点击化学研究进展及其在药学领域的应用

点击化学研究进展及其在药学领域的应用

摘要：点击化学是利用一系列可靠的、高效的、选择性的而又具模块化的化学反应生成含杂原子的化合物，从而实现碳杂原子的连接(C-X-C) ,是用最佳的化学反应合成的分子来实现期望得到的功能，从而避免复杂的化学反应。此后，一价铜催化端炔和有机叠氮的环加成反应引起了人们极大的重视，并迅速在医药化学、生物和生物医学、组合化学和材料科学等领域得到广泛的应用。 关键字：点击化学 叠氮 1,3-环加成反应 三氮唑 药物合成

叠氮化合物和乙炔的环加成反应早在20世纪早期就有报道，Huisgen[1]将1，3-偶极环加成反应用于氮杂三唑的合成。1，3-偶极环加成反应是一类非常有趣和与众不同的环化反应，属于周环反应的一种。在氮杂唑的合成中，炔基作为亲偶极体，而重氮或叠氮化合物的激发态具有1，3-偶极结构，作为l,3-偶极体参加反应。最初，反应需在甲苯回流的高温条件下进行。炔基上两个碳原子的电子云密度相差不大，而生成两种环化产物所需的活化能也十分接近，因此会有1,4-和l,5-两种位置异构体。考虑到实验安全性以及两个异构体分离的问题，这个反应并没有得到有机化学家足够的重视。传统的Huisgen反应因为如下的缺点：1)底物往往需要吸电子的基团活化，在炔基的两端有强的吸电子基团的化合物显示了最好的活性，在炔基的一端或叠氮上连有强吸电子的化合物也能发生Huisgen反应，没有活化基团的底物不能发生1,3-偶极反应；2)热Huisgen环加成反应速度慢、温度高，通常都需要在甲苯乙醇中回流，或再DMF、DMSO中加热数十小时，甚至数天，才能完成反应。此外，由于许多有机叠氮是不稳定的，在高温反应时通常面临着分解甚至爆炸的潜在危险；3)热Huisgen反应区域选择性差，产物为1,4-和1,5-二取代的混合物，对末端区来说，区域选择性的问题尤其突出，通常得到比值接近1：1的混合物。结果，发现更温和、更好选择性的条件来完成Huisgen环加成，一直是迫切的需要。

合成化学家一直试图改进反应的产率和区域选择性，进行了各种有益的尝 试。Sharpless研究小组[2]长期从事碳与杂原子之间化学键的形成研究，并对氮杂三唑的合成反应进行了改进。Sharpless等发现，CuS04和抗坏血酸钠ⅣC)在室温下原位(in situ)产生的一价铜能够高效地催化末端炔和有机叠氮发生Huisgen环加成反应，可以在十分温和的条件下只生成l，4．二取代的氮杂三唑。此反应可以在水相中进行，不需要通过柱层析的方法就可以得到纯品，且可得到区域选择性的1，4-三唑，且产率高达91％，反应时间也由原来的18 h缩短为8 h。Sharpless等在改进后的Huisgen 1，3-偶极环加成基础上提出了“Click Chemistry”的概念，以表明这是十分理想的有机化学反应。于是，它是一种新型、简单、快速并且是新世纪最引人注目之一的合成方法。其核心是利用一系列可靠的、高效的、选择性的而又具模块化的化学反应生成含杂原子的化合物，从而实现碳杂原子的连接(C-X-C) ,是用最佳的化学反应合成的分子来实现期望得到的功能，从而避免复杂的化学反应。此后，一价铜催化端炔和有机叠氮的

环加成反应引起了人们极大的重视，并迅速在医药化学、生物和生物医学、组合化学和材料科学等领域得到广泛的应用。 点击化学的类型与特点

点击化学一般具备以下特点：（1)所用原料和试剂容易获得；(2)反应条件简单，反应过程对水和氧气不敏感；(3)产率高，没有或有无害的副产品；(4)立体选择性好；(5)产物净化技术简单；(6)产物稳定性好。(6)一般不用溶剂，即使用，也只用一些温和、易被分离的溶剂，例如水。水是“点击反应”的常用溶剂，其原因是：a、有机分子在水中不能充分溶解时反而会有更高的自由能，使反应过程在水溶剂中比在有机溶剂中有更高的表观速率常数，常能得到较高的产率和单一的产物。b、在有些反应中．反应物间的反应速度比与水的反应更快．如Sehotten-Baumann反应用酰卤在水中生成酰氨；c、水是一个极好的热吸收器，对放热反应过程是有利的。此外，水可以消除质子性官能团对反应的干扰(在生物活性有机分子中含有很多O-H和N—H官能团)，因此不需要进行基团保护，并且对环境友好。

