Química de clic

La reacción clásica de clic ^{[ 8 ] [ 9 ]} es la reacción catalizada por cobre de una azida con un alquino para formar un anillo C2N3 de 5 miembros _. Esta reacción es la cicloadición azida-alquino catalizada _por Cu(I) (CuAAC). La primera síntesis de triazol , a partir de acetilendicarboxilato de dietilo y azida de fenilo, fue reportada por Arthur Michael en 1893. ^{[ 10 ]} Posteriormente, a mediados del siglo XX, esta familia de cicloadiciones 1,3-dipolares adoptó el nombre de Rolf Huisgen después de sus estudios de su cinética y condiciones de reacción.

La catálisis con cobre de la cicloadición 1,3-dipolar de Huisgen fue descubierta simultáneamente e independientemente por los grupos de Fokin y Sharpless ^{[ 11 ]} y Meldal. ^{[ 6 ]} La versión de esta reacción catalizada por cobre produce únicamente el isómero 1,4, mientras que la cicloadición 1,3-dipolar de Huisgen no catalizada produce tanto el isómero 1,4 como el 1,5 y requiere una temperatura de 100 °C. ^{[ 10 ]}

Aunque esta reacción se lleva a cabo eficazmente en condiciones biológicas, el cobre en este rango de dosis es citotóxico. Se han presentado soluciones a este problema, como el uso de ligandos solubles en agua en el cobre para mejorar la penetración celular del catalizador y, por lo tanto, minimizar la dosis necesaria. ^{[ 12 ] [ 13 ]} Una reacción análoga de "RuAAC" (catalizada por rutenio, en lugar de cobre) permite la producción selectiva de isómeros 1,5. ^{[ 14 ]}

Las reacciones de clic sin metales han cobrado prominencia debido a su mayor biocompatibilidad y menor citotoxicidad. En particular, las reacciones de cicloadición de azida-alquino promovida por tensión (SPAAC) y de Diels-Alder de demanda electrónica inversa (IEDDA) se han adoptado ampliamente para el marcaje bioortogonal en sistemas vivos. Estas reacciones ofrecen alta especificidad sin necesidad de catalizadores metálicos, lo que las hace ideales para aplicaciones en organismos vivos y entornos complejos. ^{[ 15 ]}

Las versiones de las reacciones de clic sin cobre de Huisgen minimizan la citotoxicidad. ^{[ 16 ] [ 17 ]}

Los diaril-ciclooctinos tensionados, incluido el dibencilciclooctino (DIBO), también se han utilizado para reaccionar con 1,3-nitronas en cicloadiciones de alquino-nitrona promovidas por tensión (SPANC) para producir isoxazolinas N-alquiladas. ^{[ 18 ]}

Debido a que esta reacción no contiene metales y se desarrolla con una cinética rápida (k2 tan rápido como 60 1/Ms, más rápido que el CuAAC o el SPAAC), el SPANC puede utilizarse para el marcaje de células vivas. Además, se tolera la sustitución tanto en los átomos de carbono como de nitrógeno del dipolo de nitrona, así como nitronas acíclicas y endocíclicas. Esta amplia tolerancia proporciona una gran flexibilidad para la incorporación de sondas o grupos funcionales de nitrona. ^{[ 19 ]}

Sin embargo, el producto isoxazolínico no es tan estable como el producto triazolínico de la CuAAC y la SpAAC, y puede sufrir reordenamientos en condiciones biológicas. A pesar de ello, esta reacción sigue siendo muy útil, ya que presenta una cinética de reacción notablemente rápida. ^{[ 18 ]}

Las aplicaciones de esta reacción incluyen el marcaje de proteínas que contienen serina como primer residuo: la serina se oxida a aldehído con NaIO₄ _y luego se convierte en nitrona con p-metoxibencenotiol, N-metilhidroxilamina y p-ansidina, y finalmente se incuba con ciclooctino para obtener un producto de clic. El SPANC también permite el marcaje múltiple. ^{[ 20 ] [ 21 ]}

Los alquenos tensionados también utilizan la relajación de la tensión como fuerza impulsora que permite su participación en reacciones de clic. Los transcicloalquenos (generalmente ciclooctenos) y otros alquenos tensionados, como el oxanorbornadieno, reaccionan en reacciones de clic con diversos reactivos, entre ellos azidas, tetrazinas y tetrazoles. Estos reactivos pueden interactuar específicamente con el alqueno tensionado, manteniendo su bioortogonalidad con respecto a los alquenos endógenos presentes en lípidos, ácidos grasos, cofactores y otros productos naturales. ^{[ 20 ]}

Reacción de Diels-Alder de demanda inversa con alquenos y tetrazinas

Los ciclooctenos tensionados y otros alquenos activados reaccionan con tetrazinas en una reacción de Diels-Alder de demanda electrónica inversa seguida de una cicloadición retro [4+2] (véase la figura). ^{[ 22 ]} Los cicloalquenos de tres y cuatro miembros, debido a su alta tensión anular, también son sustratos de alquenos ideales. ^{[ 22 ]}

De forma similar a otras cicloadiciones [4+2], los sustituyentes dadores de electrones en el dienófilo y los sustituyentes atractores de electrones en el dieno aceleran la reacción de Diels-Alder de demanda inversa. El dieno, la tetrazina, debido a la presencia de nitrógenos adicionales, es un buen dieno para esta reacción. El dienófilo, el alqueno activado, a menudo puede estar unido a grupos alquilo dadores de electrones en las moléculas objetivo, lo que lo hace más adecuado para la reacción. ^{[ 23 ]}

La química de clic se emplea a menudo para unir marcadores de visualización. En muchas aplicaciones potenciales, las reacciones de clic unen una biomolécula y una molécula reportera u otra sonda molecular, un proceso llamado bioconjugación . ^{[ 27 ]} La posibilidad de unir fluoróforos y otras moléculas reporteras ha convertido a la química de clic en una herramienta para identificar, localizar y caracterizar biomoléculas. Uno de los métodos más antiguos e importantes en bioconjugación fue expresar un gen reportero, como el gen de la proteína verde fluorescente (GFP), en la misma secuencia genética que una proteína de interés.

