Podívejte se na náš úplný seznam zdrojů zelené a udržitelné chemie včetně případových studií a příkladů z oboru. Tato bílá kniha ukazuje, jak informace poskytované pokročilou technologií společnosti METTLER TOLEDO pomáhají podporovat ekologickou a udržitelnou chemii ve výzkumu, vývoji a výrobě farmaceutických, chemických a polymerních molekul a produktů
Co je klikací chemie?
Click chemistry je termín, který popisuje skupinu chemických reakcí, které jsou navrženy tak, aby byly účinné, selektivní a jednoduché. Tyto chemické reakce jsou navrženy tak, aby byly modulární, měly široký rozsah a generovaly minimální vedlejší produkty. Chemické reakce kliknutí jsou široce používány v mnoha oblastech chemie, včetně objevování léků, vědy o materiálech a biokonjugace.
Koncept "klikací chemie" byl představen v roce 2001 nositelem Nobelovy ceny K. Barry Sharplessem. Pojmy "klikací chemie" a "klikací reakce" se často používají zaměnitelně, ale mezi nimi je jemný rozdíl.
Co je reakce kliknutí?
Click reakce jsou chemické reakce, které splňují kritéria click chemie. Tyto reakce zahrnují spojení dvou molekul prostřednictvím specifické chemické vazby, často zahrnující azidy, alkyny nebo cyklooktyny. Reakce kliknutí jsou obvykle rychlé, vysoce výnosné a vyskytují se za mírných podmínek, takže jsou ideální pro různé aplikace.
Při klikacích reakcích vědci využívají speciální molekuly, které se mohou snadno spojit dohromady, jako když se bezpečnostní pás dokonale připoutá. Jsou obzvláště důležité vzhledem k tomu, že koncept je použitelný bez ohledu na měřítko. V posledních několika desetiletích se klikací reakce staly široce používanými ve speciálních chemických, farmaceutických, biomolekulárních, biomedicínských a polymerních aplikacích.
Click chemistry způsobila revoluci ve způsobu, jakým chemici přistupují k syntéze složitých molekul, a vedla k vývoji nových materiálů, léků a dalších produktů, které mají důležité aplikace v různých oblastech.
Kritéria reakce kliknutí
Cílem je vyvinout rozšiřující se sadu výkonných, selektivních a modulárních "bloků", které spolehlivě fungují v malých i velkých aplikacích. Základ tohoto přístupu jsme nazvali "klikací chemie" a definovali jsme soubor přísných kritérií, která musí proces splňovat, aby byl v tomto kontextu užitečný. Reakce musí být modulární, široká v rozsahu, poskytovat velmi vysoké výtěžky, generovat pouze neškodné vedlejší produkty, které mohou být odstraněny nechromatografickými metodami, a musí být stereospecifická (ale ne nutně enantioselektivní). Mezi požadované charakteristiky procesu patří (Kolb et al. 2.1):
- Jednoduché reakční podmínky a nejlépe by proces neměl být ovlivněn přítomností kyslíku a vody
- Výchozí materiály a činidla, které jsou snadno dostupné
- Reakce jsou buď bez rozpouštědel, nebo se používají neškodná nebo snadno odstranitelná rozpouštědla
- Jednoduchá izolace produktu
Reakce kliknutí mají určité klíčové vlastnosti, díky kterým jsou účinné. Spoléhají se na silnou termodynamickou hnací sílu, obvykle přes 20 kcal mol-1, což znamená, že se mohou rychle objevit a vyrobit pouze jeden požadovaný produkt. Reakce kliknutí si můžeme představit jako reakce připravené jít jedním směrem, jako zatížená pružina. Pro efektivní využití klikacích reakcí je důležité porozumět těmto vlastnostem.
Pokrok v zelené chemii
Typy reakcí na kliknutí
CuAAC (mědí katalyzovaná azid-alkynová cykloadice) reakce
Mědí katalyzovaná azid-alkynová cykloadice byla první klikací reakcí vyvinutou nezávisle laureáty Nobelovy ceny, Sharplessem a Meldalem. Tato reakce, označovaná jako "korunní klenot klikací chemie", využívá měděný katalyzátor k vytvoření nové vazby mezi azidovými a alkynovými funkčními skupinami. Výsledkem je triazolový kroužek, který funguje jako kostka Lego nebo přezka bezpečnostního pásu a "kliká" jednu molekulu na druhou.
Reakce CuAAC lze provádět v jedné nádobě, což znamená, že všechny reaktanty lze kombinovat na začátku reakce, což zjednodušuje proces a zvyšuje jeho účinnost. Produkty reakcí CuAAC jsou strukturně čisté polymery s vysokou molekulovou hmotností.
