con amoníaco en presencia de un agente aminante como una monocloramina o un ácido hidroxilaminado O-sulfónico. [9]

Las diaziridinas se pueden oxidar a diazirinas mediante varios métodos, entre los que se incluyen la oxidación con reactivos a base de cromo , como la oxidación de Jones [10] , la oxidación con yodo y trietilamina [5] , la oxidación con óxido de plata [11] , la oxidación con cloruro de oxalilo [7] o incluso la oxidación electroquímica en un ánodo de platino y titanio [12] .

Oxidación de Jones de una diaziridina genérica a una diazirina.

Síntesis por reacción de Graham

Las diazirinas se pueden formar alternativamente en un proceso de un solo recipiente utilizando la reacción de Graham , a partir de amidinas . [13] Esta reacción produce una diazirina halogenada , cuyo halógeno puede ser desplazado por varios reactivos nucleofílicos . [14]

Química

Al ser irradiadas con luz ultravioleta, las diazirinas forman especies reactivas de carbeno . El carbeno puede existir en forma singlete, en la que los dos electrones libres ocupan el mismo orbital, o en forma triplete, con dos electrones desapareados en orbitales diferentes.

Las diazirinas se pueden descomponer utilizando luz ultravioleta.

Productos de carbeno triplete y singlete

Los sustituyentes de la diazirina afectan la especie de carbeno que se genera tras la irradiación y la posterior escisión fotolítica. Los sustituyentes de la diazirina que son donantes de electrones por naturaleza pueden donar densidad electrónica al orbital p vacío del carbeno que se formará y, por lo tanto, pueden estabilizar el estado singlete. Por ejemplo, la fenildiazirina produce fenilcarbeno en el estado de carbeno singlete [15] , mientras que la 3-cloro-3-[(4-nitrofenil)metil]diazirina o la trifluorometilfenildiazirina producen los respectivos productos de carbeno triplete. [16] [17]

Los sustituyentes donadores de electrones también pueden fomentar la fotoisomerización al compuesto diazo lineal, [18] en lugar del carbeno singlete, y por lo tanto estos compuestos son desfavorables para su uso en ensayos biológicos. [19] Por otro lado, las trifluoroarildiazirinas en particular muestran una estabilidad favorable y cualidades fotolíticas [19] y se utilizan más comúnmente en aplicaciones biológicas. [1]

Arriba se muestran tres diazirinas. La fenildiazirina produce el carbeno singlete, mientras que la trifluorometilfenildiazirina y la 3-cloro-3-[(4-nitrofenil)metil]diazirina producen carbenos en estado triplete.

Los carbenos producidos a partir de diazirinas se extinguen rápidamente por reacción con moléculas de agua [20] y, por lo tanto, los rendimientos de los ensayos de reticulación fotorreactiva suelen ser bajos. Sin embargo, como esta característica minimiza el marcado inespecífico, en realidad es una ventaja de utilizar diazirinas.

Uso en reticulación fotorreactiva

Las diazirinas se utilizan a menudo como reactivos de reticulación fotorreactivos, ya que los carbenos reactivos que forman al ser irradiados con luz ultravioleta pueden insertarse en enlaces CH, NH y OH. Esto da como resultado un marcaje dependiente de la proximidad de otras especies con el compuesto que contiene diazirina.

Las diazirinas a menudo se prefieren a otros reactivos de reticulación fotorreactivos debido a su tamaño más pequeño, longitud de onda de irradiación más larga, corto período de irradiación requerido y estabilidad en presencia de varios nucleófilos, y en condiciones tanto ácidas como básicas. [21] Las benzofenonas , que forman especies de carbonilo triplete reactivas tras la irradiación, a menudo requieren largos períodos de irradiación que pueden dar lugar a un marcado no específico y, además, suelen ser inertes a varios disolventes polares. [22] Las azidas de arilo requieren una longitud de onda de irradiación baja, que puede dañar las macromoléculas biológicas en investigación.

Ejemplos en estudios de etiquetado de receptores

Las diazirinas se utilizan ampliamente en los estudios de marcaje de receptores. Esto se debe a que los análogos de varios ligandos que contienen diazirina se pueden sintetizar e incubar con sus respectivos receptores y luego exponerlos a la luz para producir carbenos reactivos. El carbeno se unirá covalentemente a los residuos en el sitio de unión del receptor. El compuesto de carbeno puede incluir una etiqueta o asa bioortogonal mediante la cual se puede aislar la proteína de interés. Luego, la proteína se puede digerir y secuenciar mediante espectrometría de masas para identificar a qué residuos está unido el ligando que contiene carbeno y, por lo tanto, la identidad del sitio de unión en el receptor.

Algunos ejemplos de diazirinas utilizadas en estudios de etiquetado de receptores incluyen:

Propofol (izquierda) y m -azipropofol, un análogo diazirínico del mismo.

Ejemplos de estudios de enzima-sustrato

De manera análoga al etiquetado de receptores, también se han utilizado compuestos que contienen diazirina que son análogos de sustratos naturales para identificar bolsas de unión de enzimas. Algunos ejemplos incluyen:

Ejemplos en estudios de ácidos nucleicos

Las diazirinas también se han utilizado en experimentos de marcaje por fotoafinidad con ácidos nucleicos. Algunos ejemplos son:

Las diazirinas también se han utilizado para estudiar las interacciones entre proteínas y lípidos, por ejemplo, la interacción de varios esfingolípidos con proteínas in vivo. [30]

Referencias

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