“點擊化學”(Click chemistry),又譯為“鏈接化學”、“動態(tài)組合化學” (Dynamic Combinatorial Chemistry)、“速配接合組合式化學”,是由化學家巴里·夏普萊斯(K B Sharpless)在2001年引入的一個合成概念,主旨是通過小單元的拼接,來快速可靠地完成形形色色分子的化學合成。它尤其強調開辟以碳-雜原子鍵(C-X-C)合成為基礎的組合化學新方法,并借助這些反應(點擊反應)來簡單高效地獲得分子多樣性。
點擊化學應用于藥物開發(fā)和生物醫(yī)用材料等的諸多領域中,它已經成為目前很為有用和吸引人的合成理念之一。
一、點擊化學的反應原理
形象比喻
} “點擊”意味著用這些方法把分子片段拼接起來就像將搭扣2部分“喀噠”扣起來一樣簡單。無論搭扣自身接著什么,只要搭扣的2部分碰在一起,它們就能相互結合起來,而且搭扣的2部分結構決定了它們只能和對方相互結合起來。
點擊化學具有包括高選擇性、合成反應快速、反應條件簡單,不使用溶劑或在良性溶劑中進行,最好是水、副產物無害等優(yōu)點,被廣泛應用于生物學[6-8]、藥物開發(fā)[9]和材料學[10]等領域。
水相點擊化學
1、點擊反應容易在熱水中發(fā)生——可能是由于有機物分子在水中有著很高的分離速率常數,增強其反應活性。
2、對環(huán)氧和氮雜環(huán)丙烷的親核加成要求有氫鍵的環(huán)境,所以水是很好的溶劑。
3、對于烯/炔-點擊反應,需要可極化的親核/親電試劑,而水分子可以很好地將難極化的分子和易極化的分子區(qū)分開來。
二、點擊化學的反應特征
1、反應模塊化。如疊氮和炔基都能生成含有三唑的化合物。
2、起始原料或反應物易得。
3、反應操作簡單,條件溫和,對氧氣和水不敏感。
4、不需溶劑或用一些易于除去的溶劑,如水。
5、反應具有立體選擇性,但不要求對映異構選擇性。
6、產物易分離,后處理簡單。反應收率高,副產物少。
7、產物在生理條件下穩(wěn)定。
8、原料易的,高產率,區(qū)域/立體專一性。
三、點擊化學的反應類型
特殊生物分子標記要求反應過程可在生理條件(中性ph、水溶液、室溫)和低反應物濃度下進行,在適當的時間范圍確保無毒性和低本底的標記,同時保留生物學功能。在多余的可能性反應中,一般只有少量符合反應的必要性、選擇性和生物相容性條件。
點擊化學歸為兩類:銅催化和無銅反應。
(1)銅(I)催化疊氮化物-炔烴反應(Cu(I)- catalyzed Azide - Alkyne Click Chemistry reaction,CuAAC);
(2)力引發(fā)的的疊氮-炔基偶合反應(Strain-promoted Azide - Alkyne Click Chemistry reaction,SPAAC);
(3)四氮雜苯-反式環(huán)辛烯連接反應(Tetrazine–trans- Cyclooctene Ligation,TCO)。
反應(1)依賴Cu(I)離子催化進行反應,而反應(2)和(3)可在無金屬離子條件下進行反應。
比較知名的無銅疊氮化物-磷化氫反應(施陶丁格連接)由于受到磷化氫的不穩(wěn)定性和反應遲緩的限制,目前研究重心主要轉移到力引發(fā)的的疊氮-炔基偶合反應—TCO連接反應。
四、如何選擇合適的點擊化學反應?
