생체직교화학

생체직교화학(bioorthogonal chemistry) 또는 생물직교화학은 생체 시스템 내에서 고유한 생화학적 과정과 간섭 없이 일어날 수 있는 모든 화학 반응을 말한다. 이 용어는 캐롤라인 R. 베르토찌가 2003년에 만들었다. 도입 이후 생체직교 반응의 개념은 글리칸, 단백질 및 지질 (생물학)과 같은 생체분자를 세포 독성 없이 생체 시스템에서 실시간으로 연구할 수 있게 했다. 아자이드와 사이클로옥틴(일명 구리 없는 클릭 화학) 간의 1,3-쌍극자 고리화 첨가 반응, 니트론과 사이클로옥틴 간의 반응, 알데하이드와 케톤으로부터의 옥심/히드라존 형성, 테트라진 연결, 아이소시아나이드 기반 클릭 반응, 그리고 가장 최근에는 쿼드리사이클란 연결을 포함하여 생체직교성의 요건을 충족하는 여러 화학적 연결 전략이 개발되었다.

섬네일|여기서는 생체분자 X와 반응성 파트너 Y 사이의 생체직교 결찰을 보여준다. 생체직교성으로 간주되려면, 이 반응성 파트너는 세포 내에서 자연적으로 발견되는 다른 화학적 기능을 방해해서는 안 된다.

생체직교화학의 사용은 일반적으로 두 단계로 진행된다. 첫째, 세포 기질은 생체직교 작용기(화학적 보고자)로 변형되어 세포에 도입된다. 기질에는 대사물질, 효소 억제제 등이 포함된다. 화학적 보고자는 기질의 생체 활동에 영향을 미치지 않기 위해 기질의 구조를 크게 변경해서는 안 된다. 둘째, 보완적인 작용기를 포함하는 프로브가 도입되어 기질과 반응하고 표지한다.

구리 없는 클릭 화학과 같은 효과적인 생체직교 반응이 개발되었지만, 새로운 반응의 개발은 동일한 생체 시스템에서 여러 표지 방법을 사용할 수 있도록 직교 표지 방법을 계속해서 만들어내고 있다. 캐롤라인 R. 베르토찌는 2022년에 클릭 화학과 생체직교화학 개발로 노벨 화학상을 수상했다.

 어원 
생체직교(bioorthogonal)라는 단어는 그리스어 bio- "생명"과 orthogōnios "직각"에서 유래했다. 따라서 문자 그대로 살아있는 시스템에 수직으로 진행되어 방해하지 않는 반응을 의미한다.

 생체직교성의 요구 사항 
생체직교성으로 간주되려면 반응은 여러 요구 사항을 충족해야 한다.
 선택성: 생체 화합물과의 부반응을 피하기 위해 내인성 작용기 간에 반응이 선택적이어야 한다.
 생체 불활성: 반응성 파트너와 결과적인 연결은 연구 대상 유기체의 고유한 화학적 기능을 방해할 수 있는 어떠한 반응성 방식도 가져서는 안 된다.
 화학적 불활성: 공유 결합은 강하고 생물학적 반응에 불활성이어야 한다.
 반응 속도론: 프로브 대사 및 제거 전에 공유 결찰이 이루어지도록 반응이 신속해야 한다. 반응은 세포 과정의 시간 규모(분)에서 빨라야 하며, 소량의 종의 작은 신호를 감소시킬 수 있는 반응에서의 경쟁을 방지해야 한다. 빠른 반응은 또한 동적 과정을 정확하게 추적하는 데 필요한 빠른 응답을 제공한다.
 반응 생체 적합성: 반응은 무독성이어야 하며 pH, 수성 환경 및 온도를 고려한 생물학적 조건에서 기능해야 한다. 약물동태학은 생체직교화학이 살아있는 동물 모델로 확장됨에 따라 점점 더 중요해지고 있다.
 접근 가능한 공학: 화학적 보고자는 특정 형태의 대사 또는 단백질 공학을 통해 생체분자에 통합될 수 있어야 한다. 최적으로는 작용기 중 하나가 매우 작아서 고유한 행동을 방해하지 않아야 한다.

