クリックケミストリー

クリックケミストリーは、分子構成要素を結合する化学プロセスの効率、単純性、選択性、モジュール性を重視した化学合成のアプローチです。これには、「クリック反応」の開発と使用の両方が含まれます。クリック反応は、高収率、高速反応、最小限の副産物などの特定の基準を満たす、一連の単純で生体適合性のある化学反応です。 2001年にスクリプス研究所のK. バリー・シャープレス、ハルトムート・C・コルブ、M. G. フィンによって初めて完全に説明されました。 ^{[1] [2]}この独創的な論文で、シャープレスは、効率的な反応を使用して単純で無毒な構成要素を結合することで、自然が複雑な分子を構築する方法を合成化学が模倣できると主張しました。

「クリックケミストリー」という用語は、1998年にシャープレスの妻ヤン・デューサーによって造られました。 ^[3]デューサーは、この化学合成のアプローチのシンプルさがレゴブロックをカチッと鳴らすようなものだと考えました。実際、クリックケミストリーのシンプルさは合成化学におけるパラダイムシフトを表し、多くの産業、特に医薬品開発に大きな影響を与えました。2022年、ノーベル化学賞は「クリックケミストリーとバイオオルソゴナルケミストリーの開発」に対してキャロリン・R・ベルトッツィ、モーテン・P・メルダル、シャープレスの3人に共同で授与されました。^[4]

クリック反応と見なされるためには、特定の特性を満たす必要があります。^[5]

• モジュール性
• 溶媒パラメータに対する鈍感性
• 高い化学収率
• 酸素と水に対する無感覚
• 位置特異性と 立体特異性
• 単一の反応生成物との反応を促進するための大きな熱力学的駆動力 (>20 kcal / mol )。明確な発熱反応により、反応物は「バネ仕掛け」になります。

プロセスは次のようになることが望ましい:

• 反応条件が単純である
• すぐに入手できる出発物質と試薬を使用する
• 溶剤を使用しないか、無害または簡単に除去できる溶剤（できれば水）を使用する
• クロマトグラフィー以外の方法（結晶化または蒸留）による簡単な生成物の分離を提供する
• 高い原子経済性を持つ。

クリックケミストリーの基準の多くは主観的であり、たとえ測定可能で客観的な基準が合意されたとしても、あらゆる状況や用途に完璧に適合する反応はありそうにありません。しかし、他の反応よりもこの概念に適合する反応がいくつか特定されています。^{[説明が必要]}

• [3+2]環化付加反応、例えばヒュイスゲン1,3-双極子環化付加反応、特にCu(I)触媒による段階的変種^[6]は、単にクリック反応と呼ばれることが多い。
• チオール-エン反応^{[7] [8]}
• ディールス・アルダー反応と逆電子要求型ディールス・アルダー反応^{[9] [10]}
• [4+1]イソニトリル（イソシアニド）とテトラジンの環化付加反応^[11]
• 特にエポキシ^[12]やアジリジンのような小さな歪んだ環に対する求核置換反応
• カルボニル化学のような尿素の形成は起こるが、熱力学的駆動力が低いためアルドール型 の反応は起こらない。
• ジヒドロキシル化のような炭素-炭素二重結合への付加反応や、チオール-イン反応におけるアルキンなど。^[5]
• 硫黄（VI）フッ化物交換

古典的な^{[13] [14]クリック反応は、銅触媒による}アジドとアルキンの反応で、5員ヘテロ原子環を形成します。これはCu(I)触媒によるアジド-アルキン環化付加反応（CuAAC）です。最初のトリアゾール合成は、アセチレンジカルボン酸ジエチルとフェニルアジドから行われ、1893年にアーサー・マイケルによって報告されました。 ^[15]その後、20世紀半ばに、この1,3-双極子環化付加反応群は、反応速度論と反応条件の研究を行ったロルフ・フイスゲンにちなんで名付けられました。

銅(I)触媒によるヒュイスゲン1,3-双極子付加環化反応は、カリフォルニア州スクリプス研究所のヴァレリー・V・フォーキンとK・バリー・シャープレスのグループ^[16]とデンマークのカールスバーグ研究所のモーテン・メルダールのグループによって同時に独立して発見された。^[17]この反応の銅触媒バージョンでは1,4-異性体のみが得られるが、ヒュイスゲンの非触媒1,3-双極子付加環化反応では1,4-異性体と1,5-異性体の両方が得られ、反応速度が遅く、100℃の温度が必要である。^[15]

