クリックケミストリー

クリック反応

クリック反応
図.1 クリック反応

アジド基およびアルキン基は、CuIまたはCuO触媒下で分子内のアジド-アルキン1,3-双極子環化付加(CuAAC)によって環化します。K. Barry SharplessとMorton Meldalによって開発されたこのいわゆるクリック反応は、他のタイプの反応とは全く異なる応用範囲が広い反応です。

R1基およびR2基のどちらも結合ターゲットまたは結合パートナーとして使用することができます。クリック反応には高い熱力学的駆動力(通常20 kcal/moLより大きい)があるため通常は迅速に完了し、高い選択性を持って単一生成物を生成します。多様なアジドおよびアルキンを含むビルディングブロックが、アンバーサプレッションに基づく直交系を使用する非天然のタンパク質の組換えによる合成や化学反応(例えば固相合成)によってアジドやアルキンを生体分子中へ組み込むために利用可能です。組み込み後は適切な他の官能基を保有する第2の分子との結合を行うことができます。


参考文献

▷ A stepwise Huisegen cycloaddition process: copper (I)-catalyzedregioselective ligation of azides and terminal alkynes; Vsevolod V. Rostovtsev, Luke G. Green and K. Barry Sharpless; Angew. Chem. Int. Ed. 2002; 41: 2596-2599. ▷ Peptidotriazoles on solid phase: [1,2,3]-triazoles by regiospecificcopper(I)-catalyzed 1,3-dipolar cycloaddition of terminal alkynes to azides; Christian W. Tornøe, Caspar Christensen; Morten Meldal; J.Org.Chem. 2002; 67: 3057-3064. ▷ Click Chemistry: Diverse Chemical Function from a Few- Good Reactions; Hartmuth C. Kolb, M. G. Finn, and K. Barry Sharpless, Angew. Chem., Int. Eng. Ed. 2001; 40: 2004-2021. ▷ The growing impact of click chemistry on drug discovery; HartmuthC. Kolb and K. Barry Sharpless; Drug Discovery Today 2003; 8(24): 1128-1131. ▷ Cu-I-Catalyzed Alkyne-Azide „Click“ Cycloadditions from a M- echanistic and Synthetic Perspective; Victoria C. Bock, Henk Hiemstra and Jan H. van Maarseveen; Eur. J. Org. Chem. 2006; 1: 51-68. ▷ A3-Type Star Polymer via Click Chemistry; O. Altintas, B. Yankul, G.Hizal and U. Tunca; J. Poly. Sci.: Part A, Polymer Chem. 2006; 44: 6458-6465. ▷ Preparation of alumina supported copper nanoparticles and theirapplication in the synthesis of 1,2,3- triazoles; M. Lakshmi Kantam et al.; J. Mol. Catal. A: Chem. 2006; 256: 273-277. ▷ A Rapid and Versatile Method to Label Receptor Ligand Using„Click“ Chemistry: Validation with the Muscarinic M1 Antagonist Pirenzepine; Dominique Bonnet et al.;Bioconjugate Chemistry 2006; 17: 1618-1623. ▷ Alkyne-azide click reaction catalyzed by metallic copper under ultrasound;Pedro Cintas et al.;Nature Protocols 2010; 5(3): 607-616. cite ▷ Synthesis of a DOTA-Biotin Conjugate for Radionuclide Chelationvia Cu-Free Click Chemistry; Michael K. Schultz, Sharavathi G. Parameswarappa, and F. Christopher Pigge; Org. Lett. 2010; 12(10): 2398-2401. ▷ Polytriazoles as Copper(I)-Stabilizing Ligands in Catalysis; TimothyR. Chan, Robert Hilgraf, K. Barry Sharpless, and Valery V. Fokin; Org. Lett .2004; 6(17): 2853‒2855. doi:10.1021/ol0493094. ▷ “Click” Cycloaddition Catalysts: Copper(I) and Copper(II)Tris(triazolylmethyl)amine Complexes; Paul S. Donnely et al.;Chem. Commun 2.008; (21): 2459‒2461. doi:10.1039/b719724a

触媒フリーのクリック反応

環化付加反応([3+2]アジド-アルキンおよび[4+2] Diels-Alder反応等)は、一般的な分子間の共有結合生成法として使用されています。

この反応は、イメージングや薬剤デザイン、センサーの開発、ケミカルバイオロジー、材料科学、表面化学や高分子化学の分野に加えて他の分野への応用にも広がっています。2002年に初めて使用されて以来、銅触媒によるアジド-アルキン環化付加(CuAAC)反応は、前述の分野のような広い範囲で応用可能性があることが認められており、現在最も広く使用される分子間結合生法です。

