Bioorthogonal chemistry
बायोआर्थोगोनल रसायन विज्ञान शब्द किसी भी रासायनिक प्रतिक्रिया को संदर्भित करता है जो देशी जैव रासायनिक प्रक्रियाओं में हस्तक्षेप किए बिना जीवित प्रणालियों के अंदर हो सकती है। यह शब्द 2003 में कैरोलिन आर. बेर्टोज़ी द्वारा गढ़ा गया था। इसकी शुरुआत के बाद से, बायोआर्थोगोनल प्रतिक्रिया की अवधारणा ने सेलुलर विषाक्तता के बिना जीवित प्रणालियों में वास्तविक समय में ग्लाइकेन, प्रोटीन और लिपिड जैसे जैव अणुओं के अध्ययन को सक्षम किया है। कई रासायनिक बंधन रणनीतियाँ विकसित की गई हैं जो जैव-ऑर्थोगोनलिटी की आवश्यकताओं को पूरा करती हैं, जिनमें एज़ाइड्स और साइक्लोऑक्टिन के बीच 1,3-द्विध्रुवीय साइक्लोऑडिशन (जिसे कॉपर-फ्री क्लिक केमिस्ट्री भी कहा जाता है), नाइट्रोन और साइक्लोऑक्टिन के बीच, एल्डिहाइड और कीटोन से ऑक्सीम/हाइड्राज़ोन का निर्माण, टेट्राज़िन बंधन, आइसोसाइनाइड-आधारित क्लिक प्रतिक्रिया और हाल ही में, क्वाड्रिसाइक्लेन बंधन शामिल हैं। बायोआर्थोगोनल रसायन विज्ञान का उपयोग आमतौर पर दो चरणों में किया जाता है। सबसे पहले, एक सेलुलर सब्सट्रेट को एक बायोआर्थोगोनल कार्यात्मक समूह (रासायनिक रिपोर्टर) के साथ संशोधित किया जाता है और कोशिका में पेश किया जाता है; सब्सट्रेट में मेटाबोलाइट्स, एंजाइम अवरोधक आदि शामिल होते हैं। रासायनिक रिपोर्टर को सब्सट्रेट की संरचना को नाटकीय रूप से नहीं बदलना चाहिए ताकि इसकी जैव सक्रियता को प्रभावित करने से बचा जा सके। दूसरा, सब्सट्रेट पर प्रतिक्रिया करने और लेबल लगाने के लिए पूरक कार्यात्मक समूह वाली एक जांच शुरू की जाती है। हालांकि तांबा-मुक्त क्लिक रसायन विज्ञान जैसी प्रभावी जैव-ऑर्थोगोनल प्रतिक्रियाओं का विकास किया गया है, नई प्रतिक्रियाओं का विकास लेबलिंग के लिए ऑर्थोगोनल विधियों को उत्पन्न करना जारी रखता है ताकि एक ही जैव प्रणालियों में लेबलिंग के कई तरीकों का उपयोग किया जा सके। बर्टोज़ी को क्लिक केमिस्ट्री और बायोआर्थोगोनल केमिस्ट्री के विकास के लिए 2022 में रसायन विज्ञान में नोबेल पुरस्कार से सम्मानित किया गया था। व्युत्पत्ति बायोआर्थोगोनल शब्द ग्रीक बायो-"लिविंग" और ऑर्थोगोनियोस "राइट-एंगल" से आया है। इस प्रकार शाब्दिक रूप से एक प्रतिक्रिया जो एक जीवित प्रणाली के लंबवत जाती है, इस प्रकार इसे परेशान नहीं करती है। बायोआर्थोगोनलिटी के लिए आवश्यकताएँ बायोआर्थोगोनल माने जाने के लिए, एक प्रतिक्रिया को कई आवश्यकताओं को पूरा करना चाहिएः चयनात्मकताः जैविक यौगिकों के साथ साइड रिएक्शन से बचने के लिए प्रतिक्रिया अंतजनन कार्यात्मक समूहों के बीच चयनात्मक होनी चाहिए जैविक जड़ताः प्रतिक्रियाशील भागीदारों और परिणामी संबंध में अध्ययन के तहत जीव की मूल रासायनिक कार्यक्षमता को बाधित करने में सक्षम प्रतिक्रिया का कोई तरीका नहीं होना चाहिए। रासायनिक जड़ताः सहसंयोजक कड़ी जैविक प्रतिक्रियाओं के लिए मजबूत और निष्क्रिय होनी चाहिए। गतिविज्ञानः प्रतिक्रिया तेजी से होनी चाहिए ताकि चयापचय और निकासी की जांच करने से पहले सहसंयोजक बंधन प्राप्त किया जा सके। प्रतिक्रिया में प्रतिस्पर्धा को रोकने के लिए सेलुलर प्रक्रियाओं (मिनट) के समय पैमाने पर प्रतिक्रिया तेज होनी चाहिए जो कम प्रचुर मात्रा में प्रजातियों के छोटे संकेतों को कम कर सकती है। त्वरित प्रतिक्रियाएँ भी एक त्वरित प्रतिक्रिया प्रदान करती हैं, जो गतिशील प्रक्रियाओं को सटीक रूप से ट्रैक करने के लिए आवश्यक है। प्रतिक्रिया जैव-संगतताः प्रतिक्रियाओं को गैर-विषाक्त होना चाहिए और पी. एच., जलीय वातावरण और तापमान को ध्यान में रखते हुए जैविक स्थितियों में कार्य करना चाहिए। फार्माकोकाइनेटिक्स