点击反应主要有4种类型[3,4]：① 环加成反应，特别是是在一价铜盐催化下的有机叠氮和炔基或叠氮和睛基之间1,3-偶极环加成反应，也包括杂环Diels-Alder反应。② 亲核开环反应，特别是张力杂环的亲电试剂开环，如：环氧衍生物、氮杂环内烷、环状硫酞胺等这些由烯烃经过氧化、加成修饰生成的中间体，它们的亲核开环反应都属于点击化学反应的范畴。在这些三元杂环化合物中，环氧衍生物和吖丙啶翁离子是点击化学反应中最常用的底物，可以通过它们的开环形成各种高区域选择性的化合物。此类反应可在醇/水混合溶剂或无溶剂下进行。这一类反应还包括α,β-不饱和羰基化合物的迈克尔加成反应。③ “保护基”反应，醛(酮)与邻羟基反应生成缩醛的“保护基”反应成为基于可逆羰基化学过程在“点击”化学应用中的代表 , 包括：(1)醛或酮与1,3-二醇反应生成1,3-环氧戊环；(2)醛与肼或胲反应应生成腙和肟；(3)α醛和β-羰基醛、酮和酯生成杂环化合物。④ 碳碳多键的加成反应。烯烃在Os催化下的氨基羟基化和二羟基化的反应中表现出独特的活性，仅用等量的卤代氨盐，就能在室温下进行快速和几乎定量的氨基羟基化反应，α,β-不饱和酸和胺有更高的反应活性[6],其中由Cu(I)催化的叠氮化物-炔环加成反应被认为是点击化学的代表．通过点击反应合成环糊精衍生物主要是指Cu（1)催化叠氮基修饰的环糊精与端炔化合物反应。常见的催化体系有Cu(I)，CuI(PPh3)，CuSO4/抗坏血酸钠体系，CuBr／PMDETA体系。

有铜离子和无铜离子催化的点击化学

随着叠氮化物和炔反应在铜(I)催化下的耦合速度迅速加快[5,6]以及水[7] 的存在有益于反应的发现，这一独特的链接过程似乎被定义为一个完美的反应过程，使得该反应成为最经典的点击化反应，也是目前发展比较完善的反应。但在一些特定的情况下，有报道过渡态金属催化剂铜(I)诱导了病毒或寡核苷酸的降解[8]，并且铜(I)作为催化剂具有细胞毒素，应排除生物体内的应用[9]。从而

一些研究转向了其它类型的催化剂，如各种配体(二乙烯基三胺，联啶衍生物，三吡啶衍生物以及六甲基三氨乙基胺等)和其它过渡态金属(Ru，Ni，Pd，Pt和Fe等)等。但是，在使用金属催化剂合成的一个重大问题就是其潜在的毒性[10]。

因此，现在越来越多的研究替代铜(I)催化的点击化学，甚至要求没有任何金属催化剂[11]。巯基和烯烃的加成反应可以追溯到20世纪。重要的是，从一个合成的立场来看，巯基和烯烃的反应。一个显著特点就是它的应用范围广，并且实验条件范围也很广。硫醇和烯的点击化学，即自由的硫醇基加到双键，在固化(硫化)反应和修改聚合物都是一种高效工具[12]。它是无金属催化的点击化学中最简单的一种反应。Schlaad和他的实验小组利用硫醇和烯的点击化反应成功的修改聚[2-(3-丁烯基)-2-唑啉][13]。该反应是合理([RSH]/[CdC]无过渡态金属催化剂)并且是在温和的条件下(在室温下充人惰性气体用紫外灯照射l d)反应。随着后期的研究他们发现，硫醇和烯的反应可以在接近可见光的条件下(λ=365 -405 nm)进行[14]。Fox和他的实验小组报道了在没有金属催化剂的条件下快速的生物耦合反应，避免了铜(I)的催化对细胞毒素的影响。在这个实验中采用的是反电子的DA反应，使四嗪与环辛炔进行[4+2]环加成反应，而且副产物只有N2[15]。这是一个新的生物耦合方法，而且是一个快速、高产、适用范围广并且具有生物功能的反应。至今，有希望替代炔活性的物质已发现，它们通过底物在三键附近的拉电子效应以增强在无铜催化下的反应速率。这样加速了对点击化学的研究，发现[3+2]环加成反应是最具有潜力成为点击反应的。它不仅保持了在无铜催化下的反应速度，而且具有区域选择性，并且反应可以在温和的条件下进行。最近，Evita Balducci，Luca Bellucci等[16]发现在微波作用下分子内的炔烃和叠氮会发生环加成反应[17]。他们在实验中发现炔与α-叠氮胺进行分子内无金属催化，在MeCN/H2O中用微波电介质加热的条件下进行Huisgen环加成时产率会提高。这为以后的研究提供了一个无铜催化新的合成方法。无铜(I)催化的点击化学不仅保持了原有点击化学的特点，而且避免了其毒素，已经越来越多的运用到生物，材料以及药物等领域。虽然它的发展还不成熟，但是随着研究的深入会有更多的方法来取代铜(I)或金属催化的点击化学，它将成为新型点击反应的主要方向之一。 点击化学在药学领域的一些应用