 슈타우딩거 결찰 
슈타우딩거 결찰은 2000년 베르토찌 그룹이 개발한 반응으로, 아자이드와 트리아릴포스핀의 고전적인 슈타우딩거 반응을 기반으로 한다. 이 반응은 완전히 비생물적 작용기를 가진 첫 번째 반응으로서 생체직교화학 분야를 개척했지만, 더 이상 널리 사용되지는 않는다. 슈타우딩거 결찰은 살아있는 세포와 살아있는 쥐 모두에서 사용되었다.

 생체직교성 
아자이드는 약한 친전자체로 작용할 수 있으며, 포스핀과 같은 약한 친핵체를 선호한다. 이는 일반적으로 강한 친핵체인 대부분의 생물학적 친핵체와는 대조적이다. 이 반응은 수용성 조건에서 선택적으로 진행되어 안정적인 생성물을 만든다.

포스핀은 생체 시스템에 전혀 존재하지 않으며, 약한 환원 전위에도 불구하고 이황화 결합을 환원시키지 않는다. 아자이드는 아지도티미딘과 같은 미국 식품의약국(FDA) 승인 약물에서 생체 적합성이 입증되었으며, 가교제와 같은 다른 용도로도 사용되었다. 또한, 작은 크기 덕분에 세포 대사 경로를 통해 생체분자에 쉽게 통합될 수 있다.

 메커니즘 
 고전적인 슈타우딩거 반응 

600px|슈타우딩거 반응의 메커니즘

친핵성 포스핀은 친전자성 말단 질소에서 아자이드를 공격한다. 4원자 전이 상태를 통해 N2가 떨어져 아자-일라이드를 형성한다. 불안정한 일라이드는 가수분해되어 포스핀 산화물과 1차 아민을 형성한다. 그러나 이 반응은 가수분해가 아자-일라이드의 공유 결합을 파괴하기 때문에 즉시 생체직교적이지 않다.

 슈타우딩거 결찰 

600px|PPh2(o-C6H4CO2Me)에서 슈타우딩거 반응 메커니즘

이 반응은 아릴 고리 중 하나에 있는 인 원자에 대해 오르토 위치에 에스터 그룹을 포함하도록 변형되었다. 이는 에스터를 배치하여 국부 농도를 증가시킴으로써 즉각적인 가수분해를 능가하는 새로운 반응 경로를 통해 아자-일라이드를 유도하기 위함이다. 아자이드에 대한 초기 친핵성 공격은 속도 결정 단계이다. 일라이드는 친전자성 에스터 포획기와 분자 내 고리화를 통해 반응하여 5원자 고리를 형성한다. 이 고리는 가수분해되어 안정적인 아마이드 결합을 형성한다.

 한계 
포스핀 시약은 살아있는 시스템에서 천천히 공기 산화를 겪는다. 또한, 시험관 내에서 사이토크롬 P450 효소에 의해 대사될 가능성이 높다.

반응 속도는 0.0020 M−1•s−1 정도의 2차 속도 상수로 느리다. 포스핀에 전자 공여 그룹을 추가하여 친핵성 공격 속도를 높이려는 시도는 반응 속도를 개선했지만, 공기 산화 속도도 증가시켰다.

느린 반응 속도로 인해 높은 농도의 포스핀을 사용해야 하므로 영상 응용 분야에서 높은 배경 신호 문제가 발생한다. 플루오레세인과 루시페린을 기반으로 하는 형광성 포스핀 시약 개발을 통해 높은 배경 신호 문제를 해결하려는 시도가 있었지만, 내재된 반응 속도론은 여전히 한계로 남아있다.