さらに、この銅触媒による「クリック」反応では金属上の配位子は不要であるが、様々な置換基を有するトリス（トリアゾリル）メチルアミン配位子などの促進配位子が報告されており、水溶液中で成功裏に使用されている。^{[15] PPh} _{3 は}アジド置換基とシュタウディンガー配位しやすいが、PPh 3 や TBIA などの他の配位子も使用できる。室温の水中 Cu ₂ O も、15 分で 91% の収率で同じ反応を触媒することがわかった。^[18]

最初に提案された反応機構には、触媒銅原子が 1 つ含まれていましたが、同位体、速度論、およびその他の研究により、二銅機構の方が関連性が高い可能性があることが示唆されています。^{[19] [20] [21] [22] [23]}この反応は生物学的条件下で効果的に進行しますが、この投与量範囲の銅は細胞毒性があります。この問題の解決策として、銅に水溶性リガンドを使用して触媒の細胞浸透を高め、必要な投与量を減らす、^{[24] [25] [26]}またはキレートリガンドを使用して Cu(I) の有効濃度をさらに高め、実際の投与量を減らすなどが提案されています。^{[27] [28] [29]}

Cu(I) 触媒による変種は、固体支持体上のペプチドトリアゾールの合成のためにメルダルと同僚によって初めて報告されましたが、彼らの条件はクリックケミストリーの真髄からは程遠く、より公に認知されているシャープレスに追い抜かれました。メルダルと同僚はまた、この反応タイプを「クリックケミストリー」と名付けないことを選択しました。このため、彼らの発見は主流の化学協会からほとんど見過ごされたと言われています。フォキンとシャープレスはそれぞれ、これを「多様な構成要素間の共有結合の作成に依存する有機合成の取り組みに前例のないレベルの選択性、信頼性、および範囲を提供する」信頼できる触媒プロセスであると説明しました。

銅の代わりにルテニウムを触媒とする類似のRuAAC反応は、2005年にJiaとFokinのグループによって報告され、1,5-異性体の選択的生成を可能にしました。^[30]

ベルトッツィグループは、CuAAC反応の細胞毒性を克服するために、ヒュイスゲンの銅を使わないクリック反応の1つをさらに開発しました。^[31]アルキンを活性化するためにCu(I)を使用する代わりに、アルキンは歪みのあるジフルオロオクチン（DIFO）に導入され、電子吸引性のプロパルギル系宝石フッ素が環歪みと相まってアルキンを大幅に不安定化します。^[32]この不安定化により、反応の駆動力が高まり、シクロアルキンが環歪みを緩和しようとする欲求が高まります。

この反応は、ヒュイスゲン 1,3-双極子付加環化と同じ機構で、シクロオクチンの三重結合への協奏的 [3+2] 付加環化として進行します。シクロオクチンには、ベンゼン環などのフッ素以外の置換基も使用できます。

この反応は、反応速度がCuAACよりもやや遅いにもかかわらず、生体システム内のアジドの検出に効果的に使用されてきた。さらに、シクロオクチンの合成では収率が低いことが多いため、この反応のプローブ開発は他の反応ほど迅速ではなかった。しかし、DIFO、ジベンジルシクロオクチン（DIBOまたはDBCO）、ビアリールアザシクロオクチノン（BARAC）などのシクロオクチン誘導体はすべて、生体システム内のアジドの検出にSPAAC反応で効果的に使用されてきた。^{[33] [34] [35]}

ジベンジルシクロオクチン（DIBO）を含むジアリール歪シクロオクチンは、歪促進アルキン-ニトロン環化付加反応（SPANC）において1,3-ニトロンと反応してN-アルキル化イソキサゾリンを生成するためにも使用されている。^[36]

この反応は金属を使わず、反応速度が速い（k2は60 1/MsとCuAACやSPAACよりも速い）ため、SPANCは生細胞の標識に使用できます。さらに、ニトロン双極子の炭素原子と窒素原子の両方の置換、および非環式および環内ニトロンはすべて許容されます。この大きな許容範囲により、ニトロンハンドルまたはプローブの組み込みに多くの柔軟性がもたらされます。^[37]

