Введение

Циклоприсоединение азида к алкину по Хуисгену представляет собой 1,3-диполярное циклоприсоединение между азидом и концевым или внутренним алкином с образованием 1,2,3-триазола. Рольф Гюйсген первым установил область применения этой органической реакции. Американский химик Карл Барри Шарплесс назвал это циклоприсоединение "лучшим из лучших" в клик-химии и "ярчайшим примером клик-реакции". В описанной реакции азид 2 чисто реагирует с алкином 1, образуя триазольный продукт в виде смеси 1,4-аддукта (3a) и 1,5-аддукта (3b) при 98 °C в течение 18 часов. Стандартное 1,3-циклоприсоединение между азидным 1,3-диполем и алкеном в качестве диполярофила в значительной степени не рассматривалось из-за недостаточной реакционной способности, обусловленной электронодефицитными олефинами и побочными реакциями элиминирования. Определенный успех был достигнут с циклоприсоединениями, катализируемыми неметаллами, например, в реакциях с использованием диполярофилов, являющихся электронодефицитными олефинами или алкинами. Хотя азиды и не являются наиболее реакционноспособными 1,3-диполями, доступными для реакции, они предпочтительны из-за относительно небольшого количества побочных реакций и стабильности в типичных условиях синтеза.

Медный катализатор

Заметным вариантом 1,3-диполярного циклоприсоединения по Хуисгену является вариант, катализируемый медью(I), который больше не является истинным согласованным циклоприсоединением. В нем органические азиды и концевые алкины объединяются с образованием 1,4-региоизомеров 1,2,3-триазолов как единственных продуктов (замещение в положениях 1' и 4', как показано выше). О катализируемом медью(I) варианте впервые сообщили в 2002 году независимо Мортен Мельдаль в лаборатории Карлсберга в Дании и Валерий Фокин и К. Барри Шарплесс в Исследовательском институте Скриппса. Хотя катализируемый медью(I) вариант приводит к образованию триазола из концевого алкина и азида, формально это не 1,3-диполярное циклоприсоединение и, следовательно, его не следует называть циклоприсоединением по Хуисгену. Эту реакцию лучше называть циклоприсоединением азида и алкина, катализируемым медью(I) (CuAAC). Реакцию можно проводить, используя коммерческие источники меди(I), такие как бромид или йодид меди(I), но она протекает значительно лучше при использовании смеси меди(II) (например, сульфата меди(II)) и восстановителя (например, аскорбата натрия) для получения Cu(I) *in situ*. Поскольку Cu(I) нестабилен в водных растворителях, стабилизирующие лиганды эффективны для улучшения результата реакции, особенно при использовании трис(бензилтриазолилметил)амина (TBTA). Реакцию можно проводить в различных растворителях и смесях воды с различными (частично) смешивающимися органическими растворителями, включая спирты, ДМСО, ДМФА, *t*-BuOH и ацетон. Ввиду сильной координирующей способности нитрилов по отношению к Cu(I), лучше избегать использования ацетонитрила в качестве растворителя. Исходные реагенты не обязательно должны быть полностью растворимы для успешного проведения реакции. Во многих случаях продукт можно просто отфильтровать из раствора в качестве единственной необходимой стадии очистки. 1,2,3-триазолы также получают из алкинов в последовательности, называемой каскадом Банера. Применимость "клик"-реакции, катализируемой Cu(I), также была продемонстрирована в реакции полимеризации бис-азида и бис-алкина с медью(I) и TBTA с образованием сопряженного полимера на основе флуорена. Степень полимеризации легко превышает 50. При использовании молекулы-завершителя, такой как фенилазид, получают четко определенные фенильные концевые группы. Циклоприсоединение азида и алкина, опосредованное медью, находит широкое применение в материаловедении и науках о поверхности. Исследованы большинство вариантов сочетания полимеров с другими полимерами или малыми молекулами. Текущие недостатки заключаются в том, что концевой алкин, по-видимому, участвует в полимеризации свободных радикалов. Это требует защиты концевого алкина триметилсилильной защитной группой и последующей депротекции после завершения радикальной реакции. Аналогично, использование органических растворителей, меди(I) и инертной атмосферы для циклоприсоединения со многими полимерами делает термин "клик" неуместным для таких реакций. Высокожелателен водный протокол для проведения циклоприсоединения со свободными радикальными полимерами. "Клик"-реакция CuAAC также эффективно сочетает полистирол и сывороточный альбумин бычьей крови (BSA). В результате получается амфифильный биогибрид. BSA содержит тиольную группу в Cys 34, которая функционализирована алкиновой группой. В воде биогибридные мицеллы диаметром от 30 до 70 нанометров образуют агрегаты.

