Eine kurze Einführung in die Click-Chemie

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Einführung in die Click-Chemie

Am 5. Oktober 2022 um 11:45 Uhr Ortszeit in Schweden (17:45 Uhr am 5. Oktober Pekinger Zeit) gab das Nobelpreiskomitee bekannt, dass der Nobelpreis für Chemie 2022 an die amerikanische Chemikerin Carolyn R. Bertozzi aus Dänemark verliehen wird Dem Chemiker Morten Meldal, einem amerikanischen Chemiker, und Karl Barry Sharpless, einem amerikanischen Chemiker, für ihre herausragenden Beiträge zur Entwicklung der Klick-Chemie und der bioorthogonalen Chemie. Das Konzept der Klick-Chemie wurde erstmals von Sharpless vorgeschlagen und zur Verknüpfung organischer und bioorganischer Moleküle eingesetzt. Unter Click-Chemie versteht man eine Reihe effizienter, robuster und stereoselektiver Reaktionen, die einfache Reaktionsbedingungen und leicht verfügbare Ausgangsmaterialien nutzen können, um vielversprechende Bausteine ​​zu entwickeln.

Blickt man auf die Entwicklung der organischen Synthese vor der Einführung des Konzepts der Klick-Chemie zurück, so dominierten die Vereinigten Staaten nach dem Zweiten Weltkrieg die Grenzen dieses Gebiets. Die Forschungsarbeiten konzentrierten sich auf die Synthese komplexer molekularer Strukturen (insbesondere Naturstoffe) durch den Aufbau von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen (CC). und EJ Corey und andere vollsynthetische Meister vertreten. Ihre Arbeit verkörpert den Mut der Menschen, die Natur herauszufordern, und einige neuartige Synthesemethoden, über die berichtet wird, machen auch den Inhalt der organischen Chemie umfangreicher und systematischer, aber diese Reaktionen sind in anderen Bereichen aufgrund hoher betrieblicher Schwierigkeiten oder geringer Ausbeuten oft schwierig zu untersuchen. sind weit verbreitet. Nukleinsäuren und Proteine ​​sind in der Natur häufig vorkommende Biomakromoleküle. Komplexe chemische Strukturen und vielfältige biologische Funktionen werden durch kleine molekulare Einheiten realisiert, die durch Kohlenstoff-Heteroatom-Bindungen (Phosphatbindungen und Peptidbindungen) verbunden sind. Davon inspiriert schlug Sharpless 2001 das Konzept der Klick-Chemie vor und betonte die schnelle und zuverlässige chemische Synthese verschiedener Moleküle auf der Grundlage der Synthese von Kohlenstoff-Heteroatom-Bindungen (CXC) und sogar anorganischen Verknüpfungen.

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Klassifizierung chemischer Click-Reaktionen

Unmittelbar im Anschluss an das Konzept der Klick-Chemie wurde 2002 unabhängig voneinander von den Gruppen Sharpless und Medal über die durch einwertiges Kupfer katalysierte Azid-Alkin-Cycloaddition berichtet. Diese Reaktion kann als erste klassische Arbeit der Klick-Chemie angesehen werden. Azide und terminale Alkine sind unter den meisten chemischen Bedingungen stabil, können aber unter monovalenten Kupfer-katalysierten Bedingungen effizient und spezifisch in 1,3-substituierte Triazole (Formel 1) umgewandelt werden. Die Verbindungsgruppe, die vollständig mit ihrer Struktur übereinstimmt, wurde in der Natur nicht gefunden, aber die Eigenschaften milder Bedingungen, hoher Ausbeute, hoher Chemoselektivität und keiner Beeinträchtigung durch Wasser und Sauerstoff sind zu den herausragenden Vorteilen dieser Reaktion geworden.