しかし、イソキサゾリン生成物はCuAACやSpAACのトリアゾール生成物ほど安定ではなく、生物学的条件下で転位を起こす可能性があります。それにもかかわらず、この反応は反応速度が非常に速いため、依然として非常に有用です。^[36]

この反応の応用としては、セリンを最初の残基として含むタンパク質の標識が挙げられる。セリンはNaIO ₄でアルデヒドに酸化され、その後p-メトキシベンゼンチオール、N-メチルヒドロキシルアミン、p-アンシジンでニトロンに変換され、最後にシクロオクチンとインキュベートしてクリック生成物が得られる。SPANCは多重標識も可能にする。^{[38] [39]}

ひずみアルケンも、ひずみ緩和を駆動力として利用し、クリック反応に参加できるようにします。トランスシクロアルケン（通常はシクロオクテン）やオキサノルボルナジエンなどの他のひずみアルケンは、アジド、テトラジン、テトラゾールなどの多くのパートナーとクリック反応で反応します。これらの反応パートナーは、脂質、脂肪酸、補因子、その他の天然物に含まれる内因性アルケンと生体直交性を保ちながら、ひずみアルケンと特異的に相互作用することができます。^[38]

オキサノルボルナジエン（または他の活性化アルケン）はアジドと反応し、生成物としてトリアゾールを与える。しかし、これらの生成物トリアゾールはCuAACまたはSPAAC反応の場合のように芳香族ではなく、結果としてそれほど安定ではない。オキサノルボルナジエンの活性化二重結合はトリアゾリン中間体を形成し、その後、自発的に逆ディールス・アルダー反応を起こしてフランを放出し、1,2,3-または1,4,5-トリアゾールを与える。この反応は遅いが、オキサノルボルナジエンは比較的簡単に合成できるため有用である。しかし、この反応は完全に化学選択的というわけではない。^[40]

ひずみのあるシクロオクテンと他の活性化アルケンはテトラジンと逆電子要求型ディールス・アルダー反応を起こし、続いて逆[4+2]環付加反応を起こす（図参照）。^[41]トランスシクロオクテンの他の反応と同様に、環ひずみの解放がこの反応の原動力となる。したがって、3員環および4員環シクロアルケンは、その高い環ひずみのため、理想的なアルケン基質となる。^[41]

他の[4+2]環化付加反応と同様に、ジエノフィル上の電子供与性置換基とジエン上の電子吸引性置換基は、逆要求ディールス・アルダー反応を加速する。ジエンであるテトラジンは、追加の窒素を有するため、この反応に適したジエンである。ジエノフィルである活性化アルケンは、標的分子の電子供与性アルキル基に結合することが多いため、ジエノフィルは反応により適している。^[42]

テトラゾール-アルケン「フォトクリック」反応は、1960 年代後半に Huisgen が初めて導入したもう 1 つの双極子付加反応です (ChemBioChem 2007, 8, 1504)。 (68) Clovis, JS; Eckell, A.; Huisgen, R.; Sustmann, R. Chem. Ber. 1967, 100, 60.) アミノ基またはスチリル基を持つテトラゾールは、365 nm の UV 光 (365 は細胞にダメージを与えない) によって活性化され、すぐに反応して (そのため、UV 光を長時間 (通常 1～4 分程度) 照射する必要がなく)、蛍光発生ピラゾリン生成物を生成します。この反応スキームは、365 nm の UV 光による細胞へのダメージが最小限であるため、生細胞での標識付けに適しています。さらに、反応が迅速に進行するため、UV 光を短時間照射できます。短波長紫外線の量子収率は0.5を超えることがあります。これにより、テトラゾールを他の光連結反応と組み合わせて波長選択的に使用することができ、短波長ではテトラゾール連結反応がほぼ排他的に進行し、長​​波長では別の反応（o-キノジメタンを介した連結）が排他的に進行します。^[43]最後に、非蛍光性反応物から蛍光性生成物が生成され、反応に分光測定ハンドルが組み込まれます。

テトラゾールとアルケン基は両方とも非天然アミノ酸としてタンパク質ハンドルとして組み込まれていますが、この利点は他に類を見ないものではありません。むしろ、反応の光誘導性は、生体システムにおける時空間特異性の主要な候補となります。課題としては、内因性アルケンの存在が挙げられますが、通常はシス（脂肪酸など）ですが、活性化テトラゾールと反応する可能性があります。^[44]

