Клик-химия без содержания меди
Безмедийная клик-химия представляет собой биоортогональную реакцию как вариант азид-алкинового циклоприсоединения Хейсгена . За счет устранения цитотоксических медных катализаторов реакция протекает без токсичности для живых клеток. [1] Он был разработан как более быстрая альтернатива лигированию Штаудингера с использованием первого поколения клик-химии без меди, обеспечивающей получение констант скорости более чем в 63 раза быстрее.
Хотя в результате реакции образуется региоизомерная смесь триазолов, отсутствие региоселективности в реакции не является серьезной проблемой для ее применения в биоортогональной химии . Более региоспецифичным и менее биоортогональным требованиям лучше всего удовлетворяет традиционное циклоприсоединение Хейсгена , особенно учитывая низкий выход и синтетическую сложность синтеза напряженного циклооктина (по сравнению с добавлением терминального алкина ).
Биоортогональность реакции позволила применить реакцию щелчка без меди в культивируемых клетках, живых рыбках данио и мышах.
Отсутствие экзогенных металлических катализаторов делает химические реакции без меди пригодными для применения in vivo в области биоортогональной химии или биоортогональной клик-химии. [2]
Разработка циклооктинов
[ редактировать ]
Фторированные циклооктины
[ редактировать ]Производное циклооктана OCT было первым, разработанным для клик-химии без меди; для продвижения реакции требовалась только кольцевая деформация, а кинетика едва улучшалась по сравнению с лигированием Штаудингера . После ОКТ и МОФО (монофторированный циклооктин) был разработан дифторированный циклооктин (ДИФО). [1] Был представлен улучшенный синтетический подход к монофторзамещенному циклооктину (MFCO), который можно было легко превратить в полезный реакционноспособный промежуточный продукт для применений биоконъюгации, хотя реакционная способность была несколько медленнее, чем DIFO. MFCO продемонстрировал отличные характеристики стабильности при длительном хранении. [2]
Замещенный циклооктин активируется для 1,3-диполярного циклоприсоединения за счет деформации его кольца и электроноакцепторных фторсодержащих заместителей, что позволяет реакции протекать с кинетикой, сравнимой с катализируемым Cu циклоприсоединением Хейсгена. Деформация кольца (~18 ккал/моль) возникает в результате отклонения валентных углов от идеальных 180° с образованием восьмичленного кольца, самого маленького из всех циклоалкинов. Электроноакцепторные фтористые заместители были выбраны из-за их простоты синтеза и совместимости с живыми биологическими системами. Кроме того, группа не может производить перекрестно реагирующие акцепторы Михаэля, которые могли бы действовать как алкилирующие агенты по отношению к нуклеофильным частицам внутри клеток.
Как и большинство циклооктинов, DIFO предпочитает конформацию кресла как в основном состоянии, так и в пути тяги с минимальной энергией, хотя переходные состояния «лодочки» также могут быть задействованы. Региоселективность газовой фазы рассчитана так, чтобы присоединение 1,5 было более предпочтительным, чем присоединение 1,4, с энергией активации до 2,9 ккал/моль в газовой фазе; поправки на сольватацию дают одинаковые энергетические барьеры для обоих региоизомеров, что объясняет региоизомерную смесь, возникающую в результате циклоприсоединения DIFO. Хотя 1,4-изомеру не нравится его больший дипольный момент (все богатые электронами заместители на одной стороне), сольватация стабилизирует его сильнее, чем 1,5- изомер , разрушая региоселективность. Экспериментальные исследования Кэролайн Р. Бертоцци сообщают о соотношении региоизомеров почти 1: 1, что подтверждает предсказанное отсутствие региоселективности при добавлении.
Более того, почти вся энергия искажения (92%) возникает из-за искажения 1,3-диполя, а не циклооктина, который имеет предварительно искаженную геометрию основного состояния, что увеличивает его реакционную способность. Фторирование уменьшает энергию искажения, позволяя достичь переходного состояния с меньшим искажением 1,3-диполя во время реакции, что приводит к увеличению угла диполя.
Арильные циклооктины
[ редактировать ]Слияние циклооктина с двумя арильными кольцами увеличивает скорость реакции, а циклооктиновые реагенты группы Бертоцци прошли серию слияний, направленных на еще большее увеличение деформации кольца. DIBO (дибензоциклооктин) был разработан как предшественник BARAC (биарилазациклооктинон), хотя расчеты предсказывали, что оптимальным будет одно конденсированное арильное кольцо. Попытки получить дифторбензоциклооктин (ДИФБО) не увенчались успехом из-за нестабильности соединения.
Причина нестабильности DIFBO заключается в том, что он настолько реакционноспособен, что спонтанно тримеризуется с образованием двух асимметричных продуктов, которые можно охарактеризовать с помощью рентгеновской кристаллографии. Для стабилизации DIFBO его улавливают путем образования стабильного комплекса включения с β-циклодекстрином в водной среде. Этот комплекс, образованный β-циклодекстрином, можно затем хранить в виде лиофилизированного порошка. Чтобы получить свободный DIFBO, лиофилизированный порошок диссоциируют органическими растворителями с получением свободного DIFBO для кинетического и спектроскопического анализа in situ. [3]
Проблемы с DIFO в исследованиях на мышах in vivo иллюстрируют сложность получения биоортогональных реакций.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Джереми М. Баскин; Дженнифер А. Прешер; Скотт Т. Лафлин; Николас Дж. Агард; Памела В. Чанг; Исаак А. Миллер; Андерсон Ло; Джулиан А. Коделли; Кэролин Р. Бертоцци (2007). «Клик-химия без содержания меди для динамической визуализации in vivo» . Труды Национальной академии наук . 104 (43): 16793–16797. Бибкод : 2007PNAS..10416793B . дои : 10.1073/pnas.0707090104 . ПМК 2040404 . ПМИД 17942682 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Гордон, Челси Дж.; Бертоцци, Кэролин Р. (03 марта 2017 г.), Алгар, В. Расс; Доусон, Филип Э.; Мединц, Игорь Л. (ред.), «Применение биоортогональной химии in vivo» , Реакции хемоселективного и биоортогонального лигирования , Вайнхайм, Германия: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, стр. 417–457, номер документа : 10.1002/9783527683451 .ch14 , ISBN 978-3-527-68345-1 , получено 29 июля 2022 г.
- ^ Слеттен, Эллен М.; Накамура, Хитоми; Джуэтт, Джон К.; Бертоцци, Кэролин Р. (25 августа 2010 г.). «Дифторбензоциклооктин: синтез, реакционная способность и стабилизация β-циклодекстрином» . Журнал Американского химического общества . 132 (33): 11799–11805. дои : 10.1021/ja105005t . ISSN 0002-7863 . ПМЦ 2923465 . ПМИД 20666466 .