شیمی بیواورتوگونال
شیمی کلیک بدون مس

شیمی کلیک بدون مس یک واکنش بییواورتوگونال است که برای اولین بار توسط کارولین برتوزی به عنوان یک نوع فعال شده از آلکین هویزگن آزید، بر اساس کار کارل بری شارپلس و همکاران، ایجاد شد. برخلاف CuAAC، شیمی کلیک بدون مس با حذف یک کاتالیزور مس سیتوتوکسیک به صورت بیو اورتوگونال اصلاح شده است و اجازه می دهد واکنش سریع و بدون سمیت سلولی زنده ادامه یابد. به جای مس، واکنش یک سیکلودیشن آلکین آزیدی (SPAAC) است که توسط کرنش ترویج می شود. این به عنوان یک جایگزین سریعتر برای واکنش Staudinger ساخته شد، با اولین نسل‌ها بیش از شصت برابر سریع‌تر واکنش نشان دادند. بیواورتوگونالیتی واکنش, به واکنش کلیک بدون مس در سلول‌های کشت‌شده، گورخرماهی‌های زنده و موش‌ها اجازه استفاده داده است.
سمیت مس
سیکلودیشن آزید-آلکین کلاسیک کاتالیز شده با مس، یک واکنش کلیکی بسیار سریع و موثر برای بیوکونژوگاسیون بوده است، اما به دلیل سمیت یون‌های مس (I) برای استفاده در سلول‌های زنده مناسب نیست. مسمومیت به دلیل آسیب اکسیداتیو از گونه های فعال اکسیژن تشکیل شده توسط کاتالیزورهای مس است. همچنین مشخص شده است که کمپلکس های مس باعث ایجاد تغییراتی در متابولیسم سلولی می شوند و توسط سلول ها جذب می شوند.
برخی از لیگاندها برای جلوگیری از آسیب زیست مولکول و تسهیل حذف در کاربردهای آزمایشگاهی توسعه یافته است. با این حال، مشخص شده است که محیط‌های لیگاندی مختلف کمپلکس‌ها هنوز هم می‌توانند بر متابولیسم و ​​جذب تأثیر بگذارند و باعث ایجاد یک اختلال ناخواسته در عملکرد سلولی شوند.
بیواورتوگونالیتی
گروه آزید بیواورتوگونال است زیرا بسیار کوچک است (مناسب برای نفوذپذیری سلولی و اجتناب از اختلالات)، از نظر متابولیکی پایدار است و به طور طبیعی در سلول ها وجود ندارد و بنابراین واکنش های جانبی بیولوژیکی رقیب ندارد. اگرچه آزیدها واکنش پذیرترین 1،3 دوقطبی موجود برای واکنش نیستند، اما به دلیل عدم وجود نسبی واکنش های جانبی و پایداری در شرایط مصنوعی معمولی ترجیح داده می شوند. آلکین آنقدر کوچک نیست، اما همچنان پایداری و متعامد بودن لازم برای برچسب گذاری در داخل بدن را دارد. سیکلوکتین ها به طور سنتی رایج ترین سیکلوآلکین برای مطالعات برچسب گذاری هستند، زیرا آنها کوچکترین حلقه آلکین پایدار هستند.
مکانیسم
این واکنش به عنوان یک 1,3-dipolar cycloaddition استاندارد، نوعی جابجایی پری حلقه ای ناهمزمان و هماهنگ انجام می شود. ماهیت دوسوگرای 1،3 دوقطبی باید شناسایی یک مرکز الکتروفیل یا هسته دوست روی آزید را غیرممکن کند، به طوری که جهت جریان الکترون چرخه ای بی معنی باشد. [p] با این حال، محاسبات نشان داده است که توزیع الکترون بین نیتروژن ها باعث می شود که درونی ترین اتم نیتروژن بیشترین بار منفی را تحمل کند.
جهت گزینی
اگرچه این واکنش یک مخلوط regioisomeric از تریازول ها را تولید می کند، فقدان جهت گزینی در واکنش یک نگرانی عمده برای اکثر کاربردهای فعلی نیست. جهت گزینی بیشتر و ملزومات بیواورتوگونال کمتر با copper-catalyzed Huisgen cycloaddition ، به‌ویژه با توجه به دشواری سنتزی (در مقایسه با افزودن یک آلکین انتهایی) در سنتز سیکلوکتین کرنش‌شده، به بهترین وجه ارائه می‌شوند.
توسعه سیکلوکتین ها
OCT اولین سیکلوکتین بود که برای شیمی کلیک بدون مس ساخته شد. در حالی که آلکین های خطی در دماهای فیزیولوژیکی غیر فعال هستند، OCT به راحتی با آزیدها در شرایط بیولوژیکی واکنش نشان می دهد در حالی که هیچ سمیتی از خود نشان نمی دهد. با این حال، به میزان ضعیف محلول در آب بوده، و سینتیک به سختی نسبت به واکنش Staudinger بهبود یافته است. ALO (اکتین بدون آریل) برای بهبود حلالیت در آب ایجاد شد، اما همچنان سینتیک ضعیفی داشت.