Механизм

Механизм реакции был предложен на основе расчетов теории функционала плотности. Медь – переходный металл первого ряда. Она имеет электронную конфигурацию [Ar] 3d¹⁰ 4s¹. Ионы меди(I), генерируемые in situ, образуют π-комплекс с тройной связью концевого алкина. В присутствии основания, концевый водород, будучи наиболее кислотным, депротонируется первым с образованием промежуточного ацетилида меди. Исследования показали, что реакция имеет второй порядок относительно Cu. Предполагается, что переходное состояние включает два атома меди. Один атом меди связан с ацетилидом, а другой атом Cu служит для активации азида. Металлический центр координируется с электронами на атоме азота. В данном случае азид и ацетилид не координированы с одним и тем же атомом Cu. Используемые лиганды лабильны и слабо координируют. Азид вытесняет один лиганд, образуя комплекс азид-ацетилида меди. На этом этапе происходит циклизация. Затем следует протонирование; источником протона является водород, отщепленный от концевого ацетилена основанием. Продукт образуется в результате диссоциации, а комплекс лиганд катализатора регенерируется для последующих циклов реакции. Реакция облегчается медью, которая при координации с ацетилидом снижает pKa C-H связи алкина до 9,8 единиц. Таким образом, при определенных условиях реакцию можно проводить даже в отсутствие основания. В некатализируемой реакции алкин остается слабым электрофилом. Следовательно, высокие энергетические барьеры приводят к медленной скорости реакции.

Помощь лигандов

Применяемые лиганды обычно лабильны, то есть они легко замещаются. Хотя лиганд не играет прямой роли в реакции, его присутствие имеет свои преимущества. Лиганд защищает ион меди от взаимодействий, приводящих к деградации и образованию побочных продуктов, а также предотвращает окисление Cu(I) до Cu(II). Кроме того, лиганд выполняет функцию акцептора протонов, что устраняет необходимость в использовании основания.

Катализ рутения

Катализируемая рутением 1,3-дипольная азид-алкиновая циклоаддиция (RuAAC) приводит к образованию 1,5-триазола. В отличие от CuAAC, в которой реагировали только терминальные алкины, в RuAAC в реакции могут участвовать как терминальные, так и внутренние алкины. Это указывает на то, что ацетилиды рутения не вовлечены в каталитический цикл. Предлагаемый механизм предполагает, что на первом этапе лиганды-зрители подвергаются реакции замещения с образованием активированного комплекса, который затем, посредством окислительного сочетания алкина и азида, превращается в рутений-содержащий металлацикл (рутенацикл). Новая связь C–N формируется между более электроотрицательным и менее стерически затрудненным атомом углерода алкина и терминальным атомом азота азида. Металлациклический интермедиат затем подвергается редуктивному элиминированию, высвобождая ароматический триазольный продукт и регенерируя катализатор или активированный комплекс для последующих реакционных циклов. Cp*RuCl(PPh3)2, Cp*Ru(COD) и Cp*[RuCl4] являются обычно используемыми рутениевыми катализаторами. Также используются катализаторы, содержащие циклопентадиенильную (Cp) группу. Однако лучшие результаты достигаются с пентаметилциклопентадиенильным (Cp*) вариантом. Это может быть связано со стерически объемной группой Cp*, которая облегчает замещение лигандов-зрителей.

Катализа серебра

Недавно было сообщено об открытии общей реакции циклоприсоединения азидов и алкинов, катализируемой Ag(I) (AgAAC), приводящей к 1,4-триазолам. Механистические особенности схожи с общепринятым механизмом процесса, катализируемого медью(I). Одних лишь солей серебра(I) недостаточно для инициирования циклоприсоединения. Однако лигированный источник Ag(I) оказался эффективным для реакции AgAAC. Любопытно, что предварительно сформированные ацетилиды серебра не реагируют с азидами, в то время как ацетилиды серебра реагируют с азидами в присутствии катализатора на основе меди(I).