2. Spannungsvermittelte Azid-Alkin-Klick-Chemie (SPAAC)

Die spannungsvermittelte Azid-Alkin-Cycloaddition (SPAAC) wurde von Bertozzi et al. entwickelt. im Jahr 2004, das keine Verwendung von Metallkatalysatoren, Reduktionsmitteln oder stabilen Liganden erfordert. Stattdessen nutzt diese Reaktion die durch die Ringspannung an Cyclooctine (z. B. OCT, BCN, DBCO, DIBO und DIFO) freigesetzte Enthalpie, um stabile Triazole zu bilden (Gleichung 2). Obwohl die Reaktionskinetik von SPAAC langsamer ist als die von CuAAC, steht seine Biokompatibilität in lebenden Zellen außer Zweifel. Bisher wurde diese Reaktion in großem Umfang in den Bereichen Hybrid- und Blockpolymerbildung, Metabolic Engineering, Nanopartikelfunktionalisierung, Oligonukleotidmarkierung usw. eingesetzt.

3. Verknüpfung zwischen Tetrazin und Alkenen (trans-Cycloocten)

Trans-Cycloocten TCO reagiert im umgekehrten Elektronenbedarf nach Diels Alder (IEDDA), und die Reaktion unter physiologischen Bedingungen weist die Eigenschaften auf, dass kein Katalysator vorhanden ist, die Reaktionsgeschwindigkeit schnell ist und die Biokompatibilität gut ist. Trans-Cycloocten wird häufig in der biologischen und materialwissenschaftlichen Forschung eingesetzt, insbesondere in der Pre-Targeting-Methode und zugehörigen Kits für gezielte medizinische Bildgebung oder Therapie. Tetrazin ist eine Klasse von Click-Chemie-Markierungsreagenzien, die reaktive Tetrazingruppen enthalten, eine sechsgliedrige heterozyklische Verbindung mit vier Stickstoffatomen und drei Isomeren: 1,2,3,4-Tetrazin, 1,2,4,5-Tetrazin, 1,2,3,5-Tetrazin. Tetrazinreagenzien sind hochreaktiv mit TCO (trans-Cycloocten) in der Diels-Alder-Reaktion mit umgekehrtem Elektronenbedarf und der umgekehrten Diels-Alder-Reaktion zur Eliminierung von Stickstoff. Dies ist eine sehr schnelle Reaktion für die Biokonjugation bei niedrigen Konzentrationen bei der Markierung lebender Zellen, der molekularen Bildgebung und anderen Biokonjugationsanwendungen.

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Reaktionseigenschaften der Click-Chemie

(1) Reaktionsmodularisierung, wie z. B. Azid und Alkinyl, kann Triazolverbindungen erzeugen;

(2) Rohstoffe sind leicht zu beschaffen und haben ein breites Anwendungsspektrum;

(3) Hohe Reaktionsausbeute, gute Regio- und Stereoselektivität;

(4) Einfache Bedienung, milde Reaktionsbedingungen, keine Angst vor Wasser und Sauerstoff;

(5) Das Produkt ist leicht abzutrennen und zu reinigen und kann durch Umkristallisation oder Destillation ohne chromatographische Säulentrennung abgetrennt werden.

(6) Die meisten Reaktionen beinhalten die Bildung von Kohlenstoff-Heteroatom-Bindungen (hauptsächlich Stickstoff, Sauerstoff, Schwefel);

(7) Die Reaktion erfordert eine hohe thermodynamische Triebkraft (> 84 kJ/mol);

(8) Bei Klick-Reaktionen handelt es sich im Allgemeinen um chemische Verbindungen (keine Nebenprodukte) oder Kondensationsreaktionen (Produkte sind kleine Moleküle wie Wasser).

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Anwendungen der Click-Chemie

1. Drogen

Studien von Buckle et al. haben gezeigt, dass Triazolderivate wirksame Medikamente gegen Hautallergien sind, und sie haben bei Mäusen als Rezeptoren eine gute Arzneimittelwirkung gezeigt. 1,2,3-Triazol-substituierte Benzolsulfonamidverbindungen sind starke selektive Konstriktoren menschlicher β-adrenerger Hormonrezeptoren. Pharmakologische Screening-Experimente haben gezeigt, dass 4-Trifluormethylbenzyl-Homologe außergewöhnliche Wirkungen haben. Das selektive niedermolekulare Antikoagulans Ticagrelor ist ein 1,2,3-Triazol-Derivat, das reversibel auf den Purin-Subtyp P2Ym auf glatten Gefäßmuskelzellen wirken kann und die ADP-induzierte Blutplättchenaggregation beeinflusst. Es hat eine offensichtliche hemmende Wirkung und tritt nach oraler Verabreichung schnell ein, sodass es die Symptome von Patienten mit akuter koronarer Herzkrankheit wirksam lindern kann.

