Введение

Метод синтеза супрамолекулярных ансамблей

Динамическая ковалентная химия (DCvC) – это синтетическая стратегия, используемая химиками для создания сложных молекулярных и супрамолекулярных ансамблей из дискретных молекулярных строительных блоков. DCvC позволила получить доступ к сложным ансамблям, таким как ковалентные органические каркасы, молекулярные узлы, полимеры и новые макроциклы. DCvC не следует путать с динамической комбинаторной химией, поскольку она касается исключительно ковалентных связей. Таким образом, она охватывает лишь часть супрамолекулярной химии. Основная идея заключается в том, что быстрая перестройка равновесия позволяет сосуществовать множеству различных соединений, среди которых можно отобрать молекулы с желаемыми химическими, фармацевтическими и биологическими свойствами. Например, добавление подходящего темплата сместит равновесие в сторону компонента, образующего комплекс с большей стабильностью (термодинамический эффект темплата). После установления нового равновесия условия реакции изменяются для прекращения перестройки равновесия. Затем оптимальный лиганд для темплата извлекается из реакционной смеси с использованием стандартных лабораторных процедур. Свойства самосборки и самокоррекции, благодаря которым DCvC полезна в супрамолекулярной химии, основаны на динамической природе процесса.

Динамические системы

Динамические системы — это совокупности дискретных молекулярных компонентов, способных обратимо собираться и распадаться. Системы могут включать несколько взаимодействующих компонентов, что приводит к конкурирующим реакциям.

Термодинамическое управление

В динамических реакционных смесях существует множество продуктов в состоянии равновесия. Обратимая сборка молекулярных компонентов приводит к образованию продуктов и полустабильных промежуточных соединений. Реакции могут протекать по кинетическому или термодинамическому механизму. Начальные концентрации кинетических промежуточных соединений выше, чем концентрации термодинамических продуктов, поскольку более низкий энергетический барьер активации (ΔG‡), по сравнению с термодинамическим механизмом, обеспечивает более высокую скорость образования. Кинетический механизм представлен на рисунке 1 в виде фиолетовой энергетической диаграммы. Со временем промежуточные соединения приходят в равновесие, стремясь к глобальному минимуму, соответствующему наименьшей общей свободной энергии Гиббса (ΔG°), показанному красным цветом на диаграмме реакции на рисунке 1. Сила, заставляющая продукты перераспределяться в сторону наиболее стабильных продуктов, называется термодинамическим контролем. Соотношение продуктов в любом состоянии равновесия определяется относительными значениями свободной энергии этих продуктов. Эта зависимость между количеством частиц и относительными энергиями называется распределением Максвелла — Больцмана.

Термодинамический эффект шаблона

Концепция термодинамического шаблона показана на схеме 1. Термодинамический шаблон – это реагент, способный стабилизировать форму одного продукта по сравнению с другими, понижая его свободную энергию Гиббса (ΔG°) относительно других продуктов. Циклофан C2 может быть получен в результате необратимой, высокоразбавленной реакции диола с хлорбромометаном в присутствии гидрида натрия. Однако димер является частью серии равновесий между полиацетальными макроциклами различного размера, возникающих в результате кислотно-катализируемой (трифторметансульфоновой кислотой) трансацетализации. Независимо от исходного материала – C2, C4 или продукта с высокой молярной массой – равновесие в конечном итоге приведет к образованию распределения продуктов по множеству макроциклов и олигомеров. В этой системе возможно усилить присутствие C2 в смеси, когда катализатором трансацетализации является трифлат серебра, поскольку ион серебра идеально и необратимо помещается в полость C2.

Углеродуглерод

Формирование связей между атомами углерода приводит к образованию очень термодинамически стабильных соединений. Поэтому для проведения реакций с их участием часто требуется использование катализатора для повышения скорости и обеспечения обратимости.

Реакции на Алдол

Алдольные реакции широко используются в органической химии для формирования углерод-углеродных связей. Алдегидно-спиртовая группа, характерная для продукта реакции, широко распространена в синтетической химии и природных соединениях. В реакции используются два карбонильных соединения для образования β-гидроксикарбонильного соединения. Катализ всегда необходим, поскольку энергетический барьер между кинетическими продуктами и исходными веществами делает этот динамический обратимый процесс слишком медленным. Успешно применяемые катализаторы включают ферментативные альдолазы и системы на основе Al2O3.

ДильсАльдер

[4+2] циклоприсоединения диена и алкена использовались в качестве DCvC реакций. Эти реакции часто обратимы при высоких температурах. В случае аддукта фурана и малеимида, ретроциклоприсоединение возможно уже при температуре 40 °C.

Метатезис

Метатезис олефинов и алкинов – это реакция образования углерод-углеродной связи. В случае метатезиса олефинов связь формируется между двумя sp2-гибридизованными атомами углерода. В случае метатезиса алкинов она формируется между двумя sp-гибридизованными атомами углерода. Полимеризация с раскрытием цикла метатезисом (ROMP) может быть использована в полимеризации и синтезе макроциклов.

Образование имина и аминалов

Реакции образования связей между углеродом и азотом являются наиболее широко используемыми в динамической ковалентной химии. Они получили более широкое применение в химии материалов для создания молекулярных переключателей, ковалентных органических каркасов и систем самосортировки. Использование дисульфидной химии имеет дополнительное преимущество, заключающееся в ее биологической природе. Остатки цистеина способны образовывать дисульфидные связи в природных системах.

Приложения

Динамическая ковалентная химия открыла доступ к широкому спектру сверхмолекулярных структур. Используя описанные выше реакции для соединения молекулярных фрагментов, были созданы материалы более сложной структуры. К таким материалам относятся макроциклы, ковалентные органические каркасы (COF) и молекулярные узлы. Области применения этих материалов включают хранение газов, катализ и биомедицинское зондирование, в частности.

Макроциклы

Существует множество примеров, демонстрирующих применимость DCvC в синтезе макроциклов. Этот подход эффективен для синтеза крупных макроциклов, поскольку термодинамический эффект шаблона хорошо подходит для стабилизации кольцевых структур. Более того, присущая DCvC способность к самокоррекции позволяет создавать большие структуры без дефектов.

Ковалентные органические структуры

Все современные методы синтеза ковалентных органических каркасов (COF) используют DCvC. Дегидратация борной кислоты, продемонстрированная Яги и др., является наиболее распространенным типом реакции. COF применялись для хранения газов, катализа. Возможные морфологии включают бесконечные ковалентные трехмерные каркасы, двухмерные полимеры или дискретные молекулярные клетки.

Молекулярные узлы

DCvC использовался для создания молекул со сложными топологическими свойствами. В случае колец Борромея, DCvC применяется для синтеза системы из трех взаимосвязанных колец. Термодинамические шаблоны используются для стабилизации роста взаимосвязанных макроциклов.