 구리 없는 클릭 화학 

구리 없는 클릭 화학은 칼 배리 샤플리스 등의 연구를 기반으로 아자이드 알카인 후이스겐 고리화 첨가 반응의 활성화된 변형으로 캐롤라인 베르토찌가 처음 개발한 생체직교 반응이다. CuAAC와 달리 구리 없는 클릭 화학은 세포 독성 구리 촉매를 제거하여 반응이 빠르고 살아있는 세포 독성 없이 진행될 수 있도록 생체직교적으로 변형되었다. 구리 대신 반응은 장력 유발 알카인-아자이드 고리화 첨가 반응(SPAAC)이다. 이는 슈타우딩거 결찰에 대한 더 빠른 대안으로 개발되었으며, 초기 세대 반응은 60배 이상 더 빨랐다. 이 반응의 생체직교성은 구리 없는 클릭 반응이 배양 세포, 살아있는 제브라피쉬, 그리고 쥐에 적용될 수 있도록 했다.

클릭 화학 표지|600px|center

 구리 독성 
고전적인 구리 촉매 아자이드-알카인 고리화 첨가 반응은 생체접합을 위한 매우 빠르고 효과적인 클릭 반응이었지만, Cu(I) 이온의 독성 때문에 살아있는 세포에서는 사용하기 적합하지 않다. 독성은 구리 촉매에 의해 형성되는 반응성 산소 종으로 인한 산화 손상 때문이다. 구리 착물은 또한 세포 대사에 변화를 유도하고 세포에 흡수되는 것으로 밝혀졌다.

생체 분자 손상을 방지하고 시험관 내 적용에서 제거를 용이하게 하기 위한 리간드 개발이 이루어졌다. 그러나 착물의 다른 리간드 환경이 여전히 대사 및 흡수에 영향을 미쳐 세포 기능에 불필요한 교란을 유발할 수 있다는 것이 밝혀졌다.

 생체직교성 
아자이드 그룹은 매우 작고 (세포 투과성에 유리하며 교란을 피함), 대사적으로 안정하며, 세포에 자연적으로 존재하지 않으므로 경쟁적인 생물학적 부반응이 없기 때문에 특히 생체직교적이다. 아자이드는 반응에 사용할 수 있는 가장 반응성이 좋은 1,3-쌍극자는 아니지만, 부반응이 상대적으로 적고 일반적인 합성 조건에서 안정성 때문에 선호된다. 알카인은 그만큼 작지는 않지만, 생체 내 표지에 필요한 안정성과 직교성을 여전히 가지고 있다. 사이클로옥틴은 가장 작은 안정적인 알카인 고리이므로 전통적으로 표지 연구에 가장 흔히 사용되는 사이클로알카인이다.

 메커니즘 
350px|이 메커니즘은 표준 1,3-쌍극자 고리화 첨가 반응을 통해 진행된다.

이 반응은 고리형 협동 반응의 한 유형인 비동기적, 협동적 1,3-쌍극자 고리화 첨가 반응으로 진행된다. 1,3-쌍극자의 양가감정적 특성으로 인해 아자이드 상의 친전자성 또는 친핵성 중심을 식별하는 것이 불가능해야 하며, 이는 순환 전자 흐름의 방향이 무의미하다는 것을 의미한다. [p] 그러나 계산 결과 질소 원자 간의 전자 분포로 인해 가장 안쪽 질소 원자가 가장 큰 음전하를 띠는 것으로 나타났다.

 위치선택성 
이 반응은 트리아졸의 위치 이성질체 혼합물을 생성하지만, 반응의 위치선택성 부족은 대부분의 현재 응용 분야에서 큰 문제가 되지 않는다. 더욱 위치 특이적이고 덜 생체직교적인 요구 사항은 구리 촉매 후이스겐 고리화 첨가 반응으로 가장 잘 충족될 수 있는데, 특히 변형된 사이클로옥틴을 합성하는 것(말단 알카인을 추가하는 것에 비해)이 합성적으로 어렵다는 점을 고려하면 더욱 그렇다.

