点击化学反应在植物细胞标记中的应用 植物学报    2023, 58 (6): 956-965.   DOI: 10.11983/CBB22252

图1 环加成反应的2种反应类型CuAAC (A)和SPAAC (B)
CuAAC采用端基炔烃和叠氮化物在铜离子催化下形成1,4-二取代-1,2,3-三唑; SPAAC利用环辛炔和叠氮化物反应形成稳定的三唑。CuAAC: 铜(I)催化的叠氮-炔烃环化加成反应; SPAAC: 张力促进的叠氮-炔烃环化加成反应

正文中引用本图/表的段落

1,3-偶极环加成反应是发生在1,3-偶极体与烯烃、炔烃或相应衍生物之间的环加成反应, 是最早开发的点击化学反应。其中烯烃类化合物在反应中称为亲偶极体, 产物是1个五元杂环化合物, 该反应是合成单环及多环化合物的一种重要途径(Gothelf and Jorgensen, 1998)。德国化学家Rolf Huisgen首先应用此类反应获得了五元杂环化合物, 故称Huisgen 1,3-偶极环加成反应(Huisgen, 1963)。在非催化反应中, 1,3-偶极环加成反应需要高温或者高压催化才能获得合理的反应速率, 因此最初的1,3-偶极环加成反应不适合在烧瓶外进行应用(Breugst and Reissig, 2020; Parker and Pratt, 2020)。随后, Rolf Huisgen研究有机叠氮化合物与炔烃之间的反应, 发展了铜(I)催化的叠氮-炔烃环化加成反应(copper (I) catalysed azide-alkyne cycloaddition, CuAAC) (Huisgen, 1963)。Bertozzi等(2004)开发出张力促进的叠氮-炔烃环化加成反应(strain-promoted azide-alkyne cycloaddi-tion, SPAAC)。CuAAC和SPAAC反应的原理如图1所示, 二者在点击化学中应用最为广泛。

1961年, Wittig和Krebs报道了纯环辛炔与叠氮苯可发生像“爆炸”一样的反应, 生成单一产物, 即三唑(Wittig and Krebs, 1961)。在此基础上, Bertozzi团队于2004年开发出张力促进的叠氮-炔烃环化加成反应(SPAAC) (Agard et al., 2004) (图1B), 又称无铜点击化学, 该反应不需要使用金属催化剂、还原剂或稳定配体, 且具有稳定和无毒等优势。SPAAC利用环辛炔(如OCT、BCN、DBCO、DIBO和DIFO)释放的焓形成稳定的三唑, 其反应机理主要是在环炔张力的影响下促使叠氮与环炔快速反应, 采用1,4,5-三取代方式生成1,2,3-三唑环化合物(Jewett and Bertozzi, 2010)。与CuAAC不同, SPAAC环炔烃(主要是环辛炔)取代了传统末端炔烃标记(Bird et al., 2021), 解决了必须使用铜作为催化剂的问题, 改善了无铜叠氮化物缓慢的反应动力学。尽管SPAAC的反应速率仍然慢于CuAAC, 但在活细胞中具有良好的生物相容性。因此, 该反应已广泛应用于嵌段聚合物形成、代谢工程、纳米粒子功能化以及寡核苷酸标记等领域。

本文的其它图/表

• 图2 点击化学标记在细胞壁聚糖中应用流程图
  图中非天然糖指细胞壁中的单糖组分, 不特指具体糖类。① 外源单糖类似物通过聚糖合成的补救途径代谢进入细胞; ② 含荧光团的探针与沉积在细胞壁上并含有单糖类似物的聚糖发生点击反应; ③ 荧光成像检测单糖类似物在植物体内的排布, 如下方荧光成像图所示植物细胞壁中的果胶RG-II; ④ 荧光显微镜成像点击化学标记的果胶在植物根中的排布(bar=50 μm)。
  
• 表1 拟南芥中含有炔基或叠氮官能团的糖类似物