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ClickChemistry点击化学的反应类型和常见应用

更新时间:2023-06-15   点击次数:2549次
点击化学反应的常见


1. Cu(I)-催化的叠氮-炔基点击化学反应(CuAAC)

紧随点击化学概念的提出,一价铜催化的叠氮化物-炔烃环加成反应在2002年被Sharpless和Medal组分别独立报道。该反应可谓点击化学中的第一个经典之作。叠氮和端炔在绝大多数化学条件下保持稳定,却可以在一价铜催化条件下,高效专一地转换为1,3-取代的三氮唑 (式1) 。与其结构一致的链接基团在自然界中尚未被发现,但条件温和、产率高、具有很高的化学选择性且不受水氧干扰等特点成为该反应的突出优势。


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2. 应变促进的叠氮-炔点击化学反应 (SPAAC)

Bertozzi等人于2004年开发出了应变促进叠氮-炔烃的环化加成反应(strain-promoted azide-alkyne cycloaddition, SPAAC),它不需要使用金属催化剂、还原剂或稳定配体。相反,该反应利用环应变成为环辛炔(例如OCT、BCN、DBCO、DIBO和DIFO)释放的焓形成稳定的三唑(式2)。尽管SPAAC的反应动力学比CuAAC慢,但它在活细胞中的生物相容性是毫无疑问的。迄今为止,该反应已广泛应用于杂化和嵌段聚合物形成、代谢工程、纳米粒子功能化、寡核苷酸标记等领域。

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3. 四嗪和烯烃(反式环辛烯)之间的连接

反式环辛烯TCO在逆电子需求狄尔斯阿尔德 (IEDDA) 中反应,在生理条件下的反应具有无需催化剂、反应速率快和生物相容性好的特点。反式环辛烯被广泛应用于生物和材料科学的研究中,尤其是靶向医学成像或治疗的预靶向方法和相关的试剂盒。四嗪Tetrazine是一类含有反应性四嗪基团的点击化学标记试剂,含有四个氮原子的六元杂环化合物,有三种异构体:1,2,3,4-四嗪、1,2,4,5-四嗪、1,2,3,5-四嗪。四嗪试剂与TCO(反式环辛烯)在逆电子需求 Diels Alder 反应和逆 Diels Alder 反应中具有高反应性以消除氮气。这是在标记活细胞、分子成像和其他生物偶联应用中以低浓度进行生物偶联的非常快速的反应。



点击化学的反应特征



(1)反应模块化,如叠氮和炔基都能生成三唑类化合物;

(2)原料易得、适用范围广;

(3)反应收率高,区域与立体选择性好;

(4)操作简单,反应条件温和、不怕水和氧;

(5)产物易分离提纯,重结晶或蒸馏即可分离,无需层析柱分离;

(6)绝大部分反应涉及碳-杂原子(主要是氮 ,氧,硫)键的形成;

(7)反应需要高的热力学驱动力(>84kJ/mol);

(8)点击反应一般为化合(无副产物)或缩合反应(产物为水等小分子) 。


点击化学的广泛应用



1. 药物方面

Buckle等的研究显示,三唑类衍生物是强有力的抗皮肤过敏性药物,以小白鼠作为受体,显示了良好的药物活性。1,2,3-三唑取代的苯磺酰胺类化合物是人类β-肾上腺激素受体很强的选择性收缩剂,药理筛选实验证明,其同系物是具有非凡作用。具有选择性的小分子抗凝药替卡格雷是一种1,2,3-三氮唑衍生物,该药能可逆性作用于血管平滑肌细胞上的嘌呤亚型P2Ym对ADP引起的血小板聚集有明显的抑制作用且口服使用后起效迅速,因此能有效改善急性冠心病患者的症状。


2. 先导化合物库的合成

直接使用点击组件模块库的构建过程对于新型分子药物的快速组合合成是非常理想的,可以极大缩短先导化合物发现和结构优化所需的时间。利用一些短的反应序列,点击化学可以在实验室大量制备结构复杂、新颖,并具有多样性的化合物库,如l,2-二取代乙烷衍生物库、五元芳杂环化合物库、1,2.3-三唑衍生物库和非芳杂环化合物库等。如Khanetskyy等哈成了包含有27个嘧啶酮为基本骨架的化合物库。反应过程包括:甲基溴化,叠氮化,偶极环加成反应成环。反应中多步运用微波促进技术;并利用cu(D催化最后的成环反应,得到了较好的结果。