 사이클로옥틴의 개발 
 사이클로옥틴 2차 속도 상수 (M−1s−1) OCT 0.0024 ALO 0.0013 MOFO 0.0043 DIFO 0.076 DIBO 0.057 BARAC 0.96 DIBAC (ADIBO) 0.31 DIMAC 0.0030

450px|left|구리 없는 클릭 화학을 위해 개발된 변형된 사이클로옥틴
OCT는 구리 없는 클릭 화학을 위해 개발된 최초의 사이클로옥틴이었다. 선형 알카인은 생리적 온도에서 비활성이지만, OCT는 독성을 나타내지 않으면서 생물학적 조건에서 아자이드와 쉽게 반응할 수 있었다. 그러나 수용성이 좋지 않았고, 반응 속도는 슈타우딩거 결찰보다 거의 개선되지 않았다. 수용성을 개선하기 위해 ALO(아릴 없는 옥틴)가 개발되었지만, 여전히 반응 속도가 좋지 않았다.

프로파르길 위치에 전자 흡인성 플루오린 치환기를 추가하여 반응 속도를 높이기 위해 단일 플루오르화된(MOFO) 및 이플루오르화된(DIFO) 사이클로옥틴이 만들어졌다. 플루오린은 합성 용이성과 생물학적 불활성 측면에서 좋은 전자 흡인성 그룹이다. 특히, 생물학적 친핵체와 부반응할 수 있는 친전자성 마이클 수용체를 형성할 수 없다.
DIBO(다이벤조사이클로옥틴)는 두 개의 아릴 고리를 융합하여 매우 높은 변형과 왜곡 에너지 감소를 초래하도록 개발되었다. 바이아릴 치환이 고리 변형을 증가시키고 알카인과의 공액을 제공하여 반응성을 향상시키는 것으로 제안되었다. 계산에 따르면 단일 아릴 치환이 입체 충돌(아자이드 분자와의)과 변형 사이의 최적의 균형을 제공할 것으로 예측되었지만, 단일 아릴화된 생성물은 불안정한 것으로 나타났다.

BARAC(바이아릴아자사이클로옥티논)은 아마이드 결합을 추가하여 왜곡에 의한 속도 증가를 위해 sp2와 같은 중심을 추가했다. 아마이드 공명은 불안정한 분자를 초래할 추가적인 불포화를 만들지 않으면서 추가적인 변형에 기여한다. 또한, 사이클로옥틴 고리에 헤테로원자를 추가하면 분자의 용해도와 약물동태학이 모두 향상된다. BARAC는 과도한 프로브를 씻어낼 필요가 없을 정도로 충분한 속도(및 민감도)를 가지고 있어 배경 신호를 줄일 수 있다. 이로 인해 실시간 영상 촬영이나 전체 동물 영상 촬영과 같이 씻어내는 것이 불가능한 상황에서 매우 유용하다. BARAC는 매우 유용하지만, 낮은 안정성으로 인해 0°C에서 빛과 산소로부터 보호되어 보관해야 한다.
섬네일|right|이 합성은 SAR 분석에서 향후 변형을 용이하게 하기 위한 모듈식 경로로 베르토찌 그룹에 의해 설계되었다. 첫 번째 단계는 피셔 인돌 합성이다. 생성물은 미래의 프로브 부착을 위한 손잡이로 알릴 브로마이드로 알킬화된다. 그런 다음 TMS가 추가된다. 산화는 중심 고리를 열어 고리형 아마이드를 형성한다. 케톤은 에놀레이트로 처리되어 트라이플레이트 그룹을 추가한다. 말단 알켄과의 반응은 분자에 접합하기 위한 링커를 생성한다. CsF와의 최종 반응은 마지막 단계에서 변형된 알카인을 도입한다.

BARAC의 추가 변형은 DIBAC/ADIBO를 생산하기 위해 수행되었으며, 이는 원거리 고리 변형을 추가하고 알카인 주변의 입체 효과를 줄여 반응성을 더욱 높였다. 수산화기가 케톤으로 전환된 Keto-DIBO는 고리 형태 변화로 인해 반응 속도가 3배 증가했다. 다이플루오로벤조사이클로옥틴(DIFBO)을 만들려는 시도는 불안정성 때문에 실패했다.