クリック反応の基準は、複雑な生物学的環境における分子の分離や標的化などの用途のために、化学反応を生体適合性にするように設計されています。そのような環境では、生成物は生理学的に安定している必要があり、副産物は無毒である必要があります (生体内システムの場合)。

多くの用途において、クリック反応は生体分子とレポーター分子または他の分子プローブを結合し、バイオコンジュゲーションと呼ばれるプロセスを行います。^[45]蛍光体やその他のレポーター分子を結合できる可能性により、クリックケミストリーは古い生体分子と新しい生体分子の両方を識別、位置特定、および特徴付けるための非常に強力なツールとなっています。

バイオコンジュゲーションにおける最も初期かつ最も重要な方法の 1 つは、緑色蛍光タンパク質(GFP)遺伝子などのレポーター遺伝子を、目的のタンパク質と同じ遺伝子配列で発現させることでした。この方法では、細胞や組織内で緑色の蛍光によってタンパク質を識別できます。ただし、このアプローチにはいくつかの困難が伴います。GFP はタンパク質が正常な形状を達成する能力に影響を与えたり、正常な発現や機能を妨げたりする可能性があるためです。さらに、この方法を使用すると、GFP はタンパク質にしか結合できず、他の重要な生体分子クラス (核酸、脂質、炭水化物など) には結合できません。

これらの課題を克服するために、化学者は生体直交反応パートナーのペアを特定することで研究を進め、小さな外因性分子を生体分子プローブとして使用できるようにしました。これらのプローブの 1 つに蛍光体を結合させると、レポーター分子がターゲットに結合すると蛍光シグナルが発せられます。これは、GFP がターゲットとともに発現すると蛍光を発するのと同じです。

ここで、プローブとそのターゲットの化学的性質から限界が出てきます。この技術を生物系で有効にするには、クリックケミストリーが生物条件またはそれに近い条件で実行され、副産物が少なく（理想的には）無毒で、同じ条件で（できれば）単一で安定した生成物が得られ、ワンポットですぐに高収率に進行する必要があります。シュタウディンガー連結反応やヒュイスゲン 1,3-双極子付加環化反応などの既存の反応は、このような反応条件に合わせて修正され、最適化されています。今日、この分野の研究では、新しい反応の理解と開発、既知の反応の再利用と再理解だけでなく、反応パートナーを生体系に組み込む方法の拡張、新しい反応パートナーの設計、バイオコンジュゲーションのアプリケーションの開発も行われています。

特異的かつ制御可能な生体直交反応を開発することにより、科学者らは複雑な細胞溶解物中の特定の標的を攻撃する可能性を切り拓いてきた。最近、科学者らはクリックケミストリーを生細胞での使用に適応させ、例えばクリック反応によって標的を見つけて結合する小分子プローブを使用している。細胞透過性、生体直交性、バックグラウンド標識、反応効率の課題にもかかわらず、クリック反応は、新世代のプルダウン実験（特定のカラムに結合するレポーター分子などを使用して特定の標的を単離できる）や蛍光分光法（蛍光体を目的の標的に結合させ、標的を定量化または位置特定する）において既に有用であることが証明されている。さらに最近では、反応基を含む非天然アミノ酸のタンパク質への組み込みやヌクレオチドの修飾など、クリック反応パートナーを生体分子に組み込むための新しい方法が使用されている。これらの技術は化学生物学の分野の一部であり、クリックケミストリーは、モジュールユニットをさまざまな目的に意図的かつ具体的に結合することで基本的な役割を果たします。

バイオテクノロジー企業Shasqiは、クリックケミストリーをヒトに応用している企業です。^{[46] [47]}

クリックケミストリーは生物学的条件に限定されず、「クリック」反応の概念は化学プロテオミクス、薬理学、生体模倣、分子機械の応用に利用されてきた。^[48]

クリックケミストリーは、小分子の細胞内局在を調べるための強力なツールです。小分子が細胞内のどこに行くかを知ることで、その作用機序に関する強力な洞察が得られます。^[49]このアプローチは数多くの研究で使用されており、サリノマイシンがリソソームに局在して癌幹細胞でフェロトーシスを開始すること^[50]や、メトホルミン誘導体がミトコンドリアに蓄積して銅(II)をキレート化し、炎症性マクロファージの下流の代謝とエピジェネティックな変化に影響を与えることなどの発見があります。^[51]

