通过实现正交性和快速动力学，利用氟代烷基叠氮化物超越传统应变促进的叠氮–炔环加成反应

在活体系统中把分子“点击”到一起

化学家梦想着在活细胞内运行而不干扰其他过程的反应。本文描述了一种使这种“点击”反应更快且选择性更高的方法，从而使研究人员能在同一细胞中同时标记不同分子。这样的能力可帮助研究者实时观察蛋白质的迁移、药物的结合或细胞不同部位的行为。

为何生物学中需要特殊反应

在细胞内部，成千上万种不同的化学基团被紧密包装在极小的空间中。为了仅追踪单一蛋白或糖类，化学家使用生物正交反应：成对的小化学标签彼此识别而忽略其他一切。其中最广泛使用的反应之一是应变促进的叠氮–炔环加成反应，其中叠氮基与高度受应变的环状炔烃“点击”生成稳定的连接。该反应温和且无金属，但其反应速率相对较慢，当存在多种带标记分子时选择性也不高。这使得用相同基本化学同时独立标记两个不同目标变得困难。

设计更快且更具选择性的配对

作者着手通过修改叠氮基来调节此点击反应。他们将重点放在携带富含氟链的叠氮化物上，称为氟代烷基叠氮化物，并将其与普通烷基叠氮化物进行比较。使用一组被称为环辛炔的受应变环，特别是两种常见的BCN和DIBAC，测量了每种叠氮化物的反应速率。红外光谱使他们能够观察叠氮信号随时间的消失。他们发现了显著的规律：氟代烷基叠氮化物与电子给体性更强的BCN环反应明显更快，而非氟化的叠氮化物则与电子受体性更强的DIBAC反应更快。对于一种氟代烷基叠氮化物，与BCN的反应速率比与DIBAC快了126倍，显示出强烈的内在偏好。

用理论窥探机理

为理解这些偏好为何出现，团队使用高水平的量子化学计算估算每个反应的能垒。计算得到的过渡态支持了实验趋势：氟代烷基叠氮化物与BCN配对所需的能量低于与DIBAC的配对，而简单烷基叠氮化物则相反。与此同时，计算显示能量差异较小，接近此类方法能精确预测的极限。该结果表明，没有单一简单的描述子（例如比较最高与最低分子轨道）可以完全解释选择性；相反，电子效应、分子应变和溶剂等细微因素的组合都起作用。

在蛋白质和细胞中证明选择性

只有当反应在真实生物环境中表现良好时，速度和选择性才有意义。研究者首先确认了一种模型氟代烷基叠氮化物在水、缓冲液、细胞培养基以及氨基酸和抗氧化剂谷胱甘肽存在下的稳定性，仅在存在受应变环时发生反应。随后他们构建了分别含有氟代烷基叠氮化物或普通烷基叠氮化物的荧光探针，并将BCN或DIBAC把手连接到两种模型蛋白上：针对癌症的抗体曲妥珠单抗和结合糖类的康卡瓦林A。凝胶实验显示，带BCN标记的蛋白更倾向于与氟代烷基叠氮染料反应，而带DIBAC标记的蛋白则更偏好标准叠氮染料。在活细胞中，他们将BCN标签安装在线粒体，将DIBAC标签安置于细胞表面，然后加入两种染料。共聚焦显微镜显示氟代烷基叠氮染料标记了线粒体，而普通叠氮染料照亮了细胞膜，证实了这些反应在细胞内部仍然保持正交性。

这对未来成像意味着什么

这项研究表明，精心选择的氟代烷基叠氮化物能够使一种经典的生物正交反应同时变得更快和更具选择性。通过将氟代烷基叠氮与BCN配对、将普通叠氮与DIBAC配对，科学家可以在复杂环境如活细胞中使用相同的点击化学独立标记两个不同的目标。对非专业读者而言，关键成果是提出了一种新的双色、双目标标记策略，有望在生物实验中带来更清晰的图像和更精确的控制，为先进诊断和更智能的药物递送工具铺平道路。

引用: Tomčo, M., Šlachtová, V., Vrábel, M. et al. Beyond traditional strain-promoted azide–alkyne cycloadditions by achieving orthogonality and rapid kinetics with fluoroalkyl azides. Commun Chem 9, 171 (2026). https://doi.org/10.1038/s42004-026-01927-6

关键词: 生物正交化学, 点击反应, 活细胞成像, 蛋白质标记, 氟化叠氮化物