생체 내 쥐 연구에서 DIFO의 문제점은 생체직교 반응 생성의 어려움을 보여준다. DIFO는 세포 표지에서 매우 반응성이 높았지만, 혈청 알부민과의 결합 때문에 쥐 연구에서는 성능이 좋지 않았다. 사이클로옥틴의 소수성은 막과 혈청 단백질에 의한 격리를 촉진하여 생체 이용 가능한 농도를 감소시킨다. 이에 대응하여 DIMAC(다이메톡시아자사이클로옥틴)은 수용성, 극성 및 약물동태학을 증가시키기 위해 개발되었지만, 쥐 모델의 생체직교 표지 노력은 여전히 개발 중이다.

 반응성 
계산적 노력은 이러한 고리화 첨가 반응의 열역학과 반응 속도론을 설명하는 데 필수적이었으며, 이는 반응을 계속 개선하는 데 중요한 역할을 했다. 안정성을 희생하지 않고 알카인을 활성화하는 두 가지 방법이 있다. 전이 상태 에너지를 낮추거나 반응물 안정성을 낮추는 것이다.
섬네일|center|빨간색 화살표는 에너지 변화 방향을 나타낸다. 검은색 화살표는 효과 전후의 활성화 에너지 차이를 나타낸다.

반응물 안정성 감소: 하우크는 아자이드와 알카인을 전이 상태 기하 구조로 왜곡하는 데 필요한 에너지(Ed ‡)의 차이가 반응의 장벽 높이를 조절한다고 제안했다. 활성화 에너지(E ‡)는 불안정화 왜곡과 안정화 상호작용(Ei ‡)의 합이다. 가장 중요한 왜곡은 아자이드 작용기에서 발생하며, 알카인 왜곡의 기여는 더 작다. 그러나 더 높은 반응성을 위해 쉽게 변형될 수 있는 것은 사이클로옥틴뿐이다. 페닐 아자이드와 아세틸렌(16.2 kcal/mol) 대 사이클로옥틴(8.0 kcal/mol)의 반응에 대한 계산된 장벽은 106배의 예측 속도 증가를 가져온다. 사이클로옥틴은 더 작은 상호작용 에너지에도 불구하고 더 낮은 활성화 에너지를 초래하는 더 적은 왜곡 에너지(1.4 kcal/mol 대 4.6 kcal/mol)를 필요로 한다.
섬네일|활성화 에너지, 왜곡 에너지 및 상호 작용 에너지 간의 관계|right

전이 상태 에너지 감소: 플루오린과 같은 전자 흡인성 그룹은 최저 비점유 분자 궤도(LUMO) 에너지를 감소시키고 최고 점유 분자 궤도(HOMO)-LUMO 갭을 줄여 반응 속도를 증가시킨다. 이는 전이 상태에서 아자이드에서 플루오르화된 사이클로옥틴으로의 전하 이동을 증가시켜 상호작용 에너지(더 낮은 음의 값)와 전체 활성화 에너지를 증가시킨다. LUMO의 하강은 초공액과 알카인 π 공여 궤도와 CF σ* 수용체 간의 상호 작용의 결과이다. 이러한 상호 작용은 결합이 왜곡될 때 공여체/수용체 능력이 증가함에 따라 주로 전이 상태에서 안정화를 제공한다. NBO 계산에 따르면 전이 상태 왜곡은 상호 작용 에너지를 2.8 kcal/mol 증가시킨다.

평면 외 π 결합 간의 초공액은 평면 내 π 결합의 정렬이 좋지 않기 때문에 더 크다. 그러나 전이 상태 굽힘은 평면 내 π 결합이 상호 작용을 용이하게 하는 더 반대 평면 배열을 가지도록 허용한다. 형성되는 CN 결합으로 인해 σ*의 전자 밀도가 증가하여 추가적인 초공액 상호 작용 에너지 안정화가 달성된다. σ* CF 결합과의 음의 초공액은 이러한 안정화 상호 작용을 향상시킨다.