एक बढ़ती हुई चिंता है क्योंकि बायोआर्थोगोनल रसायन विज्ञान जीवित पशु मॉडल तक फैलता है। सुलभ इंजीनियरिंगः रासायनिक रिपोर्टर को चयापचय या प्रोटीन इंजीनियरिंग के किसी रूप के माध्यम से जैव अणुओं में शामिल करने में सक्षम होना चाहिए। इष्टतम रूप से, कार्यात्मक समूहों में से एक भी बहुत छोटा है ताकि यह देशी व्यवहार को बाधित न करे। स्टाउडिंगर बंधन स्टाउडिंगर बंधन 2000 में बर्टोज़ी समूह द्वारा विकसित एक प्रतिक्रिया है जो ट्रायरिलफॉस्फीन के साथ एज़ाइड्स की क्लासिक स्टाउडिंगर प्रतिक्रिया पर आधारित है। इसने बायोआर्थोगोनल रसायन विज्ञान के क्षेत्र को पूरी तरह से अजैविक कार्यात्मक समूहों के साथ पहली प्रतिक्रिया के रूप में शुरू किया, हालांकि अब इसका व्यापक रूप से उपयोग नहीं किया जाता है। स्टाउडिंगर बंधन का उपयोग जीवित कोशिकाओं और जीवित चूहों दोनों में किया गया है। बायोआर्थोगोनलिटी एज़ाइड एक नरम इलेक्ट्रोफाइल के रूप में कार्य कर सकता है जो फॉस्फीन जैसे नरम न्यूक्लियोफाइल को पसंद करता है। यह अधिकांश जैविक न्यूक्लियोफाइल के विपरीत है जो आमतौर पर कठोर न्यूक्लियोफाइल होते हैं। प्रतिक्रिया एक स्थिर उत्पाद का उत्पादन करने के लिए जल-सहिष्णु परिस्थितियों में चुनिंदा रूप से आगे बढ़ती है। फॉस्फीन जीवित प्रणालियों से पूरी तरह से अनुपस्थित हैं और हल्की कमी क्षमता के बावजूद डाइसल्फ़ाइड बंधन को कम नहीं करते हैं। एज़ाइड्स को एज़ीडोथिमिडाइन जैसी एफडीए-अनुमोदित दवाओं में और क्रॉस लिंकर के रूप में अन्य उपयोगों के माध्यम से जैव-संगत दिखाया गया था। इसके अतिरिक्त, उनका छोटा आकार उन्हें सेलुलर चयापचय मार्गों के माध्यम से जैव अणुओं में आसानी से शामिल करने की अनुमति देता है। तंत्र क्लासिक स्टॉडिंगर प्रतिक्रिया न्यूक्लियोफिलिक फॉस्फीन इलेक्ट्रोफिलिक टर्मिनल नाइट्रोजन पर एज़ाइड पर हमला करता है। चार-सदस्यीय संक्रमण अवस्था के माध्यम से, एन2 एक एज़ा-इलाइड बनाने के लिए खो जाता है। अस्थिर इलाइड को हाइड्रोलाइज्ड करके फॉस्फीन ऑक्साइड और एक प्राथमिक एमाइन बनाया जाता है। हालाँकि, यह प्रतिक्रिया तुरंत बायोआर्थोगोनल नहीं होती है क्योंकि हाइड्रोलिसिस एज़ा-इलाइड में सहसंयोजक बंधन को तोड़ देता है। स्टॉडिंगर बंधन प्रतिक्रिया को एस्टर समूह ऑर्थो को फॉस्फोरस परमाणु के लिए एक एरिल रिंग में शामिल करने के लिए संशोधित किया गया था ताकि एज़ा-इलाइड को प्रतिक्रियाशीलता के एक नए मार्ग के माध्यम से निर्देशित किया जा सके ताकि स्थानीय सांद्रता बढ़ाने के लिए एस्टर को स्थिति में रखकर तत्काल जल अपघटन का मुकाबला किया जा सके। एज़ाइड पर प्रारंभिक न्यूक्लियोफिलिक हमला दर-सीमित करने वाला चरण है। इलाइड एक पाँच सदस्यीय वलय बनाने के लिए इंट्रामोलिकुलर साइक्लाइजेशन के माध्यम से इलेक्ट्रोफिलिक एस्टर ट्रैप के साथ प्रतिक्रिया करता है। यह वलय एक स्थिर एमाइड बंधन बनाने के लिए जल अपघटन से गुजरता है। सीमाएँ फॉस्फीन अभिकर्मक धीरे-धीरे जीवित प्रणालियों में वायु ऑक्सीकरण से गुजरते हैं। इसके अतिरिक्त, यह संभावना है कि वे साइटोक्रोम पी450 एंजाइमों द्वारा इन विट्रो में चयापचय किए जाते हैं। 