クリックケミストリーの商業的可能性は大きい。蛍光体 ローダミンはノルボルネンに結合し、生体内でテトラジンと反応した。 ^[52]他のケースでは、シクロオクチン修飾蛍光体とアジドタグ付きタンパク質間のSPAACにより、細胞溶解物中のこれらのタンパク質の選択が可能になった。^[53]

クリック反応パートナーを生体内および生体外でシステムに組み込む方法は、可能な反応の範囲に貢献します。リボソームによる非天然アミノ酸の組み込みの開発により、これらの非天然アミノ酸の非天然側基としてクリック反応パートナーを組み込むことが可能になりました。たとえば、アジド側基を持つ UAA は、この「AHA」非天然アミノ酸でタグ付けされたタンパク質にシクロアルキンが簡単にアクセスできるようにします。^[54]別の例では、「CpK」には、逆ディールス・アルダー反応でテトラジンの反応パートナーとして機能するアミド結合のシクロプロパンアルファを含む側基があります。^[55]

ルシフェリンの合成は、反応パートナーを分離する別の戦略の例であり、システインがタンパク質の最後の N' アミノ酸である場合にのみ出現する 1,2-アミノチオールなどのまれにしか存在しない天然基を利用するというものである。したがって、それらの天然選択性と相対的な生体直交性は、これらのタグに特異的なプローブの開発において貴重である。上記の反応は、1,2-アミノチオールと 2-シアノベンゾチアゾールの間で起こり、蛍光を発するルシフェリンを生成する。このルシフェリンの蛍光は、洗浄後に分光法で定量化することができ、1,2-アミノチオールを含む分子の相対的存在を決定するために使用できる。1,2-アミノチオールを含まないタンパク質の定量化が必要な場合は、対象のタンパク質を切断して、2-CBT に弱い N' Cys を含むフラグメントを生成することができる。^[56]

その他のアプリケーションには次のものがあります:

• 二次元ゲル電気泳動分離^[57]
• 1,4-置換トリアゾールの有機合成
• トリアゾールによるペプチド機能の改変
• 天然物および医薬品の改良
• 天然物の発見^[58]
• 医薬品の発見
• Cu(I)触媒トリアゾールカップリングを用いた大環状化反応
• トリアゾール結合によるDNAとヌクレオチドの修飾
• 超分子化学：カリックスアレーン、ロタキサン、カテナン
• デンドリマー設計
• Cu(1)触媒トリアゾール連結反応による糖クラスターと糖結合
• ポリマーとバイオポリマー^[59]
• 表面^[60]
• 材料科学
• ナノテクノロジー、^[61]
• バイオコンジュゲーション、例えばアジドクマリン、および
• 生体材料^[62]

クリックケミストリーは、コンビナトリアルケミストリー、ハイスループットスクリーニング、化学ライブラリの構築と組み合わせることで、多段階合成における各反応を高速、効率的、かつ予測可能 にし、新薬の発見を加速させました。

スクリプス研究所はクリックケミストリーの特許ポートフォリオを保有している。^[63]ライセンシーには、Invitrogen、^[64] Allozyne、^[65] Aileron、^[66] Integrated Diagnostics、^[67]およびクリックケミストリーを使用して製造された製品を販売するために設立されたBASFのスピンオフであるバイオテクノロジー企業baseclick ^{[68]が含まれる。 [69]}さらに、baseclickは核酸分野の研究および診断市場における世界的な独占ライセンスを保有している。蛍光アジドおよびアルキンもCyandyeなどの企業によって製造されている。^[70]

• クリックケミストリー：短いレビューと最近の文献
• 国立科学財団: 特集「クリックケミストリーの実用化」
• 化学と工学のニュース: 特集「In-Situ クリックケミストリー」
• 化学工学ニュース: 特集「銅を使わないクリックケミストリー」
• 金属フリークリックケミストリーレビュー
• クリックケミストリー – クリックケミストリーの最新応用を特集した Chem Soc Rev の特集号。MG Finn と Valery Fokin がゲスト編集者。王立化学協会発行。