 위치선택성 
현재 구리 없는 클릭 화학의 이미징 응용 분야에서 위치선택성이 큰 문제는 아니지만, 약물 설계 또는 펩티도모방체와 같은 분야의 미래 응용을 방해하는 문제이다.

현재 대부분의 사이클로옥틴은 위치 이성질체 혼합물을 형성하기 위해 반응한다. [m] 계산 분석에 따르면 기체상 위치선택성은 1,4 첨가보다 1,5 첨가를 활성화 에너지에서 최대 2.9 kcal/mol 더 선호하는 것으로 계산되었지만, 용매화 보정 결과 두 위치 이성질체 모두 동일한 에너지 장벽을 갖는 것으로 나타났다. DIFO의 고리화 첨가에서 1,4 이성질체는 더 큰 쌍극자 모멘트로 인해 불리하지만, 용매화는 1,5 이성질체보다 더 강하게 안정화하여 위치선택성을 침식시킨다.
섬네일|right
BCN(bicyclo[6.1.0]nonyne)과 같은 대칭형 사이클로옥틴은 고리화 첨가 시 단일 위치 이성질체를 형성하며 미래에 이 문제를 해결하는 데 도움이 될 수 있다.

 응용 
구리 없는 클릭 화학의 가장 널리 퍼진 응용은 아자이드 태그가 부착된 생체분자와 이미징 에이전트를 포함하는 사이클로옥틴을 사용하여 살아있는 세포나 동물에서 생물학적 이미징을 하는 것이다.

DIBO의 형광 케토 및 옥심 변형은 사이클로옥틴의 형광이 반응에서 형성되는 트리아졸에 의해 소멸되는 형광 스위치 클릭 반응에 사용된다. 반면에, 쿠마린이 접합된 사이클로옥틴인 coumBARAC은 알카인이 형광을 억제하는 동안 트리아졸 형성이 형광 양자 수율을 10배 증가시키도록 개발되었다.

섬네일|coumBARAC 형광은 반응에 따라 증가한다

광활성화 가능한 사이클로옥틴을 사용하여 기질 표지의 공간적 및 시간적 제어가 연구되었다. 이를 통해 농도 구배로 인한 인공물을 줄이기 위해 반응 전에 알카인의 평형을 맞출 수 있다. 마스킹된 사이클로옥틴은 어둠 속에서 아자이드와 반응할 수 없지만, 빛에 노출되면 반응성 알카인이 된다.

빛은 급진적 반응을 일으켜 알카인을 드러내고, 이는 아자이드와 고리화 첨가 반응을 할 수 있다|600px

구리 없는 클릭 화학은 PET 이미징 제제 합성에 사용하기 위해 연구되고 있다. 이 제제는 화합물이 투여되기 전에 동위원소 붕괴를 최소화하기 위해 높은 순도와 수율로 신속하게 만들어져야 한다. SPAAC의 높은 반응 속도 상수와 생체직교성은 PET 화학에 적합하다.

 기타 생체직교 반응 

 니트론 쌍극자 고리화 첨가 반응 
구리 없는 클릭 화학은 아자이드 대신 니트론을 1,3-쌍극자로 사용하도록 개조되었으며 펩타이드 변형에 사용되었다.

니트론과 사이클로옥틴 사이의 고리화 첨가 반응|450px

니트론과 사이클로옥틴 간의 이 고리화 첨가 반응은 N-알킬화 이속사졸린을 형성한다. 반응 속도는 물에 의해 향상되며, 니트론의 치환에 따라 12~32 M−1•s−1의 2차 속도 상수로 매우 빠르다. 이 반응은 매우 빠르지만, 대사 표지를 통해 니트론을 생체분자에 통합하는 데 어려움을 겪는다. 표지는 번역 후 펩타이드 변형을 통해서만 달성되었다.

