分享Journal of the American Chemical Society上的一篇文章，题目为Superfast Tetrazole–BCN Cycloaddition Reaction for Bioorthogonal Protein Labeling on Live Cells，通讯作者为纽约州立大学布法罗分校化学系的Qing Lin教授，该课题组的研究方向为利用有机化学反应研究生物体内蛋白质的动态变化、功能以及聚集过程。
生物正交偶联反应，在实现生命体内生物分子的成像、功能调节等方面具有十分重要的作用。Qing Lin教授课题组在先前工作中，发展了一种光诱导下四唑与烯烃之间的环加成反应。相比于传统的四嗪偶联反应，上述光点击化学反应可以为生物过程的研究提供良好的时空可操纵性。2020年，研究人员基于环张力炔烃BCN，将四唑-烯烃光点击化学反应拓展至四唑-炔烃。然而，该工作发展了反应体系较为疏水，不利于在生命体中进行应用。基于此，本篇工作致力于发展一种水溶性的四唑-炔烃光点击化学反应。
为提高反应物在水相中的溶解性，作者选择使用N-磺酰基吡咯作为空间位阻基团。合成一系列取代基大小不等的四唑分子后，研究人员评估其与BCN的反应活性，并以螺己烯为模式分子，与传统四唑-烯烃光点击化学反应进行对比。结果表明，所合成的四唑分子与螺己烯、BCN均具有良好的反应活性与选择性，同时，随空间位阻基团上取代基位阻增大，反应速率均逐渐降低。值得注意的是，在相同条件下，四唑-BCN反应的二级反应速率常数比四唑-螺己烯提高了约17倍，可达到约3.9*104 M-1·L-1，为BCN参与的各类点击化学反应中反应速率最高的反应。
研究人员使用DFT理论计算的方法，尝试揭示四唑-BCN反应具有卓越反应速率的分子机制。由于前线轨道限制，螺己烯仅能采取side-on的方式形成反应过渡态，而SCN则既可采取side-on，亦可以采取end-on的方式形成反应过渡态。在end-on反应过渡态中，BCN遇到的空间位阻更小，邻近芳基上位阻取代基的扭转角更小。此外，四唑-BCN反应过渡态中，两分子间的键长更大、其分子结构更接近底物本身的结构。上述观察，最终表现为四唑-BCN反应的活化吉布斯自由能相比于四唑-螺己烯降低了1.2 kcal/mol，较好地解释了四唑-BCN体系显著提高的反应速率。
之后，作者将发展出来的四唑-BCN光点击化学反应体系，应用于生物分子的正交标记。作者首先向已纯化出来的溶菌酶中引入BCN标记，后在2 s的302 nm紫外光照射下，与四唑分子进行环加成反应。质谱分析结果表明，短时的紫外线照射即可实现四唑-BCN之间定量反应。同时，上述反应体系表现出了良好的生物正交性。
最后，研究人员将其应用于生命体内微量蛋白的生物成像。作者选择胰高血糖素受体(GCGR)这一膜蛋白作为模式分子，在H293T细胞系中，构建非天然氨基酸BCNK插入、融合表达GFP的GCGR作为报告体系。加入四唑分子后，紫外光照射15 s即可实现GCGR的有效标记成像，同时，上述荧光标记与GFP荧光表现出良好的共定位现象，再一次证实四唑-BCN反应体系的生物正交性。综上，本篇文章发展了一种生物正交的光点击化学反应体系。该体系由具有水溶性与空间屏蔽效应的四唑分子，与具有环张力的BCN分子共同组成，具有极高反应速率。原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c10354原文引用：DOI：10.1021/jacs.1c10354
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