基于烯基叠氮无金属点击反应的生物正交标记研究

Biomolecules, such as proteins, carbohydrates, lipids, nucleic acids, constitute the complex regulatory network in cell and in vivo, therefore it is an important task for exploration of dynamic distribution, functionality and interaction of biomolecules in the analytical science field. However, it is a challenging task for visual tracking selective biomolecule because of their native darkness or transparent living settings. The existing visualization of biomolecules labeling methods have problems: limitated detection targets and huge bulk in fluorescent proteins labeling; slow kinetics, hard preparation and side reactions in bioorthogonal labeling reactions. With easy preparation and high reactivity of vinyl azides, this project is aiming at setting up a convenient and efficient click reaction based on adding HOMO energies of vinyl azide according to the molecular orbital study of click reaction. Realize visual marking biomolecules with nontoxicity, convenience and selectivity. Solve the issues in recent bioorthogonal labeling reactions without metal upon azides, such as hard preparation of cycloalkyne, side products and so on. Drive the further development of click reaction in bioorthogonal reactions. Make the bioorthogonal reactions as the universal bridge in biomolecular labeling.

众多的生物分子（如蛋白质、糖类、脂质、核酸）构成了细胞和活体内复杂的调节网络，因此，探索生物分子的动态分布、功能或者相互作用是分析科学研究领域的一项重要任务。但生物分子所在的复杂生理环境是黑暗或透明视场，这就给生物分子特异性的可视化成像追踪带来了巨大挑战。针对现有生物分子可视化标记方法中存在的问题：荧光蛋白标记检测对象单一和自身体积过大；生物正交反应中速率较低、互补基团制备繁琐、副反应多等。本项目从简便易得并且反应活性高的烯基叠氮方面出发，利用点击反应的分子轨道理论研究，提出增加烯基叠氮分子中最高占有轨道能量策略，建立便捷、高效的无金属点击反应，实现无毒、便捷、特异性的生物分子的可视化标记，解决现有基于叠氮基团的无金属生物正交反应中存在环炔合成困难、副反应多等问题，推动无金属点击反应在生物正交标记中的发展，实现生物正交反应作为生物分子标记中万能型桥梁的角色。

针对现有生物分子可视化标记方法存在速率较低、互补基团制备繁琐、副反应多等缺陷，本项目基于简便易得的烯基叠氮/炔烃标记位点，发展快速、特异性的新型有机反应；利用快速、专一性化学反应，发展实时、原位标记活性分子的荧光探针。已经取得的成果包括：（1）基于铜与二氟溴乙酸乙酯共催化体系，实现了简便易得的非活化端炔与芳基亚磺酸盐的双磺化反应；（2）在温和条件下建立了烯基叠氮与三氟甲基酮之间快速、专一性的羟醛反应，提供了基于烯基叠氮引入三氟甲基新策略；（3）发展了炔烃、叠氮化钠、三取代对甲基酚的新型串联反应，提供了高区域选择性的合成N2-取代的1,2,3-三氮唑化合物的新方法；（4）建立了烯基叠氮与偕二氟甲基化合物的[3+2+1]新型环合反应，提供了制备多取代吡啶的新途径；（5）发展了烯基叠氮与芳基重氮盐的便捷、高效的双官能化-环合反应，提供了构筑碳-碳、碳-氮和氮-氮化学键的新方法；（6）建立了基于酚取代烯基叠氮多组分的一锅法串联点击反应，为制备多官能化的N1-丙烯基1,2,3-三氮唑提供了新的有效途径；（7）构建了一种光声成像探针BSA-Cy-Mito并成功实现了氧化型低密度脂蛋白刺激下巨噬细胞内GSH和H2O2活性分子的动态监测；（8）设计了一种基于配位竞争的双靶向FA/CD36-CeO2-DNA成像探针，用于炎症斑块内H2O2 活性分子的快速、高选择性检测及其斑块易损性评估。基于上述研究内容已申请专利（已公开，未授权）6项；共发表SCI论文8篇，其中Org. Lett. 2篇，Anal. Chem. 1篇，Sci. China-Chem. 1篇，Org. Chem. Front. 1篇，Chem. Commun. 1篇等，在国内外产生了积极影响。