 노보넨 고리화 첨가 반응 
1,3 쌍극자 고리화 첨가 반응은 나이트릴 산화물을 1,3-쌍극자로, 노보넨을 쌍극자성 친화체로 사용하여 생체직교 반응으로 개발되었다. 주요 용도는 자동화된 올리고뉴클레오타이드 합성기에서 DNA 및 RNA를 표지하는 데 그리고 살아있는 세포 존재 하에 폴리머 가교하는 데 사용되었다.

600px|노보넨과 나이트릴 산화물 사이의 고리화 첨가 반응

노보넨은 변형 유발 반응성과 안정성 사이의 균형 때문에 쌍극자성 친화체로 선택되었다. 이 반응의 단점으로는 강한 친전자성으로 인한 나이트릴 산화물의 교차 반응성과 느린 반응 속도가 있다.

 옥사노르보르나디엔 고리화 첨가 반응 
옥사노르보르나디엔 고리화 첨가 반응은 1,3-쌍극자 고리화 첨가 반응 후 역-딜스-알더 반응을 통해 트리아졸 연결된 접합체를 생성하고 퓨란 분자를 제거하는 반응이다. 예비 연구는 펩타이드 표지 실험에서의 유용성을 입증했으며, SPECT 이미징 화합물 생성에도 사용되었다. 최근에는 옥사노르보르나디엔의 사용이 촉매 없는 상온 "iClick" 반응에서 기술되었는데, 이는 모델 아미노산이 금속 부분에 연결되는 새로운 생체직교 반응 접근 방식이다.

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옥사노르보르나디엔의 고리 변형과 전자 부족은 고리화 첨가 속도 결정 단계에 대한 반응성을 증가시킨다. 역-딜스-알더 반응은 그 후 빠르게 일어나 안정적인 1,2,3 트리아졸을 형성한다. 문제점으로는 옥사노르보르나디엔의 전자를 변경할 수 있는 치환기에 대한 낮은 내성과 낮은 반응 속도(2차 속도 상수가 10−4 정도)가 있다.

 테트라진 결찰 
테트라진 결찰은 역-전자-요구 딜스-알더 반응에서 트랜스-사이클로옥텐과 s-테트라진의 반응으로, 이어서 역-딜스-알더 반응을 통해 질소 가스를 제거한다. 이 반응은 2000 M−1–s−1(9:1 메탄올/물에서)의 2차 속도 상수로 매우 빨라서 극히 낮은 농도에서도 생체분자 변형이 가능하다.

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바흐의 계산 연구에 따르면 Z-사이클로옥텐의 변형 에너지는 두 개의 트랜스아눌라 상호 작용 손실로 인해 사이클로옥탄의 12.4 kcal/mol에 비해 7.0 kcal/mol이다. E-사이클로옥텐은 고도로 뒤틀린 이중 결합으로 인해 17.9 kcal/mol의 변형 에너지를 갖는다. 따라서 고도로 변형된 트랜스-사이클로옥텐은 반응성 다이엔 친화체로 사용된다. 다이엔은 3,6-다이아릴-s-테트라진으로, 물과의 즉각적인 반응을 막기 위해 치환되었다. 반응은 초기 고리화 첨가에 이어 역 딜스-알더 반응을 통해 N2를 제거하고 반응의 가역성을 방지한다.

이 반응은 물에 대한 내성이 있을 뿐만 아니라 수성 매체에서 속도가 증가하는 것으로 밝혀졌다. 노보넨을 다이엔 친화체로 사용한 반응도 수성 매체에서 1 M−1•s−1 정도의 2차 속도로 수행되었다. 이 반응은 살아있는 세포 표지 및 폴리머 커플링에도 적용되었다.

[4+1] 고리화 첨가 반응 
이 아이소시아나이드 클릭 반응은 [4+1] 고리화 첨가 반응에 이어 N2의 역 딜스-알더 제거 반응이다.

