Клик-химия

Перейти к навигацииПерейти к поиску

Термин клик-химия был впервые введён Б. Шарплессом в 2001 году[1]. Данное понятие описывает химические реакции, приспособленные для быстрого и надёжного получения химических веществ путём соединения между собой отдельных маленьких элементов. Клик-химия не касается отдельной реакции, но была задумана как подражание природе, которая также создаёт соединения из модульных элементов. Концепция возникла в связи с поиском новых подходов к генерированию больших количеств структур-кандидатов фармацевтических препаратов.

Реакции, относящиеся к клик-химии, должны:

  • быть модульными
  • иметь широкую область применения
  • протекать с высоким выходом
  • давать безопасные побочные продукты
  • быть стереоспецифичными
  • протекать в физиологических условиях
  • быть очень выгодными термодинамически (> 84 кДж/моль), чтобы образовывался единственный продукт
  • иметь высокую экономию атомов.

Желательно, чтобы процесс:

  • имел простые реакционные условия
  • использовал доступные материалы и реагенты
  • не требовал растворителя или использовал безвредные растворители (желательно, воду)
  • позволял выделить продукт нехроматографическим методом (кристаллизация или перегонка)

В 2022 году, Нобелевская Премия по химии была присуджена К. Бертоцци, М. Мелдал и Б. Шарплессу за разработку клик-химии и работы в области биортогональной химии[2].

Суть термина

Открытие новых потенциальных фармацевтических препаратов требует перебора и синтеза большого числа структур. Использование нескольких надёжных реакций, протекающих с высоким выходом, позволило бы значительно упростить массовый параллельный синтез кандидатов, таким образом, ускорив процесс создания новых препаратов.

Несмотря на то, что критерии принадлежности к клик-реакциям являются относительно субъективными, некоторые реакции были определены как наиболее подходящие к данной категории:

  • [3+2]-циклоприсоединения, в частности, азид-алкиновое циклоприсоединение (медь-катализируемый вариант CuAAC и реакция, промотируемая напряжением, SPAAC)[3][4]
  • тиол-еновое присоединение[англ.][5][6]
  • реакция Дильса-Альдера[7]
  • [4+1]-циклоприсоединение между изонитрилами и тетразинами[8]
  • нуклеофильное замещение, особенно в напряженных малых циклах (эпоксидах и азиридинах)
  • реакции карбонильных соединений с азотсодержащими нуклеофилами (аминами, гидразинами, гидразидами, гидроксиламинами)
  • реакции присоединения к двойным углерод-углеродным связям, например, дигидроксилирование.

Азид-алкиновое циклоприсоединение

Основная статья: Азид-алкиновое циклоприсоединение

Одна из наиболее используемых клик-реакций — азид-алкиновое циклоприсоединение с использованием медного катализатора (CuAAC). Она была открыта независимо группами М. Мельдаля[9] и Б. Шарплесса[10] в 2002 году. Несмотря на то, что реакция впервые была описана М. Мельдалем и сотр. применительно к синтезу пептидотриазолов на твёрдом носителе, эти авторы не распознали потенциала данной реакции. Фокин и Шарплесс описали её как каталитический процесс, предоставляющий беспрецедентный уровень селективности, надежности и применимости в тех случаях, когда необходимо создать ковалентные связи между разнообразными строительными блоками.

Исследовано действие различных металлических катализаторов на протекание азид-алкинового циклоприсоединения, причём наилучшие результаты показали медь и рутений[11]. В случае медного катализа реакция приводит к 1,4-дизамещенным 1,2,3-триазолам, а в случае рутениевого — 1,5-дизамещенным 1,2,3-триазолам.

Активно развиваются исследования азид-алкинового циклоприсоединения, промотируемого напряжением (SPAAC). Данная модификация происходит с участием реагентов на основе циклооктина. Движущей силой процесса в данном случае является выигрыш в энергии за счёт снятия напряжения с циклооктинового цикла.

Применение

Клик-химия находит широкое применение в различных областях. Некоторые из них:

  • препаративный синтез 1,4-дизамещенных триазолов
  • синтез пептидомиметиков на основе триазольной связи[9]
  • модификация природных соединений и фармацевтических препаратов
  • открытие лекарственных средств[12]
  • макроциклизация[13]
  • модификация ДНК и олигонуклеотидов[14]
  • супрамолекулярная химия[15]
  • дизайн дендримеров[16]
  • синтез углеводных кластеров
  • химия полимеров[17][6]
  • химия материалов[18]
  • нанотехнология[19]
  • биоконъюгация[20]
  • органический самораспространяющийся высокотемпературный синтез

