点击化学

在化学合成中，点击化学是一类常用于生物共轭的生物相容性小分子反应，允许将选择的底物与特定的生物分子连接起来。点击化学不是单一的特定反应，而是描述了一种生成遵循自然界示例的产品的方式，它还通过连接小的模块化单元来生成物质。在许多应用中，点击反应将生物分子和报告分子结合在一起。点击化学不限于生物条件：点击反应的概念已用于化学蛋白质组学、药理学和各种仿生应用。然而，它们已在生物分子的检测、定位和鉴定中特别有用。点击反应发生在一个锅中，不受水干扰，产生最少且无害的副产物，并且是弹簧加载的——其特点是高热力学驱动力，可快速且不可逆地驱动它以高产率的单一反应产物，具有高反应特异性（在某些情况下，具有区域特异性和立体特异性）。这些特性使点击反应特别适用于在复杂的生物环境中分离和靶向分子的问题。在这样的环境中，产品因此需要在生理上是稳定的，并且任何副产品都需要是无毒的（对于体内系统）。通过开发特定且可控的生物正交反应，科学家们开辟了在复杂细胞裂解物中击中特定目标的可能性。最近，科学家们已经将点击化学应用于活细胞，例如使用小分子探针，通过点击反应找到并附着在目标上。尽管存在细胞渗透性、生物正交性、背景标记和反应效率方面的挑战，但点击反应已被证明在新一代下拉实验中很有用（其中可以使用例如与特定柱结合的报告分子来分离特定目标）和荧光光谱法（其中荧光团附着在感兴趣的目标上，目标被量化或定位）。最近，新方法已被用于将点击反应配偶体结合到生物分子上和生物分子中，包括将含有反应基团的非天然氨基酸结合到蛋白质中和修饰核苷酸。这些技术代表了化学生物学领域的一部分，其中点击化学通过有意和具体地将模块化单元耦合到各个末端来发挥基本作用。点击化学一词由K.BarrySharpless于1998年创造，并于2001年由斯克里普斯研究所的Sharpless、HartmuthKolb和MGFinn首次全面描述。

点击化学是一种将感兴趣的探针或底物连接到特定生物分子的方法，这一过程称为生物共轭。连接荧光团和其他报告分子的可能性使点击化学成为识别、定位和表征新旧生物分子的非常强大的工具。生物偶联中最早和最重要的方法之一是在与感兴趣的生物分子相同的开放阅读框架上表达报告基因。值得注意的是，GFP最初（现在仍然是）在许多蛋白质的N端或C端以这种方式表达。然而，这种方法有几个困难。例如，GFP是一个非常大的单元，通常会影响感兴趣的蛋白质的折叠。此外，通过在任一末端表达，GFP加合物也可以影响所需蛋白质的靶向和表达。最后，使用这种方法，GFP只能附着在蛋白质上，而不能在翻译后附着，从而使其他重要的生物分子类别（核酸、脂质、碳水化合物等）无法接触。为了克服这些挑战，化学家们选择通过识别成对的生物正交反应伙伴来进行，从而允许使用小的外源分子作为生物分子探针。荧光团可以连接到这些探针之一上，以便在报告分子与靶标结合时发出荧光信号——就像GFP在与靶标一起表达时发出荧光一样。现在限制出现从探针的化学到其目标。为了使该技术在生物系统中有用，点击化学必须在或接近生物条件下运行，产生很少且（理想情况下）无毒的副产物，在相同条件下（xxx）具有单一且稳定的产物，并快速进行一锅高产。现有的反应，如施陶丁格连接和惠斯根1,3-偶极环加成反应，已针对此类反应条件进行了修改和优化。今天，该领域的研究不仅涉及理解和开发新反应以及重新利用和重新理解已知反应，还涉及扩展用于将反应伙伴纳入生命系统的方法、设计新的反应伙伴以及开发生物共轭应用。

对于被视为点击反应的反应，它必须满足某些特征：

• 模块化
• 对溶剂参数不敏感
• 高化学产率
• 对氧气和水不敏感
• 区域特异性和立体特异性
• 大的热力学驱动力（>20kcal/mol）有利于与单一反应产物的反应。明显的放热反应使反应物弹簧加载。

