Consultez notre liste complète de ressources sur la chimie verte et durable, y compris des études de cas et des exemples industriels. Ce livre blanc montre comment les informations fournies par la technologie avancée de METTLER TOLEDO aident à soutenir la chimie verte et durable dans la recherche, le développement et la production de molécules et de produits pharmaceutiques, chimiques et polymères.
Qu'est-ce que la chimie par clics ?
Lachimie par clic est un terme qui décrit une famille de réactions chimiques conçues pour être efficaces, sélectives et simples. Ces réactions chimiques sont conçues pour être modulaires, avoir un large champ d'application et générer un minimum de sous-produits. Les réactions de chimie clique sont largement utilisées dans de nombreux domaines de la chimie, notamment la découverte de médicaments, la science des matériaux et la bioconjugaison.
Le concept de "chimie click" a été introduit en 2001 par K. Barry Sharpless, lauréat du prix Nobel. Les termes "chimie click" et "réaction click" sont souvent utilisés de manière interchangeable, mais il existe une différence subtile entre les deux.
Qu'est-ce qu'une réaction click ?
Lesréactions click font référence aux réactions chimiques qui répondent aux critères de la chimie click. Ces réactions impliquent l'union de deux molécules par le biais d'une liaison chimique spécifique, impliquant souvent des azides, des alcynes ou des cyclooctynes. Les réactions click sont généralement rapides, à haut rendement et se produisent dans des conditions douces, ce qui les rend idéales pour toute une série d'applications.
Dans les réactions click, les scientifiques utilisent des molécules spéciales qui peuvent facilement s'emboîter, comme une ceinture de sécurité qui se boucle parfaitement. Elles sont d'autant plus importantes que le concept est applicable quelle que soit la balance. Au cours des dernières décennies, les réactions click sont devenues largement utilisées dans des applications chimiques spécialisées, pharmaceutiques, biomoléculaires, biomédicales et polymères.
La chimie click a révolutionné la façon dont les chimistes abordent la synthèse de molécules complexes et a conduit au développement de nouveaux matériaux, médicaments et autres produits qui ont des applications importantes dans divers domaines.
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L'objectif est de développer un ensemble croissant de "blocs" puissants, sélectifs et modulaires qui fonctionnent de manière fiable dans des applications à petite et à grande échelle. Nous avons appelé le fondement de cette approche "chimie click" et avons défini une série de critères stricts auxquels un processus doit répondre pour être utile dans ce contexte. La réaction doit être modulaire, avoir une large portée, donner des rendements très élevés, ne générer que des sous-produits inoffensifs pouvant être éliminés par des méthodes non chromatographiques, et être stéréospécifique (mais pas nécessairement énantiosélective). Les caractéristiques requises du procédé sont les suivantes (Kolb et al. 2.1) :
- des conditions de réaction simples et, de préférence, le procédé ne doit pas être affecté par la présence d'oxygène et d'eau
- des matières premières et des réactifs facilement accessibles
- Les réactions sont soit sans solvant, soit utilisent un solvant inoffensif ou facile à éliminer.
- Isolation simple du produit
Les réactions click possèdent certaines propriétés clés qui les rendent efficaces. Elles reposent sur une force thermodynamique puissante, généralement supérieure à 20 kcal mol-1, ce qui signifie qu'elles peuvent se produire rapidement et ne produire qu'un seul produit souhaité. On peut considérer que les réactions click sont prêtes à aller dans une seule direction, comme un ressort tendu. Il est important de comprendre ces propriétés pour utiliser efficacement les réactions click.
Faire progresser la chimie verte
Types de réactions clics
Réaction CuAAC (Cycloaddition Azide-Alcyne catalysée par le cuivre)
La cycloaddition azide-alcyne catalysée par le cuivre a été la première réaction click développée indépendamment par les lauréats du prix Nobel, Sharpless et Meldal. Cette réaction, qualifiée de "joyau de la couronne de la chimie click", utilise un catalyseur au cuivre pour former une nouvelle liaison entre les groupes fonctionnels azide et alcyne. Il en résulte un anneau triazole qui agit comme un bloc Lego ou une boucle de ceinture de sécurité pour "cliquer" une molécule sur une autre.
Les réactions CuAAC peuvent être réalisées en une seule fois, ce qui signifie que tous les réactifs peuvent être combinés au début de la réaction, ce qui simplifie le processus et le rend plus efficace. Les produits des réactions CuAAC sont des polymères structurellement purs et de poids moléculaire élevé.
