クリック反応用アルキン-PEG/アジド-PEG

クリック反応(Huisgen[3+2]付加環化反応)

アジドとアルキンは[3+2]双極子付加環化反応の1種できわめて高収率かつ高い官能基選択性で進行します。クリックケミストリーの代名詞的反応として知られ、このため俗にクリック反応とも呼ばれます。したがって本ページでもこれに倣うこととします。

ほかにどのような官能基があっても、ほぼアルキンとアジドのみが反応し単一の生成物を生じるため、様々な官能基と併用可能です。反応は不可逆的で、溶媒を選ばず、水中でも反応は進行します。化学変換プロセスの効率を示すアトムエコノミーは100%となっています。

反応は様々な官能基と併用可能なため、様々な化合物を使用することが可能で、固相合成にも用いることが可能です。

適切な銅(I)触媒の添加によって、末端アルキンの場合には100万倍近く反応が加速されることが知られています。それとともに、位置選択性も向上します。特にTBTAはCu(I)を酸化から保護し、優れた活性を示すことが知られており、最近ではルテニウムにも触媒活性があるという報告がなされています

参考文献

▷ A stepwise Huisegen cycloaddition process: copper (I)-catalyzed regioselective 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 regiospecific copper(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; Hartmuth C. Kolb and K. Barry Sharpless; Drug Discovery Today 2003; 8(24): 1128-1131.

▷ Cu-I-Catalyzed Alkyne-Azide „Click“ Cycloadditions from a Mechanistic 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 their application 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.

▷ 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.

▷ Polytriazoles as Copper(I)-Stabilizing Ligands in Catalysis; Timothy R. 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. 2008; (21): 2459–2461. doi:10.1039/b719724a

触媒フリーのクリック反応

クリック反応や、Diels-Alder反応に代表される付加環化反応は、官能基同士を1：1で結合させる手法として有用です。イメージング、創薬、センサー開発など応用の幅は多岐に渡り、それゆえ生化学、物質工学、表面化学、高分子化学などあらゆる分野で用いられるようになっています。

2002年の報告以来、実に多くの分野で利用されているクリック反応ですが、金属触媒を使用するという点で、生体への応用の際に以下の制限があります。

▶ 高い細胞毒性

▶ 意図しないタンパク質の酸化

▶ 蛍光の阻害

したがって、金属触媒フリーの手法の開発が急がれ現在では以下の２つの手法が主流となっています。

レビュー及び参考文献

▷ 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. Debets, 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 Functionality; 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. Devaraj and Ralph Weissleder; Acc. Chem. Res. 2011; 44(9): 816–827. DOI: 10.1021/ar200037t.

アルキン-PEG

Propagyl-NHS

MeO-PEG-Alkyne

H₂N-PEG-Alkyne

ヨウ化アルキン-PEG

通常、システインなどを含むチオール（SH）への結合にはマレイミドが多く使用されます、アルコールやアミノ基由来のプロトンによる反応が避けられず、副生成物が得られることも多々あります。ヨウ化PEGを用いれば、チオールにより特異的に反応するため、高効率の反応が実現可能です。

製品一覧

参考文献

▷ Quantitative reactivity profiling predicts functional cysteines in proteomes; E. Weerapana, C. Wang, G. M. Simon, F. Richter, S. Khare,M. B. D. Dillon, D. A. Bachovchin, K. Mowen, D. Baker and B. F. Cravatt; Nature 2010; 468: 790-795. doi:10.1038/nature09472

三官能性PEG

以下にご紹介するPEGは、3つの官能性末端を持ちます。

1. アミン、アルコールなど求核試剤と反応するNHS

2. カルボニル基と安定したアミド結合を形成するアミノ基（Boc保護）

3. さらに、クリック反応が可能なアルキン

二つの部位を通常通りの分子同士の結合に用い、余ったもう一つの部位に蛍光物質、スピンラベルで修飾するなどして、より細やかな解析が可能になります。

製品一覧

Cbzによって保護されたPEG誘導体は、スペーサーおよびペプチド配列の末端への修飾にお使いいただけます。Cbzは強固な保護基であり、Pd/Cなどの激しい条件でしか脱保護できないため、外部環境の変化に対しても安定した部位としても有用です。

アルキン-PEG-シラン

製品一覧

アジド-PEG

アジドは前述のようにクリック反応で用いられるアルキンとの反応がよく知られていますが、アリルホスフィン誘導体とのStaudingerライゲーション反応も有用な選択肢の1つです。後者はP(Ph)3による還元でアミンに変換できます。アジドの最大の魅力は、通常の条件では反応性が低く安定ですが特定の条件では高い反応性を示し、高い選択性をもたらすことです。

