ATR-IR Inline monitoring of strain promoted alkyne-azide cycloadditions in biological media

Abstract

In den letzten Jahren haben sich die sogenannten SPAACs (strain promoted aklyne-azide cycloadditions) als vielseitige Tools zum in vivo Markieren von Biomolekülen, aber auch als Kupplungsreaktion im Bereich der Nano- und Materialchemie etabliert. Da SPAACs ohne Katalysator unabhängig von z.B. pH oder Temperatur mit hoher Geschwindigkeit ablaufen ist eine der großen Herausforderungen bei der Verfolgung dieser Reaktionen das Erfordernis von Echtzeit Analytik. Das Ziehen von Proben mit anschließender Standard Analytik via z.B. HPLC oder GC wird durch das Fehlen von verlässlichen Möglichkeiten die Reaktion zu unterbrechen / quenchen unmöglich gemacht. Die im Moment gängige Methode SPAACs durch online NMR Messungen zu verfolgen beschränkt die Auswahl möglicher Reaktionsmedien auf reine deuterierte Lösungsmittel.<br />Durch die Anwendung der bereits etablierten inline (in situ und online) ATR-IR Spektroskopie konnte erfolgreich die Reaktion von Benzylazid mit Cyclooctin monitiert werden. Durch Verfolgen der Azid Bande bei 2100 1/cm konnten Ergebnisse in guter Übereinstimmung mit parallel durchgeführten NMR-Experimenten erzielt werden.<br />Im oben erwähnten Bereich des IR Spektrums findet man üblicherweise die Schwingungen spezifischer funktioneller Gruppen (Alkine, Nitrile, Azide, etc.) die weder im entstehenden Traizol noch in biologischen Medien vorkommen.<br />In der Folge war es möglich den Anwendungsbereich der im Zuge dieser Arbeit entwickelten Methode zu erweitern und die Reaktion eines wasserlöslichen bicyclo[6.1.0]non-4-in-9-ylmethanol Derivates mit 2-Azidoethanol in humanem Blutplasma zu verfolgen.<br />

Over the last years strain promoted alkyne-azide cycloadditions (SPAAC) have been established as versatile tools for in vivo labeling of a variety of biomolecules, but also as a powerful coupling reaction in nano and materials science. One of the main challenges during reaction monitoring of SPAACs is the requirement for real-time analysis. This derives from the fact they proceed at high rates without any need of base, catalyst or elevated temperatures. Hence, sampling and standard analysis (e.g. HPLC) is ruled out by a lack of reliable possibilities of reaction quenching / interruption. Currently real-time NMR spectroscopy is the state of the art technique for investigation of reaction kinetics, limiting reaction media to pure deuterated solvents. By utilizing inline (in situ and online) ATR-IR spectroscopy, which has gained considerable interest as a method for reaction monitoring in recent years, it was possible to monitor the reaction of benzyl azide and cyclooctyne in acetonitrile. Following the azide band at a wavenumber of 2100 1/cm afforded results in good agreement with data obtained from parallel NMR experiments.<br />The above-mentioned region of the IR spectrum is usually referred to specific functionalities (alkynes, azides, nitriles etc.) which are generally neither present in both the resulting triazole species nor in standard biological media. Subsequently it was possible to expand the scope of the method developed during this thesis beyond what is possible via established methods and successfully investigated the kinetics of the reaction of a water soluble bicyclo[6.1.0]non-4-yne-9-ylmethanol derivative with 2-azidoethanol in human blood plasma.<br />