En raison des propriétés remarquables des catalyseurs à base de cuivre, telles que leur stabilité dans de nombreuses conditions de réaction, par exemple l'hydrolyse, l'oxydation et la réduction, des recherches considérables ont été menées sur le développement de divers catalyseurs à base de cuivre (et d'autres métaux, par exemple le ruthénium) pour la synthèse azide-alcyne de polymères polytriazoles, ainsi que pour la post-fonctionnalisation des polymères.
Réaction thiol-ène
Dans une réaction thiol-ène, un thiol réagit avec un alcène pour former une liaison carbone-soufre, et une nouvelle double liaison carbone-carbone est formée au cours du processus. Les réactions thiol-ène présentent plusieurs avantages par rapport aux réactions traditionnelles :
- de se dérouler dans des conditions douces
- tolérer une large gamme de groupes fonctionnels
- d'être réalisées en une seule fois, ce qui simplifie le processus et augmente l'efficacité.
Les réactions thiol-yne sont similaires aux réactions thiol-ène, mais impliquent la réaction d'un thiol avec un alcyne pour former une liaison carbone-soufre, avec une nouvelle triple liaison carbone-carbone formée dans le processus. Ces réactions peuvent être utilisées pour construire des dendrimères, des hydrogels et des nanoparticules, ainsi que pour post-fonctionnaliser des chaînes de polymères. Les groupes terminaux alcène et thiol peuvent être facilement introduits, et les réactions peuvent être réalisées sans catalyseurs toxiques grâce à la photochimie.
Réaction de Diels-Alder
Les réactions de cycloaddition de Diels-Alder sont une classe de réactions chimiques qui impliquent la formation de composés cycliques à partir d'un diène conjugué (une molécule contenant deux doubles liaisons alternées) et d'un diénophile (une molécule contenant une double liaison). Le diène et le diénophile subissent une réaction concertée au cours de laquelle une nouvelle liaison est formée entre le diène et le diénophile pour produire un nouveau composé cyclique.
Si la réaction de Diels-Alder est un outil de synthèse puissant et peut être très sélective, elle n'est pas toujours rapide ou à haut rendement. Dans certains cas, les conditions de réaction doivent être soigneusement contrôlées pour obtenir le produit souhaité. En outre, certaines réactions de Diels-Alder peuvent entraîner des réactions secondaires ou la formation de sous-produits indésirables.
Réaction SPAAC (Cycloaddition azide-alcyne favorisée par la souche)
Lacycloaddition azide-alkyne favorisée par la contrainte (SPAAC) est un type de réaction click qui ne nécessite pas de catalyseur métallique. Au lieu de cela, la réaction est stimulée par l'énergie de contrainte inhérente aux cyclooctynes et à leurs dérivés, qui réagissent avec les azides pour former un produit triazole stable.
La réaction a été publiée en 2004 par Carolyn Bertozzi, lauréate du prix Nobel de chimie avec Sharpless et Meldal. Sachant que le cuivre est toxique pour les êtres vivants, Mme Bertozzi a cherché dans la littérature une alternative aux réactions catalysées par le cuivre, la cycloaddition azide-alkyne (CuAAC). Elle a découvert que les azides et les alcynes peuvent réagir ensemble si l'alcyne est contraint d'adopter une structure chimique en forme d'anneau.
La réaction SPAAC fonctionnant bien dans les cellules, Mme Bertozzi a démontré qu'elle pouvait être utilisée pour suivre les glycanes, des hydrates de carbone spéciaux situés à la surface des cellules. En effet, la réaction SPAAC est hautement sélective et bioorthogonale, ce qui signifie qu'elle peut se produire dans des systèmes biologiques sans interférer avec d'autres processus biologiques.
SPAAC est largement utilisé en biologie chimique et en bioconjugaison, permettant le marquage et l'imagerie de biomolécules telles que les glycanes, ainsi que le développement de thérapies ciblées. La SPAAC est une alternative utile aux réactions CuAAC dans certaines applications en raison de ses conditions de réaction douces et de l'absence de catalyseur. Par exemple, la réaction a également permis à Bertozzi et aux scientifiques d'étudier les processus pathologiques.
Chimie de la tétrazine
La chimie click de la tétrazine est un type de réaction click qui implique la réaction de tétrazines avec des alcènes filtrés, tels que les trans-cyclooctènes, pour former un produit stable. Cette réaction est bioorthogonale, ce qui signifie qu'elle peut se produire dans des systèmes biologiques sans interférer avec d'autres processus biologiques.