参考文献

▷ The Staudinger Ligation—A Gift to Chemical Biology; M. Köhn and R. Breinbauer; Angew Chem. Int. Ed. 2004; 43: 3106-3116. doi:10.1002/ anie.200401744

▷ Traceless Staudinger Ligation of Glycosyl Azides with Triaryl Phosphines: Stereoselective Synthesis of Glycosyl Amides†; A. Bianchi and A.Bernardi; J Org Chem 2006; 71: 4565-4577. doi:10.1021/jo060409s

▷ Reaction Mechanism and Kinetics of the Traceless Staudinger Ligation; M. B. Soellner, B. L. Nilsson and R. T. Raines; J Am Chem Soc 2006; 128: 8820-8828. doi:10.1021/ja060484k

▷ Cell Surface Engineering by a Modified Staudinger Reaction; E. Saxon and C. R. Bertozzi; Science 2000; 287: 2007-2010. doi:10.1126/ science.287.5460.2007

▷ Bioconjugate Techniques; G. T. Hermanson; 2nd Edition; Elsevier2008; 722-726; ISBN 978-0-12-370501-3

▷ A “Traceless” Staudinger Ligation for the Chemoselective Synthesis of Amide Bonds; E. Saxon, J. I. Armstrong and C. R. Bertozzi; Org Lett 2000; 2: 2141-2143. doi:10.1021/ol006054v

▷ Staudinger Ligation: A Peptide from a Thioester and Azide; B. L. Nilsson, L. L. Kiessling and R. T. Raines; Org Lett 2000; 2: 1939-1941. doi:10.1021/ol0060174

▷ Chemoselective Staudinger-Phosphite Reaction of Azides for the Phosphorylation of Proteins; R. Serwa, I. Wilkening, G. Del Signore, M. Mühlberg, I. Claußnitzer, C. Weise, M. Gerrits and C. P. R. Hackenberger; Angew Chem. Int. Ed. 2009; 48: 8234-8239. doi:10.1002/anie.200902118

▷ Chemoselective Peptide Cyclization by Traceless Staudinger Ligation; R. Kleineweischede and C. P. R. Hackenberger; Angew Chem. Int. Ed. 2008; 47: 5984-5988. doi:10.1002/anie.200801514

Amine-PEG-N₃

参考文献

▷ Desymmetrization Reactions: Efficient Preparation of Unsymmetrically Substituted Linker Molecules; A. W. Schwabacher, J. W. Lane, M. W. Schiesher, K. M. Leigh and C. W. Johnson; J Org Chem 1998; 63: 1727-1729. doi:10.1021/jo971802o

▷ The synthesis of heterobifunctional linkers for the conjugation of ligands to molecular probes; C. R. Bertozzi and M. D. Bednarski; J Org Chem 1991; 56: 4326-4329. doi:10.1021/jo00013a053

N₃-PEG-OH

MeO-PEG-N₃

N₃-PEG(カルボニル基/カルボン酸と反応)

Biotin-PEG-N₃

アリルアジドは、光親和性ラベリング試薬としてよく知られています。光反応を経て窒素がかい離することにより1重項のフェニルナイトレンが生成しますが、このフェニルナイトレンは反応性が高く、周囲のC-H結合やN-H結合に対して非特異的に反応します。

PEG5000やPEG2065が持つパーフルオロフェニルアジドは、前述のフェニルナイトレンよりも安定な中間体を形成するため、非特異的な反応を抑えることが可能です。これらの化合物はエストロゲン受容体の研究やカーボンまたは有機ポリマーのコーティングのための光架橋反応剤として用いられています。

参考文献

▷ Affinity Labelling of Antibodies with Aryl Nitrene as Reactive Group; G. W. J. Fleet, R. R. Porter and J. R. Knowles; Nature 1969; 224: 511- 512. doi:10.1038/224511a0

▷ Chemistry and kinetics of singlet pentafluorophenylnitrene; R. Poe, K. Schnapp, M. J. T. Young, J. Grayzar and M. S. Platz; J Am Chem Soc1992; 114: 5054-5067. doi:10.1021/ja00039a016

▷ N-Hydroxysuccinimide Ester Functionalized Perfluorophenyl Azides as Novel Photoactive Heterobifunctional Crosslinking Reagents. The Covalent Immobilization of Biomolecules to Polymer Surfaces; M. Yan, S. X. Cai, M. N. Wybourne and J. F. W. Keana; Bioconjug Chem 1994; 5: 151-157. doi:10.1021/bc00026a007