在点击反应的众多优点当中，有3个重要的特征对医药领域有独特的吸引力，首先，叠氮基团和炔烃基团几乎不与生物分子反应，极性相对较弱，对与其连接的其他基团性质无明显的影响，而且可以容易地被引入到化合物中 ；其次，如上所述，点击反应可以在水溶液介质中进行，因此该反应可以在生理学的条件下进行；更重要的是，这种反应具有非常高的化学选择性，可以用来修饰高功能化的生物分子，如多肽、核酸、多糖等，而且点击反应后生成的氮杂唑基团具有芳香环的稳定性，不易分解，可耐受强酸、强碱，并能在多种氧化还原条件下保持稳定，因此点击化学在生物化学和药物合成等领域应用广泛。点击化学的概念最早来源于对天然产物和生物合成途径的观察。仅仅凭借20余种氨

基酸和十余种初级代谢产物，自然界能够通过拼接上千万个这一类型的单元(氨基酸、单糖)，来合成非常复杂的生物分子(蛋白质和多糖)。这一过程具有明显的倾向性，即通过借助形成碳一杂原子键来完成这一复杂的拼接。这一思想对于药物开发和合成具有很重要的意义，然而目前应用的药物数量远远少于这个数目。因此，模仿自然界中“模块化”的合成，开发一系列可靠、高效、具高度选择性的点击反应，对于药物合成将具有革命性的意义。 1．三氮唑类化合物的合成

合成化学家在成功的找到合成l，4-二取代的l,2,3-三唑的方法后，也尝试选择性的合成1,5-二取代的1,2,3-三唑。2005年Fokin等在报道了一种钌催化的有机叠氮和端炔的l,3-偶极环加成反应，选择性的得到1,5-二取代的l,2,3-三氮唑。这类催化剂不仅可以催化端炔，而且还可以催化内炔与有机叠氮的环加成反应得到1,2,3-三唑[17]。把Ru配体换成C12(PPh3)3和RuHCl(CO)(PPh3)3，炔基化合物只有20％的转化率；当用CpRuCl(PPh3)2作为催化剂时，反应以50％的转化率得到了l,5-，1,4-的混合物，比率为5.8：1；将络合物上的环五烯基Cp换成五甲基环五烯基Cp*时，理想的结果被观察到，反应以100％的转换率，最终得到了单一的l，5-二取代的l,2,3-三唑。

氮杂唑类化合物在自然界中广泛分布在嘌呤、嘧啶以及许多天然产物中。三唑类化合物具有广泛的生物活性，其在抗菌、免疫、治疗神经性精神错乱、关节炎、软骨病、肿瘤等各方面有显著的作用[18,19]。近年来更被用于多肽，DNA，RNA和糖上作为有效功能基，并体现了良好的效果；4-酰基腙-1H-l,2,3-三唑衍生物具有抗结核病的能力[20]，N-苯基取代-4-腙衍生物具有抗血小板凝结的作用

[21]