سیکلوکتین‌های تک فلوئوردار (MOFO) و دی‌فلورینه (DIFO) برای افزایش سرعت از طریق افزودن جایگزین‌های فلوئور الکترون‌کشنده در موقعیت پروپرژیلیک ایجاد شدند. فلوئور از نظر قابلیت دسترسی سنتزی و بی‌اثری بیولوژیکی یک گروه الکترون‌کش خوب است. به ویژه، نمی تواند یک گیرنده الکتروفیل مایکل که ممکن است با هسته دوست های بیولوژیکی واکنش جانبی ایجاد کند. DIBO (dibenzocyclooctyne) به صورت ادغام به دو حلقه آریل ایجاد شد که منجر به کرنش بسیار زیاد و کاهش انرژی های distortion شد. پیشنهاد شد که جایگزینی بی‌آریل، کرنش حلقه را افزایش می‌دهد و برای بهبود واکنش‌پذیری، با آلکین ترکیب می‌شود. اگرچه محاسبات پیش‌بینی کرده‌اند که جایگزینی مونوآریل تعادل مطلوبی بین برخورد فضایی (با مولکول آزید) و کرنش فراهم می‌کند،  محصولات تک‌آریله شده ناپایدار هستند.
BARAC (biarylazacyclooctynone) با افزودن یک پیوند آمیدی که یک مرکز sp2 مانند را اضافه می کند تا نرخ را با distortion افزایش دهد. رزونانس آمید بدون ایجاد پیوندغیراشباع اضافی که منجر به یک مولکول ناپایدار می شود، باعث ایجاد فشار اضافی می شود. علاوه بر این، افزودن یک هترواتم به حلقه سیکلوکتین هم حلالیت و هم فارماکوکینتیک مولکول را بهبود می بخشد. BARAC دارای سرعت (و حساسیت) کافی است تا جایی که شستن پروب اضافی برای کاهش پس زمینه غیر ضروری است. این باعث می شود در شرایطی که شستشو غیرممکن است، مانند تصویربرداری بلادرنگ یا تصویربرداری از کل حیوانات، بسیار مفید است. اگرچه BARAC بسیار مفید است، اما پایداری کم آن مستلزم آن است که باید در دمای 0 درجه سانتیگراد، محافظت شده از نور و اکسیژن نگهداری شود.
تغییرات بیشتر بر روی BARAC برای تولید DIBAC/ADIBO برای افزودن کرنش حلقه دیستال و کاهش استریک‌های اطراف آلکین برای افزایش بیشتر واکنش‌پذیری انجام شد. Keto-DIBO، که در آن گروه هیدروکسیل به کتون تبدیل شده است، به دلیل تغییر در ساختار حلقه، سرعت آن سه برابر افزایش می یابد. تلاش برای ساخت دی فلوروبنزوسیکلوکتین (DIFBO) به دلیل ناپایداری ناموفق بود.
مشکلات DIFO با مطالعات in vivo موش دشواری تولید واکنش‌های بیواورتوگونال را نشان می‌دهد. اگرچه DIFO در برچسب‌گذاری سلول‌ها بسیار واکنش‌پذیر بود، اما در مطالعات موش به دلیل اتصال با آلبومین سرم ضعیف عمل کرد. هیدروفوبی سیکلوکتین باعث جداسازی غشاها و پروتئین‌های سرم می‌شود و غلظت‌های طبیعی موجود را کاهش می‌دهد. در پاسخ، DIMAC (dimethoxyazacyclooctyne) برای افزایش حلالیت در آب، قطبیت و فارماکوکینتیک توسعه داده شد،  اگرچه تلاش‌ها برای برچسب‌گذاری بیواورتوگونال مدل‌های موش هنوز در حال توسعه است.
واکنش‌پذیری
تلاش‌های محاسباتی در توضیح ترمودینامیک و سینتیک این واکنش‌های cycloaddition که نقش حیاتی در ادامه بهبود واکنش ایفا کرده است، حیاتی بوده است. دو روش برای فعال‌سازی آلکین‌ها بدون کاهش پایداری وجود دارد: کاهش انرژی حالت گذار یا کاهش پایداری واکنش‌دهنده.
کاهش پایداری واکنش دهنده: Houk پیشنهاد کرده است که تفاوت در انرژی (Ed ‡) مورد نیاز برای تحریف آزید و آلکین در هندسه های حالت گذار، ارتفاع سد انرژی را برای واکنش کنترل می کند. انرژی فعال سازی (E ‡) مجموع destabilizing distortions و برهمکنش های تثبیت کننده (Ei ‡) است. مهم ترین distortion در گروه عاملی آزید با سهم کمتر distortion آلکین است. با این حال، این فقط سیکلوکتین است که می تواند به راحتی برای واکنش پذیری بالاتر اصلاح شود. موانع واکنش محاسبه شده برای فنیل آزید و استیلن (16.2 کیلو کالری در مول) در مقابل سیکلوکتین (8.0 کیلو کالری در مول) منجر به افزایش سرعت پیش بینی شده 106 می شود. سیکلوکتین به انرژی distortion کمتری نیاز دارد (1.4 کیلوکالری در مول در مقابل 4.6 کیلوکالری در مول) که منجر به انرژی فعال سازی کمتری با وجود انرژی برهمکنش کمتر می شود.
