Una breve introducción a la química del clic

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Introducción a la química Click

A las 11:45 del 5 de octubre de 2022, hora local de Suecia (17:45 del 5 de octubre, hora de Beijing), el Comité del Premio Nobel anunció que el Premio Nobel de Química 2022 se otorgará a la química estadounidense Carolyn R. Bertozzi, de origen danés. al químico Morten Meldal, químico estadounidense, y a Karl Barry Sharpless, químico estadounidense, por sus destacadas contribuciones al desarrollo de la química del clic y la química bioortogonal. El concepto de química de clic fue propuesto por primera vez por Sharpless y se ha utilizado para vincular moléculas orgánicas y bioorgánicas. La química click se refiere a un conjunto de reacciones eficientes, robustas y estereoselectivas que pueden aprovechar condiciones de reacción simples y materiales de partida fácilmente disponibles para desarrollar componentes básicos prometedores.

Si analizamos el desarrollo de la síntesis orgánica antes de que se produjera el concepto de química de clic, Estados Unidos dominó la frontera de este campo después de la Segunda Guerra Mundial. El trabajo de investigación se centró en la síntesis de estructuras moleculares complejas (especialmente productos naturales) mediante la construcción de enlaces carbono-carbono (CC). y EJ Corey y otros maestros totalmente sintéticos representados. Su trabajo encarna el coraje de las personas para desafiar a la naturaleza, y algunos métodos sintéticos novedosos reportados también hacen que el contenido de la química orgánica sea más abundante y sistemático, pero estas reacciones a menudo son difíciles de estudiar en otros campos debido a su alta dificultad operativa o su bajo rendimiento. son ampliamente utilizados. Los ácidos nucleicos y las proteínas son biomacromoléculas comunes en la naturaleza. Estructuras químicas complejas y ricas funciones biológicas se realizan mediante pequeñas unidades moleculares unidas por enlaces carbono-heteroátomo (enlaces fosfato y enlaces peptídicos). Inspirado por esto, Sharpless propuso el concepto de química clic en 2001, enfatizando la síntesis química rápida y confiable de varias moléculas basada en la síntesis de enlaces carbono-heteroátomo (CXC) e incluso enlaces inorgánicos.

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Clasificación de reacciones químicas de clic.

Inmediatamente después del concepto de química de clic, los grupos Sharpless y Medal informaron de forma independiente la reacción de cicloadición de azida-alquino monovalente catalizada por cobre en 2002. Esta reacción puede considerarse como el primer trabajo clásico en química de clic. Las azidas y los alquinos terminales son estables en la mayoría de las condiciones químicas, pero pueden convertirse de manera eficiente y específica en triazoles 1,3 sustituidos (Fórmula 1) en condiciones catalizadas por cobre monovalente. El grupo de enlace que es completamente consistente con su estructura no se ha encontrado en la naturaleza, pero las características de condiciones suaves, alto rendimiento, alta quimioselectividad y ausencia de interferencia del agua y el oxígeno se han convertido en las ventajas sobresalientes de esta reacción.

2. Química de clic de azida-alquino promovida por cepas (SPAAC)

La cicloadición de azida-alquino promovida por cepa (SPAAC) fue desarrollada por Bertozzi et al. en 2004, que no requiere el uso de catalizadores metálicos, agentes reductores o ligandos estables. En cambio, esta reacción utiliza la entalpía liberada por la tensión del anillo a los ciclooctinos (p. ej., OCT, BCN, DBCO, DIBO y DIFO) para formar triazoles estables (Ec. 2). Aunque la cinética de reacción del SPAAC es más lenta que la del CuAAC, su biocompatibilidad en células vivas está fuera de toda duda. Hasta ahora, esta reacción ha sido ampliamente utilizada en los campos de la formación de polímeros híbridos y de bloques, ingeniería metabólica, funcionalización de nanopartículas, marcaje de oligonucleótidos, etc.