0.0020 M−1·s−1 के आसपास दूसरे क्रम की दर स्थिरांक के साथ प्रतिक्रियाओं की गतिविज्ञान धीमी होती है। फॉस्फीन में इलेक्ट्रॉन दान करने वाले समूहों को जोड़कर न्यूक्लियोफिलिक हमले की दर बढ़ाने के प्रयासों ने गति विज्ञान में सुधार किया, लेकिन वायु ऑक्सीकरण की दर में भी वृद्धि की। खराब गतिविज्ञान के लिए फॉस्फीन की उच्च सांद्रता का उपयोग करने की आवश्यकता होती है जिससे इमेजिंग अनुप्रयोगों में उच्च पृष्ठभूमि संकेत के साथ समस्याएं होती हैं। फ्लोरोसिन और ल्यूसिफेरिन पर आधारित फ्लोरोजेनिक फॉस्फीन अभिकर्मकों के विकास के माध्यम से उच्च पृष्ठभूमि की समस्या का मुकाबला करने के प्रयास किए गए हैं, लेकिन आंतरिक गतिविज्ञान एक सीमा बनी हुई है। कॉपर-फ्री क्लिक केमिस्ट्री कॉपर-फ्री क्लिक केमिस्ट्री एक बायोआर्थोगोनल प्रतिक्रिया है जिसे पहली बार कैरोलिन बर्टोज़ी द्वारा एक एज़ाइड एल्काइन ह्यूज़ेन साइक्लोऑडिशन के सक्रिय संस्करण के रूप में विकसित किया गया था, जो कार्ल बैरी शार्पलेस एट अल के काम पर आधारित है। सी. यू. ए. ए. सी. के विपरीत, सी. यू.-फ्री क्लिक केमिस्ट्री को साइटोटॉक्सिक कॉपर उत्प्रेरक को समाप्त करके बायोआर्थोगोनल के रूप में संशोधित किया गया है, जिससे प्रतिक्रिया जल्दी और जीवित कोशिका विषाक्तता के बिना आगे बढ़ सकती है। तांबे के बजाय, प्रतिक्रिया एक तनाव-प्रचारित एल्काइन-एज़ाइड साइक्लोअडिशन (एस. पी. ए. ए. सी.) है। इसे स्टॉडिंगर बंधन के एक तेज विकल्प के रूप में विकसित किया गया था, जिसमें पहली पीढ़ियों ने साठ गुना से अधिक तेजी से प्रतिक्रिया दी थी। प्रतिक्रिया की बायोआर्थोगोनलिटी ने क्यू-फ्री क्लिक प्रतिक्रिया को संवर्धित कोशिकाओं, जीवित ज़ेबराफिश और चूहों के भीतर लागू करने की अनुमति दी है। तांबा विषाक्तता क्लासिक तांबा-उत्प्रेरित एज़ाइड-एल्काइन साइक्लोअडिशन जैव संयोजन के लिए एक अत्यंत तेज और प्रभावी क्लिक प्रतिक्रिया रही है, लेकिन यह सी. यू. (आई) आयनों की विषाक्तता के कारण जीवित कोशिकाओं में उपयोग के लिए उपयुक्त नहीं है। विषाक्तता तांबा उत्प्रेरक द्वारा बनाई गई प्रतिक्रियाशील ऑक्सीजन प्रजातियों से ऑक्सीडेटिव क्षति के कारण होती है। कॉपर कॉम्प्लेक्स को सेलुलर चयापचय में परिवर्तन को प्रेरित करने के लिए भी पाया गया है और कोशिकाओं द्वारा लिया जाता है। जैव अणु क्षति को रोकने और इन विट्रो अनुप्रयोगों में हटाने की सुविधा के लिए लिगेंड का कुछ विकास हुआ है। हालांकि, यह पाया गया है कि परिसरों के विभिन्न लिगैंड वातावरण अभी भी चयापचय और ग्रहण को प्रभावित कर सकते हैं, जिससे कोशिकीय कार्य में एक अवांछित गड़बड़ी पैदा हो सकती है। बायोआर्थोगोनलिटी एज़ाइड समूह विशेष रूप से बायोआर्थोगोनल है क्योंकि यह बेहद छोटा है (कोशिका पारगम्यता के लिए अनुकूल है और गड़बड़ी से बचाता है), चयापचय रूप से स्थिर है, और कोशिकाओं में स्वाभाविक रूप से मौजूद नहीं है और इस प्रकार कोई प्रतिस्पर्धी जैविक दुष्प्रभाव नहीं है। यद्यपि एज़ाइड प्रतिक्रिया के लिए उपलब्ध सबसे अधिक प्रतिक्रियाशील 1,3-द्विध्रुव नहीं हैं, लेकिन उन्हें विशिष्ट कृत्रिम स्थितियों में पार्श्व प्रतिक्रियाओं की सापेक्ष कमी और स्थिरता के लिए पसंद किया जाता है। एल्काइन उतना छोटा नहीं है, लेकिन इसमें अभी भी इन विवो लेबलिंग के लिए आवश्यक स्थिरता और ऑर्थोगोनलिटी है। साइक्लोऑक्टाइन पारंपरिक रूप से लेबलिंग अध्ययन के लिए सबसे आम साइक्लोअल्काइन हैं, क्योंकि वे सबसे छोटे स्थिर एल्काइन रिंग हैं। तंत्र प्रतिक्रिया एक मानक 1,3-द्विध्रुवीय साइक्लोऑडिशन के रूप में आगे बढ़ती है, जो एक प्रकार का अतुल्यकालिक, ठोस पेरिसाइक्लिक बदलाव है। 1, 3-द्विध्रुव की अस्पष्ट प्रकृति को एज़ाइड पर एक इलेक्ट्रोफिलिक या न्यूक्लियोफिलिक केंद्र की पहचान को असंभव बनाना चाहिए ताकि चक्रीय इलेक्ट्रॉन प्रवाह की दिशा अर्थहीन हो। [पी] हालांकि, गणना से पता चला है कि नाइट्रोजन के बीच इलेक्ट्रॉन वितरण सबसे आंतरिक नाइट्रोजन परमाणु को सबसे बड़ा नकारात्मक आवेश सहन करने का कारण बनता है। रेजीओसेलेक्टिविटी हालांकि प्रतिक्रिया ट्राइज़ोल के एक रेजीओइसोमेरिक मिश्रण का उत्पादन करती है, प्रतिक्रिया में रेजीओसेलेक्टिविटी की कमी अधिकांश वर्तमान अनुप्रयोगों के