Примечания

  1. ↑ Kolb H. C., Finn M. G., Sharpless K. B. Click Chemistry: Diverse Chemical Function from a Few Good Reactions (англ.) // Angew. Chem. Int. Ed. — 2001. — Vol. 40, no. 11. — P. 2004–2021. — doi:10.1002/1521-3773(20010601)40:11<2004::AID-ANIE2004>3.0.CO;2-5. — PMID 11433435.
  2. ↑ The Nobel Prize in Chemistry 2022 (амер. англ.). NobelPrize.org. Дата обращения: 7 октября 2022. Архивировано 5 октября 2022 года.
  3. ↑ Spiteri C., Moses J. E. Copper-Catalyzed Azide–Alkyne Cycloaddition: Regioselective Synthesis of 1,4,5-Trisubstituted 1,2,3-Triazoles (англ.) // Angew. Chem. Int. Ed. — 2010. — Vol. 49, no. 1. — P. 31–33. — doi:10.1002/anie.200905322. — PMID 19921729.
  4. ↑ Jewett J. C., Sletten E. M., Bertozzi C. R. Rapid Cu-Free Click Chemistry with Readily Synthesized Biarylazacyclooctynones (англ.) // J. Am. Chem. Soc. — 2010. — Vol. 132, no. 11. — P. 3688–3690. — doi:10.1021/ja100014q. — PMID 20187640. — PMC PMC2840677.
  5. ↑ Hoyle C. E., Bowman C. N. Thiol–Ene Click Chemistry (англ.) // Angew. Chem. Int. Ed. — 2010. — Vol. 49, no. 9. — P. 1540–1573. — doi:10.1002/anie.200903924.
  6. ↑ 1 2 Казыбаева Д.С., Ирхухаметова Г.С., Хуторянский В.В. Тиол-ен «клик-реакции» как перспективный путь получения полимерных материалов. Высокомолекулярные Соединения, Серия Б, 64(1), 3-19 (2022).
  7. ↑ Blackman M. L., Royzen M., Fox J. M. Tetrazine Ligation: Fast Bioconjugation Based on Inverse-Electron-Demand Diels−Alder Reactivity (англ.) // J. Am. Chem. Soc. — 2008. — Vol. 130, no. 41. — P. 13518–13519. — doi:10.1021/ja8053805. — PMC PMC2653060.
  8. ↑ Stöckmann H., Neves A. A., Stairs S., Brindle K. M., Leeper F. J. Exploring isonitrile-based click chemistry for ligation with biomolecules (англ.) // Org. Biomol. Chem. — 2011. — No. 9. — P. 7303-7305. — doi:10.1039/C1OB06424J. — PMID 21915395.
  9. ↑ 1 2 Tornøe C. W., Christensen C., Meldal M. Peptidotriazoles on Solid Phase: [1,2,3]-Triazoles by Regiospecific Copper(I)-Catalyzed 1,3-Dipolar Cycloadditions of Terminal Alkynes to Azides (англ.) // J. Org. Chem. — 2002. — Vol. 67, no. 9. — P. 3057–3064. — doi:10.1021/jo011148j. — PMID 11975567.
  10. ↑ Rostovtsev V. V., Green L. G., Fokin V. V., Sharpless K. B. A Stepwise Huisgen Cycloaddition Process: Copper(I)-Catalyzed Regioselective “Ligation” of Azides and Terminal Alkynes (англ.) // Angew. Chem. Int. Ed. — 2002. — Vol. 41, no. 14. — P. 2596–2599. — doi:10.1002/1521-3773(20020715)41:14<2596::AID-ANIE2596>3.0.CO;2-4. — PMID 12203546.
  11. ↑ Zhang L., Chen X., Xue P., Sun H. H. Y., Williams I. D., Sharpless K. B., Fokin V. V., Jia G. Ruthenium-Catalyzed Cycloaddition of Alkynes and Organic Azides (англ.) // J. Am. Chem. Soc. — 2005. — Vol. 127, no. 46. — P. 15998–15999. — doi:10.1021/ja054114s. — PMID 16287266.
  12. ↑ Li J., Zheng M., Tang W., He P. L., Zhu W., Li T., Zuo J. P., Liu H., Jiang H. Syntheses of triazole-modified zanamivir analogues via click chemistry and anti-AIV activities (англ.) // Bioorg. Med. Chem. Lett. — 2006. — Vol. 16, no. 19. — P. 5009–5013. — doi:10.1016/j.bmcl.2006.07.047. — PMID 16876409.
  13. ↑ Turner R. A., Oliver A. G., Lokey R. S. Click Chemistry as a Macrocyclization Tool in the Solid-Phase Synthesis of Small Cyclic Peptides (англ.) // Org. Lett. — 2007. — Vol. 9, no. 24. — P. 5011–5014. — doi:10.1021/ol702228u. — PMID 17956112.
  14. ↑ El-Sagheer A. H., Brown T. Click chemistry with DNA (англ.) // Chem. Soc. Rev. — 2010. — Vol. 39. — P. 1388-1405. — doi:10.1039/B901971P.
  15. ↑ Hänni K. D., Leigh D. A. The application of CuAAC ‘click’ chemistry to catenane and rotaxane synthesis (англ.) // Chem. Soc. Rev. — 2010. — Vol. 39. — P. 1240-1251. — doi:10.1039/B901974J. — PMID 20309484.
  16. ↑ Wu P., Malkoch M., Hunt J. N., Vestberg R., Kaltgrad E., Finn M. G., Fokin V. V., Sharpless K. B., Hawker C. J. Multivalent, bifunctional dendrimers prepared by click chemistry (англ.) // Chem. Commun. — 2005. — Vol. 14, no. 46. — P. 5775–5777. — doi:10.1039/b512021g. — PMID 16307142.
  17. ↑ Binder W. H., Sachsenhofer R. ‘Click’ Chemistry in Polymer and Materials Science (англ.) // Macromol. Rapid Commun. — 2007. — Vol. 28, no. 1. — P. 15–54. — doi:10.1002/marc.200600625.
  18. ↑ Iha R. K., Wooley K. L., Nyström A. M., Burke D. J., Kade M. J., Hawker C. J. Applications of Orthogonal “Click” Chemistries in the Synthesis of Functional Soft Materials // Chem. Rev. — 2009. — Т. 109, № 11. — С. 5620-5686. — doi:10.1021/cr900138t. — PMID 19905010. — PMC PMC3165017.
  19. ↑ Campidelli S. Click Chemistry for Carbon Nanotubes Functionalization // Curr. Org. Chem. — 2011. — Т. 15, № 8. — С. 1151-1159. — doi:10.2174/138527211795203004.
  20. ↑ Li X. Click to Join Peptides/Proteins Together // Chemistry – An Asian Journal. — 2011. — Т. 6, № 10. — С. 2606–2616. — doi:10.1002/asia.201100329.