本文摘要：摘要：巰基-烯點(diǎn)擊反應(yīng)是一種無金屬催化的點(diǎn)擊反應(yīng)，目前正廣泛應(yīng)用于分子標(biāo)記、新材料合成和材料表面功能化等方面。詳細(xì)介紹了巰基-烯點(diǎn)擊反應(yīng)的反應(yīng)機(jī)理、影響反應(yīng)的因素，以及該反應(yīng)介導(dǎo)的生物標(biāo)記技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，論述了巰基-烯點(diǎn)擊反應(yīng)在生物傳感、細(xì)
摘要：巰基-烯點(diǎn)擊反應(yīng)是一種無金屬催化的點(diǎn)擊反應(yīng)，目前正廣泛應(yīng)用于分子標(biāo)記、新材料合成和材料表面功能化等方面。詳細(xì)介紹了巰基-烯點(diǎn)擊反應(yīng)的反應(yīng)機(jī)理、影響反應(yīng)的因素，以及該反應(yīng)介導(dǎo)的生物標(biāo)記技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，論述了巰基-烯點(diǎn)擊反應(yīng)在生物傳感、細(xì)胞成像、納米材料的生物功能化方面的應(yīng)用。最后預(yù)測(cè)了巰基-烯點(diǎn)擊反應(yīng)在未來的發(fā)展方向和應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：巰基-烯點(diǎn)擊反應(yīng);生物傳感;細(xì)胞成像;功能化
點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)是通過碳-雜原子鍵的連接快速合成有用的新化合物的反應(yīng)，由化學(xué)家Sharpless、Kolb及Finn于2001年提出后受到越來越多的關(guān)注[1]。點(diǎn)擊化學(xué)有以下一種或多種特征：反應(yīng)快速;通量合成高;操作簡(jiǎn)單;反應(yīng)條件溫和;原料來源廣;反應(yīng)產(chǎn)物易純化，產(chǎn)物得率高[1]。
點(diǎn)擊反應(yīng)的有多種，包括環(huán)加成反應(yīng)，親核開環(huán)反應(yīng)，非醇醛的羰基化反應(yīng)，碳-碳多重鍵加成反應(yīng)，疊氮-膦偶合反應(yīng)。狄爾斯-阿爾德反應(yīng)(Diels-Alderreaction)和1，3-偶極-環(huán)加成反應(yīng)(copper-catalyzedazide-alkynecycloaddition，CuAAC)屬于環(huán)加成反應(yīng);氮丙啶、環(huán)氧化物和環(huán)狀硫酸酯等發(fā)生的反應(yīng)屬于親核開環(huán)反應(yīng);腙、肟醚和芳香族雜環(huán)的形成屬于非醇醛的羰基化反應(yīng);二羥基化反應(yīng)和環(huán)氧化反應(yīng)屬于碳-碳多重鍵加成反應(yīng);施陶丁格連接屬于疊氮-膦的偶合反應(yīng)。按照是否需要金屬作為反應(yīng)催化劑可以將點(diǎn)擊反應(yīng)分為金屬催化的點(diǎn)擊反應(yīng)和無金屬催化的點(diǎn)擊反應(yīng)。如CuAAC為金屬催化的點(diǎn)擊反應(yīng)，而疊氮-炔環(huán)加成反應(yīng)(strain-promotedalkyne-azide cycloadditions，SPAAC)和巰基-烯點(diǎn)(thiol-ene)擊反應(yīng)則為無金屬催化的點(diǎn)擊反應(yīng)。
金屬催化的點(diǎn)擊反應(yīng)在生物學(xué)領(lǐng)域的使用具有一定的限制性，因金屬離子難以被純化分離，而且具有潛在的生物毒性作用，可能會(huì)損害機(jī)體健康。因此，無金屬催化的點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)如狄爾斯-阿爾德反應(yīng)、施陶丁格連接和巰基-烯點(diǎn)擊反應(yīng)受到了廣泛的關(guān)注。在材料合成和生物分子標(biāo)記中，巰基-烯點(diǎn)擊反應(yīng)都發(fā)揮著重要的作用。巰基-烯點(diǎn)擊反應(yīng)被廣泛的應(yīng)用于生物大分子的合成如樹枝狀化合物的合成和聚合物的合成等方面。巰基-烯點(diǎn)擊反應(yīng)還可以應(yīng)用于蛋白質(zhì)、核酸鏈和聚糖等生物分子的標(biāo)記中。