しかしながら銅を必要とすることで生じる以下のような理由から、この反応は細胞内での使用や生体物質に対する応用が限定されています。


▶ 強い細胞毒性

▶ 不必要なタンパク質の酸化

▶ ナノ結晶の持つ発光の阻害


細胞内でも迅速かつ効果的に共有結合の生成を可能にするため、金属触媒の使用を必要としない新しい方法が出現しましたが、この方法でも官能基(アジドおよびアルキン)の直交性が保たれています。

最も一般的に使用されるアプローチは、以下の2つのカテゴリーに大別できます。


▶ アジドとひずみのあるcyclooctyne系との間の迅速な反応を利用する方法

▶ アルケン/アルキンと置換1,2,4,5-tetrazineとの間の高速反応を利用する方法

触媒フリーのクリック反応
図.2 触媒フリーのクリック反応

以下の表中ではひずみのある様々なcyclooctyneを図示するとともにそれらの反応性も示されています。速度定数はモデルとなるアジドとして、ベンジルアジドを使用した反応によって決定されます。

一般に、反応性はアルキニル基の隣の電気陰性度が高い原子(すなわち良好なσ-アクセプター)の存在によって増加します。

また、反応性はジベンゾ縮合cyclooctyne(DiBOおよびDiBAC)およびbicyclo[6.1.0]non-4-yne(BCN)の場合に示されている様に、環ひずみの増加に伴っても増加し、BCNではシクロプロパン環の存在によってさらに大きなひずみが生じています。

ひずみのあるCyclooctyneの反応定数
図.3 ひずみのあるCyclooctyneの反応定数

BCNは、他のcyclooctyneとは異なり、アジドとの反応後に単一の位置異性体を生成します。BCNは、置換された1,2,4,5-tetrazineに加えて他の1,3-双極子(ニトリル酸化物およびニトロン等)とも迅速に反応することが示されています。

極性の点では、BCNは、官能基またはフェニル環の数が最小まで減少しているので、ひずみの解消によって駆動される水相中での環化付加反応に非常に適した反応パートナーであり、生理的条件に近い環境で効果的な生体物質との結合を可能にします。


触媒フリーのクリック反応に関するレビュー

▷ Bioorthogonal labelling of biomolecules: new functional handles and ligation methods; Marjoke F. Debets, Jan C. M. van Hest and Floris P. J. T. Rutjes;Org. Biomol. Chem. 2013; 11: 6439‒6455; DOI: 10.1039/c3ob41329b. ▷ Bioconjugation with Strained Alkenes and Alkynes; Marjoke F. De-bets, Sander S. van Berkel, Jan Dommerholt, A. (Ton) J. Dirks, Floris P. J. T. Rutjes, and Floris L. van Delft; Accounts of Chemical Research 2011; 44(9): 805‒815. DOI: 10.1021/ar200059z. ▷ Azide: A Unique Dipole for Metal-Free Bioorthogonal Ligations; Marjoke F. Debets, Christianus W. J. van der Doelen, Floris P. J. T. Rutjes, and Floris L. van Delft; ChemBioChem 2010; 11: 1168 ‒ 1184. DOI: 10.1002/cbic.201000064. ▷ Bioorthogonal Chemistry: Fishing for Selectivity in a Sea of Functio--nality; Ellen M. Sletten, Carolyn R. Bertozzi; Angew. Chem. Int. Ed.2009; 48(38): 6974‒6998. doi: 10.1002/anie.200900942. ▷ Bioorthogonal chemistry: strategies and recent developments. Ramil CP, Lin Q.; Chem Commun (Camb). 2013; 49(94): 11007-22. doi: 10.1039/c3cc44272a. ▷ Biomedical Applications of Tetrazine Cycloadditions; Neal K. Devaaj -and Ralph Weissleder; Acc. Chem. Res. 2011; 44(9): 816‒827. DOI: 10.1021/ar200037t.