3. 靶标导向的活性小分子合成

应用靶标导(target-guided)的点击化学可以发现高亲和力的抑制剂,结构合适的叠氮基化合物与炔基化合物在酶活性中心的催化下能快速的生成立体专一的三氮唑化合物,合成酶自身的抑制剂。Sharpless等利用用生理条件下惰性的反应物,进行不可逆的靶标导向合成,得到高亲和性的AChE抑制剂。


4. 糖蛋白

糖蛋白在生物制药领域有着非常重要的地位,通常糖蛋白包含以N或O方式与蛋白质连接的寡糖,但糖肽键对酶水解非常敏感,限制了其新陈代谢的稳定性。此外,由于糖基部分的消除容易抑制O-糖蛋白的合成组装。点击化学能克服合成和新陈代谢的不稳定性,因此将点击化学用于糖蛋白的合成非常适合Rutjes等用叠氮氨基酸和炔基配糖通过点击反应在温和的条件下合成了三唑糖氨基酸,且产率较高。Macmillan和Blanc对半胱氨酸硫醇进行化学选择性的炔基团取代,清楚表明了点击化学和自然化学连接(native chemical strategy)的兼容性。Westermann等将点击化学与关环转换反应(ring closing metathesis)相结合制备了大环糖脂模拟库。


5. 生物探针和微阵列

功能化的平面在当今生物技术中起到重要的作用,例如在糖、DNA或蛋白质微阵列、生物传感器或微流体设备中的应用;而高效的三唑连接非常适合于修饰有机或无机表面,因此近年来许多用于修饰基片平面的点击化学方法被大量报道。糖阵列是用于筛选血凝素蛋白的高效能手段。Wong课题组最早使用点击化学构建糖基微阵列,其目的是开发一种可实现的、高效能的筛选方法,用于类似血凝素蛋白质的识别。其中,叠氮基团修饰的半乳糖在室温下通过CuI/DIPEA催化与疏水的丙烯酰胺发生环加成反应,然后丙烯酰胺再以非共价键的方式附于聚苯乙烯载体上。实验表明绑定了D-半乳糖苷的蓖麻蛋白B血凝素蛋白能成功地被糖阵列筛选。Wong课题组还报道了一种使用点击化学作为主要固定途径的非共价键糖阵列,它可以用于Fuc-T抑制剂的高效能筛选。为开发更稳定的高效能筛选方案。


6. 免疫荧光检测

孙丹等报道了一种新型免疫荧光标记方法及其在细胞荧光检测中的用。首先,合成了2个关键的化合物6-叠氮-己酸琥珀酰亚胺活性酯和4-乙炔基一Ⅳ-乙基-1,8-萘酰亚胺,并将合成的6-叠氮-己酸琥珀酰亚胺活性酯与抗her2抗体Anti—HPl5的游离氨基偶联获得叠氮化IgG;随后通过铜离子化4-乙炔基-N-乙基-1,8-萘酰亚胺中的炔基与标记抗体的叠氮基团进行点击化学反应,同时以NHS-FITC和NHS-Rhodamine标记的抗体为阳性对照,测定了该标记方法的灵敏度,结果与阳性对照相当。然后,在细胞水平上进行染色其检出限可达0.1μg,结果表明,叠氮标记抗体可有效应用于免疫荧光染色分析。最后,采用激光共聚焦三通道复合荧光分析法对不同标记方法及其对应的免疫荧光显色方法进行了研究,确认采用本文方法标记的抗体可与其它免疫荧光技术同时使用,且结果互不干扰。本研究通过开发一种新型的抗体标记技术,建立了一种新的免疫荧光抗体分析方法,并在细胞水平上进行了应用验证,丰富了免疫荧光抗体检测手段。该方法在未来的免疫研究中具备发展潜力和广泛的应用前景。




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