La chimie click de la tétrazine est particulièrement utile pour l'imagerie in vivo et les applications d'administration de médicaments, car elle permet le marquage sélectif et le ciblage de molécules biologiques. En outre, la chimie click à la tétrazine est rapide et efficace, puisqu'elle se produit en quelques secondes à température ambiante. Sa grande sélectivité et sa Cinétique chimique rapide font de la chimie click à la tétrazine un outil puissant pour la recherche en biologie chimique et le développement de médicaments.
Polymérisation par clic
La polymérisation click est un type de réaction click qui est utilisé pour synthétiser des polymères. Cette approche implique le couplage rapide et efficace de monomères à l'aide de réactions de chimie click, telles que CuAAC ou la chimie thiol-ène.
La polymérisation par clic présente plusieurs avantages par rapport aux méthodes de polymérisation traditionnelles, notamment une grande efficacité, une grande sélectivité et des conditions de réaction douces. En outre, la polymérisation par clic permet un contrôle précis de la structure et de la composition des polymères, ce qui permet de créer des matériaux complexes et multifonctionnels.
La polymérisation par clic a trouvé de nombreuses applications dans la science des matériaux, notamment pour le développement de revêtements, d'adhésifs et de composites avancés. Sa facilité d'utilisation et sa polyvalence font de la polymérisation par clic un outil précieux pour la synthèse de polymères fonctionnels aux propriétés adaptées.
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Le click-to-release est un type de réaction click qui déclenche la libération de molécules bioactives à partir d'une molécule porteuse ou d'un échafaudage. Cette approche implique l'utilisation d'une molécule de liaison qui peut être clivée par une réaction click, telle que CuAAC ou SPAAC, pour libérer la molécule cargo.
La réaction click-to-release est hautement sélective et peut être adaptée pour libérer la molécule cargo dans des conditions spécifiques, par exemple en réponse à une enzyme particulière ou à un niveau de pH particulier. Cette approche a été utilisée pour l'administration ciblée de médicaments, où la molécule cargo est libérée sur le site de la maladie ou de la blessure, minimisant ainsi les effets secondaires et améliorant l'efficacité thérapeutique.
Le système Click-to-release a également été utilisé dans la science des matériaux, où il permet la libération contrôlée de molécules fonctionnelles à partir de revêtements, d'adhésifs et d'autres matériaux. La sélectivité élevée et les propriétés de libération contrôlables font du click-to-release un outil puissant pour l'administration ciblée de médicaments et d'autres applications.
Avantages des réactions click
- Grande efficacité
- Haute sélectivité
- Réactivité bioorthogonale
- Conditions de réaction douces
Limites des réactions click
- Nécessité de catalyseurs toxiques
- Nécessité d'une tolérance des groupes fonctionnels
- Incompatibilité avec certaines conditions de réaction
- Champ d'application limité
L'avenir des réactions clics
La chimie click intégrée aux technologies émergentes
La chimie click a un avenir prometteur avec le développement et le perfectionnement continus des réactions click existantes, ainsi que la découverte de nouvelles réactions click avec une efficacité, une sélectivité et une polyvalence encore plus grandes. La technologie analytique des processus (PAT) est appelée à jouer un rôle clé dans cet avenir, en permettant l'instrumentation en temps réel et le contrôle des réactions pour procédés de synthèse et de fabrication. La PAT permet de mesurer rapidement et en continu les paramètres clés du processus, tels que la cinétique de la réaction, la température et la concentration, fournissant ainsi un retour d'information précieux pour l'optimisation et le contrôle du processus.
Dans le contexte de la chimie click, le PAT peut être utilisé pour surveiller la progression des réactions click en temps réel, en s'assurant que la réaction se déroule efficacement et donne le produit désiré. En outre, le PAT peut aider à identifier les sources potentielles de variabilité ou d'impuretés, ce qui permet d'intervenir rapidement et de corriger tout problème éventuel. Comme la chimie click continue à jouer un rôle de plus en plus important dans la synthèse chimique, la science des matériaux et le développement de médicaments, l'utilisation du PAT est susceptible de se généraliser, contribuant à assurer la production cohérente et efficace de produits de haute qualité.
FTIR in situ pour le profilage des réactions click
Laspectroscopie FTIR in situ vous aide à obtenir une analyse précise et en temps réel de votre profilage de réaction click. Le spectromètre ftir ReactIR™ offre une sensibilité et une résolution élevées, ainsi qu'une acquisition rapide des données, ce qui peut vous aider à identifier le mécanisme et la cinétique de votre profilage de réaction click. ReactIR peut également être utilisé pour analyser les voies de réaction, surveiller la pureté du produit et détecter les impuretés. ReactIR utilise la technologie de refroidissement à l'état solide pour offrir les meilleures performances de sa catégorie - sans avoir besoin d'azote liquide, offrant ainsi une méthode efficace, fiable et non destructive pour le profilage des réactions click, ce qui est crucial pour le contrôle de la qualité et l'optimisation des procédés.