کاهش انرژی حالت گذار: گروه های الکترون کشنده مانند فلوئور با کاهش انرژی LUMO و شکاف HOMO-LUMO سرعت را افزایش می دهند. این منجر به انتقال بار بیشتر از آزید به سیکلوکتین فلوئوردار در حالت گذار، افزایش انرژی برهمکنش (مقدار منفی پایین تر) و انرژی فعال سازی کلی می شود. کاهش LUMO نتیجه هایپرکانژوگه بین اوربیتال های دهنده آلکین π و گیرنده های CF σ* است. این فعل و انفعالات در درجه اول در حالت گذار به عنوان یک نتیجه از افزایش توانایی های دهنده/پذیرنده پیوندها به هنگام تحریف آنها، تثبیت می کند. محاسبات NBO نشان داده است که distortion حالت گذار انرژی برهمکنش را 2.8 کیلوکالری در مول افزایش می دهد.
هایپرکانژوگیشن بین پیوندهای π خارج از صفحه بیشتر است زیرا پیوندهای π درون صفحه تراز ضعیفی دارند. با این حال، خمش حالت گذار به پیوندهای π درون صفحه اجازه می‌دهد تا آرایش antiperiplanar بیشتری داشته باشند که تعامل را تسهیل می‌کند. تثبیت انرژی برهمکنش هایپرکانژوگیشن از طریق افزایش جمعیت الکترونیکی σ* به دلیل تشکیل پیوند CN حاصل می شود. هایپرکانژوگیشن منفی با پیوندهای σ* CF این برهمکنش تثبیت کننده را افزایش می دهد.
جهت گزینی
اگرچه جهت گزینی در کاربردهای تصویربرداری کنونی شیمی کلیک بدون مس، مسئله مهمی نیست، اما مسئله ای است که از کاربردهای آینده در زمینه هایی مانند طراحی دارو یا پپتیدومیتیک جلوگیری می کند.
در حال حاضر اکثر سیکلوکتین ها برای تشکیل مخلوط های منطقه ایزومر واکنش نشان می دهند. [m] تجزیه و تحلیل محاسباتی نشان داده است که در حالی که جهت گزینی فاز گاز به نفع 1.5 افزودن به 1.4 افزودن تا 2.9 کیلوکالری در مول در انرژی فعال‌سازی محاسبه می‌شود، اصلاحات حل‌پذیری منجر به موانع انرژی یکسان برای هر دو ایزومر منطقه می‌شود. در حالی که ایزومر 1،4 در سیکلودافزودن DIFO به دلیل گشتاور دوقطبی بزرگتر آن ناخوشایند است، حلال‌پذیری آن را قوی‌تر از ایزومر 1،5 تثبیت می‌کند و جهت گزینی را کاهش می‌دهد.
سیکلوکتین‌های متقارن مانند BCN (bicyclo[6.1.0]nonyne) یک منطقه ایزومر منفرد را پس از cycloaddition تشکیل می‌دهند و ممکن است برای رفع این مشکل در آینده مفید باشند.
برنامه های کاربردی
گسترده ترین کاربرد شیمی کلیک بدون مس در تصویربرداری بیولوژیکی در سلول های زنده یا حیوانات با استفاده از یک مولکول زیستی با برچسب آزید و یک سیکلوکتین حاوی یک عامل تصویربرداری است.
انواع فلورسنت کتو و اکسیم DIBO در واکنش های کلیک سوئیچ فلوئورو استفاده می شود که در آن فلورسانس سیکلوکتین توسط تری آزولی که در واکنش تشکیل می شود خاموش می شود. از سوی دیگر، سیکلوکتین‌های کومارین کونژوگه مانند coumBARAC به گونه‌ای توسعه یافته‌اند که آلکین فلورسانس را سرکوب می‌کند در حالی که تشکیل تری آزول بازده کوانتومی فلورسانس را ده برابر افزایش می‌دهد.
کنترل مکانی و زمانی برچسب‌گذاری سوبسترا با استفاده از سیکلوکتین‌های فعال کننده نور مورد بررسی قرار گرفته است. این اجازه می دهد تا تعادل آلکین قبل از واکنش به منظور کاهش آرتیفکت در نتیجه گرادیان غلظت برقرار شود. سیکلوکتین های پوشانده قادر به واکنش با آزیدها در تاریکی نیستند، اما در اثر تابش نور به آلکین های واکنشی تبدیل می شوند.
شیمی کلیک بدون مس برای استفاده در سنتز عوامل تصویربرداری PET که باید به سرعت با خلوص و بازده بالا ساخته شوند تا قبل از استفاده از ترکیبات به حداقل رساندن فروپاشی ایزوتوپی مورد بررسی قرار گیرد. هم ثابت های سرعت بالا و بیواورتوگونالیتی SPAAC در شیمی PET قابل قبول هستند.

modified version of staudinger ligation

copper free click chemistry
توسعه سیکلوکتین ها
واکنش پذیری
سیکلوکتین
photoinitiation