The development of reagents that can selectively react in complex biological media is an important challenge. Here we show that N1-alkylation of 1,2,4-triazines yields the corresponding triazinium salts, which are three orders of magnitude more reactive in reactions with strained alkynes than the parent 1,2,4-triazines. This powerful bioorthogonal ligation enables efficient modification of peptides and proteins. The positively charged N1-alkyl triazinium salts exhibit favorable cell permeability, which makes them superior for intracellular fluorescent labeling applications when compared to analogous 1,2,4,5-tetrazines. Due to their high reactivity, stability, synthetic accessibility and improved water solubility, the new ionic heterodienes represent a valuable addition to the repertoire of existing modern bioorthogonal reagents.

Current address Instituto de Química Rosario Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas Universidad Nacional de Rosario CONICET Suipacha 531 S2002LRK Rosario Argentina

Institute of Organic Chemistry and Biochemistry of the CAS Flemingovo nám 2 16000 Prague Czech Republic

See more in PubMed

E. Lallana, R. Riguera, E. Fernandez-Megia, Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 8794-8804;

Y. Takaoka, A. Ojida, I. Hamachi, Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 4088-4106;

R. E. Bird, S. A. Lemmel, X. Yu, Q. A. Zhou, Bioconjugate Chem. 2021, 32, 2457-2479.

V. Rigolot, C. Biot, C. Lion, Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 23084-23105;

E. Kozma, O. Demeter, P. Kele, ChemBioChem 2017, 18, 486-501.

E. Kim, H. Koo, Chem. Sci. 2019, 10, 7835-7851;

A. Battigelli, B. Almeida, A. Shukla, Bioconjugate Chem. 2022, 33, 263-271.

S. S. Nguyen, J. A. Prescher, Nat. Chem. Rev. 2020, 4, 476-489;

S. L. Scinto, D. A. Bilodeau, R. Hincapie, W. Lee, S. S. Nguyen, M. H. Xu, C. W. A. Ende, M. G. Finn, K. Lang, Q. Lin, J. P. Pezacki, J. A. Prescher, M. S. Robillard, J. M. Fox, Nat. Rev. Methods Primers 2021, 1, Art. Nr. 29;

T. Deb, J. L. Tu, R. M. Franzini, Chem. Rev. 2021, 121, 6850-6914.

N. J. Agard, J. A. Prescher, C. R. Bertozzi, J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 15046-15047;

J. Dommerholt, F. P. J. T. Rutjes, F. L. van Delft, Top. Curr. Chem. 2016, 374, Art. Nr. 16.

X. H. Ning, R. P. Temming, J. Dommerholt, J. Guo, D. B. Ania, M. F. Debets, M. A. Wolfert, G. J. Boons, F. L. van Delft, Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 3065-3068;

A. M. Jawalekar, E. Reubsaet, F. P. J. T. Rutjes, F. L. van Delft, Chem. Commun. 2011, 47, 3198-3200;

B. C. Sanders, F. Friscourt, P. A. Ledin, N. E. Mbua, S. Arumugam, J. Guo, T. J. Boltje, V. V. Popik, G.-J. Boons, J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 949-957.

A.-C. Knall, C. Slugovc, Chem. Soc. Rev. 2013, 42, 5131-5142;

B. L. Oliveira, Z. Guo, G. J. L. Bernardes, Chem. Soc. Rev. 2017, 46, 4895-4950;

M. L. Blackman, M. Royzen, J. M. Fox, J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 13518-13519.

A. C. Knall, M. Hollauf, C. Slugovc, Tetrahedron Lett. 2014, 55, 4763-4766;

M. Vrabel, P. Kolle, K. M. Brunner, M. J. Gattner, V. Lopez-Carrillo, R. de Vivie-Riedle, T. Carell, Chem. Eur. J. 2013, 19, 13309-13312;

D. M. Patterson, L. A. Nazarova, B. Xie, D. N. Kamber, J. A. Prescher, J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 18638-18643;

R. Selvaraj, J. M. Fox, Curr. Opin. Chem. Biol. 2013, 17, 753-760;

W. X. Chen, D. Z. Wang, C. F. Dai, D. Hamelberg, B. H. Wang, Chem. Commun. 2012, 48, 1736-1738.

D. N. Kamber, Y. Liang, R. J. Blizzard, F. Liu, R. A. Mehl, K. N. Houk, J. A. Prescher, J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 8388-8391;

K. A. Horner, N. M. Valette, M. E. Webb, Chem. Eur. J. 2015, 21, 14376-14381;

D. N. Kamber, S. S. Nguyen, F. Liu, J. S. Briggs, H. W. Shih, R. D. Row, Z. G. Long, K. N. Houk, Y. Liang, J. A. Prescher, Chem. Sci. 2019, 10, 9109-9114.

S. J. Siegl, R. Dzijak, A. Vazquez, R. Pohl, M. Vrabel, Chem. Sci. 2017, 8, 3593-3598.

F. Liu, Y. Liang, K. N. Houk, J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 11483-11493.

T. Kämpchen, W. Massa, W. Overheu, R. Schmidt, G. Seitz, Chem. Ber. 1982, 115, 683-694.

D. Svatunek, M. Wilkovitsch, L. Hartmann, K. N. Houk, H. Mikula, J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 8171-8177.