ひずみのあるCyclooctyneの応用例に関する文献

▷ Patent: WO2011136645A1 ▷ Imaging bacterial peptidoglycan with near-infrared fluorogenic azide probes; Peyton Shieh, M. Sloan Siegrist, Andrew J. Cullen, and Carolyn R.Bertozzi; PNAS 2014; 111(15): 5456‒5461. DOI: www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1322727111. ▷ Readily Accessible Bicyclononynes for Bioorthogonal Labeling and Three-Dimensional Imaging of Living Cells; Jan Dommerholt, Samuel Schmidt,Rinske Temming, Linda J. A. Hendriks, Floris P. J. T. Rutjes, Jan C. M. van Hest, Dirk J. Lefeber, Peter Friedl, and Floris L. van Delft; Angew. Chem. Int.Ed. 2010; 49: 9422 ‒9425: DOI: 10.1002/anie.201003761. ▷ Aza-dibenzocyclooctynes for fast and efficient enzyme PEGylation via copper-free (3+2) cycloaddition; Marjoke F. Debets, Sander S. van Berkel,Sanne Schoffelen, Floris P. J. T. Rutjes, Jan C. M. van Hest and Floris L. van Delft; Chem. Commun. 2010; 46: 97‒99; DOI: 10.1039/b917797c. ▷ Improved synthesis and biological evaluation of chelator-modified -MSH analogs prepared by copper-free click chemistry; Nicholas J. Baumhover,Molly E. Martin, Sharavathi G. Parameswarapp, Kyle C. Kloepping, M. Sue O’Dorisio, F. Christopher Pigge, Michael K. Schultz; Bioorg. Med. Chem. Lett.2011; 21(19): 5757 DOI:10.1016/j.bmcl.2011.08.017. ▷ Synthesis of a DOTA-Biotin Conjugate for Radionuclide Chelation via Cu-Free Click Chemistry; Michael K. Schultz, Sharavathi G. Parameswarappa,and F. Christopher Pigge; Org. Lett. 2010; 12(10):2398-2401. DOI: 10.1021/ol100774p. ▷ Dual Labeling of Biomolecules by Using Click Chemistry: A Sequen-tial Approach; Peter Kele, Gabor Mezö, Daniela Achatz, and Otto S. Wolfbeis; Angew.Chem. Int. Ed. 2009; 48: 344 ‒347. DOI: 10.1002/anie.200804514. ▷ Clickable fluorophores for biological labeling̶with or without copper; Péter Kele, Xiaohua Li, Martin Link, Krisztina Nagy, András Herner, Krisztián Lörincz, Szabolcs Béni and Otto S. Wolfbeis; Org. Biomol. Chem. 2009; 7: 3486‒3490. DOI: 10.1039/b907741c ▷ Genetic Encoding of Bicyclononynes and trans-Cyclooctenes for Site-Specific Protein Labeling in Vitro and in Live Mammalian Cells via Rapid Fluorogenic Diels-Alder Reactions; Kathrin Lang, Lloyd Davis, Stephen Wallace, Mohan Mahesh, Daniel J. Cox, Melissa L. Blackman, Joseph M. Fox, and Jason W. Chin; J. Am. Chem. Soc.2012; 134: 10317-10320. DOI: dx.doi.org/10.1021/ja302832g. ▷ Minimal Tags for Rapid Dual-Color Live-Cell Labeling and Super-Resolution Microscopy; Ivana Nikić, Tilman Plass, Oliver Schraidt, Jędrzej Szymański, John A. G. Briggs, Carsten Schultz, and Edward A. Lemke; Angew. Chem. Int. Ed. 2014; 53: 2245 ‒2249. DOI: 10.1002/anie.201309847. ▷ Moderating Strain without Sacrificing Reactivity: Design of Fast and Tunable Noncatalyzed Alkyne-Azide Cycloadditions via Stereo-electronically Controlled Transition State Stabilization; Brian Gold, Gregory B. Dudley, and Igor V. Alabugin; J. Am. Chem. Soc. 2013; 135: 1558-1569. DOI: dx.doi.org/10.1021/ja3114196. ▷ Kinetics studies of rapid strain-promoted [3+2] cycloadditions of nitrones with bicyclo[6.1.0]nonyne; Douglas A. MacKenzie and John Paul Pezacki; Can. J. Chem. 2014; 92: 337‒340. DOI: dx.doi.org/10.1139/cjc-2013-0577.

BCN誘導体のカスタム合成とコンジュゲーション

触媒フリーのクリック反応のために、様々なひずみのあるcyclooctyne誘導体やtetrazine誘導体、それらのコンジュゲート化合物をカスタムで合成します。

下記にはBCN誘導体やtetrazine誘導体の例が記載されていますが、このほかの化合物も合成可能です。

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カスタム合成
図.4 カスタム合成