Química de clic sin cobre

La química de clic sin cobre es una reacción bioortogonal como una variante de una cicloadición de Huisgen de azida-alquino . Al eliminar los catalizadores de cobre citotóxicos , la reacción se lleva a cabo sin toxicidad para las células vivas. ^[1] Se desarrolló como una alternativa más rápida a la ligadura de Staudinger con la primera generación de química de clic sin Cu, produciendo constantes de velocidad 63 veces más rápidas.

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 la química bioortogonal . Los requisitos más regioespecíficos y menos bioortogonales se satisfacen mejor con la cicloadición de Huisgen tradicional , especialmente dado el bajo rendimiento y la dificultad sintética de sintetizar un ciclooctino deformado (en comparación con la adición de un alquino terminal ).

La bioortogonalidad de la reacción ha permitido que la reacción de clic sin Cu se aplique 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 la química bioortogonal o la química clic bioortogonal. ^[2]

El derivado de ciclooctano OCT fue el primero desarrollado para la química de clic sin Cu; solo tenía una tensión de anillo para impulsar la reacción hacia adelante, y la cinética apenas mejoró con respecto a la ligación de Staudinger . Después de OCT y MOFO (ciclooctino monofluorado), se desarrolló el ciclooctino difluorado (DIFO). ^[1] Se introdujo un enfoque sintético mejorado para un ciclooctino monofluorosustituido (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]

El ciclooctino sustituido se activa para una cicloadición 1,3-dipolar por su tensión de anillo y sus sustituyentes de flúor que atraen electrones, lo que permite que la reacción tenga lugar con una cinética comparable a la cicloadición de Huisgen catalizada por Cu. La tensión de 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. Los sustituyentes de flúor que atraen electrones se eligieron debido a su facilidad de síntesis y compatibilidad con los sistemas biológicos vivos. Además, el grupo no puede producir aceptores de Michael que reaccionen de forma cruzada y que puedan 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. Se calcula que la regioselectividad en fase gaseosa favorece la adición 1,5 sobre la adición 1,4 en hasta 2,9 kcal/mol en energía de activación en la fase gaseosa; las correcciones de solvatación dan las mismas barreras energéticas 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 de Carolyn R. Bertozzi informan una proporción de regioisómeros de casi 1:1, lo que confirma la falta de regioselectividad predicha 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 alcance el estado de transición con una menor distorsión del dipolo 1,3 durante una reacción, lo que da como resultado un ángulo dipolar mayor.

La fusión de un ciclooctino con dos anillos arílicos aumenta la velocidad de reacción, y los reactivos de ciclooctino del grupo Bertozzi procedieron a través de una serie de fusiones que buscaban aumentar aún más la tensión del anillo. El DIBO (dibenzociclooctino) se desarrolló como precursor del BARAC (biarilazaciclooctinona), aunque los cálculos habían predicho que un solo anillo arílico fusionado sería óptimo. Los intentos de hacer 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 lo atrapa formando un complejo de inclusión estable con β-ciclodextrina en un medio acuoso. Este complejo, formado con la β-ciclodextrina, puede luego almacenarse como un polvo liofilizado. Para obtener el DIFBO libre, el polvo liofilizado se disocia con solventes orgánicos para producir el DIFBO libre para el análisis cinético y espectroscópico in situ. ^[3]

Los problemas con DIFO en estudios in vivo con ratones ilustran la dificultad de producir reacciones bioortogonales.