一、概念起点：先把 SuFEx 与磺酰氟分开

         SuFEx（sulfur(VI) fluoride exchange，硫氟交换）是一类连接反应，而不是某一个具体分子。它的核心在于利用 sulfur(VI)–fluoride 键的交换反应，在合适条件下形成新的 S–O、S–N 等连接。2014 年，Dong、Krasnova、Finn 和 Sharpless 系统提出并阐明了 SuFEx 作为 click chemistry 重要成员的概念，这一工作通常被视为现代 SuFEx 研究重新兴起的关键起点。[1]

         磺酰氟（sulfonyl fluoride，R–SO₂F）是一个具体官能团。它既可以作为 SuFEx 反应中的底物，也可以作为化学生物学中的共价反应基团，在分子先完成可逆识别后，于蛋白结合位点中发生受控共价固定。换言之，SuFEx 关注的是“如何围绕 S(VI)–F 键进行连接”，磺酰氟关注的是“哪一类具体基元最常被用于这种连接，或被进一步发展为共价化学生物学工具”。先理解这一层级差异，有助于理解后文关于反应设计、蛋白反应性与应用边界的讨论。[1,2]

1.1 三个层次的概念辨析

1.2 为什么这一主题值得关注

         SuFEx 之所以持续受到关注，首先在于它提供了一类高可靠的 S(VI)–F 连接反应。与 CuAAC 主要生成三唑连接不同，SuFEx 的核心是围绕 sulfur(VI) fluoride 键构建稳定的硫中心连接。此后，随着磺酰氟、芳基氟硫酸酯等相关基元在化学生物学中的应用不断发展，这条路线又进一步延伸到了依赖分子识别和蛋白微环境的受控共价作用。[1]

         后续研究表明，一些 S(VI)–F 基元并不是“看到亲核体就快速无差别反应”的简单强亲电标签。以磺酰氟和芳基氟硫酸酯为代表的这一类基元，常常依赖“先结合、后成键”的过程：先发生可逆识别，再通过空间邻近和蛋白微环境帮助完成共价反应。Narayanan 和 Jones 在 2015 年的综述已把磺酰氟总结为兼具水相稳定性与蛋白反应性的“privileged warhead”；2018 年关于芳基氟硫酸酯的综述与原始研究，则进一步强调其反应高度依赖口袋环境。正因如此，这条路线从合成方法学延伸到了靶点发现、共价探针和化学蛋白质组学。[2,3,5]

二、不同 S(VI)–F 基元的性质差异与应用分工

         同属 S(VI)–F 家族，并不等于它们就是同一种化学工具。 对实际科研更有帮助的判断，不是只看它们都带有 sulfur(VI)–fluoride 键，而是进一步比较它们在水解稳定性、内在反应性、蛋白环境中的成键方式以及最适合承担的研究任务上有哪些差异。[2,3,6,8]

         2023 年对一组 sulfur(VI) fluorides 的系统 profiling 为这一判断提供了直接证据。研究表明，不同 S(VI)–F 反应基团在 水解稳定性、氨基酸侧链反应性、蛋白修饰效率以及化学蛋白质组学表现上差别明显，因此不能把它们简单理解为只是位于同一条“反应性强弱”坐标上的不同点位。[8]

从具体类型看：

         a) 磺酰氟 仍然是最常见、研究最深入的一类具体基元。其重要性在于，它往往能够在与生物实验相容的水相稳定性和可被蛋白微环境选择性激活的反应性之间取得较好的平衡，因此长期被视为 chemical biology 中具有代表性的 covalent warhead 之一。[2]

         b) 相比之下，芳基氟硫酸酯 往往更能体现“结合位点环境决定成键结果”的特征。2018 年的综述指出，这类基元对 Tyr、Lys、Ser、His 等位点的作用具有明显的 context-dependent 特征，更依赖可逆结合、空间邻近和口袋微环境的协同作用，而不适合被简单看作普遍高活性的亲电标签。[3]

         c) 而 SOF₄ 衍生的 iminosulfur oxydifluorides 则体现了另一种价值：它们更适合作为多连接中心，在温和条件下进行后续 SuFEx 转化，并已被用于 DNA 与蛋白的生物偶联，因此其意义更多体现在作为 connective hub 用于多维连接与生物偶联，而不是直接套入常规 sulfonyl fluoride warhead 的使用逻辑。[6]

         因此，这些对象共享同一 S(VI)–F 化学母题，但在稳定性—反应性平衡、蛋白环境依赖性和应用场景上各有侧重。 也正因为如此，在具体实验设计中，不能只因它们都属于 S(VI)–F 家族，就默认它们可以互相替代。[2,3,6,8]

三、为什么磺酰氟会成为最重要的对象之一

         磺酰氟的重要性在于它常常能够在可操作性、稳定性和可被选择性激活的反应性之间取得平衡。2015 年的综述指出，磺酰氟相较于更活泼、也更容易失控的相关电性基元，更适合在化学生物学环境中使用，其优势之一就是兼具适当的 aqueous stability 和 protein reactivity。[2]