लिए एक प्रमुख चिंता का विषय नहीं है। विशेष रूप से एक तनावग्रस्त साइक्लोऑक्टाइन को संश्लेषित करने की सिंथेटिक कठिनाई (एक टर्मिनल एल्काइन को जोड़ने की तुलना में) को देखते हुए, अधिक क्षेत्रीय-विशिष्ट और कम जैव-ऑर्थोगोनल आवश्यकताओं को तांबे-उत्प्रेरित हुइजेन साइक्लोऑडिशन द्वारा सबसे अच्छी तरह से पूरा किया जाता है। साइक्लोऑक्टाइन ओ. सी. टी. का विकास क्यू-फ्री क्लिक केमिस्ट्री के लिए विकसित किया गया पहला साइक्लोऑक्टाइन था। जबकि रैखिक एल्काइन शारीरिक तापमान पर प्रतिक्रियाशील नहीं होते हैं, ओ. सी. टी. जैविक स्थितियों में एज़ाइड के साथ आसानी से प्रतिक्रिया करने में सक्षम था, जबकि कोई विषाक्तता नहीं दिखा रहा था। हालाँकि, यह पानी में कम घुलनशील था, और स्टॉडिंगर बंधन पर गतिविज्ञान में मुश्किल से सुधार हुआ था। ए. एल. ओ. (एरिल-रहित ऑक्टाइन) को पानी की घुलनशीलता में सुधार के लिए विकसित किया गया था, लेकिन फिर भी इसमें खराब गतिविज्ञान था। मोनोफ्लोरिनेटेड (एमओएफओ) और डिफ्लोरिनेटेड (डीआईएफओ) साइक्लोऑक्टिन को प्रोपार्जिलिक स्थिति में इलेक्ट्रॉन-खींचने वाले फ्लोरिन प्रतिस्थापन के माध्यम से दर बढ़ाने के लिए बनाया गया था। सिंथेटिक अभिगम्यता और जैविक जड़ता के मामले में फ्लोरिन एक अच्छा इलेक्ट्रॉन खींचने वाला समूह है। विशेष रूप से, यह एक इलेक्ट्रोफिलिक माइकल स्वीकारक नहीं बना सकता है जो जैविक न्यूक्लियोफाइल के साथ साइड-रिएक्ट कर सकता है। डी. आई. बी. ओ. (डाइबेंजोसाइक्लोक्टाइन) को दो एरिल रिंगों के संलयन के रूप में विकसित किया गया था, जिसके परिणामस्वरूप बहुत अधिक तनाव होता है और विरूपण ऊर्जा में कमी आती है। यह प्रस्तावित किया गया था कि बायरील प्रतिस्थापन रिंग तनाव को बढ़ाता है और प्रतिक्रियाशीलता में सुधार के लिए एल्काइन के साथ संयुग्मन प्रदान करता है। हालांकि गणनाओं ने भविष्यवाणी की है कि मोनो-एरिल प्रतिस्थापन स्टेरिक टकराव (एज़ाइड अणु के साथ) और तनाव के बीच एक इष्टतम संतुलन प्रदान करेगा, मोनोएरीलेटेड उत्पादों को अस्थिर दिखाया गया है। बी. ए. आर. ए. सी. (बायरीलाज़ेसाइक्लोऑक्टिनोन) के बाद एक एमाइड बंधन जोड़ा जाता है जो विरूपण द्वारा दर बढ़ाने के लिए एक एस. पी. 2 जैसे केंद्र को जोड़ता है। एमाइड अनुनाद अतिरिक्त असंतुलन पैदा किए बिना अतिरिक्त तनाव में योगदान देता है जो एक अस्थिर अणु का कारण बनता है। इसके अतिरिक्त, साइक्लोऑक्टाइन रिंग में एक हेटेरोएटम को जोड़ने से अणु की घुलनशीलता और फार्माकोकाइनेटिक्स दोनों में सुधार होता है। बी. ए. आर. ए. सी. में इस हद तक पर्याप्त दर (और संवेदनशीलता) है कि पृष्ठभूमि को कम करने के लिए अतिरिक्त जांच को धोना अनावश्यक है। यह उन स्थितियों में बेहद उपयोगी बनाता है जहां वास्तविक समय इमेजिंग या पूरे पशु इमेजिंग में धोना असंभव है। हालाँकि बी. ए. आर. ए. सी. बेहद उपयोगी है, लेकिन इसकी कम स्थिरता के लिए आवश्यक है कि इसे प्रकाश और ऑक्सीजन से सुरक्षित रखते हुए 0 डिग्री सेल्सियस पर संग्रहीत किया जाना चाहिए। डी. आई. बी. ए. सी./ए. डी. आई. बी. ओ. के उत्पादन के लिए बी. ए. आर. ए. सी. पर आगे के समायोजन भिन्नताओं को दूरस्थ वलय तनाव जोड़ने और प्रतिक्रियाशीलता को और बढ़ाने के लिए एल्काइन के आसपास स्टेरिक्स को कम करने के लिए किया गया था। कीटो-डीआईबीओ, जिसमें हाइड्रॉक्सिल समूह को कीटोन में परिवर्तित किया गया है, रिंग संरचना में परिवर्तन के कारण दर में तीन गुना वृद्धि हुई है। अस्थिरता के कारण एक डिफ्लोरोबेन्ज़ोसाइक्लोक्टाइन (डी. आई. एफ. बी. ओ.) बनाने के प्रयास असफल रहे। इन विवो माउस अध्ययनों के साथ डी. आई. एफ. ओ. के साथ समस्याएं बायोआर्थोगोनल प्रतिक्रियाओं के उत्पादन