Кіріспе

Супрамолекулалық құрастырмаларды синтездеу әдісі. Динамикалық ковалентті химия (DCvC) – химияшылардың дискретті молекулалық құрылыс блоктарынан күрделі молекулалық және супрамолекулалық құрастырмаларды жасау үшін қолданатын синтетикалық стратегия. DCvC ковалентті органикалық құрылымдар, молекулалық түйіндер, полимерлер және жаңа макроциклдер сияқты күрделі жиынтықтарға қол жеткізуге мүмкіндік береді. Динамикалық комбинаторлық химиямен шатастырмау керек, DCvC тек коваленттік байланыс әрекеттесулерімен айналысады. Осылайша, ол супрамолекулалық химияның ғана бір бөлігін қамтиды. Негізгі идея – жылдам тепе-теңдік алуан түрлі түрлердің бірге болуына мүмкіндік береді, олардың ішінде қажетті химиялық, фармацевтикалық және биологиялық қасиеттері бар молекулаларды іріктеуге болады. Мысалы, тиісті шаблон қосылғанда тепе-теңдік жоғары тұрақтылықтағы кешен құрайтын компонентке қарай ығысады (термодинамикалық шаблон әсері). Жаңа тепе-теңдік орнатылғаннан кейін, реакция жағдайлары тепе-теңдікті тоқтату үшін өзгертіледі. Шаблонға арналған оңтайлы байланыстырушы зат реакциялық қоспадан әдеттегі зертханалық процедуралармен бөліп алынады. DCvC-нің супрамолекулалық химияда пайдалы болуына мүмкіндік беретін өзін-өзі құрастыру және қателерді түзету қасиеттері динамикалық қасиеттеріне негізделген.

Динамикалық жүйелер

Динамикалық жүйелер – қайтымды құрастырылып, таратыла алатын дискретті молекулалық компоненттердің жиынтығы. Жүйелер бірнеше өзара әрекеттесетін түрлерді қамтуы мүмкін, осыдан бәсекелес реакциялар туындайды.

Термодинамикалық басқару

Динамикалық реакция қоспаларында бірнеше өнімдер тепе-теңдікте болады. Молекулалық компоненттердің қайтымды құрастырылуы өнімдер мен жартылай тұрақты аралық заттарды жасайды. Реакциялар кинетикалық немесе термодинамикалық жолдармен өтеді. Кинетикалық аралық заттардың бастапқы концентрациясы термодинамикалық өнімдерден жоғары болады, себебі термодинамикалық жолға қарағанда төменгі белсендіру энергиясы (ΔG‡) қалыптасу жылдамдығын арттырады. 1-суретте кинетикалық жол қызғылт түсті энергия диаграммасы түрінде көрсетілген. Уақыт өте келе аралық заттар тепе-теңдікке келіп, жалпы минимумға жетеді, бұл 1-суреттегі реакция диаграммасында қызыл түспен белгіленген ең төменгі жалпы Гиббс еркін энергиясына (ΔG°) сәйкес келеді. Өнімдердің ең тұрақты өнімдерге қайта тепе-теңдікке келуін қамтамасыз ететін күш термодинамикалық бақылау деп аталады. Кез келген тепе-теңдік күйдегі өнімдердің арақатынасы өнімдердің еркін энергиясының салыстырмалы шамаларымен анықталады. Халық саны мен салыстырмалы энергия арасындағы бұл байланыс Максвелл-Болцман таралуы деп аталады.

Термодинамикалық үлгі әсері

1-суретте термодинамикалық үлгі тұжырымдамасы көрсетілген. Термодинамикалық үлгі – бұл басқа өнімдерге қарағанда бір өнімнің түрін тұрақтандыруға мүмкіндік беретін реагент, ол басқа өнімдерге қатысты Гиббс еркін энергиясын (ΔG°) төмендетеді. Циклофан С2 натрий гидридінің қатысуымен диолды хлорброметанмен кері қайтарылмайтын, жоғары сұйылтылған реакция арқылы дайындалуы мүмкін. Алайда димер – әр түрлі өлшемдегі полиацеталь макроциклдер арасындағы тепе-теңдіктер тізбегінің бір бөлігі, ол қышқыл катализінде (трифлик қышқылы) трансацетализация нәтижесінде пайда болады. Бастапқы материал C2, C4 немесе жоғары молярлық массалы өнім болған жағдайда да, тепе-теңдік көптеген макроциклдер мен олигомерлер арасында өнімдердің таралуына әкеледі. Бұл жүйеде күміс трифлаты трансацетализация катализаторы болғанда, қоспадағы С2 мөлшерін арттыруға болады, себебі күміс ионы С2 қуысына идеалды және кері қайтарылмайтын түрде сыйып келеді.

