La química de clic sin cobre es una reacción bioortogonal como una variante de una cicloadición de Huisgen azida-alquino . Al eliminar los catalizadores de cobre citotóxicos , la reacción se desarrolla sin toxicidad para las células vivas. [1] Fue desarrollado como una alternativa más rápida a la ligadura de Staudinger con la primera generación de química de clic sin Cu, produciendo constantes de velocidad más de 63 veces más rápido.
Aunque la reacción produce una mezcla regioisomérica de triazoles, la falta de regioselectividad en la reacción no es una preocupación importante para sus aplicaciones en química bioortogonal . La cicloadición tradicional de Huisgen satisface mejor los requisitos más regioespecíficos y menos bioortogonales , especialmente dado el bajo rendimiento y la dificultad sintética de sintetizar una ciclooctina tensa (en comparación con la adición de un alquino terminal ).
La bioortogonalidad de la reacción ha permitido aplicar la reacción de clic sin Cu en células cultivadas, peces cebra vivos y ratones.
La ausencia de catalizadores metálicos exógenos hace que las reacciones químicas libres de Cu sean adecuadas para las aplicaciones in vivo de química bioortogonal o química de clic bioortogonal. [2]
El derivado de ciclooctano OCT fue el primero desarrollado para la química click libre de Cu; solo tenía tensión del anillo para impulsar la reacción, y la cinética apenas mejoró con respecto a la ligadura de Staudinger . Después de OCT y MOFO (ciclooctina monofluorada), se desarrolló la ciclooctina difluorada (DIFO). [1] Se introdujo un enfoque sintético mejorado para una ciclooctina monofluorosustituida (MFCO) que podría convertirse fácilmente en un intermedio reactivo útil para aplicaciones de bioconjugación, aunque la reactividad fue algo más lenta que la del DIFO. El MFCO demostró excelentes características de estabilidad para el almacenamiento a largo plazo. [2]
La ciclooctina sustituida se activa para una cicloadición 1,3-dipolar mediante la tensión del anillo y los sustituyentes flúor atractores de electrones, lo que permite que la reacción tenga lugar con una cinética comparable a la cicloadición de Huisgen catalizada por Cu. La tensión del anillo (~18 kcal/mol) surge de la desviación de los ángulos de enlace de los 180° ideales para formar un anillo de ocho miembros, el más pequeño de todos los cicloalquinos. Se eligieron sustituyentes flúor aceptores de electrones debido a su facilidad de síntesis y compatibilidad con los sistemas biológicos vivos. Además, el grupo no puede producir aceptores de Michael de reacción cruzada que podrían actuar como agentes alquilantes hacia especies nucleofílicas dentro de las células.
Como la mayoría de los ciclooctinos, DIFO prefiere la conformación de silla tanto en el estado fundamental como en la ruta de tracción de energía mínima, aunque también pueden estar involucrados estados de transición de barco. La regioselectividad de la fase gaseosa se calcula para favorecer la adición de 1,5 sobre la adición de 1,4 en hasta 2,9 kcal/mol en energía de activación en la fase gaseosa; las correcciones de solvatación dan las mismas barreras de energía para ambos regioisómeros, lo que explica la mezcla regioisomérica que resulta de las cicloadiciones DIFO. Si bien el isómero 1,4 se ve desfavorecido por su mayor momento dipolar (todos los sustituyentes ricos en electrones en un lado), la solvatación lo estabiliza más fuertemente que el isómero 1,5 , erosionando la regioselectividad. Los estudios experimentales realizados por Carolyn R. Bertozzi informan una proporción de regioisómeros de casi 1:1, lo que confirma la falta prevista de regioselectividad en la adición.
Además, casi toda la energía de distorsión (92%) surge de la distorsión del dipolo 1,3 en lugar del ciclooctino, que tiene una geometría de estado fundamental predistorsionada que aumenta su reactividad. La fluoración disminuye la energía de distorsión al permitir que se logre el estado de transición con una menor distorsión del dipolo 1,3 durante una reacción, lo que resulta en un ángulo dipolar mayor.
La fusión de una ciclooctina con dos anillos de arilo aumenta la velocidad de reacción, y los reactivos de ciclooctina del grupo Bertozzi procedieron a través de una serie de fusiones que buscaban aumentar aún más la tensión del anillo. DIBO (dibenzo ciclooctina) se desarrolló como precursor de BARAC (biarilazaciclooctinona), aunque los cálculos habían predicho que un único anillo de arilo fusionado sería óptimo. Los intentos de fabricar un difluorobenzociclooctino (DIFBO) no tuvieron éxito debido a la inestabilidad del compuesto.
La razón de la inestabilidad del DIFBO es que es tan reactivo que se trimeriza espontáneamente para formar dos productos asimétricos que pueden caracterizarse mediante cristalografía de rayos X. Para estabilizar el DIFBO, se atrapa formando un complejo de inclusión estable con β-ciclodextrina en medio acuoso. Este complejo, formado con la β-ciclodextrina, puede almacenarse luego como polvo liofilizado. Para obtener el DIFBO libre, el polvo liofilizado se disocia con disolventes orgánicos para producir el DIFBO libre para análisis cinético y espectroscópico in situ. [3]
Los problemas con DIFO con estudios en ratones in vivo ilustran la dificultad de producir reacciones bioortogonales.