另外，巰基-烯點(diǎn)擊反應(yīng)在材料表面功能化方面也具有很重要的作用。在生物傳感方面，巰基-烯點(diǎn)擊反應(yīng)具有非常具有廣闊的應(yīng)用前景。本文對(duì)巰基烯點(diǎn)擊反應(yīng)進(jìn)行了綜述，詳細(xì)介紹了巰基-烯點(diǎn)擊反應(yīng)的反應(yīng)機(jī)理、影響反應(yīng)速率的因素和生物大分子的標(biāo)記。并且介紹了巰基-烯點(diǎn)擊反應(yīng)介導(dǎo)的生物傳感器及與生物傳感相關(guān)的應(yīng)用，包括生物功能化納米材料和細(xì)胞成像等方面。最后對(duì)巰基-烯點(diǎn)擊反應(yīng)在生物傳感領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)行了展望。
1巰基-烯點(diǎn)擊反應(yīng)偶聯(lián)機(jī)理及性質(zhì)
硫醇-烯點(diǎn)擊反應(yīng)通常包括自由基介導(dǎo)的巰基-烯點(diǎn)擊反應(yīng)和親核試劑催化的巰基-邁克爾加成反應(yīng)。自由基引發(fā)的巰基-烯反應(yīng)機(jī)理可以分為以下幾個(gè)步驟：首先，在加熱或光照的條件下，引發(fā)劑吸收能量被激發(fā)裂解，形成自由基;接著，形成的自由基和巰基發(fā)生反應(yīng)，奪取巰基上的氫原子，觸發(fā)巰基自由基形成;然后，形成的巰基自由基和烯基發(fā)生反應(yīng)，形成烷基自由基;之后，烷基自由基會(huì)進(jìn)攻巰基化合物，奪取巰基上的氫原子，引發(fā)鏈增長(zhǎng)，同時(shí)產(chǎn)生新的巰基自由基。這些新產(chǎn)生的巰基自由基可繼續(xù)和烯基反應(yīng)。其中第二步產(chǎn)生的巰基自由基可引發(fā)鏈增長(zhǎng)也可以發(fā)生雙基終止[2]。
親核試劑催化的巰基-邁克爾加成反應(yīng)的反應(yīng)機(jī)理包括以下步驟：硫醇與親核試劑的反應(yīng)促使巰基去質(zhì)子化，成為相應(yīng)的硫酸鹽陰離子。硫酸鹽是一種很強(qiáng)的親核體，與活化的C=C加成，形成中心碳為陰離子的中間體。之后這個(gè)中間體吸收一個(gè)質(zhì)子，形成巰基-烯產(chǎn)物[3]。近幾年，巰基-烯反應(yīng)點(diǎn)擊化學(xué)的特性受到了人們的廣泛關(guān)注，在生物應(yīng)用領(lǐng)域也已經(jīng)擴(kuò)展到交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、生物傳感以及功能化生物材料等方面。從合成的角度看，巰基-烯的反應(yīng)有十分顯著的優(yōu)勢(shì)，如反應(yīng)速度快，應(yīng)用范圍廣(不管反應(yīng)物活性如何，大多數(shù)的烯烴和所有的巰基幾乎都能滿足反應(yīng)條件)，基本上屬于最簡(jiǎn)便的一種無金屬催化的點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)。
2巰基-烯點(diǎn)擊反應(yīng)的影響因素
2.1巰基結(jié)構(gòu)對(duì)反應(yīng)速率的影響
參與巰基-烯點(diǎn)擊反應(yīng)的巰基化合物主要有4種，包括烷基硫醇酯類、烷基(芳基)硫醇類、烷基3-巰基酯類硫醇和烷基硫醇。在巰基-烯點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)中，反應(yīng)速率和巰基化合物的結(jié)構(gòu)有關(guān)。含有推電子基團(tuán)的巰基化合物的反應(yīng)活性較高，如異丙撐基;含有吸電子基團(tuán)的巰基化合物反應(yīng)活性較低，如酯基。巰基-烯點(diǎn)擊反應(yīng)的巰基化合物的反應(yīng)活性由小到大分別為硫苯酚類、烷基硫醇酯、烷基3-巰基酯類硫醇和烷基硫醇。