की कठिनाई को दर्शाती हैं। हालांकि डी. आई. एफ. ओ. कोशिकाओं के लेबलिंग में बेहद प्रतिक्रियाशील था, लेकिन सीरम एल्बुमिन के साथ बंधन के कारण यह चूहे के अध्ययन में खराब प्रदर्शन करता था। साइक्लोऑक्टाइन की हाइड्रोफोबिसिटी झिल्ली और सीरम प्रोटीन द्वारा पृथक्करण को बढ़ावा देती है, जिससे जैव उपलब्ध सांद्रता कम हो जाती है। जवाब में, पानी की घुलनशीलता, ध्रुवीयता और फार्माकोकाइनेटिक्स को बढ़ाने के लिए डी. आई. एम. ए. सी. (डाइमेथॉक्सीएज़ेसीक्लोक्टाइन) विकसित किया गया था, हालांकि माउस मॉडल के बायोआर्थोगोनल लेबलिंग में प्रयास अभी भी विकास में हैं। प्रतिक्रियाशीलता कम्प्यूटेशनल प्रयास इन साइक्लोऑडिशन प्रतिक्रियाओं के ऊष्मागतिकी और गतिविज्ञान को समझाने में महत्वपूर्ण रहे हैं जिन्होंने प्रतिक्रिया में सुधार जारी रखने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाई है। स्थिरता का त्याग किए बिना एल्काइन को सक्रिय करने के दो तरीके हैंः संक्रमण अवस्था ऊर्जा को कम करना या प्रतिक्रियाशील स्थिरता को कम करना। प्रतिक्रियाशील स्थिरता में कमीः हॉक ने प्रस्ताव दिया है कि एज़ाइड और एल्काइन को संक्रमण अवस्था ज्यामिति में विकृत करने के लिए आवश्यक ऊर्जा (एड ‡) में अंतर प्रतिक्रिया के लिए बाधा की ऊंचाई को नियंत्रित करता है। सक्रियण ऊर्जा (E ‡) अस्थिर करने वाली विकृतियों और स्थिर करने वाली अंतःक्रियाओं (Ei ‡) का योग है। एल्काइन विरूपण के कम योगदान के साथ एज़ाइड कार्यात्मक समूह में सबसे महत्वपूर्ण विरूपण है। हालांकि, यह केवल साइक्लोऑक्टाइन है जिसे उच्च प्रतिक्रियाशीलता के लिए आसानी से संशोधित किया जा सकता है। फिनाइल एज़ाइड और एसिटिलीन (16.2 किलोकैलरी/मोल) बनाम साइक्लोऑक्टाइन (8.0 किलोकैलरी/मोल) के लिए प्रतिक्रिया की गणना की गई बाधाओं के परिणामस्वरूप 106 की अनुमानित दर में वृद्धि होती है। साइक्लोऑक्टाइन को कम विरूपण ऊर्जा (1.4 किलोकैलरी/मोल बनाम 4.6 किलोकैलरी/मोल) की आवश्यकता होती है जिसके परिणामस्वरूप कम अंतःक्रिया ऊर्जा के बावजूद कम सक्रियण ऊर्जा होती है। संक्रमण अवस्था ऊर्जा को कम करनाः एल. यू. एम. ओ. ऊर्जा और एच. ओ. एम. ओ.-एल. यू. एम. ओ. अंतर को कम करके फ्लोरिन वृद्धि दर जैसे इलेक्ट्रॉन वापस लेने वाले समूह। यह संक्रमण अवस्था में एज़ाइड से फ्लोरिनयुक्त साइक्लोऑक्टाइन में अधिक चार्ज हस्तांतरण की ओर ले जाता है, जिससे अंतःक्रिया ऊर्जा (कम नकारात्मक मूल्य) और समग्र सक्रियण ऊर्जा में वृद्धि होती है। एल. यू. एम. ओ. का कम होना एल्काइन π दाता कक्षीयों और सी. एफ. σ * स्वीकारकों के बीच अति संयोजन का परिणाम है। ये अंतःक्रियाएँ मुख्य रूप से संक्रमण अवस्था में स्थिरीकरण प्रदान करती हैं जिसके परिणामस्वरूप बंधनों की दाता/स्वीकार करने की क्षमता में वृद्धि होती है क्योंकि वे विकृत होते हैं। एन. बी. ओ. की गणनाओं से पता चला है कि संक्रमण अवस्था विरूपण अंतःक्रिया ऊर्जा को 2.8 किलोकैलरी/मोल तक बढ़ाता है। आउट-ऑफ-प्लेन π बॉन्ड के बीच अति संयोजन अधिक होता है क्योंकि इन-प्लेन π बॉन्ड खराब संरेखित होते हैं। हालांकि, संक्रमण अवस्था झुकने से इन-प्लेन π बॉन्ड में अधिक एंटीपेरिप्लेनर व्यवस्था होती है जो परस्पर क्रिया को सुविधाजनक बनाती है। सी. एन. बॉन्ड बनने के कारण σ * की इलेक्ट्रॉनिक आबादी में वृद्धि के माध्यम से अतिरिक्त अति-संयुग्म अंतःक्रिया ऊर्जा स्थिरीकरण प्राप्त किया जाता है। σ * CF बन्धों के साथ नकारात्मक अति संयोजन इस स्थिरकारी अंतःक्रिया को बढ़ाता है। रेजीओसेलेक्टिविटी हालांकि रेजीओसेलेक्टिविटी कॉपर-फ्री क्लिक केमिस्ट्री के वर्तमान इमेजिंग अनुप्रयोगों में एक बड़ा मुद्दा नहीं है, यह एक ऐसा