一般來說,我們根據選擇性、反應性、生物相容性和穩(wěn)定性選擇合適的點擊化學反應。
1. Cu(I)-catalyzed Azide-Alkyne Click Chemistry (CuAAC) reaction[1]
這是常用的反應,一個功能化的疊氮化物分子A和功能化末端炔烴分子B反應,通過一部分苯三唑形成穩(wěn)定的A-B結合物(圖2)。
由于末端炔烴與疊氮化物基本不會發(fā)生反應,CuAAC反應效率主要依賴金屬催化劑,如帶+1電荷的氧化態(tài)Cu(I)。也可使用不同的銅來源和還原劑,如與連接抗壞血酸的CuSO4 提供Cu(II) 鹽也應用于大部分生物分之標記中[11,12]。
CuAAC反應在活性細胞中的應用受到Cu(I)離子毒性的限制,通過使用Cu(I)螯合配體如THPTA可以解決這個問題,它可提供雙重作用:(1)通過維持Cu(I)氧化狀態(tài)促進CuAAC反應;(2)保護生物分子免受氧化性損傷。
如果你要開始建立和優(yōu)化CuAAC反應體系,可參考Presolski [11] 和 Hong [12] 提供的通用方法。
特點:
ü 小型的疊氮化物和炔烴具有優(yōu)良的底物性質
ü 試驗適用條件的優(yōu)化(類型&銅來源、還原劑和銅配體)
ü 適用于對銅毒性不礙事的實驗(不推薦用于體內或活細胞標記)
反應速率較慢(相對其它兩種反應)
2. Strain-promoted Azide-Alkyne Click Chemistry (SPAAC) reaction
銅離子的細胞毒性常常限制了CuAAC反應的應用。無銅離子和非毒性的疊氮化物標記方法是SPAAC反應[3],它通過使用相對末端炔具有顯著減少活化能的環(huán)辛炔(strained cyclooctynes),因此不需要外源的催化劑[13]。
許多結構多種多樣的環(huán)辛炔衍生物(如DIFO、BCN、DIBAC、DIBO、ADIBO)已經研制出來,在反應動力學和親水性方面差異很大。我們的SPAAC結合化學是以雜氮芐基-環(huán)辛炔反應為基礎的(ADIBO = DBCO = DIBAC)(圖3)。
基于雜氮芐基-環(huán)辛炔(ADIBO=DBCO)的試劑具有高反應活性和足夠的親水性[14,15],因此低本底功能性疊氮化物分子標記[16]甚至比CuAAC反應效率更高。而且疊氮化物-DBCO反應選擇性高 ,因此理想地適合和四氮雜苯-反式環(huán)辛烯連接反應進行雙重標記方法[17]。
特點:
ü 檢測小分子疊氮化物比CuAAC反應更快
ü 不需要銅離子,無毒性
ü 沒有催化劑或者配體,因此無需大量的條件優(yōu)化
ü 適合與四氮雜苯-反式環(huán)辛烯連接反應進行雙標記方法
3. Tetrazine-trans-Cyclooctene Ligation
四氮雜苯-反式環(huán)辛烯連接反應組成一種快速、無毒性生物分子標記方法,可理想的用于體內細胞標記和低濃度使用。一個功能化四氮雜苯分子A和一個功能化反式環(huán)辛烯(TCO)分子B反應,從而通過一部分二氫毗嗪形成一個穩(wěn)定的A-B結合物(圖4)。
一些結構多樣的烯烴和四氮雜苯衍生物在反應動力學和穩(wěn)定性方面具有很大的不同。TCO與四氮雜苯的反應活性較高[18,19]。
四氮雜苯衍生物與TCO的反應活性取決于位置3(圖4,R1)和位置6 (圖4,R2)的取代基。目前已篩選出2種不同反應活性和穩(wěn)定性的四氮雜苯,以滿足不同的要求。如果快速反應動力學是主要因素,四氮雜苯 (R1=phenyl, R2=H) 試劑是理想的選擇,而6-甲基-四氮雜苯 (R1=phenyl, R2=CH3) 試劑則適用于化學穩(wěn)定性要求較高的反應[18]。
特征:
ü 快速點擊化學反應,適合體內細胞標記和低濃度反應。
ü 無需銅離子,無毒
ü 無催化劑或者配體,不需大量的條件優(yōu)化
適用于與力引發(fā)的疊氮-DBCO偶合反應[17]
五、點擊化學試劑的選擇
Overview of available CLICK Reagents
Selected References
[1] Kolb et al. (2001) Click chemistry: diverse chemical function from a few good reactions. Angew. Chem. Int. Ed. 40 (11):2004. [2] Sletten et al. (2009) Bioorthogonal Chemistry: Fishing for Selectivity in a Sea of Functionality. Angew. Chem. Int. Ed.48:6998. [3] Jewett et al.(2010) Cu-free click cycloaddition reactions in chemical biology. Chem. Soc. Rev. 39(4):1272. [4] Best et al. (2009) Click Chemistry and Bioorthogonal Reactions: Unprecedented Selectivity in the Labeling of Biological Molecules. Biochemistry.48:6571. [5] Lallana et al. (2011) Reliable and Efficient Procedures for the Conjugation of Biomolecules through Huisgen Azide–Alkyne Cycloadditions. Angew. Chem. Int. Ed. 50:8794.
[6] Grammel et al. (2013) Chemical Reporters for biological discovery. Nature Chemical Biology 9:475. [7] Xie et al. (2013) Cell-selective metabolic labeling of biomolecules with bioorthogonal functionalities. Current Opinion in Chemical Biology 17:747. [8] Su et al. (2013) Target identification of biologically active small molecules via in situ methods. Current Opinion in Chemical Biology17:768. [9] Zeng et al. (2013) The Growing Impact of Bioorthogonal Click Chemistry on the Development of Radiopharmaceuticals. J Nucl Med 54:829. [10] Evans et al. (2007) The Rise of Azide–Alkyne 1,3-Dipolar 'Click' Cycloaddition and its Application to Polymer Science and Surface Modification. Australian Journal of Chemistry 60(6):3
[11] Presolski et al. (2011) Copper-Catalyzed Azide-Alkyne Click Chemistry for Bioconjugation. Current Protocols in Chemical Biology 3:153.
[12] Stanislav et al. (2009) Analysis and Optimization of Copper-Catalyzed Azide-Alkyne Cycloaddition for Bioconjugation. Angew. Chem. Int. Ed. 48:9879.