2.2烯類單體結(jié)構(gòu)對(duì)反應(yīng)速率的影響
缺電子烯和富電子烯與巰基的反應(yīng)是巰基-烯點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)的主要兩種類型。巰基與富電子烯之間反應(yīng)迅速，如降冰片烯與巰基的反應(yīng)速率很快。巰基與缺電子烯之間反應(yīng)較慢，如馬來酰亞胺、丙烯酸酯等。這是由于缺電子烯的雙鍵需要被激活，所以需要弱堿性的催化劑催化才能進(jìn)行，如三乙胺等親核試劑。一般而言，巰基-烯點(diǎn)擊反應(yīng)的反應(yīng)速率隨著烯類單體碳碳雙鍵電荷密度的下降而下降。
3巰基-烯反應(yīng)介導(dǎo)的生物標(biāo)記技術(shù)
目前，巰基-烯點(diǎn)擊反應(yīng)已經(jīng)應(yīng)用于反應(yīng)物官能化和聚合反應(yīng)中，并且在生物分子的官能化方面已經(jīng)有良好的應(yīng)用。巰基-烯點(diǎn)擊反應(yīng)滿足生物材料所要求的選擇性、易于實(shí)施和高產(chǎn)率的特點(diǎn)，因此可以應(yīng)用于生物材料的標(biāo)記以實(shí)現(xiàn)生物分子功能化。雖然熱敏自由基引發(fā)劑如偶氮二異丁腈已經(jīng)被應(yīng)用于在生物材料的功能化領(lǐng)域，但是在大規(guī)模合成時(shí)，受反應(yīng)器設(shè)計(jì)和光衰減等因素的限制，升高 反應(yīng)溫度才能更好的實(shí)現(xiàn)生物材料本體自由基均勻生成[6]。而巰基-烯點(diǎn)擊反應(yīng)在不需要升高溫度的條件下，也可以容易地實(shí)現(xiàn)生物材料本體自由基均勻化和官能化。
4巰基-烯點(diǎn)擊反應(yīng)在生物傳感中的應(yīng)用
隨著巰基-烯反應(yīng)應(yīng)用范圍的不斷拓寬以及生物傳感器在檢測(cè)中的快速發(fā)展，巰基-烯反應(yīng)介導(dǎo)的生物傳感器逐漸增多，如熒光生物傳感器、細(xì)胞傳感器、電化學(xué)傳感器等。可以實(shí)現(xiàn)miRNA、DNA、含有巰基的生物活性物質(zhì)、整合素αvβ3過表達(dá)細(xì)胞、哺乳動(dòng)物細(xì)胞、葡萄糖氧化酶、乳糖酶和凝集素等的檢測(cè)。
5巰基-烯點(diǎn)擊反應(yīng)在細(xì)胞成像中的應(yīng)用
生物成像可以用于詳細(xì)了解細(xì)胞過程和疾病機(jī)制。巰基-烯點(diǎn)擊反應(yīng)作為無金屬參與的點(diǎn)擊反應(yīng)，在反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、反應(yīng)物毒性以及生物利用度等屬性上都十分適用于生物分子在細(xì)胞及體內(nèi)的成像，有助于人們更好地了解生物分子參與的生物過程以及在生物體系中的發(fā)揮的作用。細(xì)胞成像一般需要發(fā)生肽或蛋白質(zhì)特異性反應(yīng)，才能實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的圖案化。利用巰基-烯點(diǎn)擊反應(yīng)可以將烯基官能化(烯丙基和降冰片烯殘基)防污聚合物刷與細(xì)胞黏附附肽RGD和精氨酸谷氨酸天冬氨酸纈氨酸偶聯(lián)后，可以觀察聚合物刷對(duì)臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞的黏附作用。
另外，為了實(shí)現(xiàn)良好的細(xì)胞成像功能，可以在聚合物刷子的表面連接上光致發(fā)光肽，通過熒光顯微鏡和原子力顯微鏡能夠觀察到細(xì)胞微陣列[36]。含有烯基的四苯乙烯-馬來酰亞胺加合物是一種巰基特異性生物探針。當(dāng)這種生物探針暴露于含有巰基的L-半胱氨酸時(shí)，通過巰基-烯點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)，可以產(chǎn)生易于觀察的熒光。