मुद्दा है जो दवा डिजाइन या पेप्टिडोमिमेटिक्स जैसे क्षेत्रों में भविष्य के अनुप्रयोगों को रोकता है। वर्तमान में अधिकांश साइक्लोऑक्टाइन रिजियोआइसोमेरिक मिश्रण बनाने के लिए प्रतिक्रिया करते हैं। [एम] संगणना विश्लेषण में पाया गया है कि जबकि गैस चरण रेजीओसेलेक्टिविटी की गणना सक्रियण ऊर्जा में 1,4 जोड़ से 2.9 किलोकैलरी/मोल तक 1,5 जोड़ के पक्ष में की जाती है, समाधान सुधारों के परिणामस्वरूप दोनों रेजीओआइसोमर्स के लिए समान ऊर्जा बाधाएं होती हैं। जबकि डी. आई. एफ. ओ. के साइक्लोअडिशन में 1,4 आइसोमर अपने बड़े द्विध्रुवीय क्षण से नापसंद है, विलयन इसे 1,5 आइसोमर की तुलना में अधिक दृढ़ता से स्थिर करता है, जिससे रेजीओसेलेक्टिविटी का क्षरण होता है। सममित साइक्लोऑक्टाइन जैसे बी. सी. एन. (बाइसाइक्लो [6.1] नोनाइन) साइक्लोअडिशन पर एक एकल रिजियोआइसोमर बनाते हैं और भविष्य में इस समस्या का समाधान करने का काम कर सकते हैं। अनुप्रयोग तांबा-मुक्त क्लिक रसायन विज्ञान का सबसे व्यापक अनुप्रयोग जीवित कोशिकाओं या जानवरों में जैविक इमेजिंग में एक एज़ाइड-टैग किए गए जैव अणु और एक इमेजिंग एजेंट वाले साइक्लोऑक्टाइन का उपयोग करके किया जाता है। डी. आई. बी. ओ. के फ्लोरोसेंट केटो और ऑक्सीम प्रकारों का उपयोग फ्लोरो-स्विच क्लिक प्रतिक्रियाओं में किया जाता है जिसमें प्रतिक्रिया में बनने वाले ट्राइज़ोल द्वारा साइक्लोऑक्टाइन की प्रतिदीप्ति को बुझा दिया जाता है। दूसरी ओर, कूमरिन-संयुग्मित साइक्लोऑक्टाइन जैसे कि कूम्बरैक को इस तरह से विकसित किया गया है कि एल्काइन प्रतिदीप्ति को दबा देता है जबकि ट्राइज़ोल गठन प्रतिदीप्ति क्वांटम उपज को दस गुना बढ़ाता है। फोटोएक्टिवेटेबल साइक्लोऑक्टाइन का उपयोग करके सब्सट्रेट लेबलिंग के स्थानिक और अस्थायी नियंत्रण की जांच की गई है। यह एकाग्रता प्रवणता के परिणामस्वरूप कलाकृतियों को कम करने के लिए प्रतिक्रिया से पहले एल्काइन के संतुलन की अनुमति देता है। नकाबपोश साइक्लोऑक्टाइन अंधेरे में एज़ाइड के साथ प्रतिक्रिया करने में असमर्थ होते हैं लेकिन प्रकाश के साथ विकिरण पर प्रतिक्रियाशील एल्काइन बन जाते हैं। पी. ई. टी. इमेजिंग एजेंटों के संश्लेषण में उपयोग के लिए तांबा-मुक्त क्लिक रसायन विज्ञान की खोज की जा रही है, जिन्हें यौगिकों को प्रशासित करने से पहले समस्थानिक क्षय को कम करने के लिए उच्च शुद्धता और उपज के साथ जल्दी से बनाया जाना चाहिए। एस. पी. ए. ए. सी. के उच्च दर स्थिरांक और बायोआर्थोगोनलिटी दोनों पी. ई. टी. रसायन विज्ञान के लिए उपयुक्त हैं। शास्की नामक एक कंपनी कैंसर चिकित्सा विज्ञान के लिए क्लिक रसायन विज्ञान का उपयोग कर रही है और चरण 2 परीक्षण में कैंसर रोगियों में प्रमुख उम्मीदवार का मूल्यांकन कर रही है। नाइट्रोन द्विध्रुवीय साइक्लोअडिशन कॉपर-मुक्त क्लिक रसायन विज्ञान को नाइट्रोन का उपयोग एज़ाइड के बजाय 1,3-द्विध्रुव के रूप में करने के लिए अनुकूलित किया गया है और इसका उपयोग पेप्टाइड्स के संशोधन में किया गया है। नाइट्रोन और साइक्लोऑक्टाइन के बीच यह साइक्लोऑडिशन एन-एल्किलेटेड आइसोक्साज़ोलिन बनाता है। प्रतिक्रिया दर पानी द्वारा बढ़ाई जाती है और नाइट्रोन के प्रतिस्थापन के आधार पर 12 से 32 M−1·s−1 तक के दूसरे क्रम दर स्थिरांक के साथ बेहद तेज होती है। हालाँकि प्रतिक्रिया बहुत तेज़ होती है, लेकिन इसे चयापचय लेबलिंग के माध्यम से नाइट्रोन को जैव अणुओं में शामिल करने में समस्याओं का सामना करना पड़ता है। लेबलिंग केवल पोस्ट-ट्रांसलेशनल पेप्टाइड संशोधन के माध्यम से प्राप्त की गई है। नॉरबोर्न साइक्लोअडिशन 1,3 द्विध्रुवीय साइक्लोअडिशन को 1,3-द्विध्रुव के रूप में नाइट्राइल ऑक्साइड