클릭 화학

클릭 화학(click chemistry)은 두 분자를 결합하는 데 사용되는 화학 합성 접근 방식이다. 클릭은 효율성과 단순성을 강조하는 것을 의미한다. 두 분자 구성 요소를 연결하기 위해 각각은 먼저 아자이드 및 알카인 그룹과 같은 적절한 작용기를 장착한다. 그런 다음 이러한 구성 요소는 다른 결합 과정을 복잡하게 만들 수 있는 많은 작용기를 허용하며 매우 유리한 과정에서 "클릭"된다.

역사
클릭 화학은 2001년 더 스크립스 연구소의 칼 배리 샤플레스, 하트무스 C. 콜브, M. G. 핀에 의해 처음으로 완전하게 기술되었다. 이 논문은 합성 화학이 자연이 복잡한 분자를 구성하는 방식을 모방하여 효율적인 반응을 사용하여 간단하고 무독성인 구성 요소를 결합할 수 있다고 주장했다.

클릭 화학의 개념 또는 원리에 대해 많은 관점이 제시되었다. 이러한 속성 중 일부는 선택성과 구현 용이성에 대한 추구를 포함하며, 이는 물론 많은 또는 대부분의 화학 반응의 목표이다.

클릭 화학은 생물학의 대부분의 화합물이 C-헤테로원자 결합(헤테로원자 = N, O, S) 형성을 통해 "함께 꿰매져 있다"는 인식을 바탕으로 설립되었다. 구조적으로 복잡한 유기 화합물의 주요 분류 중 6개 이상의 C-C 결합을 가진 것은 거의 없다(아릴 유도체를 제외하고). C-헤테로원자 결합 형성 반응은 종종 매우 유리하며 거의 비가역적이다. 이러한 C-헤테로원자 결합 형성 반응 중 일부는 특히 구현하기 쉽다. 샤플레스 등은 특정 고리화 첨가, 긴장된 기질을 포함하는 친핵성 치환, 요소 및 에테르 형성, C=C 결합에 헤테로원자 첨가에 초점을 맞출 것을 권장했다. 이 획기적인 검토에서는 후이젠 1,3-쌍극자 고리화 첨가가 언급되지 않았는데, 아마도 느렸기 때문일 것이다. 샤플레스의 검토가 발표된 다음 해, 덴마크 칼스버그 연구소의 토르뇌, 크리스텐센, 멜달은 아자이드에 알카인의 구리 촉매 첨가를 설명했으며, 샤플레스 등이나 클릭 화학에 대한 언급은 없었다. 멜달의 혁신은 클릭 화학의 전형적인 반응이 되었다. 특히 영향력 있는 아자이드 커플링 보고서 중 하나는 베르토치 연구실에서 생체 세포 내에서 반응을 수행한 것이다.

2022년 노벨 화학상은 "클릭 화학 및 생체직교 화학의 개발"로 캐럴린 R. 베르토치, 모르텐 P. 멜달 및 칼 배리 샤플레스에게 공동으로 수여되었다.

클릭 반응
구리(I) 촉매 아자이드-알카인 고리화 첨가 (CuAAC)

고전적인 클릭 반응은 아자이드와 알카인의 구리 촉매 반응으로 5원 C2N3 고리를 형성한다. 이 반응은 Cu(I) 촉매 아자이드-알카인 고리화 첨가 (CuAAC)이다. 다이에틸 아세틸렌디카복실레이트와 페닐 아자이드로부터의 첫 트리아졸 합성은 아서 마이클에 의해 1893년에 보고되었다. 나중에 20세기 중반에, 이 1,3-쌍극자 고리화 첨가 계열은 롤프 후이젠의 반응 속도론 및 조건에 대한 연구 후에 그의 이름을 따게 되었다.

섬네일|후이젠 및 구리 촉매 아자이드-알카인 고리화 첨가 비교

후이젠 1,3-쌍극자 고리화 첨가의 구리 촉매는 포킨과 샤플레스 및 멜달 그룹에 의해 동시에 독립적으로 발견되었다. 이 반응의 구리 촉매 버전은 1,4-이성질체만을 생성하는 반면, 후이젠의 비촉매 1,3-쌍극자 고리화 첨가는 1,4- 및 1,5-이성질체 모두를 생성하며 100 °C의 온도가 필요하다.