，糖基酰胺N-取代核苷类1H-l，2，3-三唑衍生物有抗癌的活性[22]，改良的1H-1，2，3-三唑类非环核苷显示了抗HIV和ACV病毒的活性，1H-1，2，3-三唑取代的苯磺酰胺类化合物是对人类β1-肾上腺激素接受体有选择性的良好的收缩剂，1H-1，2，3-三唑并[4,5-d]哒嗪可以抑制前列腺素的合成。因此对氮杂唑类化合物的合成方法研究由来已久，其中以重氮或叠氮化合物和炔烃发生1，3-偶极环加成反应形成五元杂环最为常见。1,2,3-三氮唑运用广泛，主要表现在药物，农药，和功能材料方面。 1.药物方面

1.1 抗过敏药物

Buckle等的研究显示，三唑类衍生物是强有力的抗皮肤过敏性的药物，以 小白鼠作为受体，显示了良好的药物活性[23]。 1.2 抗菌药物

1，2，3-三唑取代的苯磺酰胺类化合物是对人类β3-肾上腺激素受体强有力且有选择性的收缩剂[24]，药理筛选实验表明，其中的4-三氟甲基苄基同系物是具有非凡选择性的β33肾上腺激素受体收缩剂(β3 EC50=3.1nM)，其连接到β3-受体的选择性分别是连接到β1受体的6500倍，是β2-受体的1500倍。Genin组合成了一系列包含l，2，3-三唑官能团的唑烷酮化合物，它们显示了优秀的广谱

活性，是对革兰氏阳性球菌和革兰氏阴性球菌强有力的抗菌试剂。

1.3抗凝血药物

由美国阿斯利康公司研发的一种新型的、具有选择性的小分子抗凝血药替卡格雷是一种1，2，3-三氮唑衍生物。该药能可逆性地作用于血管平滑肌细胞(VSMC)上的嘌呤2(purinoceptor 2，P2)亚型P2Ym对ADP弓I起的血小板聚集有明显的抑制作用且口服使用后起效迅速，因此能有效改善急性冠心病患者的症状。而因替卡格雷的抗血小板作用是可逆的。其对于那些需在先期进行抗凝治疗后再行手术的病人尤为适用。

2.点击化学用于先导化合物库的合成

直接使用点击组件模块库的构建过程对于新型分子药物的快速组合合成是非常理想的，可以极大缩短先导化合物发现和结构优化所需的时间。利用一些短的反应序列，点击化学可以在实验室大量制备结构复杂、新颖，并具有多样性的化合物库，如l，2-二取代乙烷衍生物库、五元芳杂环化合物库、1，2．3-三唑衍生物库和非芳杂环化合物库等。如Khanetskyy等哈成了包含有27个嘧啶酮为基本骨架的化合物库。反应过程包括：甲基溴化，叠氮化，偶极环加成反应成环。反应中多步运用微波促进技术；并利用cu(D催化最后的成环反应，得到了较好的结果。

3.点击化学用于靶标导向的活性小分子合成

应用靶标导(target-guided)的点击化学可以发现高亲和力的抑制剂，结构合适的叠氮基化合物与炔基化合物在酶活性中心的催化下能快速的生成立体专一的三氮唑化合物，合成酶自身的抑制剂。Sharpless等利用用生理条件下惰性的反应物，进行不可逆的靶标导向合成，得到高亲和性的AChE抑制剂。 4.糖蛋白

糖蛋白在生物制药领域有着非常重要的地位，通常糖蛋白包含以N或O方式与蛋白质连接的寡糖，但糖肽键对酶水解非常敏感，限制了其新陈代谢的稳定性。此外，由于糖基部分的消除容易抑制O-糖蛋白的合成组装。点击化学能克服合成和新陈代谢的不稳定性，因此将点击化学用于糖蛋白的合成非常适合Rutjes等[25]用叠氮氨基酸和炔基配糖通过点击反应在温和的条件下合成了三唑糖氨基酸，且产率较高。Macmillan和Blanc[26]对半胱氨酸硫醇进行化学选择性的炔基团取代，清楚表明了点击化学和自然化学连接(native chemical strategy)的兼容性。Westermann等将点击化学与关环转换反应(ring closing metathesis)相结合制备了大环糖脂模拟库。 5.生物探针和微阵列

功能化的平面在当今生物技术中起到重要的作用，例如在糖、DNA或蛋白质微阵列、生物传感器或微流体设备中的应用；而高效的三唑连接非常适合于修饰有机或无机表面，因此近年来许多用于修饰基片平面的点击化学方法被大量报道。糖阵列是用于筛选血凝素蛋白的高效能手段。Wong课题组[28]最早使用点击化学构建糖基微阵列，其目的是开发一种可实现的、高效能的筛选方法，用

[27]

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