         这种稳定性与反应性的平衡，使磺酰氟同时具有两方面的重要应用价值。其一，它适合作为连接反应中的常用基元，能够在保持较好可操作性的同时完成分子连接和快速衍生化。其二，它也适合作为共价反应基团：在分子先以非共价方式进入目标口袋、并获得合适空间排布后，磺酰氟可在蛋白微环境促进下形成更有选择性的共价固定。2025 年的综述进一步将这一方向概括为 sulfonyl exchange chemical biology，并强调其在扩大可药化靶点空间方面的持续价值。[2,10]

但需要强调，磺酰氟不能被简单理解为一种在各种体系中都会快速、无差别地与蛋白亲核位点发生反应的“强亲电标签”。更准确的理解应包括以下三点：

         1. 首先，磺酰氟的优势不是单纯更活泼，而是在水相稳定性与蛋白反应性之间取得较合适的平衡。 2015 年综述正是从这一点出发，将其概括为 chemical biology 中具有代表性的 covalent warhead。[2]

         2. 其次，芳基氟硫酸酯的经典研究说明，某些 S(VI)–F 基元的成键高度依赖可逆结合、空间邻近和蛋白口袋微环境。 这提示我们，S(VI)–F 反应并不总是脱离环境的粗放高反应性过程。[3]

         3. 最后，对磺酰氟本身也应采用同样谨慎的判断。 其实际成键结果不仅取决于 warhead 名称，还受到水解稳定性、内在反应性、分子骨架和蛋白结合位点环境的共同影响；2023 年 profiling 对这一点提供了进一步支持。[2,3,8]

四、SuFEx 与磺酰氟在科研中的四类核心用途

         SuFEx 与磺酰氟之所以重要，是因为它们分别在连接化学、共价分子设计、化学蛋白质组学和生物偶联四个层面形成了连续应用链条。[1,6,7,9,10]

         其中，前两类更能代表“磺酰氟”作为具体 warhead/构建块的应用；后两类更体现 SuFEx 家族向 SOF₄、iminosulfur oxydifluoride 等 connective hubs 的扩展。

         在这四类用途中，最有代表性的转变是：这条路线把传统以 Cys 为主的共价设计思路，扩展到了 Tyr、Lys 及其他非半胱氨酸位点的探索。需要强调的是，这并不意味着所有体系都能普遍、高效地命中这些残基；S(VI)–F 化学为这些位点提供了可被理性设计和实验验证的机会，并推动了 beyond-cysteine covalent chemistry 的发展。[2,3,8,10]

五、从代表性案例看 SuFEx 与磺酰氟的发展价值

         a) 2017 年，Zhao 等报道的 XO44 研究表明，赖氨酸靶向的磺酰氟探针可在活细胞中共价标记多达 133 个内源性激酶，并用于分析 dasatinib 的细胞内激酶结合谱。这一工作的意义不只是“标记到较多蛋白”，更在于说明磺酰氟类探针能够进入面向激酶家族的活细胞化学蛋白质组学研究。[4]

         b) 2018 年，Mortenson 等提出的 “Inverse Drug Discovery” 策略进一步说明，芳基氟硫酸酯并不是一类见到亲核位点就会无差别反应的高活性基团，而更像是一类需要蛋白结合位点参与激活的潜伏型共价基元。研究者利用这一思路识别并验证了 11 个人源蛋白靶点，其中部分靶点此前仍缺乏可用的小分子探针。[5]

         c) 2020 年，Kitamura 等将带有 iminosulfur oxydifluoride 位点、可进一步进行 SuFEx 衍生化的中间体引入高通量药化流程，以一个初始 Ki 为 8 μM 的 SpeB 抑制剂为起点，快速生成 460 个类似物，并将活性提升到 18 nM。这个案例表明，SuFEx 不仅适用于分子连接，也适合用于与 direct-to-biology 相结合的快速 hit-to-lead 优化流程。[7]

         d) 2019 年，Liu 等展示了 SOF₄ 衍生的 iminosulfur oxydifluoride 多连接中心在温和缓冲条件下用于 DNA 与蛋白生物偶联的可行性；2023 年，Chen 等则利用一组成对对映体的可点击手性磺酰氟探针，在完整细胞中系统描绘了 634 个可配体化的 Tyr/Lys 位点。前者说明 SuFEx 并不局限于小分子连接，后者则说明这条路线已经从个别靶点的概念验证推进到了系统性的位点资源建设阶段。[6,9]

六、选择和使用时最需要注意的几个问题

         围绕 SuFEx 与磺酰氟的实验设计，最核心的判断并不是“这个基团流不流行”，而是研究目标到底是连接，还是定点共价作用。如果目标是快速构建和筛选一批结构多样化分子，SuFEx 更适合作为连接方法来考虑；如果目标是把已有可逆配体升级为位点明确的共价探针或抑制剂，磺酰氟或相关 S(VI)–F 共价反应基团更值得优先评估。[1,2,7,10]

