Кіріспе

Азид-алкин Хьюсген циклоаддициясы – 1,2,3-триазол алу үшін азид пен терминалды немесе ішкі алкин арасындағы 1,3-диполярлы циклоаддиция. Рольф Гюйсген осы органикалық реакцияның мүмкіндіктерін алғаш рет анықтады. Американдық химик Карл Барри Шарплес бұл циклоаддицияны "кликті химияның ең жақсы үлгісі" және "кликті реакцияның басты мысалы" деп атады. Жоғарыда көрсетілген реакцияда азид 2 алкин 1-мен сәтті реакцияласып, 98 °C температурада 18 сағат ішінде триазолдың 1,4-аддукт (3а) және 1,5-аддукт (3б) қоспасын береді. Азид 1,3-диполы мен алкенді диполофиль ретінде қолданатын стандартты 1,3-циклоаддиция, электроны жетіспейтін олефиндер мен қосымша реакциялардың болуына байланысты реактивтілігінің төмендігі себепті көбінесе назардан тыс қалды. Электроны жетіспейтін олефиндер немесе алкиндер болып табылатын диполофильдерді қолданатын реакциялар сияқты, металл катализіне негіделген циклоаддицияларда белгілі бір жетістіктерге қол жеткізілді. Азидтер реакцияға қолданылатын ең реактивті 1,3-дипол болмаса да, олардың салыстырмалы түрде қосымша реакциялардың аз болуы және әдеттегі синтетикалық жағдайлардағы тұрақтылығы оларды артықшылықты етеді.

Мыс катализі

Ерекше Huisgen 1,3 диполярлы циклоаддициясының түрі – мыс(I) катализделген нұсқасы, енді бұл нақты келісілген циклоаддиция емес, онда органикалық азидтер мен терминалды алкиндер бірігіп, 1,2,3-триазолдың 1,4-аймақтық изомерлерін ғана береді (жоғарыда көрсетілгендей, 1' және 4' позицияларындағы алмастыру). Мыс(I) катализделген нұсқасы алғаш рет 2002 жылы Даниядағы Карлсберг зертханасында Мортен Мелдал және Скриппс зерттеу институтында Валери Фокин мен К. Барри Шарплесстің тәуелсіз жарияланымдарында хабарланды. Мыс(I) катализделген нұсқа терминалды алкин мен азидтен триазолды жасаса да, формальды түрде ол 1,3 диполярлы циклоаддиция емес, сондықтан оны Huisgen циклоаддициясы деп атауға болмайды. Бұл реакцияны мыс(I) катализделген азид-алкин циклоаддициясы (CuAAC) деп атаған дұрыс. Реакцияны мыс бромиді немесе йодиді сияқты мыс(I) коммерциялық көздерін қолдану арқылы жүргізуге болады, бірақ мыс(II) (мысалы, мыс(II) сульфаты) және тотықсыздандырушы агенттің (мысалы, натрий аскорбаты) қоспасын пайдаланғанда реакция жақсы нәтиже береді, осылайша Cu(I) орынды өндіріледі. Cu(I) сулы еріткіштерде тұрақсыз болғандықтан, тұрақтандырушы лигандтар реакция нәтижесін жақсартуға көмектеседі, әсіресе трис(бензилтриазолметил)амин (TBTA) қолданылса. Реакцияны әртүрлі еріткіштерде және су мен әртүрлі (ішінара) араласатын органикалық еріткіштердің қоспаларында жүргізуге болады, олар спирттер, DMSO, DMF, tBuOH және ацетонды қамтиды. Cu(I) үшін нитрилдердің күшті координациялық қабілетіне байланысты, ацетонитрилді еріткіш ретінде пайдаланудан аулақ болу керек. Реакцияның сәтті өтуі үшін бастапқы реагенттердің толық еритінуі міндетті емес. Көп жағдайда өнімді тек тазарту қадамы ретінде ерітіндіден сүзуге болады. NH 1,2,3-триазолдар алкиндерден Банерт каскады деп аталатын тізбектелген реакциялар арқылы дайындалады. Cu(I) катализделген «клик» реакциясының тиімділігі бис-азид пен бис-алкиннің мыс(I) және TBTA қатысуымен конъюгацияланған фторға негіделген полимерді полимерлендіру реакциясында да көрсетілді. Полимерлендіру дәрежесі 50-ден асып түседі. Фенил азиді сияқты тоқтатушы молекуламен жақсы анықталған фенил соңғы топтары алынады. Мысқа делдалдық азид-алкин циклоаддициясы материал және беттік ғылымдарда кеңінен қолданылады. Полимерлерді басқа полимерлермен немесе кіші молекулалармен біріктірудің көптеген түрлері зерттелді. Қазіргі кемшіліктердің бірі – терминалды алкиннің еркін радикалдар полимерленуіне қатысуы. Бұл үшін терминалды алкинды триметилсилил қорғаныс тобымен қорғау және радикалды реакция аяқталғаннан кейін одан кейін қорғанысты жою қажет. Сол сияқты, көптеген полимерлермен циклоаддицияны жүргізу үшін органикалық еріткіштерді, мыс(I) және инертті атмосфераларды пайдалану мұндай реакциялар үшін «клик» аталымын орынсыз етеді. Еркін радикалдар полимерлерімен циклоаддицияны жүргізу үшін сулы протокол өте қажет. CuAAC «клик» реакциясы полистирол мен сиыр сарысуы альбуминін (ССА) құрамын да тиімді біріктіреді. Нәтижесінде амфифильді биогибрид пайда болады. ССА құрамында Cys 34 орнында тиол тобы бар, ол алкин тобымен функционалданады. Суда биогибридтік мицеллалар 30-70 нанометр диаметріндегі агрегаттарды құрайды.