섬네일|CuAAC 촉매 주기의 두 구리 메커니즘

이 반응은 생물학적 조건에서 효과적으로 진행되지만, 이 범위의 용량에서 구리는 세포 독성을 가진다. 이 문제에 대한 해결책으로는 구리 위에 수용성 리간드를 사용하여 촉매의 세포 침투를 강화하고 필요한 용량을 최소화하는 것 등이 제시되었다. 유사한 "RuAAC 반응" (구리 대신 루테늄으로 촉매됨)은 1,5-이성질체의 선택적 생산을 가능하게 한다.

변형 유도 아자이드-알카인 고리화 첨가 (SPAAC)
금속 없는 클릭 반응은 강화된 생체 적합성과 감소된 세포 독성으로 인해 중요성이 커졌다. 특히, 변형 유도 아자이드-알카인 고리화 첨가(SPAAC) 및 역전자 수요 딜스-알더(IEDDA) 반응은 생체 시스템의 생체직교 표지에 널리 채택되었다. 이러한 반응은 금속 촉매가 필요 없이 높은 특이성을 제공하여 살아있는 유기체 및 복잡한 환경에서의 응용에 이상적이다.

후이젠의 구리 없는 클릭 반응 버전은 세포 독성을 최소화한다.

섬네일|변형 유도 아자이드-알카인 고리화 첨가 도식

변형 유도 알카인-나이트론 고리화 첨가 (SPANC)

다이아릴-변형-사이클로옥틴(dibenzylcyclooctyne, DIBO 포함)도 변형 유도 알카인-나이트론 고리화 첨가(SPANC)에서 1,3-나이트론과 반응하여 N-알킬화된 이속사졸린을 생성하는 데 사용되었다.

섬네일|SPAAC 대 SpANC 반응

이 반응은 금속이 없고 빠른 속도론(k2가 60 1/Ms로 CuAAC 또는 SPAAC보다 빠름)으로 진행되므로 SPANC는 살아있는 세포 표지에 사용될 수 있다. 더욱이 나이트론 쌍극자의 탄소와 질소 원자 모두에 대한 치환, 비고리형 및 내부고리형 나이트론 모두 허용된다. 이러한 큰 허용 범위는 나이트론 핸들 또는 프로브 통합에 많은 유연성을 제공한다.

그러나 이속사졸린 생성물은 CuAAC 및 SpAAC의 트리아졸 생성물만큼 안정하지 않으며 생물학적 조건에서 재배열될 수 있다. 그럼에도 불구하고 이 반응은 현저하게 빠른 반응 속도론을 가지므로 여전히 매우 유용하다.

이 반응의 응용에는 세린을 첫 번째 잔기로 포함하는 단백질 표지가 포함된다. 세린은 NaIO4로 알데하이드로 산화된 다음, p-메톡시벤젠티올, N-메틸하이드록실아민 및 p-안시딘으로 나이트론으로 전환되고, 마지막으로 사이클로옥틴과 함께 배양되어 클릭 생성물을 생성한다. SPANC는 또한 다중 표지를 허용한다.

변형된 알켄의 반응
변형된 알켄은 또한 변형 완화를 구동력으로 활용하여 클릭 반응에 참여할 수 있게 한다. 트랜스-사이클로알켄(보통 사이클로옥텐) 및 옥사노보나디엔과 같은 다른 변형된 알켄은 아자이드, 테트라진 및 테트라졸을 포함한 여러 파트너와 클릭 반응에서 반응한다. 이러한 반응 파트너는 변형된 알켄과 특이적으로 상호작용하여 지질, 지방산, 보조인자 및 기타 천연물에서 발견되는 내인성 알켄에 생체직교성을 유지할 수 있다.

알켄 및 테트라진 역전자 수요 딜스-알더

섬네일|일반화된 테트라진과 변형된 트랜스-사이클로옥텐 사이의 테트라진-알켄 반응

변형된 사이클로옥텐과 다른 활성화된 알켄은 역전자 수요 딜스-알더 반응에서 테트라진과 반응한 다음 역 [4+2] 고리화 첨가(그림 참조)를 한다. 고리 변형이 높은 3원 및 4원 사이클로알켄도 이상적인 알켄 기질을 만든다.

다른 [4+2] 고리화 첨가와 유사하게, 다이에노필의 전자 공여 치환기와 다이엔의 전자 수용 치환기는 역전자 수요 딜스-알더 반응을 가속화한다. 추가 질소를 가진 다이엔, 테트라진은 이 반응에 좋은 다이엔이다. 활성화된 알켄인 다이에노필은 종종 표적 분자의 전자 공여 알킬 그룹에 부착될 수 있으므로 다이에노필이 반응에 더 적합하게 된다.