▷ High Efficiency Photolabeling of Human Serum Albumin and Human .gamma.-Globulin with [14C]Methyl 4-Azido-2,3,5,6- tetrafluorobenzoate; R. S. Pandurangi, S. R. Karra, R. R. Kuntz and W. A. Volkert; Bioconjug Chem 1995; 6: 630-634. doi:10.1021/ bc00035a019

▷ Synthesis and binding of new polyfluorinated aryl azides to alpha-chymotrypsin. New reagents for photoaffinity labeling; N. Soundararajan, S. H. Liu, S. Soundararajan and M. S. Platz; Bioconjug Chem 1993; 4: 256-261. doi:10.1021/bc00022a002

▷ Comparison of Phenylcarbene and Phenylnitrene; M. S. Platz; Accounts of chemical research 1995; 28: 487-492. doi:10.1021/ ar00060a004

▷ Synthesis of a tetrafluoro-substituted aryl azide and its protio analog as photoaffinity labeling reagents for the estrogen receptor; K. G. Pinney and J. A. Katzenellenbogen; J Org Chem 1991; 56: 3125-3133. doi:10.1021/jo00009a037

▷ Chemistry of Bifunctional Photoprobes: 4. Synthesis of the Chromogenic, Cleavable, Water Soluble, and Heterobifunctional Sulfosuccinimidyl (N-methylamino Perfluoroaryl Azido Benzamido)- ethyl-1,3′-Dithiopropionate: An Efficient Protein Cross-Linking Agent;R. S. Pandurangi, P. Lusiak, S. Desai and R. R. Kuntz; Bioorg Chem1998; 26: 201-212. doi:10.1006/bioo.1998.1098

▷ New reagents for photoaffinity labeling: synthesis and photolysis of functionalized perfluorophenyl azides; J. F. W. Keana and S. X. Cai; J Org Chem 1990; 55: 3640-3647. doi:10.1021/jo00298a048

▷ Perfluorophenyl Azides: New Applications in Surface Functionalization and Nanomaterial Synthesis; L.-H. Liu and M. Yan; Accounts of chemical research 2010; 43: 1434-1443. doi:10.1021/ar100066t

▷ Recent Trends in the Evaluation of Photochemical Insertion Characteristics of Heterobifunctional Perfluoroaryl Azide Chelating Agents: Biochemical Implications in Nuclear Medicine; R. S. Pandurangi, S. R. Karra, R. R. Kuntz and W. A. Volkert; Photochemistry and Photobiology 1997; 65: 208-221. doi:10.1111/j.1751-1097.1997. tb08547.x

▷ Tri- and Tetravalent Photoactivable Cross-Linking Agents; A. Welle, F. Billard and J. Marchand-Brynaert; Synthesis 2012; 44: 2249-2254. doi:10.1055/s-0031-1290444

▷ Preservation of Immunoreactivity in the Photolabeling of the B72.3 Human Antibody; R. S. Pandurangl, S. R. Karra, R. R. Kuntz andW. A. Volkert; Photochemistry and Photobiology 1996; 64: 100-105. doi:10.1111/j.1751-1097.1996.tb02427.x

▷ Candida albicans biofilm formation on peptide functionalized polydimethylsiloxane; K. D. Prijck, N. D. Smet, M. Rymarczyk-Machal, G. V. Driessche, B. Devreese, T. Coenye, E. Schacht and H. J. Nelis; Biofouling 2010; 26: 269-275. doi:10.¹⁰⁸⁰⁄_{08927010903501908}

ヨウ化アジド-PEGとチオールアジド-PEG

通常、システインなどを含むチオール（SH）への結合にはマレイミドが多く用いられます、アルコールやアミン由来のプロトンとの反応が避けられず、副生成物が得られることも多々あります。ヨウ化PEGを用いれば、チオールにより特異的に反応するため、高効率の反応が実現可能です。

ヨウ化アジド-PEG製品一覧

参考文献

▷ Quantitative reactivity profiling predicts functional cysteines in proteomes; E. Weerapana, C. Wang, G. M. Simon, F. Richter, S. Khare,M. B. D. Dillon, D. A. Bachovchin, K. Mowen, D. Baker and B. F. Cravatt; Nature 2010; 468: 790-795. doi:10.1038/nature09472

チオールアジド-PEG製品一覧