BODIPY

BODIPY ( borodipirrometeno ) es el nombre técnico común de un compuesto químico con fórmula C ₉ H ₇ BN ₂ F ₂ , cuya molécula consta de un grupo difluoruro de boro BF .₂ unidos a ungrupodipirrometenoC₉H₇N₂; específicamente, el compuesto4,4-difluoro-4-bora-3a,4a-diaza-s-indacenoen laIUPAC. ^{[ 1 ]} Es un sólido cristalino rojo, estable a temperatura ambiente, soluble en metanol. ^{[ 1 ]}

El compuesto en sí fue aislado recién en 2009, ^{[ 2 ] [ 1 ] [ 3 ]} pero muchos derivados —obtenidos formalmente reemplazando uno o más átomos de hidrógeno por otros grupos funcionales— se conocen desde 1968 y comprenden la importante clase de colorantes BODIPY . ^{[ 4 ]} Estos compuestos organoborónicos han atraído mucho interés como colorantes fluorescentes y marcadores en la investigación biológica , ^{[ 1 ]} así como medios de ganancia en láseres de colorante de estado sólido . ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]}

En su forma sólida cristalina, el núcleo BODIPY es casi, pero no del todo, plano y simétrico; excepto por los dos átomos de flúor, que se encuentran en el plano bisectriz perpendicular. ^{[ 1 ]} Su enlace puede explicarse asumiendo una carga negativa formal en el átomo de boro y una carga positiva formal en uno de los átomos de nitrógeno.

El BODIPY y sus derivados se pueden obtener haciendo reaccionar los correspondientes derivados de 2,2'-dipirrometeno con el complejo de trifluoruro de boro - dietil éter ( BF₃ ·(C₂ H₅ )₂ O) en presencia detrietilaminao1,8-diazabiciclo[5.4.0]undec-7-eno(DBU). ^{[ 1 ]} La dificultad de la síntesis se debió a la inestabilidad del precursor habitual de dipirrometeno, más que al BODIPY en sí. ^{[ 1 ] [ 8 ]}

Los precursores de dipirrometeno se obtienen a partir de derivados de pirrol adecuados mediante diversos métodos. Normalmente, una posición alfa en los pirroles empleados está sustituida y la otra está libre. La condensación de dicho pirrol, a menudo disponible mediante la síntesis de pirroles de Knorr , con un aldehído aromático en presencia de ácido trifluoroacético produce dipirrometano, que se oxida a dipirrometeno utilizando un oxidante de quinona como DDQ ^{[ 1 ]} o p-cloranilo ^{[ 9 ]} .

Alternativamente, los dipirrometenos se preparan tratando un pirrol con un derivado de ácido carboxílico activado, generalmente un cloruro de acilo . Los dipirrometenos asimétricos se pueden obtener condensando pirroles con 2-acilpirroles. Los dipirrometanos intermedios se pueden aislar y purificar, pero el aislamiento de los dipirrometenos suele verse dificultado por su inestabilidad.

El núcleo BODIPY posee una rica química de derivados debido a su alta tolerancia a las sustituciones en los materiales de partida de pirrol y aldehído (o cloruro de acilo). ^{[ 8 ]} La derivatización y funcionalización de los colorantes BODIPY se complica por la sensibilidad del núcleo BODIPY a condiciones fuertemente ácidas o fuertemente básicas. Esta sensibilidad al pH depende de los sustituyentes presentes en el boro. La degradación de los colorantes BODIPY promovida por ácido ocurre mediante la desboronación del núcleo BODIPY. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

Los átomos de hidrógeno en las posiciones 2 y 6 del núcleo cíclico pueden ser desplazados por átomos de halógeno utilizando reactivos de succinimida como NCS , NBS y NIS , lo que permite una postfuncionalización adicional a través de reacciones de acoplamiento de paladio con ésteres de boronato, reactivos de estaño, etc. ^{[ 8 ]} El α-metilo (posiciones 3 y 5) de un BODIPY tiene un carácter nucleofílico parcial y puede ser fácilmente bromado con NBS. ^{[ 14 ]}

Los dos átomos de flúor en el átomo de boro pueden ser reemplazados, durante o después de la síntesis, por otros reactivos nucleofílicos fuertes, como especies de alquinos o arilo litiados, ^{[ 8 ]} cloro , ^{[ 9 ]} metoxi , ^{[ 9 ]} o un "eslingote" divalente. ^{[ 15 ]} La reacción es catalizada por BBr ₃ o SnCl ₄ . ^{[ 16 ]}

El BODIPY y muchos de sus derivados han recibido atención recientemente por ser colorantes fluorescentes con propiedades únicas. Absorben fuertemente la radiación UV y la reemiten en rangos de frecuencia muy estrechos, con altos rendimientos cuánticos , principalmente en longitudes de onda inferiores a 600 nm . Son relativamente insensibles a la polaridad y al pH de su entorno y son razonablemente estables en condiciones fisiológicas. Pequeñas modificaciones en sus estructuras permiten ajustar sus características de fluorescencia. ^{[ 8 ]} Los colorantes BODIPY son relativamente inertes químicamente. La fluorescencia se extingue en solución, lo que limita su aplicación. Este problema se ha resuelto mediante la síntesis de complejos de boro asimétricos y la sustitución de los grupos flúor por grupos fenilo.

El BODIPY no sustituido tiene una banda de absorción amplia, de aproximadamente 420 a 520 nm (con un pico en 503  nm) y una banda de emisión amplia de aproximadamente 480 a 580  nm (con un pico en 512  nm), con un tiempo de vida de fluorescencia de 7,2 ns . Su rendimiento cuántico de fluorescencia es cercano a 1, mayor que el de los colorantes BODIPY sustituidos y comparable al de la rodamina y la fluoresceína , pero la fluorescencia se pierde por encima de 50  °C. ^{[ 2 ]}

Los colorantes BODIPY se caracterizan por su excepcional desplazamiento de Stokes , altos rendimientos cuánticos de fluorescencia independientes del entorno , que a menudo se aproximan al 100 % incluso en agua, picos de excitación y emisión nítidos que contribuyen al brillo general, y alta solubilidad en numerosos disolventes orgánicos. La combinación de estas cualidades hace que los fluoróforos BODIPY sean prometedores para aplicaciones de imagen. La posición de las bandas de absorción y emisión permanece prácticamente inalterada en disolventes de diferente polaridad, ya que el cambio del momento dipolar permanente tras la excitación es mínimo.

The advantages of BODIPY are their low photodegradation, low toxicity and polarity, high biocompatibility, charge neutrality, and high fluorescence quantum yield, all of which make BODIPY effective markers.^[17][18] BODIPY conjugates are widely studied as potential sensors and for labelling biomolecules and cellular compartments (e.g. cell organelles) ^{[19][20][21][22]} by exploiting its highly tunable optoelectronic properties.^{[23][24][25][26][27][28][29]} BODIPY dyes functionalized at the meso-methyl position (analogous to the benzylic position) are commonly used as photocages that release cargo via an S_N1-like photoheterolysis mechanism. Photorelease quantum yield from BODIPY photocages can be enhanced via the heavy atom effect.^[30]

Numerous BODIPY derivatives are being investigated as electroactive species for single-substance redox flow batteries.^[31] In recent years, BODIPY derivatives are also being explored as photosensitizers for applications in photodynamic therapy^[32] and photocatalysis.^[33]

• Azadipyrromethene