3. Enlace entre tetrazina y alquenos (transcicloocteno)

El transcicloocteno TCO reacciona en la demanda inversa de electrones Diels Alder (IEDDA), y la reacción en condiciones fisiológicas tiene las características de ausencia de catalizador, velocidad de reacción rápida y buena biocompatibilidad. El transcicloocteno se utiliza ampliamente en la investigación de biología y ciencia de materiales, especialmente el método de prefocalización y kits relacionados para terapia o imágenes médicas dirigidas. La tetrazina es una clase de reactivos de etiquetado de química clic que contienen grupos tetrazina reactivos, un compuesto heterocíclico de seis miembros que contiene cuatro átomos de nitrógeno y tiene tres isómeros: 1,2,3,4-tetrazina, 1,2,4,5-tetrazina, 1,2,3,5-tetrazina. Los reactivos de tetrazina son altamente reactivos con TCO (transcicloocteno) en la reacción de Diels Alder con demanda inversa de electrones y la reacción de Diels Alder inversa para eliminar nitrógeno. Esta es una respuesta muy rápida para la bioconjugación a bajas concentraciones en el etiquetado de células vivas, imágenes moleculares y otras aplicaciones de bioconjugación.

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Características de reacción de la química del clic

(1) La modularización de reacciones, como azida y alquinilo, puede generar compuestos de triazol;

(2) Las materias primas son fáciles de obtener y tienen una amplia gama de aplicaciones;

(3) Alto rendimiento de reacción, buena regio y estereoselectividad;

(4) Funcionamiento sencillo, condiciones de reacción suaves, sin miedo al agua ni al oxígeno;

(5) El producto es fácil de separar y purificar y puede separarse mediante recristalización o destilación sin separación en columna cromatográfica;

(6) La mayoría de las reacciones implican la formación de enlaces carbono-heteroátomo (principalmente nitrógeno, oxígeno, azufre);

(7) La reacción requiere una fuerza impulsora termodinámica elevada (>84 kJ/mol);

(8) Las reacciones de clic son generalmente compuestos químicos (sin subproductos) o reacciones de condensación (los productos son moléculas pequeñas como el agua).

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Aplicaciones de la química Click

1. Drogas

Los estudios de Buckle et al. han demostrado que los derivados de triazol son potentes fármacos antialérgicos de la piel y han demostrado una buena actividad farmacológica con ratones como receptores. Los compuestos de bencenosulfonamida sustituidos con 1,2,3-triazol son fuertes constrictores selectivos de los receptores de la hormona β-adrenérgica humana. Los experimentos de detección farmacológica han demostrado que los homólogos de 4-trifluorometilbencilo tienen efectos extraordinarios. El fármaco anticoagulante selectivo de molécula pequeña ticagrelor es un derivado de 1,2,3-triazol, que puede actuar de manera reversible sobre el subtipo de purina P2Ym en las células del músculo liso vascular y afecta la agregación plaquetaria inducida por ADP. Tiene un efecto inhibidor evidente y surte efecto rápidamente después de la administración oral, por lo que puede mejorar eficazmente los síntomas de los pacientes con enfermedad coronaria aguda.

2. Síntesis de la biblioteca de compuestos principales.

El proceso de construcción de utilizar directamente la biblioteca de módulos de componentes clic es ideal para la síntesis combinatoria rápida de nuevos fármacos moleculares, lo que puede acortar en gran medida el tiempo necesario para el descubrimiento de compuestos principales y la optimización de la estructura. Utilizando algunas secuencias de reacción cortas, la química click puede preparar una gran cantidad de bibliotecas de compuestos complejos, novedosos y diversos en el laboratorio, como la biblioteca de derivados de etano 1,2-disustituidos, la biblioteca de compuestos heterocíclicos aromáticos de cinco miembros, 1,2,3-triazol. biblioteca de derivados y biblioteca de compuestos heterocíclicos no aromáticos, etc. Por ejemplo, Khanetskyy et al. han creado una biblioteca de compuestos que contiene 27 pirimidinonas como esqueletos básicos. El proceso de reacción incluye reacciones de bromación de metilo, azidación y cicloadición dipolar para formar un anillo. La tecnología promovida por microondas se utilizó en múltiples pasos de la reacción, y se usó cu(D para catalizar la reacción final de formación de anillo, y se obtuvieron buenos resultados.

3. Síntesis de moléculas pequeñas activas dirigidas a objetivos

La química de clic guiada por objetivos se puede utilizar para encontrar inhibidores de alta afinidad. Los compuestos azido y los compuestos alquinílicos con estructuras apropiadas pueden generar rápidamente compuestos de triazol estereoespecíficos bajo la catálisis del centro activo de la enzima. Inhibidor de la propia sintetasa. Sharpless et al. utilizaron reactivos inertes en condiciones fisiológicas para realizar una síntesis irreversible dirigida a objetivos para obtener inhibidores de AChE de alta afinidad.