因此可以利用四苯乙烯-馬來酰亞胺加合物作為可視化試劑對(duì)活細(xì)胞進(jìn)行標(biāo)記，得到清晰的熒光圖像。這為描繪細(xì)胞中含有巰基的化合物的分布提供了一個(gè)簡(jiǎn)便、特異、靈敏的熒光標(biāo)記方法[28]。利用硫醇-烯點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)可以將含有巰基的聚乙二醇有效地引入非熒光納米金剛石中，得到聚乙二醇化的熒光納米金剛石。這種復(fù)合材料顯示出高的水分散性、強(qiáng)的熒光性和低的細(xì)胞毒性，并具有良好的細(xì)胞染色性能，在生物成像方面顯示出巨大潛力[37]。
6巰基-烯點(diǎn)擊反應(yīng)在納米材料的生物功能化中的應(yīng)用
隨著新型材料的特性不斷被發(fā)掘，納米材料作為其中一員，因其結(jié)構(gòu)龐大，負(fù)載能力高以及獨(dú)特且可調(diào)控的物理和化學(xué)性質(zhì)成為藥物遞送系統(tǒng)開發(fā)中的重要工具。巰基-烯點(diǎn)擊反應(yīng)介導(dǎo)的納米材料藥物遞送技術(shù)也得到一定程度的發(fā)展。巰基烯點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)可以將具有巰基的各種化合物綴合到烯基官能化的硅納米顆粒的表面，而不影響硅納米顆粒的特征熒光性質(zhì)[38]。硫醇-烯烴點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)可以在大氣環(huán)境下功能化硅表面而不引入氧化硅，否則會(huì)對(duì)電子性能產(chǎn)生不利影響。有的研究學(xué)者在非常溫和的條件下利用巰基-烯點(diǎn)擊化學(xué)的方法將各種功能分子連接到無氧化物的Si(111)表面上，而不引入氧化硅。這種方法具有通用、有效、簡(jiǎn)便的和可模式化等特點(diǎn)，為生物功能電子學(xué)提供了新的途徑[39]。
化學(xué)方向論文范例：電廠化學(xué)水處理運(yùn)行中存在的問題及應(yīng)對(duì)措施
7展望
巰基-烯點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)因其簡(jiǎn)便性受到了科研工作者的青睞。巰基-烯點(diǎn)擊反應(yīng)的操作性強(qiáng)，產(chǎn)率和轉(zhuǎn)化率高，反應(yīng)速度快等優(yōu)勢(shì)，使其在聚合物科學(xué)和分子合成方面具有很大的潛力。目前巰基-烯點(diǎn)擊反應(yīng)在生物傳感領(lǐng)域的應(yīng)用仍有一些不足之處：(1)目前合成含有雙鍵的單體或聚合物的方法已經(jīng)比較成熟，且得到的化合物種類豐富。而含有巰基的化合物的合成過程復(fù)雜，并且?guī)�基化合物結(jié)構(gòu)種類不足。這不利于了巰基-烯點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)在生物傳感領(lǐng)域擴(kuò)大應(yīng)用范圍。因此，探索合成不同種類和官能度的巰基化合物是之后的研究重點(diǎn)之一。(2)對(duì)生物分子不同位置進(jìn)行官能團(tuán)標(biāo)記的成本較高也限制了巰基-烯點(diǎn)擊反應(yīng)在生物傳感領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。(3)目前巰基-烯點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)主要集中于檢測(cè)小分子和核酸的熒光傳感器，導(dǎo)致傳感器的種類缺乏多樣性。因此，將巰基-烯點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)更多的應(yīng)用于其他類型生物傳感器是值得研究的方向，如光譜生物傳感器、可視顯色傳感器、仿生傳感器等。這將有助于拓寬巰基-烯點(diǎn)擊反應(yīng)的應(yīng)用范圍。
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作者：鄭淑娟1 仝濤1，2 許文濤1，2，3 黃昆侖1，2，3
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