研究进展： 生物正交反应是指将两个反应物通过正交的方式连接起来而不干扰天然生物过程的一类反应。因具有高选择性、良好的生物相容性和定量产率，生物正交反应成为标记活体生物系统中生物分子的基本工具。其中，1,2,4,5-四嗪与反式环辛烯（TCO）的逆电子需求Diels-Alder（iEDDA）反应是最佳的生物正交反应之一，目前在各个领域有着较为广泛的应用。尽管各种具有高反应性的四嗪对TCO有非常良好的反应速率，但由于亲核试剂的存在，其在生物系统中不稳定，从而显著限制其发展与应用。解决方案：在这项研究中，作者通过理论计算发现位阻效应对于解决这个问题至关重要，并开发了一种简单的合成路线来验证其计算结果（图1，图2），发现1，3-唑-4-基和1，2-唑-3-基单取代四嗪可以作为优越的生物正交工具。这些新的四嗪骨架在反应活性和稳定性方面超过了以往所开发的四嗪类结构。由于其在生物系统中具有良好的稳定性，含有这种四嗪侧链的非经典氨基酸通过扩展的遗传密码被定点遗传编码成蛋白质。编码的蛋白质可以在活体哺乳动物细胞中与使用环丙烷融合的反式环辛烯染料进行高效标记，反应速率超过 107M-1s-1，这是迄今为止报道的最快的蛋白质标记反应之一。此外，作者还通过活体小鼠体内反应展示了其优秀性能，实现了蛋白质的高效局部锁定（图3）。这些四嗪类化合物有望成为生命体系中最优的生物正交反应工具。 ![]()
图1：咪唑、恶唑、噻唑和苯基对TCO的过渡态几何构型。
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图2：与三种应用最广泛的四嗪相比，单噻唑的血清稳定性和TCO反应性。
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图3：活细胞HEK293T中细胞表面蛋白的快速标记。
结论： 作者通过离散傅里叶变换（DFT）计算发现空间位阻效应是解决生物系统中四嗪骨架与TCO的生物正交反应性和稳定性问题的关键因素。因此，他们研究出了优秀的含有取代基的四嗪骨架作为生物正交反应工具。这些化合物比以往的四嗪类骨架有着更好的稳定性以及反应活性。值得一提的是，研究发现，这种基于唑类的取代基还可以提高双取代的四嗪的性能。参考文献：Li Y. et al. Computation-Guided Discovery of Diazole Monosubstituted
Tetrazinesas Optimal Bioorthogonal Tools. J. Am. Chem. Soc. 2024，DOI: 10.1021/jacs.4c07958.