1차 또는 2차 아이소니트릴을 사용할 때 원치 않는 부반응이 빨간색으로 표시된다.|550px

이 반응은 초기 [4+1] 고리화 첨가 반응에 이어 열역학적 싱크를 제거하고 가역성을 방지하기 위한 역반응으로 진행된다. 3차 아민 또는 아이소시아노프로파노에이트를 사용하면 이 생성물은 안정하다. 2차 또는 1차 아이소시아나이드를 사용하면 생성물은 빠르게 가수분해되는 이민 (화학)을 형성한다.

아이소시아나이드는 작은 크기, 안정성, 비독성 및 포유류 시스템에 부재하다는 점 때문에 선호되는 화학적 보고자이다. 그러나 이 반응은 10−2 M−1•s−1 정도의 2차 속도 상수로 느리다.

 테트라졸 광클릭 화학 
광클릭 화학은 광유도 고리 제거를 이용하여 N2를 방출한다. 이는 질소 가스의 손실을 통해 짧은 수명의 1,3 나이트릴 이민 중간체를 생성하며, 이 중간체는 알켄과 1,3-쌍극자 고리화 첨가 반응을 거쳐 피라졸린 고리화 첨가 생성물을 생성한다.

광유도 알켄과 테트라졸의 고리화 첨가 반응|650px

광유도는 세포에 대한 광손상을 최소화하기 위해 짧은 시간 동안 빛에 노출(파장은 테트라졸에 따라 다름)함으로써 발생한다. 이 반응은 수성 조건에서 향상되며 단일 위치 이성질체를 생성한다.

일시적인 나이트릴 이민은 왜곡 에너지를 감소시키는 굽은 구조 때문에 1,3-쌍극자 고리화 첨가 반응에 매우 반응성이 높다. 페닐 고리에 전자 공여 그룹을 치환하면 1,3 나이트릴 이민에 위치할 때 HOMO 에너지를 증가시키고 반응 속도를 증가시킨다.

이 접근 방식의 장점으로는 반응을 공간적 또는 시간적으로 제어할 수 있는 능력과 유전적 암호화와 같은 간단한 생물학적 방법을 사용하여 알켄과 테트라졸 모두를 생체분자에 통합할 수 있는 능력이 있다. 또한, 테트라졸은 반응 진행 상황을 모니터링하기 위해 형광성으로 설계될 수 있다.

 쿼드리사이클란 결찰 
쿼드리사이클란 결찰은 고도로 변형된 쿼드리사이클란을 사용하여 π 시스템과 [2+2+2] 고리화 첨가 반응을 한다.

쿼드리사이클란과 비스(다이티오벤질)니켈(II) 종 사이의 고리화 첨가 반응. 다이에틸다이티오카바메이트는 광유도 노보르나디엔으로의 역반응을 방지하는 데 사용된다.|600px

쿼드리사이클란은 비생물적이고, 생체분자와 반응하지 않으며(완전 포화로 인해), 비교적 작고, 고도로 변형되어 있다(~80 kcal/mol). 그러나 상온 및 생리적 pH의 수성 조건에서 매우 안정하다. 전자 결핍 π 시스템과 선택적으로 반응할 수 있지만, 단순한 알켄, 알카인 또는 사이클로옥틴과는 반응하지 않는다.

비스(다이티오벤질)니켈(II)은 반응성을 기반으로 한 후보 스크리닝을 통해 반응 파트너로 선택되었다. 빛에 의해 노보르나디엔으로 역전되는 것을 방지하기 위해 다이에틸다이티오카바메이트가 첨가되어 생성물에서 니켈과 킬레이트를 형성한다.

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이러한 반응은 0.25 M−1•s−1의 2차 속도 상수로 수성 조건에서 향상된다. 특히 흥미로운 점은 옥심 형성 및 구리 없는 클릭 화학 모두에 대해 생체직교적임이 입증되었다는 것이다.

 용도 
생체직교화학은 핵의학영상 및 방사선 치료 분야의 사전 표적화 실험에 매력적인 도구이다.

 각주 

분류:2003년 신조어
분류:생화학 반응