2. Synthese der Leitverbindungsbibliothek

Der Konstruktionsprozess, bei dem die Click-Komponentenmodulbibliothek direkt verwendet wird, ist ideal für die schnelle kombinatorische Synthese neuer molekularer Arzneimittel, wodurch die Zeit, die für die Entdeckung von Leitverbindungen und die Strukturoptimierung erforderlich ist, erheblich verkürzt werden kann. Mithilfe einiger kurzer Reaktionssequenzen kann die Klick-Chemie eine große Anzahl komplexer, neuartiger und vielfältiger Verbindungsbibliotheken im Labor herstellen, beispielsweise die Bibliothek von 1,2-disubstituierten Ethanderivaten, die Bibliothek fünfgliedriger aromatischer heterozyklischer Verbindungen und 1,2,3-Triazol Derivatbibliothek und nichtaromatische heterozyklische Verbindungsbibliothek usw. Beispielsweise haben Khanetskyy et al. haben eine Verbindungsbibliothek erstellt, die 27 Pyrimidinone als Grundgerüste enthält. Der Reaktionsprozess umfasst Methylbromierung, Azidierung und dipolare Cycloadditionsreaktionen zur Bildung eines Rings. Die mikrowellenunterstützte Technologie wurde in mehreren Schritten der Reaktion eingesetzt, und Cu(D wurde zur Katalyse der abschließenden Ringbildungsreaktion verwendet, und es wurden gute Ergebnisse erzielt.

3. Zielgerichtete aktive Synthese kleiner Moleküle

Mithilfe der zielgerichteten Klickchemie können hochaffine Inhibitoren gefunden werden. Azidoverbindungen und Alkinylverbindungen mit geeigneten Strukturen können unter der Katalyse des aktiven Zentrums des Enzyms schnell stereospezifische Triazolverbindungen erzeugen. Inhibitor der Synthetase selbst. Sharpless et al. verwendeten inerte Reaktanten unter physiologischen Bedingungen, um eine irreversible zielgerichtete Synthese durchzuführen und hochaffine AChE-Inhibitoren zu erhalten.

4. Glykoproteine

Glykoproteine ​​spielen im Bereich der Biopharmazeutika eine sehr wichtige Rolle. Normalerweise enthalten Glykoproteine ​​Oligosaccharide, die in Form von N oder O an Proteine ​​gebunden sind. Glykopeptidbindungen reagieren jedoch sehr empfindlich auf enzymatische Hydrolyse, was ihre metabolische Stabilität einschränkt. Darüber hinaus wird der Aufbau der O-Glykoprotein-Synthese aufgrund der Eliminierung der Glykosyleinheit leicht gehemmt. Die Klick-Chemie kann die Instabilität von Synthese und Stoffwechsel überwinden, daher ist der Einsatz der Klick-Chemie bei der Synthese von Glykoproteinen für Rutjes et al. sehr geeignet. Triazolzuckeraminosäuren unter milden Bedingungen unter Verwendung von Azidoaminosäuren und Alkinglycosiden durch Klickreaktionen zu synthetisieren. Und der Ertrag ist höher. Die chemoselektive Alkingruppensubstitution von Cysteinthiolen durch Macmillan und Blanc demonstriert die Kompatibilität von Klick-Chemie und nativen chemischen Strategien. Westermann et al. kombinierte Klick-Chemie mit Ringschlussmetathese, um eine makrozyklische Glykolipid-Mimetika-Bibliothek herzustellen.