Ejemplos de bioconjugación para el marcaje incluyen el uso de azidocumarina para marcar grupos alquino en proteínas y biomoléculas modificadas. ^{[ 28 ]} El fluoróforo rodamina se ha acoplado al norborneno y ha reaccionado con tetrazina en sistemas vivos. ^{[ 29 ]} En otros casos, la SPAAC entre un fluoróforo modificado con ciclooctino y proteínas marcadas con azida permitió la selección de estas proteínas en lisados ​​celulares. ^{[ 30 ]}

Los métodos para la incorporación de socios de reacción de clic en sistemas in vivo y ex vivo contribuyen al alcance de las posibles reacciones de bioconjugación. El desarrollo de la incorporación de aminoácidos no naturales por los ribosomas ha permitido la incorporación de socios de reacción de clic como grupos laterales no naturales en estos aminoácidos no naturales. Por ejemplo, la azidohomoalanina (AHA) es un análogo de la metionina con un grupo lateral azida. Este grupo lateral azida permite que los cicloalquinos reaccionen con proteínas que incorporan este aminoácido no natural "AHA". ^{[ 31 ]} En otro ejemplo, "CpK" es un análogo de la lisina . CpK tiene un grupo lateral que incluye un ciclopropano alfa a un enlace amida que actúa como socio de reacción de la tetrazina en una reacción de Diels-Alder inversa. ^{[ 32 ]}

La síntesis de luciferina ejemplifica otra estrategia para aislar reactivos, que consiste en aprovechar grupos naturales poco frecuentes como el 1,2-aminotiol, que aparece únicamente cuando una cisteína es el aminoácido N' final de una proteína. Su selectividad natural y su relativa bioortogonalidad resultan valiosas para el desarrollo de sondas específicas para estas etiquetas. La reacción anterior se produce entre un 1,2-aminotiol y un 2-cianobenzotiazol para generar luciferina, que es fluorescente. Esta fluorescencia de luciferina puede cuantificarse mediante espectrometría tras un lavado y utilizarse para determinar la presencia relativa de la molécula que contiene el 1,2-aminotiol. Si se desea cuantificar la proteína que no contiene el 1,2-aminotiol, la proteína de interés puede escindirse para obtener un fragmento con una Cys N' vulnerable al 2-CBT. ^{[ 33 ]}

La química click se ha convertido en una piedra angular en el descubrimiento de fármacos y la bioconjugación. Su capacidad para formar enlaces covalentes estables de forma rápida y selectiva ha facilitado el desarrollo de terapias dirigidas y agentes de diagnóstico. Estudios recientes han explorado el uso de la química click en la creación de sistemas multifuncionales de administración de fármacos, mejorando la especificidad y la eficacia de los tratamientos. ^{[ 34 ]} La simplicidad de la química click ha tenido un impacto significativo en muchos ámbitos, especialmente en el desarrollo farmacéutico.

La química click se ha utilizado en numerosos estudios de fármacos para investigar su mecanismo de acción. Entre los descubrimientos se incluye que la salinomicina se localiza en los lisosomas para iniciar la ferroptosis en las células madre cancerosas ^{[ 35 ]} y que los derivados de la metformina se acumulan en las mitocondrias para quelar el cobre(II), afectando el metabolismo y los cambios epigenéticos posteriores en los macrófagos inflamatorios. ^{[ 36 ]}

En combinación con la química combinatoria , el cribado de alto rendimiento y la creación de bibliotecas químicas , la química click ha acelerado el descubrimiento de nuevos fármacos al hacer que cada reacción en una síntesis de múltiples pasos sea rápida, eficiente y predecible.

Otras aplicaciones y posibles aplicaciones incluyen:

• ClickSeq , un método para generar bibliotecas de secuenciación de próxima generación ^{[ 37 ]}
• separación por electroforesis en gel bidimensional ^{[ 38 ]}
• Síntesis orgánica preparativa de triazoles 1,4-sustituidos
• modificación de la función de los péptidos con triazoles
• modificación de productos naturales y farmacéuticos
• descubrimiento de productos naturales ^{[ 39 ]}
• macrociclaciones mediante acoplamientos de triazol catalizados por Cu(I)
• Modificación del ADN y los nucleótidos mediante ligación con triazol.
• Química supramolecular : calixarenos , rotaxanos y catenanos
• diseño de dendrímeros
• Agrupaciones de carbohidratos y conjugación de carbohidratos mediante reacciones de ligación de triazol catalizadas por Cu(1)
• síntesis de polímeros y biopolímeros ^{[ 40 ]}
• unión de maquinaria molecular a superficies sólidas ^{[ 41 ] [ 42 ]}
• ciencia de los materiales
• nanotecnología ^{[ 43 ]}
• biomateriales ^{[ 44 ]}