Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
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.
The azide alkyne Huisgen cycloaddition is a 1,3 dipolar cycloaddition between an azide and a terminal or internal alkyne to give a 1,2,3 triazole. Rolf Huisgen was the first to understand the scope of this organic reaction. American chemist Karl Barry Sharpless has referred to this cycloaddition as "the cream of the crop" of click chemistry and "the premier example of a click reaction". In the reaction above azide 2 reacts neatly with alkyne 1 to afford the product triazole as a mixture of 1,4 adduct (3a) and 1,5 adduct (3b) at 98 °C in 18 hours. The standard 1,3 cycloaddition between an azide 1,3 dipole and an alkene as dipolarophile has largely been ignored due to lack of reactivity as a result of electron poor olefins and elimination side reactions. Some success has been found with non metal catalyzed cycloadditions, such as the reactions using dipolarophiles that are electron poor olefins or alkynes. Although azides are not the most reactive 1,3 dipole available for reaction, they are preferred for their relative lack of side reactions and stability in typical synthetic conditions.
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.
A notable variant of the Huisgen 1,3 dipolar cycloaddition is the copper(I) catalyzed variant, no longer a true concerted cycloaddition, in which organic azides and terminal alkynes are united to afford 1,4 regioisomers of 1,2,3 triazoles as sole products (substitution at positions 1' and 4' as shown above). The copper(I) catalyzed variant was first reported in 2002 in independent publications by Morten Meldal at the Carlsberg Laboratory in Denmark and Valery Fokin and K. Barry Sharpless at the Scripps Research Institute. While the copper(I) catalyzed variant gives rise to a triazole from a terminal alkyne and an azide, formally it is not a 1,3 dipolar cycloaddition and thus should not be termed a Huisgen cycloaddition. This reaction is better termed the Copper(I) catalyzed Azide Alkyne Cycloaddition (CuAAC). While the reaction can be performed using commercial sources of copper(I) such as cuprous bromide or iodide, the reaction works much better using a mixture of copper(II) (e. g. copper(II) sulfate) and a reducing agent (e. g. sodium ascorbate) to produce Cu(I) in situ. As Cu(I) is unstable in aqueous solvents, stabilizing ligands are effective for improving the reaction outcome, especially if tris(benzyltriazolylmethyl)amine (TBTA) is used. The reaction can be run in a variety of solvents, and mixtures of water and a variety of (partially) miscible organic solvents including alcohols, DMSO, DMF, tBuOH and acetone. Owing to the powerful coordinating ability of nitriles towards Cu(I), it is best to avoid acetonitrile as the solvent. The starting reagents need not be completely soluble for the reaction to be successful. In many cases, the product can simply be filtered from the solution as the only purification step required. NH 1,2,3 triazoles are also prepared from alkynes in a sequence called the Banert cascade. The utility of the Cu(I) catalyzed click reaction has also been demonstrated in the polymerization reaction of a bis azide and a bis alkyne with copper(I) and TBTA to a conjugated fluorene based polymer. The degree of polymerization easily exceeds 50. With a stopper molecule such as phenyl azide, well defined phenyl end groups are obtained. The copper mediated azide alkyne cycloaddition is receiving widespread use in material and surface sciences. Most variations in coupling polymers with other polymers or small molecules have been explored. Current shortcomings are that the terminal alkyne appears to participate in free radical polymerizations. This requires protection of the terminal alkyne with a trimethyl silyl protecting group and subsequent deprotection after the radical reaction are completed. Similarly the use of organic solvents, copper (I) and inert atmospheres to do the cycloaddition with many polymers makes the "click" label inappropriate for such reactions. An aqueous protocol for performing the cycloaddition with free radical polymers is highly desirable. The CuAAC click reaction also effectively couples polystyrene and bovine serum albumin (BSA). The result is an amphiphilic biohybrid. BSA contains a thiol group at Cys 34 which is functionalized with an alkyne group. In water the biohybrid micelles with a diameter of 30 to 70 nanometer form aggregates.
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.
A mechanism for the reaction has been suggested based on density functional theory calculations. Copper is a 1st row transition metal. It has the electronic configuration [Ar] 3d10 4s1. The copper (I) species generated in situ forms a pi complex with the triple bond of a terminal alkyne. In the presence of a base, the terminal hydrogen, being the most acidic, is deprotonated first to give a Cu acetylide intermediate. Studies have shown that the reaction is second order with respect to Cu. It has been suggested that the transition state involves two copper atoms. One copper atom is bonded to the acetylide while the other Cu atom serves to activate the azide. The metal center coordinates with the electrons on the nitrogen atom. The azide and the acetylide are not coordinated to the same Cu atom in this case. The ligands employed are labile and are weakly coordinating. The azide displaces one ligand to generate a copper azide acetylide complex. At this point cyclization takes place. This is followed by protonation; the source of proton being the hydrogen which was pulled off from the terminal acetylene by the base. The product is formed by dissociation and the catalyst ligand complex is regenerated for further reaction cycles. The reaction is assisted by the copper, which, when coordinated with the acetylide lowers the pKa of the alkyne C H by up to 9.8 units. Thus under certain conditions, the reaction may be carried out even in the absence of a base. In the uncatalysed reaction the alkyne remains a poor electrophile. Thus high energy barriers lead to slow reaction rates.
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.
The ligands employed are usually labile i. e. they can be displaced easily. Though the ligand plays no direct role in the reaction the presence of a ligand has its advantages. The ligand protects the Cu ion from interactions leading to degradation and formation of side products and also prevents the oxidation of the Cu(I) species to the Cu(II). Furthermore, the ligand functions as a proton acceptor thus eliminating the need of a base.
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.
The ruthenium catalysed 1,3 dipolar azide alkyne cycloaddition (RuAAC) gives the 1,5 triazole. Unlike CuAAC in which only terminal alkynes reacted, in RuAAC both terminal and internal alkynes can participate in the reaction. This suggests that ruthenium acetylides are not involved in the catalytic cycle. The proposed mechanism suggests that in the first step, the spectator ligands undergo displacement reaction to produce an activated complex which is converted, through oxidative coupling of an alkyne and an azide to the ruthenium containing metallacycle (Ruthenacycle). The new C N bond is formed between the more electronegative and less sterically demanding carbon of the alkyne and the terminal nitrogen of the azide. The metallacycle intermediate then undergoes reductive elimination releasing the aromatic triazole product and regenerating the catalyst or the activated complex for further reaction cycles. Cp*RuCl(PPh3)2, Cp*Ru(COD) and Cp*[RuCl4] are commonly used ruthenium catalysts. Catalysts containing cyclopentadienyl (Cp) group are also used. However, better results are observed with the pentamethylcyclopentadienyl(Cp*) version. This may be due to the sterically demanding Cp* group which facilitates the displacement of the spectator ligands.
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.
Recently, the discovery of a general Ag(I) catalyzed azide–alkyne cycloaddition reaction (Ag AAC) leading to 1,4 triazoles is reported. Mechanistic features are similar to the generally accepted mechanism of the copper(I) catalyzed process. Silver(I) salts alone are not sufficient to promote the cycloaddition. However the ligated Ag(I) source has proven to be exceptional for AgAAC reaction. Curiously, pre formed silver acetylides do not react with azides; however, silver acetylides do react with azides under catalysis with copper(I).