Көміртек

Көміртек атомдары арасындағы байланыс пайда болуы термодинамикалық тұрғыдан өте тұрақты өнімдерге алып келеді. Сондықтан, олардың кинетикасын жақсарту және қайтымдылықты қамтамасыз ету үшін көбінесе катализатор қолдану қажет болады.

Алдолдың реакциялары

Алдол реакциялары органикалық химияда көміртек-көміртек байланыстарын жасау үшін жиі қолданылады. Реакция нәтижесіндегі альдегид спирті мотиві синтетикалық химияда және табиғи заттарда кең таралған. Бұл реакция екі карбонилді қосылысты пайдаланып β-гидроксикарбонилді құрайды. Катализ міндетті түрде қажет, себебі кинетикалық өнімдер мен бастапқы материалдар арасындағы белсендіру энергиясының кедергісі динамикалық, қайтымды процесті тым баяулатады. Сәтті қолданылған катализаторларға ферменттік альдолаза және Al2O3 негізіндегі жүйелер жатады.

ДиелсАльдер

Диен мен алкеннің [4+2] циклоқосылымдары DCvC реакциялары ретінде қолданылды. Бұл реакциялар жоғары температурада көбінесе қайтымды болады. Фуран-малеимид аддукттарының жағдайында ретроциклоаддиция тіпті 40 °C температурада да жүзеге асуы мүмкін.

Метатеза

Олефин және алкин метатезі – көміртек-көміртек байланысын түзету реакциясы. Олефин метатезі жағдайында байланыс екі sp² гибридтелген көміртек атомы арасында қалыптасады. Алкин метатезінде ол екі sp гибридтелген көміртек атомы арасында пайда болады. Сақина ашылуы арқылы жүзеге асырылатын метатез полимерлендіруі (ROMP) полимерлендіру және макроцикл синтезінде қолданылуы мүмкін.

Иминдер мен аминдар түзілуі

Көміртек пен азот арасындағы байланыс түзетін реакциялар динамикалық ковалентті химияда ең көп қолданылады. Олар материалдар химиясында молекулалық коммутаторлар, ковалентті органикалық құрылымдар және өздігінен сұрыптау жүйелері үшін кеңінен қолданылған. Дисульфид химиясын қолданудың қосымша артықшылығы – оның биологиялық мотив болуы. Цистеин қалдықтары табиғи жүйелерде дисульфидтік байланыстарды түзетуге қабілетті.

Қолданбалар

Динамикалық ковалентті химия кең ауқымды супрамолекулалық құрылымдарға қол жеткізуге мүмкіндік берді. Жоғарыда көрсетілген реакцияларды молекулалық фрагменттерді байланыстыру үшін пайдалана отырып, жоғары дәрежелі материалдар жасалды. Бұл материалдарға макроциклдер, COF-тар (ковалентті органикалық каркастар) және молекулалық түйіндер жатады. Осы өнімдердің қолданылу салалары газ сақтау, катализ және биомедициналық сенсорлар, сондай-ақ тағы да басқалары.

Макроциклдер

DCvC-нің макроциклдерді синтездеудегі тиімділігін көрсететін көптеген мысалдар бар. Бұл химия түрі ірі макроциклдерді синтездеу үшін тиімді, себебі термодинамикалық үлгі әсері сақина тәрізді құрылымдарды тұрақтандыруға өте қолайлы. Сонымен қатар, DCvC-ге ішкі қасиет ретінде тән қателерді түзету мүмкіндігі ірі құрылымдарды кемшilikтерсіз жасауға жол береді.

Ковалентті органикалық құрылымдар

Ковалентті органикалық каркастарды (COF) синтездеудің барлық қазіргі әдістері DCvC-ді пайдаланады. Борон қышқылының дегидратациясы, Яги және авторлар көрсеткендей, ең көп қолданылатын реакция түрі болып табылады. COF газ сақтау, катализ салаларында қолданылған. Мүмкін болатын морфологиялардың қатарында шексіз ковалентті 3D каркастар, 2D полимерлер немесе дискретті молекулалық қуыстар бар.

Молекулалық түйіндер

DCvC күрделі топологиялық қасиеттері бар молекулаларды жасауға қолданылды. Борромеялық сақиналар жағдайында DCvC үш сақинадан тұратын бір-біріне кесіліп тұратын жүйені синтездеу үшін пайдаланылады. Термодинамикалық қалыптар бір-біріне кесіліскен макроциклдің өсуін тұрақтандыру үшін қолданылады.