Exemples de réactions de clic dans l'industrie
PAT pour la réaction clic de cycloaddition
Zhang, Y., Lai, W., Xie, S. Q., Zhou, H. et Lu, X. (2021b). Synthèse facile, structure et propriétés des poly(thioéther-co-carbonate) à base de CO2 contenant des pendants acétyles via la polymérisation click thio-ène. Polymer Chemistry, 13(2), 201-208. https://doi.org/10.1039/d1py01477c
Les polycarbonates aliphatiques s'avèrent importants dans les applications biomédicales et la synthèse de nouveaux APC fait l'objet de recherches actives. Dans ce travail, des poly(thioether-co-carbonate) ont été synthétisés avec des groupes acétyles attachés à des groupes vinyles fonctionnalisés bis- et tris-β-oxo-carbonates. Les polycarbonates aliphatiques avec des liaisons thio dans la chaîne principale et des pendants acétyles dans chaque unité répétitive ont été préparés par polymérisation click thiol-ène induite par voie photochimique des bis- et tris-vinyl-β-oxo-carbonates avec des bisthiols primaires. Ces polycarbonates sont facilement dépolymérisés dans des conditions douces à l'aide de peroxyde de t-butyle, produisant des carbonates cycliques et des polyols substitués par des peroxydes. Cette dégradation a été démontrée en utilisant la FTIR in situ.
Les bandes d'étirement C=O du polymère ont été identifiées comme provenant du carbonate (1746 cm−1) et du groupe acétyle attaché (1723 cm−1). Ces bandes d'absorption C=O ont diminué avec le temps après que le 1,5,7-triazabicyclo[4.4.0]dec-5-ene (TBD) et l'hydroperoxyde de tert-butyle (TBHP) ont été ajoutés au système de réaction. La présence d'un nouveau sommet à 1809 cm−1 provenant de la bande d'étirement C=O d'un carbonate cyclique a été associée à la formation de carbonates biscycliques peroxydés et reflétant la dégradation du polymère.
FTIR in situ pour les élastomères thermoplastiques
Bretzler, V., Grübel, M., Meister, S., & Rieger, B. (2014b). Copolymères alternatifs contenant du PDMS obtenus par polymérisation par clic. Macromolecular Chemistry and Physics, 215(14), 1396-1406. https://doi.org/10.1002/macp.201400178
Cette recherche met en évidence les avantages des élastomères thermoplastiques (TPE) par rapport aux polymères élastomères réticulés chimiquement qui nécessitent des catalyseurs coûteux et des considérations supplémentaires. Les TPE offrent des avantages en matière de traitement thermique, ce qui en fait un choix précieux pour des applications telles que l'impression 3D et le moulage par injection. Cette étude démontre notamment que le poly(diméthylsiloxane) peut être utilisé comme segment dans le TPE, et que les réactions click CuAAC peuvent construire des polymères linéaires à base de PDMS.
Les auteurs étendent cette recherche en montrant l'incorporation de diverses fonctionnalités dans un copolymère alternatif contenant du PDMS via la réaction CuAAC, ce qui aboutit à la formation de TPE aux propriétés diverses. Les auteurs explorent les relations structure-propriété, qui dépendent des différents segments d'oligosiloxane fonctionnalisés à l'azido, ainsi que des géométries des divers comonomères dialkynes utilisés dans les polymérisations.
Le spectromètre FTIR in situ ReactIR a permis de mieux comprendre la cinétique de polymérisation en suivant la décroissance de la fonctionnalité azide au cours de la réaction. En outre, les mesures FTIR in situ ont démontré une amélioration significative de la vitesse de la réaction de polymérisation avec l'ajout d'un équivalent du ligand triazole tridenté tris((1-benzyl-1H-1,2,3-triazol-4-yl)méthyl)amine (TBTA) à la réaction CuAAC. En outre, le rapport optimal entre le ligand et le métal pour obtenir l'effet accélérateur a été déterminé comme étant compris entre 0,5 et 1,0 eq, ce qui permet d'obtenir le taux de réaction le plus élevé. Cette étude met en lumière le potentiel des TPE et permet de mieux comprendre leurs propriétés et leurs capacités.
Citations et références
Cliquez sur Chimie dans les publications de la revue
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