और द्विध्रुवीय के रूप में नॉरबोर्न का उपयोग करके एक जैव-ऑर्थोगोनल प्रतिक्रिया के रूप में विकसित किया गया है। इसका प्राथमिक उपयोग स्वचालित ऑलिगोन्यूक्लियोटाइड सिंथेसाइज़र में डी. एन. ए. और आर. एन. ए. को लेबल करने और जीवित कोशिकाओं की उपस्थिति में पॉलिमर क्रॉसलिंकिंग में किया गया है। नॉरबोर्नेन्स को तनाव-प्रचारित प्रतिक्रियाशीलता और स्थिरता के बीच उनके संतुलन के कारण द्विध्रुवीय के रूप में चुना गया था। इस प्रतिक्रिया की कमियों में मजबूत इलेक्ट्रोफिलिसिटी और धीमी प्रतिक्रिया कैनेटीक्स के कारण नाइट्राइल ऑक्साइड की क्रॉस-रिएक्टिविटी शामिल है। ऑक्सानोरबोर्नाडाइन साइक्लोअडिशन ऑक्सानोरबोर्नाडाइन साइक्लोअडिशन एक 1,3-द्विध्रुवीय साइक्लोअडिशन है जिसके बाद एक फुरान अणु के उन्मूलन के साथ एक ट्राइज़ोल-लिंक्ड संयुग्म उत्पन्न करने के लिए एक रेट्रो-डायल्स एल्डर प्रतिक्रिया होती है। प्रारंभिक कार्य ने पेप्टाइड लेबलिंग प्रयोगों में इसकी उपयोगिता स्थापित की है, और इसका उपयोग एस. पी. ई. सी. टी. इमेजिंग यौगिकों के उत्पादन में भी किया गया है। हाल ही में, एक ऑक्सेनोरबोर्नाडीन के उपयोग को एक उत्प्रेरक-मुक्त कमरे के तापमान "आईक्लिक" प्रतिक्रिया में वर्णित किया गया था, जिसमें एक मॉडल एमिनो एसिड को धातु के हिस्से से जोड़ा जाता है, बायोआर्थोगोनल प्रतिक्रियाओं के लिए एक नए दृष्टिकोण में। ऑक्सानोरबोर्नाडीन में रिंग स्ट्रेन और इलेक्ट्रॉन की कमी साइक्लोऑडिशन दर-सीमित करने वाले चरण के प्रति प्रतिक्रियाशीलता को बढ़ाती है। रेट्रो-डायल्स एल्डर प्रतिक्रिया स्थिर 1,2,3 ट्राइज़ोल बनाने के लिए जल्दी से बाद में होती है। समस्याओं में प्रतिस्थापन के लिए खराब सहिष्णुता शामिल है जो ऑक्सानोरबोर्नाडीन के इलेक्ट्रॉनिक्स को बदल सकती है और कम दरें (10−4 के क्रम पर दूसरे क्रम की दर स्थिरांक)। टेट्राज़िन बंधन टेट्राज़िन बंधन एक प्रतिलोम-मांग डायल्स एल्डर प्रतिक्रिया में एक ट्रांस-साइक्लोऑक्टीन और एक एस-टेट्राज़िन की प्रतिक्रिया है जिसके बाद नाइट्रोजन गैस को खत्म करने के लिए एक रेट्रो-डायल्स एल्डर प्रतिक्रिया होती है। 2000 एम − 1-एस − 1 (9:1 मेथनॉल/पानी में) के दूसरे क्रम दर स्थिरांक के साथ प्रतिक्रिया बेहद तेज है जो बेहद कम सांद्रता पर जैव अणुओं के संशोधन की अनुमति देती है। बाख द्वारा कम्प्यूटेशनल कार्य के आधार पर, जेड-साइक्लोऑक्टीन के लिए तनाव ऊर्जा 7 किलोकैलरी/मोल है, जबकि दो ट्रांसैनुलर इंटरैक्शन के नुकसान के कारण साइक्लोऑक्टेन के लिए 12.4 किलोकैलरी/मोल है। ई-साइक्लोऑक्टीन में अत्यधिक मुड़ा हुआ दोहरा बंधन होता है जिसके परिणामस्वरूप 17.9 किलोकैलोरी/मोल की तनाव ऊर्जा होती है। इस प्रकार, अत्यधिक तनावग्रस्त ट्रांस-साइक्लोऑक्टीन का उपयोग प्रतिक्रियाशील डायनोफाइल के रूप में किया जाता है। डाइन एक 3,6-डायरिल-एस-टेट्राज़िन है जिसे पानी के साथ तत्काल प्रतिक्रिया का विरोध करने के लिए प्रतिस्थापित किया गया है। प्रतिक्रिया एक प्रारंभिक साइक्लोऑडिशन के माध्यम से आगे बढ़ती है जिसके बाद N2 को समाप्त करने और प्रतिक्रिया की प्रतिवर्तीता को रोकने के लिए एक रिवर्स डायल्स एल्डर होता है। न केवल पानी की प्रतिक्रिया सहिष्णु है, बल्कि यह पाया गया है कि जलीय माध्यम में दर बढ़ जाती है। जलीय माध्यम में 1 एम-1 एस-1 के क्रम पर दूसरे क्रम की दरों पर डायनोफाइल के रूप में नॉरबोर्नेन्स का उपयोग करके भी प्रतिक्रियाएं की गई हैं। प्रतिक्रिया को जीवित कोशिकाओं और बहुलक युग्मन को लेबल करने में लागू किया गया है। [4 + 1] साइक्लोअडिशन यह आइसोसाइनाइड क्लिक प्रतिक्रिया एक [4 + 1] साइक्लोअडिशन है जिसके बाद N2 का रेट्रो-डील्स एल्डर उन्मूलन