Механизм

Реакция механизмі тығыздық функционалдық теориясы есептеулеріне негізделген. Мыс – бірінші қатардағы өтпелі металл. Оның электрондық конфигурациясы [Ar] 3d10 4s1. In situ түзілген мыс(I) түрлері терминалды алкиннің үш байланысын құрайтын π-кешенін қалыптастырады. Негіздің қатысуымен ең қышқыл терминалды сутек бірінші болып депротонды болады, нәтижесінде Cu ацетилид аралық қосылысы пайда болады. Зерттеулер көрсеткендей, реакция Cu-ға қатысты екінші реттік. Түрлену кезінде екі мыс атомының қатысатыны болжануда. Бір мыс атомы ацетилидке байланысса, екінші Cu атомы азидті белсендіреді. Металл орталығы азот атомындағы электрондармен координацияланады. Бұл жағдайда азид пен ацетилид бір Cu атомына координацияланбайды. Қолданылатын лигандтар лабильді және нашар координацияланады. Азид бір лигандты ығыстырып, мыс азид ацетилид кешенін жасайды. Осы кезде циклизация жүреді. Содан кейін протондылу жүзеге асырылады; протонның көзі – терминалды ацетиленнен негіз арқылы алынған сутек. Өнім диссоциация арқылы түзіледі және катализатор-лиганд кешені келесі реакция циклдары үшін қайта жаңартылады. Реакцияға мыс көмектеседі, ол ацетилидпен координацияланғанда алкиннің C-H байланысының pKa-сын 9,8 бірлікке дейін төмендетеді. Осылайша, белгілі бір жағдайларда реакция негіздің қатысуынсыз да жүргізілуі мүмкін. Катализсіз реакцияда алкин нашар электрофил болып қалады. Сондықтан жоғары энергиялық кедергілер реакция жылдамдығының төмендеуіне әкеледі.

Лиганд көмегі

Пайдаланылатын лигандтар көбінесе лабильді, яғни оларды оңай ығыстыруға болады. Лиганд реакцияда тікелей қатыспаса да, оның болуының пайдасы бар. Лиганд мыс ионын ыдырауға және қосалқы өнімдердің түзілуіне алып келетін әрекеттесулерден қорғайды, сондай-ақ мыс(I) түрінің мыс(II) түріне тотығуын алдын алады. Бұдан әрі, лиганд протонды қабылдап алады, демек, сілтеудің қажеттілігін жояды.

Рутений катализі

Рутений катализделген 1,3 диполярлы азид-алкин циклоқосылуы (RuAAC) 1,5-триазолды береді. CuAAC-тен айырмашылығы, онда тек терминалды алкиндер ғана реакцияға қатысса, RuAAC-те терминалды және ішкі алкиндердің екеуі де реакцияға қатыса алады. Бұл рутений ацетилидтерінің катализдік циклге қатыспайтынын көрсетеді. Ұсынылған механизм бойынша, бірінші қадамда көрермен лигандтары ығысу реакциясына түсіп, активтелген кешенді құрайды, ол алкин мен азидтің тотықтырғыш жұптасуы арқылы рутенийлі металлциклге (рутенациклге) айналады. Жаңа C-N байланысы алкиннің электротеріктілігі жоғары және стериктік бөгделігі аз көміртегі мен азидтің терминалды азоты арасында қалыптасады. Металлцикл аралық қосылысы редуктивті жолмен ыдырайды, нәтижесінде ароматты триазоль өнімі бөлініп шығады және катализатор немесе активтелген кешен келесі реакция циклдері үшін жаңартылады. Cp*RuCl(PPh3)2, Cp*Ru(COD) және Cp*[RuCl4] – жиі қолданылатын рутений катализаторлары. Циклопентадиенил (Cp) тобын қамтитын катализаторлар да қолданылады. Дегенмен, пентаметилциклопентадиенил (Cp*) нұсқасында жақсы нәтижелер алынады. Бұл көрермен лигандтарының ығысуын жеңілдететін стериктік кедергісі бар Cp* тобымен байланысты болуы мүмкін.

Күміс катализ

Жақында 1,4-триазолға әкелетін жалпы Ag(I) катализделген азид-алкин циклоаддиция реакциясы (Ag AAC) ашылғаны хабарланды. Механизмінің ерекшеліктері, мыс(I) катализделген процестің қалыпты қабылданған механизміне ұқсас. Күміс(I) тұздары ғана циклоаддицияны қозғауға жеткіліксіз. Дегенмен, лигацияланған Ag(I) көзі AgAAC реакциясы үшін өте тиімді болып табылды. Қызығы, алдын ала түзілген күміс ацетилидтері азидтермен реакцияға түспейді, бірақ күміс ацетилидтері мыс(I) катализінде азидтермен реакцияға түседі.