5. Biologische Sonden und Microarrays

Funktionalisierte Ebenen spielen in der heutigen Biotechnologie eine wichtige Rolle, beispielsweise bei Anwendungen in Zucker-, DNA- oder Protein-Mikroarrays, Biosensoren oder mikrofluidischen Geräten; Während effiziente Triazolbindungen sehr gut zur Modifizierung organischer oder anorganischer Oberflächen geeignet sind, wurde in den letzten Jahren über eine Vielzahl von Click-Chemie-Methoden zur Modifizierung von Substratebenen berichtet. Glykoarrays sind ein leistungsstarkes Mittel zum Screening von Hämagglutinin-Proteinen. Wongs Gruppe nutzte zunächst die Klick-Chemie zur Konstruktion von Glykosyl-Mikroarrays, um eine praktikable, leistungsstarke Screening-Methode zur Identifizierung von Hämagglutinin-ähnlichen Proteinen zu entwickeln. Unter ihnen durchläuft Azid-modifizierte Galactose eine Cycloadditionsreaktion mit hydrophobem Acrylamid unter der Katalyse von CuI/DIPEA bei Raumtemperatur, und dann wird Acrylamid auf nichtkovalente Weise an den Polystyrolträger gebunden. Experimente zeigten, dass D-Galactosid-gebundenes Ricin-B-Hämagglutinin-Protein mit einem Glykan-Array erfolgreich gescreent werden konnte. Wongs Gruppe berichtete auch über ein nichtkovalentes Zuckerarray, bei dem die Klick-Chemie als Hauptimmobilisierungsansatz zum Einsatz kam und das für ein hocheffizientes Screening von Fuc-T-Inhibitoren verwendet werden kann. Entwicklung eines stabileren, hocheffizienten Screening-Programms.

6. Immunfluoreszenz-Detektion

Sun Dan et al. berichteten über eine neue Methode zur Immunfluoreszenzmarkierung und deren Anwendung bei der Autofluoreszenzdetektion. Zunächst wurden zwei Schlüsselverbindungen, 6-Azidohexansäuresuccinimid-Aktivester und 4-Ethinyl-IV-ethyl-1,8-naphthalimid, synthetisiert und die synthetisierte 6-Azid-Kupplung von Hexansäuresuccinimid-Aktivester mit dem freien Aminogruppe des Anti-her2-Antikörpers Anti-HPl5, um Azid-IgG zu erhalten; Anschließende Ionisierung von 4-Ethinyl-N-ethyl-1,8-naphthalimid durch Kupfer. Die Alkinylgruppe in und die Azidgruppe des markierten Antikörpers wurden chemisch reagiert. Gleichzeitig wurden die mit NHS-FITC und NHS-Rhodamin markierten Antikörper als Positivkontrollen verwendet, um die Empfindlichkeit der Markierungsmethode zu messen, und die Ergebnisse waren mit den Positivkontrollen vergleichbar. Dann kann die Nachweisgrenze der Färbung auf zellulärer Ebene 0,1 μg erreichen, und die Ergebnisse zeigen, dass der Azid-markierte Antikörper effektiv für die Immunfluoreszenz-Färbungsanalyse eingesetzt werden kann. Schließlich wurde die laserkonfokale dreikanalige zusammengesetzte Fluoreszenzanalysemethode verwendet, um verschiedene Markierungsmethoden und ihre entsprechenden chromogenen Immunfluoreszenzmethoden zu untersuchen und zu bestätigen, dass die mit dieser Methode markierten Antikörper gleichzeitig mit anderen Immunfluoreszenztechniken verwendet werden können, ohne sich gegenseitig zu stören. In dieser Studie wurde durch die Entwicklung einer neuen Antikörpermarkierungstechnik eine neue Methode zur Analyse von Immunfluoreszenz-Antikörpern etabliert und die Anwendungsüberprüfung auf zellulärer Ebene durchgeführt, was die Methoden zum Nachweis von Immunfluoreszenz-Antikörpern bereicherte. Diese Methode hat Entwicklungspotenzial und breite Anwendungsaussichten in der zukünftigen Immunforschung.