알켄 및 테트라졸 광클릭 반응
테트라졸-알켄 "광클릭" 반응은 1960년대 후반 후이젠이 처음 도입한 또 다른 쌍극자 첨가이다 (ChemBioChem 2007, 8, 1504. (68) Clovis, J. S.; Eckell, A.; Huisgen, R.; Sustmann, R. Chem. Ber. 1967, 100, 60.) 365 nm의 UV 광(365 nm는 세포를 손상시키지 않음)에 의해 활성화될 수 있는 아미노 또는 스티릴 그룹을 가진 테트라졸은 빠르게 반응하여(UV 광이 오랫동안 켜져 있을 필요가 없도록, 보통 1-4분 정도) 형광성 피라졸린 생성물을 만든다. 이 반응 스키마는 살아있는 세포에서 표지하는 목적에 매우 적합한데, 365 nm의 UV 광이 세포를 최소한으로 손상시키기 때문이다. 더욱이, 반응은 빠르게 진행되므로 UV 광을 짧은 시간 동안만 조사할 수 있다. 짧은 파장 UV 광의 양자 수율은 0.5보다 높을 수 있다. 이를 통해 테트라졸을 다른 광결합 반응과 함께 파장 선택적으로 사용할 수 있으며, 짧은 파장에서는 테트라졸 결합 반응이 거의 독점적으로 진행되고 긴 파장에서는 다른 반응(o-퀴노디메탄을 통한 결합)이 독점적으로 진행된다. 마지막으로, 비형광성 반응물은 형광성 생성물을 생성하여 반응에 내장된 분광학 핸들을 제공한다.

테트라졸과 알켄 그룹 모두 비천연 아미노산으로 단백질 핸들에 통합되었지만, 이 이점은 독특하지 않다. 대신, 반응의 광유도성은 살아있는 시스템에서 공간-시간적 특이성을 위한 주요 후보로 만든다. 과제는 내인성 알켄의 존재인데, 일반적으로 시스(지방산에서처럼)이지만 활성화된 테트라졸과 여전히 반응할 수 있다.

PQ-ERA 반응은 반응성을 높이기 위해 티오펜 치환을 통해 최적화되어 더욱 효율적인 광환형화 첨가 과정을 가능하게 했다.

잠재적 응용

클릭 화학의 단순성은 특히 의약품 개발을 비롯한 많은 분야에 상당한 영향을 미쳤다.

많은 잠재적 응용 분야에서 클릭 반응은 생체분자와 리포터 분자 또는 기타 분자 프로브를 결합하는데, 이 과정을 생체접합이라고 한다. 형광색소 및 기타 리포터 분자를 부착할 가능성은 클릭 화학을 생체분자를 식별, 위치 파악 및 특성화하는 도구로 만들었다. 이 접근 방식은 수많은 연구에 사용되었으며, 발견된 내용으로는 살리노마이신이 리소좀으로 국소화되어 암 줄기세포에서 페로토시스를 시작한다는 점과 메트포르민 유도체가 미토콘드리아에 축적되어 구리(II)를 킬레이트하여 염증성 대식세포에서 대사 및 후속적인 후성유전학적 변화에 영향을 미친다는 점이 포함된다.

클릭 화학은 종종 시각화 태그를 부착하는 데 사용된다. 생체접합에서 가장 초기의 중요한 방법 중 하나는 녹색 형광 단백질(GFP) 유전자와 같은 리포터 유전자를 관심 단백질과 동일한 유전 서열에 발현시키는 것이었다.

클릭 화학은 생물학적 조건에만 국한되지 않는다. "클릭" 반응의 개념은 화학단백질체학, 약리학적, 생체모방 및 분자 기계 응용 분야에서 사용되었다.

형광색소인 로다민은 노보넨에 결합되어 생체 시스템에서 테트라진과 반응했다. 다른 경우에는 사이클로옥틴 변형 형광색소와 아자이드 태그 단백질 간의 SPAAC를 통해 세포 용해물에서 이러한 단백질을 선택할 수 있었다.