4. Glicoproteínas

Las glicoproteínas juegan un papel muy importante en el campo de la biofarmacia. Normalmente, las glicoproteínas contienen oligosacáridos unidos a proteínas en forma de N u O, pero los enlaces glicopeptídicos son muy sensibles a la hidrólisis enzimática, lo que limita su estabilidad metabólica. Además, el ensamblaje de la síntesis de O-glicoproteína se inhibe fácilmente debido a la eliminación del resto glicosilo. La química de clics puede superar la inestabilidad de la síntesis y el metabolismo, por lo que el uso de la química de clics en la síntesis de glicoproteínas es muy adecuado para Rutjes et al. sintetizar aminoácidos de azúcar de triazol en condiciones suaves mediante el uso de aminoácidos azido y glucósidos de alquino mediante reacciones de clic. Y el rendimiento es mayor. La sustitución quimioselectiva del grupo alquino de tioles de cisteína por Macmillan y Blanc demuestra la compatibilidad de la química de clic y las estrategias químicas nativas. Westermann et al. combinó la química de clic con metátesis de cierre de anillo para preparar una biblioteca imitadora de glicolípidos macrocíclicos.

5. Sondas biológicas y microarrays.

Los planos funcionalizados desempeñan un papel importante en la biotecnología actual, como aplicaciones en microarrays de azúcar, ADN o proteínas, biosensores o dispositivos de microfluidos; Si bien los enlaces de triazol eficientes son muy adecuados para modificar superficies orgánicas o inorgánicas, por lo tanto, en los últimos años se han informado muchos métodos de química de clic para modificar los planos del sustrato. Los glicoarrays son un medio de alto rendimiento para detectar proteínas hemaglutininas. El grupo de Wong utilizó por primera vez la química click para construir micromatrices de glicosilo, con el fin de desarrollar un método de detección alcanzable y de alto rendimiento para la identificación de proteínas similares a la hemaglutinina. Entre ellos, la galactosa modificada con azida sufre una reacción de cicloadición con acrilamida hidrófoba bajo la catálisis de CuI/DIPEA a temperatura ambiente, y luego la acrilamida se une al portador de poliestireno de forma no covalente. Los experimentos demostraron que la proteína hemaglutinina ricina B unida a D-galactósido podría detectarse con éxito mediante una matriz de glucanos. El grupo de Wong también informó sobre una matriz de azúcar no covalente que utiliza la química de clic como principal enfoque de inmovilización, que puede usarse para la detección de alta eficiencia de inhibidores de Fuc-T. Desarrollar un programa de detección más estable y de alta eficiencia.

6. Detección de inmunofluorescencia

Sun Dan et al. informaron un nuevo método de etiquetado de inmunofluorescencia y su aplicación en la detección de autofluorescencia. En primer lugar, se sintetizaron dos compuestos clave, el éster activo de succinimida del ácido 6-azido-hexanoico y la 4-etinil-IV-etil-1,8-naftalimida, y la 6-azida sintetizada. grupo amino del anticuerpo anti-her2 Anti-HPl5 para obtener IgG de azida; Ionización posterior de 4-etinil-N-etil-1,8-naftalimida con cobre. El grupo alquinilo y el grupo azida del anticuerpo marcado se hicieron reaccionar químicamente. Al mismo tiempo, los anticuerpos marcados con NHS-FITC y NHS-Rodamina se utilizaron como controles positivos para medir la sensibilidad del método de etiquetado, y los resultados fueron comparables a los de los controles positivos. Luego, el límite de detección de tinción a nivel celular puede alcanzar 0,1 μg y los resultados muestran que el anticuerpo marcado con azida se puede aplicar eficazmente al análisis de tinción por inmunofluorescencia. Finalmente, se utilizó el método de análisis de fluorescencia compuesta de tres canales confocal láser para estudiar diferentes métodos de etiquetado y sus correspondientes métodos cromogénicos de inmunofluorescencia y se confirmó que los anticuerpos marcados por este método se pueden usar simultáneamente con otras técnicas de inmunofluorescencia sin interferir entre sí. En este estudio, mediante el desarrollo de una nueva técnica de etiquetado de anticuerpos, se estableció un nuevo método de análisis de anticuerpos por inmunofluorescencia y la verificación de la aplicación se llevó a cabo a nivel celular, lo que enriqueció los métodos de detección de anticuerpos por inmunofluorescencia. Este método tiene potencial de desarrollo y amplias perspectivas de aplicación en futuras investigaciones inmunológicas.