新型銅催化點擊反應:水中碳碳相接

點擊化學(click chemistry)是指反應快速、產率高且選擇性佳的耦合反應,能在溫和條件下把兩個分子精準地接在一起。目前最常用的點擊反應,例如銅催化的「疊氮-炔基環加成」(copper(I)-catalysed azide–alkyne cycloaddition,CuAAC)和「硫-氟交換」(sulfur–fluoride exchange,SuFEx),多是讓分子透過碳與氮、硫等非碳原子形成鍵結,而非形成碳-碳鍵;這是因為碳基中間體的反應性過高,容易被水分子等副反應攔截,所以學界長期認為碳-碳鍵不適合用作點擊反應,甚至在2001年提出點擊化學概念的論文中,作者就直言應該把困難的碳-碳鍵合成留給大自然處理。然而,若想把多個官能基組合成更複雜的多功能分子,新開發的點擊反應還必須與既有的反應互不干擾,才能省去繁瑣的保護、去保護步驟。若這個接點還能在需要時被精準拆開,價值還會更高,例如把藥物分子可逆地繫在能幫助溶解、穿透細胞膜的載體(如膽酸或細胞穿膜肽)上,並讓接點在藥物送達目標細胞後,被細胞內活性氧物質(reactive oxygen species,ROS)觸發斷裂釋放藥物。因此,開發一種能在水中形成碳-碳鍵、生成的接點可斷裂,又能與既有點擊反應相容的新策略,對精準藥物遞送相當重要。

近日,美國波士頓學院、法國史特拉斯堡大學和美國匹茲堡大學的研究團隊,開發出新型銅催化點擊反應,即聯烯酮加成反應(copper(I)-catalysed allene–ketone addition,CuAKA),顛覆了「碳-碳鍵不適合點擊化學」的舊看法。CuAKA讓銅催化劑促使酮與聯烯(allene)在水中加成,生成含硼的中間體;此中間體可被過氧化氫氧化成β-羥基酮,後者會自發地透過逆醛醇反應斷開碳-碳鍵,釋放出原本繫住的藥物分子。研究團隊證實,CuAKA能與CuAAC和CuPDF(copper(I)-catalysed phenoxydiazaborinine formation)互不干擾地並行,因此無需保護、去保護步驟,就能把抗發炎藥indomethacin、抗癌藥tamoxifen等多種藥物依序組裝到同一分子的骨架上;他們更把抗癌藥camptothecin連接到未受保護的細胞穿膜肽penetratin上,發現這個接點在68微莫耳的過氧化氫溶液中、37°C下就能斷裂釋放藥物(註:此濃度已接近癌症、糖尿病等疾病中活性氧物質升高後的水平)。研究團隊表示,連酮這種常見的官能基,現在也能成為實用且可控的點擊化學工具。

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