该过程xxx：

• 反应条件简单
• 使用现成的起始材料和试剂
• 不使用溶剂或使用无害或易于去除的溶剂（xxx是水）
• 通过非色谱方法（结晶或蒸馏）提供简单的产品分离
• 具有高原子经济性。

许多点击化学标准是主观的，即使可以就可衡量和客观的标准达成一致，任何反应也不可能对每种情况和应用都是完美的。然而，已经确定了一些比其他反应更符合该概念的反应：

• [3+2]环加成，例如Huisgen1,3-偶极环加成，特别是Cu(I)催化的逐步变体，通常简称为Click反应
• 硫醇-烯反应
• Diels-Alder反应和逆电子需求Diels-Alder反应
• 异腈（异氰化物）和四嗪之间的[4+1]环加成
• 亲核取代，尤其是对像环氧树脂和氮丙啶这样的小应变环
• 由于低热力学驱动力，类似羰基化学的尿素形成但不是醛醇型反应。
• 碳-碳双键的加成反应，如二羟基化或硫醇-炔反应中的炔烃。

点击化学的商业潜力是巨大的。荧光团罗丹明已与降冰片烯偶联，并在生命系统中与四嗪发生反应。在其他情况下，环辛炔修饰的荧光团和叠氮化物标记的蛋白质之间的SPAAC允许在细胞裂解物中选择这些蛋白质。将点击反应伙伴纳入体内和离体系统的方法有助于扩大可能反应的范围。通过核糖体掺入非天然氨基酸的发展允许将点击反应配偶体作为这些非天然氨基酸上的非天然侧基掺入。例如，具有叠氮侧基的UAA为环炔烃提供了方便地接近带有这种“AHA”非天然氨基酸标记的蛋白质。在另一个实例中，“CpK”具有包括环丙烷α到酰胺键的侧基，其在逆狄尔斯-阿尔德反应中充当四嗪的反应伙伴。萤光素的合成体现了另一种分离反应伙伴的策略，即利用很少出现的天然基团，例如1,2-氨基硫醇，它仅在半胱氨酸是蛋白质中的最终N’氨基酸时出现。因此，它们的天然选择性和相对生物正交性对于开发针对这些标签的特异性探针很有价值。上述反应发生在1,2-氨基硫醇和2-氰基苯并噻唑之间，生成具有荧光的荧光素。然后可以在洗涤后通过光谱法对这种荧光素荧光进行量化，并用于确定带有1,2-氨基硫醇的分子的相对存在。如果需要对含有非1,2-氨基硫醇的蛋白质进行定量，则可以切割感兴趣的蛋白质以产生具有N’Cys的片段，该片段易受2-CBT的影响。

其他应用包括：

• 二维凝胶电泳分离
• 1,4-取代三唑的制备有机合成
• 用三唑修饰肽功能
• 天然产物和药物的改性
• 天然产物发现
• 药物发现
• 使用Cu(I)催化的三唑偶联进行大环化
• 通过三唑连接修饰DNA和核苷酸
• 超分子化学：杯芳烃、轮烷和链烷
• 树枝状大分子设计
• Cu(1)催化的三唑连接反应的碳水化合物簇和碳水化合物共轭
• 聚合物和生物聚合物
• 表面
• 材料科学
• 纳米技术，
• 生物偶联，例如叠氮香豆素，和
• 生物材料

结合组合化学、高通量筛选和建立化学文库，点击化学通过使多步合成中的每个反应快速、高效和可预测，加快了新药的发现。

斯克里普斯研究所拥有一系列点击化学专利。被许可方包括Invitrogen、Allozyne、Aileron、IntegratedDiagnostics和生物技术公司baseclick，这是一家巴斯夫的衍生公司，旨在销售使用点击化学制造的产品。此外，baseclick拥有全球核酸领域研究和诊断市场的独家许可。ActiveMotifChromeon和Cyandye等公司也生产荧光叠氮化物和炔烃。