Химия щелчков без содержания меди

Химия кликов без меди представляет собой биоортогональную реакцию как вариант азид-алкинового циклоприсоединения Хьюзгена . За счет исключения цитотоксичных медных катализаторов реакция протекает без токсичности для живых клеток. ^[1] Она была разработана как более быстрая альтернатива лигированию Штаудингера с первым поколением химии кликов без меди, обеспечивая константы скорости более чем в 63 раза быстрее.

Хотя реакция производит региоизомерную смесь триазолов, отсутствие региоселективности в реакции не является серьезной проблемой для ее применения в биоортогональной химии . Более региоспецифические и менее биоортогональные требования лучше всего удовлетворяются традиционным циклоприсоединением Хьюзгена , особенно с учетом низкого выхода и синтетической сложности синтеза напряженного циклооктина (по сравнению с присоединением терминального алкина ).

Биоортогональность реакции позволила применять клик-реакцию без Cu в культивируемых клетках, на живых данио-рерио и мышах.

Отсутствие экзогенных металлических катализаторов делает химические реакции без Cu подходящими для применения in vivo биоортогональной химии или биоортогональной клик-химии. ^[2]

Производное циклооктана OCT было первым, разработанным для клик-химии без Cu; у него было только кольцевое напряжение для продвижения реакции вперед, и кинетика была едва улучшена по сравнению с лигированием Штаудингера . После OCT и MOFO (монофторированный циклооктин) был разработан дифторированный циклооктин (DIFO). ^[1] Был представлен улучшенный синтетический подход к монофторзамещенному циклооктину (MFCO), который можно было легко преобразовать в полезный реактивный промежуточный продукт для приложений биоконъюгации, хотя реакционная способность была несколько медленнее, чем DIFO. MFCO продемонстрировал превосходные характеристики стабильности при длительном хранении. ^[2]

Замещенный циклооктин активируется для 1,3-диполярного циклоприсоединения своим кольцевым напряжением и электроноакцепторными фторидными заместителями, что позволяет реакции протекать с кинетикой, сопоставимой с катализируемым Cu циклоприсоединением Хьюзгена. Кольцевое напряжение (~18 ккал/моль) возникает из-за отклонения углов связи от идеальных 180° с образованием восьмичленного кольца, наименьшего из всех циклоалкинов. Электроноакцепторные фторидные заместители были выбраны из-за их синтетической легкости 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 видам 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 в лодочке также могут быть задействованы. Региоселективность газовой фазы рассчитывается в пользу присоединения 1,5 по сравнению с присоединением 1,4 до 2,9 ккал/моль по энергии активации в газовой фазе; поправки на сольватацию дают одинаковые энергетические барьеры для обоих региоизомеров, объясняя региоизомерную смесь, которая получается в результате циклоприсоединения DIFO. В то время как изомер 1,4 неблагоприятен из-за своего большего дипольного момента (все богатые электронами заместители на одной стороне), сольватация стабилизирует его сильнее, чем изомер 1,5 , разрушая региоселективность. Экспериментальные исследования Кэролин Р. Бертоцци сообщают о соотношении региоизомеров почти 1:1, что подтверждает предсказанное отсутствие региоселективности при присоединении.

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 снижает энергию искажения, позволяя достичь переходного состояния с меньшим искажением 1,3-диполя во время реакции, что приводит к большему дипольному углу.

Слияние циклооктина с двумя арильными кольцами увеличивает скорость реакции, и циклооктиновые реагенты группы Бертоцци прошли через серию слияний, которые стремились еще больше увеличить напряжение кольца. DIBO (дибензоциклооктин) был разработан как предшественник BARAC (биарилазациклооктинон), хотя расчеты предсказывали, что одно конденсированное арильное кольцо будет оптимальным. Попытки сделать дифторбензоциклооктин (DIFBO) не увенчались успехом из-за нестабильности соединения.

Причина нестабильности DIFBO заключается в том, что он настолько реактивен, что спонтанно тримеризуется с образованием двух асимметричных продуктов, которые можно охарактеризовать с помощью рентгеновской кристаллографии. Чтобы стабилизировать DIFBO, его захватывают, образуя стабильный комплекс включения с β-циклодекстрином в водной среде. Этот комплекс, образованный с β-циклодекстрином, затем можно хранить в виде лиофилизированного порошка. Чтобы получить свободный DIFBO, лиофилизированный порошок диссоциируют с органическими растворителями для получения свободного DIFBO для in situ кинетического и спектроскопического анализа. ^[3]

Проблемы с DIFO в исследованиях на мышах in vivo иллюстрируют сложность создания биоортогональных реакций.