H. Zhang, W. S. Trout, S. Liu, G. A. Andrade, D. A. Hudson, S. L. Scinto, K. T. Dicker, Y. Li, N. Lazouski, J. Rosenthal, C. Thorpe, X. Jia, J. M. Fox, J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 5978-5983;

A. Jemas, Y. Xie, J. E. Pigga, J. L. Caplan, C. W. Am Ende, J. M. Fox, J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 1647-1662.

L. P. Liu, D. Y. Zhang, M. Johnson, N. K. Devaraj, Nat. Chem. 2022, 14, 1078-1085.

B.-M. Chen, T.-L. Cheng, S. R. Roffler, ACS Nano 2021, 15, 14022-14048.

H. Fischer, M. Kansy, A. Avdeef, F. Senner, Eur. J. Pharm. Sci. 2007, 31, 32-42;

A. E. Cardenas, R. Shrestha, L. J. Webb, R. Elber, J. Phys. Chem. B 2015, 119, 6412-6420;

C. Allolio, A. Magarkar, P. Jurkiewicz, K. Baxova, M. Javanainen, P. E. Mason, R. Sachl, M. Cebecauer, M. Hof, D. Horinek, V. Heinz, R. Rachel, C. M. Ziegler, A. Schrofel, P. Jungwirth, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2018, 115, 11923-11928.

R. Dzijak, J. Galeta, A. Vazquez, J. Kozak, M. Matousova, H. Fulka, M. Dracinsky, M. Vrabel, JACS Au 2021, 1, 23-30.

O. N. Chupakhin, B. V. Rudakov, S. G. Alexeev, S. V. Shorshnev, V. N. Charushin, Mendeleev Commun. 1992, 2, 85-86;

J. Galeta, V. Šlachtová, M. Dračínský, M. Vrabel, ACS Omega 2022, 7, 21233-21238.

N. N. Mochulskaya, A. A. Andreiko, V. N. Charushin, B. V. Shulgin, D. V. Raikov, V. I. Solomonov, Mendeleev Commun. 2001, 11, 19-21.

A. Meijer, S. Otto, J. B. F. N. Engberts, J. Org. Chem. 1998, 63, 8989-8994.

J. Tu, D. Svatunek, S. Parvez, A. C. Liu, B. J. Levandowski, H. J. Eckvahl, R. T. Peterson, K. N. Houk, R. M. Franzini, Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 9043-9048.

D. Svatunek, N. Houszka, T. A. Hamlin, F. M. Bickelhaupt, H. Mikula, Chem. Eur. J. 2019, 25, 754-758.

Y. Hu, J. M. Schomaker, ChemBioChem 2021, 22, 3254-3262;

M. L. W. J. Smeenk, J. Agramunt, K. M. Bonger, Curr. Opin. Chem. Biol. 2021, 60, 79-88.

A. La-Venia, R. Dzijak, R. Rampmaier, M. Vrabel, Chem. Eur. J. 2021, 27, 13632-13641.

M. Klima, D. J. Toth, R. Hexnerova, A. Baumlova, D. Chalupska, J. Tykvart, L. Rezabkova, N. Sengupta, P. Man, A. Dubankova, J. Humpolickova, R. Nencka, V. Veverka, T. Balla, E. Boura, Sci. Rep. 2016, 6, 23641.

I. J. Goldstein, R. D. Poretz, in The Lectins. Properties, Functions, and Applications in Biology and Medicine, Vol. 32 (Eds.: I. E. Liener, N. Sharon, I. J. Goldstein), Elsevier, Amsterdam, 1986, pp. 33-247.

S. J. Siegl, J. Galeta, R. Dzijak, M. Dracinsky, M. Vrabel, ChemPlusChem 2019, 84, 493-497.

M. P. Murphy, Biochim. Biophys. Acta Bioenerg. 2008, 1777, 1028-1031.

M. R. Karver, R. Weissleder, S. A. Hilderbrand, Bioconjugate Chem. 2011, 22, 2263-2270.

J. Galeta, R. Dzijak, J. Oboril, M. Dracinsky, M. Vrabel, Chem. Eur. J. 2020, 26, 9945-9953.

H. E. Murrey, J. C. Judkins, C. W. Am Ende, T. E. Ballard, Y. Fang, K. Riccardi, L. Di, E. R. Guilmette, J. W. Schwartz, J. M. Fox, D. S. Johnson, J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 11461-11475;

K. Bertheussen, M. van de Plassche, T. Bakkum, B. Gagestein, I. Ttofi, A. J. C. Sarris, H. S. Overkleeft, M. van de Stelt, S. I. van Kasteren, Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202207640.

Synthesis of C3-Substituted N1-tert-Butyl 1,2,4-Triazinium Salts via the Liebeskind-Srogl Reaction for Fluorogenic Labeling of Live Cells