섬네일|비천연 아미노산

생체 내외 시스템에 클릭 반응 파트너를 통합하는 방법은 가능한 반응의 범위를 넓힌다. 리보솜에 의한 비천연 아미노산 통합 개발은 이러한 비천연 아미노산에 비천연 측쇄 그룹으로 클릭 반응 파트너를 통합할 수 있게 했다. 예를 들어, 아자이드 측쇄 그룹을 가진 UAA는 이 "AHA" 비천연 아미노산으로 태그된 단백질에 사이클로알카인이 편리하게 접근할 수 있도록 한다. 다른 예에서는 "CpK"가 아미드 결합에 알파인 사이클로프로판을 포함하는 측쇄 그룹을 가지며, 이는 역 딜스-알더 반응에서 테트라진의 반응 파트너 역할을 한다.

섬네일|반딧불 루시페린 합성 도식

루시페린의 합성은 반응 파트너를 분리하는 또 다른 전략을 보여준다. 이는 단백질의 마지막 N' 아미노산이 시스테인일 때만 나타나는 1,2-아미노티올과 같은 드물게 발생하는 천연 그룹을 활용하는 것이다. 이들의 자연적인 선택성과 상대적인 생체직교성은 이러한 태그에 특이적인 프로브를 개발하는 데 가치가 있다. 위의 반응은 1,2-아미노티올과 2-시아노벤조티아졸 사이에서 형광성인 루시페린을 생성한다. 이 루시페린 형광은 세척 후 분광법으로 정량화될 수 있으며, 1,2-아미노티올을 가진 분자의 상대적인 존재를 결정하는 데 사용될 수 있다. 비-1,2-아미노티올-함유 단백질의 정량이 필요한 경우, 관심 단백질을 절단하여 N' Cys를 가진 단편을 생성하여 2-CBT에 취약하게 만들 수 있다.

추가 응용 분야:
 이차원 전기영동 분리
1,4-치환 트리아졸의 제조 유기 합성
트리아졸을 이용한 펩타이드 기능 변형
천연물 및 의약품 변형
 천연물 발견
신약 발견
Cu(I) 촉매 트리아졸 커플링을 이용한 거대고리화
트리아졸 연결에 의한 DNA 및 뉴클레오타이드 변형
 초분자화학: 칼릭사렌, 로탁세인, 카테네인
 덴드리머 설계
Cu(1) 촉매 트리아졸 연결 반응에 의한 탄수화물 클러스터 및 탄수화물 접합
 고분자 및 생체고분자
표면
재료과학
나노기술
 생체접합, 예를 들어 아자이도쿠마린, 그리고
 생체재료

조합 화학, 고속대량 스크리닝 및 화학 라이브러리 구축과 결합하여 클릭 화학은 다단계 합성의 각 반응을 빠르고 효율적이며 예측 가능하게 만들어 새로운 약물 발견을 가속화했다.

신약 발견 및 생체접합
클릭 화학은 신약 발견 및 생체접합의 초석이 되었다. 안정적인 공유 결합을 빠르고 선택적으로 형성하는 능력은 표적 치료제 및 진단 제제의 개발을 촉진했다. 최근 연구에서는 다기능 약물 전달 시스템을 만드는 데 클릭 화학을 사용하여 치료의 특이성과 효능을 향상시키는 방법을 탐구했다.

기술 라이선스
스크립스 연구소는 클릭 화학 특허 포트폴리오를 보유하고 있다. 라이선스 보유자로는 인비트로젠, 알로자인, 아일런, 통합 진단 및 생명공학 회사 가 있으며, 이는 클릭 화학을 사용하여 제품을 판매하기 위해 만들어진 BASF의 스핀오프이다. 더욱이 은 핵산 분야의 연구 및 진단 시장에 대한 전 세계 독점 라이선스를 보유하고 있다.
형광 아자이드 및 알카인은 시안다이(Cyandye)와 같은 회사에서도 생산한다.

 각주 

 외부 링크 
 클릭 화학: 간략한 검토 및 최근 문헌
 국립과학재단: 특집 "클릭 화학으로 실시간 연구"
 화학 및 공학 뉴스: 특집 "현장 클릭 화학"
 화학 및 공학 뉴스: 특집 "구리 없는 클릭 화학"
 금속 없는 클릭 화학 검토
 클릭 화학 최신 클릭 화학 응용을 강조하는 왕립화학회 발행 캠 Soc 리뷰 특집호, M. G. 핀 및 발레리 포킨 게스트 편집

분류:유기화학