这几条注意事项背后的共同逻辑是：SuFEx 与磺酰氟真正追求的不是更快的无差别反应，而是在复杂化学和生物环境中实现更可靠、更可解释、更可验证的连接或共价作用。 这也是为什么近年来的高质量工作往往会把活性、位点、竞争关系和结构证据结合起来讨论，而不是只报告“有反应”或“有标记”。[4,5,8,9,10]

七、发展前景：值得持续关注的方向

这一方向未来真正值得关注的，并不是它是否会取代其他 click 反应或现有共价药物策略，而是它还能否继续拓展自己的应用边界。当前尤其值得关注的有三个方面：

         1. 继续扩大非半胱氨酸位点的可开发空间，使 Tyr、Lys 及其他位点在共价探针和药物设计中得到更系统的利用。

         2. 把 S(VI)–F 相关化学更稳定地推广到肽、蛋白、寡核苷酸、RNA 和糖类等更广的分子类型。

         3. 结合化学蛋白质组学，建立更加系统的 Tyr、Lys 及其他位点资源图谱。

         2025 年的综述正是沿着这一主线，总结了 sulfonyl exchange chemical biology 在药物发现与基础研究中的阶段性进展。[6,9,10]

         与此同时，2023 年对 S(VI)–F 反应基元的系统 profiling 也提示，这一领域若要进一步成熟，还需要更可预测的反应性调控、更清晰的结构—反应性关联，以及更完善的细胞内选择性评估体系。换句话说，SuFEx 与磺酰氟的应用价值已经得到充分证明，但它们的最佳设计规则仍在持续发展之中。[8,10]

八、SuFEx 与磺酰氟相关产品导航：按科研任务快速定位表1–表4

表1｜SuFEx 前体引入试剂与氟硫酸酯前体

表2｜常用磺酰氟构建块与反应底物

表3｜可继续衍生的高级磺酰氟构建块

表4｜生化工具型与化学生物学参考分子

参考文献

[1] Dong J, Krasnova L, Finn MG, Sharpless KB. Sulfur(VI) fluoride exchange (SuFEx): another good reaction for click chemistry. Angew Chem Int Ed Engl. 2014;53(36):9430-9448. doi:10.1002/anie.201309399.

[2] Narayanan A, Jones LH. Sulfonyl fluorides as privileged warheads in chemical biology. Chem Sci. 2015;6(5):2650-2659. doi:10.1039/C5SC00408J.

[3] Jones LH. Emerging Utility of Fluorosulfate Chemical Probes. ACS Med Chem Lett. 2018;9(7):584-586. doi:10.1021/acsmedchemlett.8b00276.

[4] Zhao Q, Ouyang X, Wan X, Gajiwala KS, Kath JC, Jones LH, Burlingame AL, Taunton J. Broad-Spectrum Kinase Profiling in Live Cells with Lysine-Targeted Sulfonyl Fluoride Probes. J Am Chem Soc. 2017;139(2):680-685. doi:10.1021/jacs.6b08536.

[5] Mortenson DE, Brighty GJ, Plate L, Bare G, Chen W, Li S, Wang H, Cravatt BF, Forli S, Powers ET, Sharpless KB, Wilson IA, Kelly JW. “Inverse Drug Discovery” Strategy To Identify Proteins That Are Targeted by Latent Electrophiles As Exemplified by Aryl Fluorosulfates. J Am Chem Soc. 2018;140(1):200-210. doi:10.1021/jacs.7b08366.

[6] Liu F, Wang H, Li S, Bare GAL, Chen X, Wang C, Moses JE, Wu P, Sharpless KB. Biocompatible SuFEx Click Chemistry: Thionyl Tetrafluoride (SOF₄)-Derived Connective Hubs for Bioconjugation to DNA and Proteins. Angew Chem Int Ed Engl. 2019;58(24):8029-8033. doi:10.1002/anie.201902489.

[7] Kitamura S, Zheng Q, Woehl JL, Solania A, Chen E, Dillon N, Hull MV, Kotaniguchi M, Cappiello JR, Kitamura S, Nizet V, Sharpless KB, Wolan DW. Sulfur(VI) Fluoride Exchange (SuFEx)-Enabled High-Throughput Medicinal Chemistry. J Am Chem Soc. 2020;142(25):10899-10904. doi:10.1021/jacs.9b13652.

[8] Gilbert KE, Vuorinen A, Aatkar A, et al. Profiling Sulfur(VI) Fluorides as Reactive Functionalities for Chemical Biology Tools and Expansion of the Ligandable Proteome. ACS Chem Biol. 2023. doi:10.1021/acschembio.2c00633.

[9] Chen Y, Craven GB, Kamber RA, Cuesta A, Zhersh S, Moroz YS, Bassik MC, Taunton J. Direct mapping of ligandable tyrosines and lysines in cells with chiral sulfonyl fluoride probes. Nat Chem. 2023;15(11):1616-1625. doi:10.1038/s41557-023-01281-3.

[10] Jones LH. Advances in sulfonyl exchange chemical biology: expanding druggable target space. Chem Sci. 2025;16:10119-10140. doi:10.1039/D5SC02647D.

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