होता है। प्रतिक्रिया एक प्रारंभिक [4 + 1] साइक्लोअडिशन के साथ आगे बढ़ती है जिसके बाद एक थर्मोडायनामिक सिंक को खत्म करने और प्रतिवर्तीता को रोकने के लिए एक प्रत्यावर्तन होता है। यदि एक तृतीयक एमाइन या आइसोसाइनोप्रोपानोएट का उपयोग किया जाता है तो यह उत्पाद स्थिर होता है। यदि एक द्वितीयक या प्राथमिक आइसोसाइनाइड का उपयोग किया जाता है, तो उत्पाद एक इमाइन बनाएगा जो जल्दी से हाइड्रोलाइज्ड हो जाता है। आइसोसाइनाइड अपने छोटे आकार, स्थिरता, गैर-विषाक्तता और स्तनधारी प्रणालियों में अनुपस्थिति के कारण एक पसंदीदा रासायनिक रिपोर्टर है। हालांकि, प्रतिक्रिया धीमी है, 10−2 M−1·s−1 के क्रम पर दूसरे क्रम की दर स्थिरांक के साथ। टेट्राज़ोल फोटोक्लिक रसायन विज्ञान फोटोक्लिक रसायन विज्ञान एन2 को छोड़ने के लिए एक फोटोइंड्यूस्ड साइक्लोइलिमिनेशन का उपयोग करता है। यह नाइट्रोजन गैस के नुकसान के माध्यम से एक अल्पकालिक 1,3 नाइट्राइल इमाइन मध्यवर्ती उत्पन्न करता है, जो पायराजोलिन साइक्लोडक्ट उत्पन्न करने के लिए एक एल्कीन के साथ 1,3-द्विध्रुवीय साइक्लोडेशन से गुजरता है। कोशिकाओं में फोटोडेमेज को कम करने के लिए प्रकाश के संक्षिप्त संपर्क (तरंग दैर्ध्य टेट्राज़ोल-निर्भर है) के साथ फोटोइंडक्शन होता है। जलीय स्थितियों में प्रतिक्रिया को बढ़ाया जाता है और एक एकल रेजीओआइसोमर उत्पन्न करता है। क्षणिक नाइट्राइल इमाइन एक मुड़े हुए संरचना के कारण 1,3-द्विध्रुवीय साइक्लोडेशन के लिए अत्यधिक प्रतिक्रियाशील है जो विरूपण ऊर्जा को कम करता है। फिनाइल रिंग्स पर इलेक्ट्रॉन-दान समूहों के साथ प्रतिस्थापन HOMO ऊर्जा को बढ़ाता है, जब 1,3 नाइट्राइल इमाइन पर रखा जाता है और प्रतिक्रिया की दर को बढ़ाता है। इस दृष्टिकोण के लाभों में स्थानिक या अस्थायी रूप से प्रतिक्रिया को नियंत्रित करने की क्षमता और आनुवंशिक एन्कोडिंग जैसे सरल जैविक तरीकों का उपयोग करके जैविक अणुओं में एल्कीन और टेट्राज़ोल दोनों को शामिल करने की क्षमता शामिल है। इसके अतिरिक्त, टेट्राज़ोल को प्रतिक्रिया की प्रगति की निगरानी के लिए फ्लोरोजेनिक होने के लिए डिज़ाइन किया जा सकता है। क्वाड्रिसाइक्लेन बंधन क्वाड्रिसाइक्लेन बंधन π प्रणालियों के साथ [2 + 2 + 2] साइक्लोअडिशन से गुजरने के लिए एक अत्यधिक तनावग्रस्त क्वाड्रिसाइक्लेन का उपयोग करता है। क्वाड्रिसाइक्लेन अजैविक है, जैव अणुओं के साथ प्रतिक्रियाशील नहीं है (पूर्ण संतृप्ति के कारण), अपेक्षाकृत छोटा और अत्यधिक तनावग्रस्त (~ 80 किलो कैलोरी/मोल) है। हालांकि, यह कमरे के तापमान पर और शारीरिक पीएच पर जलीय स्थितियों में अत्यधिक स्थिर है। यह चुनिंदा रूप से इलेक्ट्रॉन-गरीब π प्रणालियों के साथ प्रतिक्रिया करने में सक्षम है, लेकिन साधारण एल्कीन, एल्काइन या साइक्लोऑक्टाइन के साथ नहीं। बिस (डिथिओबेन्ज़िल) निकल (II) को प्रतिक्रियाशीलता के आधार पर कैंडिडेट स्क्रीन से प्रतिक्रिया भागीदार के रूप में चुना गया था। नॉरबोर्नाडीन में प्रकाश-प्रेरित परिवर्तन को रोकने के लिए, उत्पाद में निकल को चीलेट करने के लिए डाइथिल्डाइथिओकार्बामेट मिलाया जाता है। इन प्रतिक्रियाओं को 0.25 एम − 1 एस − 1 के दूसरे क्रम दर स्थिरांक के साथ जलीय स्थितियों द्वारा बढ़ाया जाता है। विशेष रुचि यह है कि यह ऑक्सीम निर्माण और तांबा-मुक्त क्लिक रसायन विज्ञान दोनों के लिए जैव-ऑर्थोगोनल साबित हुआ है। परमाणु इमेजिंग और रेडियोथेरेपी में पूर्व लक्षित प्रयोगों के लिए बायोआर्थोगोनल रसायन विज्ञान एक आकर्षक उपकरण है। उन्नत ठोस ट्यूमर के उपचार के लिए टेट्राज़िन-साइक्लोक्टीन रसायन विज्ञान का नैदानिक परीक्षण किया जा रहा है। संदर्भ रासायनिक प्रतिक्रियाएँ