Vzhledem k pozoruhodným vlastnostem měděných katalyzátorů, jako je jejich stabilita v mnoha reakčních podmínkách, např. hydrolýze, oxidaci a redukci, došlo ke značnému výzkumu vývoje různých měděných katalyzátorů (a dalších kovů, např. ruthenia) pro azid-alkynovou syntézu polytriazolových polymerů a také postfunkcionalizaci polymerů.
Thiol-enová reakce
Při thiol-enové reakci thiol reaguje s alkenem za vzniku vazby uhlík-síra a v procesu vzniká nová dvojná vazba uhlík-uhlík. Thiolen-enové reakce mají oproti tradičním reakcím několik výhod, včetně schopnosti:
- Pokračujte za mírných podmínek
- Toleruje širokou škálu funkčních skupin
- Provádí se v jedné nádobě, což zjednodušuje proces a zvyšuje efektivitu
Reakce thiol-yn jsou podobné reakcím thiol-en, ale zahrnují reakci thiolu s alkynem za vzniku vazby uhlík-síra s novou trojnou vazbou uhlík-uhlík vytvořenou v procesu. Tyto reakce lze použít pro stavbu dendrimerů, hydrogelů a nanočástic, stejně jako postfunkcionalizujících polymerních řetězců. Terminální alkenové a thiolové skupiny mohou být snadno zavedeny a reakce mohou být prováděny bez toxických katalyzátorů prostřednictvím fotochemie.
Dielsova-Alderova reakce
Diels-Alderovy cykloadiční reakce jsou třídou chemických reakcí, které zahrnují tvorbu cyklických sloučenin z konjugovaného dienu (molekula obsahující dvě střídavé dvojné vazby) a dienofilu (molekula obsahující dvojnou vazbu). Dien a dienofil procházejí koordinovanou reakcí, při které se mezi dienem a dienofilem vytvoří nová vazba za vzniku nové cyklické sloučeniny.
I když je Dielsova-Alderova reakce výkonným syntetickým nástrojem a může být vysoce selektivní, není vždy rychlá nebo vysoce výtěžná. V některých případech je třeba pečlivě kontrolovat reakční podmínky, aby se získal požadovaný produkt. Kromě toho mohou některé Diels-Alderovy reakce vést k vedlejším reakcím nebo tvorbě nežádoucích vedlejších produktů.
SPAAC (kmenem podporovaná azid-alkynová cykloadice) reakce
Kmenem podporovaná azid-alkynová cykloadice (SPAAC) je typ klikací reakce, která nevyžaduje kovový katalyzátor. Místo toho je reakce řízena vlastní energií kmene cyklooktynů a jejich derivátů, které reagují s azidy za vzniku stabilního triazolového produktu.
Reakce byla publikována v roce 2004 nositelkou Nobelovy ceny Carolyn Bertozziovou, která získala Nobelovu cenu za chemii spolu se Sharplessem a Meldalem. Bertozzi věděla, že měď je toxická pro živé organismy, a tak hledala v literatuře alternativu k mědí katalyzovaným azid-alkynové cykloadici (CuAAC) reakcím. Zjistila, že azidy a alkyny mohou reagovat společně, pokud je alkyn nucen vytvořit chemickou strukturu ve tvaru prstence.
Reakce SPAAC fungovala dobře v buňkách, takže Bertozzi prokázal, že ji lze použít ke sledování glykanů, speciálních sacharidů umístěných na povrchu buněk. Je to proto, že SPAAC je vysoce selektivní a bioortogonální, což znamená, že se může vyskytovat v biologických systémech, aniž by zasahoval do jiných biologických procesů.
SPAAC je široce používán v chemické biologii a biokonjugaci, což umožňuje značení a zobrazování biomolekul, jako jsou glykany, a také vývoj cílených terapií. SPAAC je v některých aplikacích užitečnou alternativou k reakcím CuAAC kvůli mírným reakčním podmínkám a nedostatku katalyzátoru. Reakce například také umožnila Bertozzimu a vědcům studovat procesy onemocnění.
Tetrazin Click Chemistry
Tetrazinová klikací chemie je typ klikací reakce, která zahrnuje reakci tetrazinů s napjatými alkeny, jako jsou trans-cyklookteny, za vzniku stabilního produktu. Reakce je bioortogonální, což znamená, že k ní může dojít v biologických systémech, aniž by zasahovala do jiných biologických procesů.
Tetrazinová klikací chemie je zvláště užitečná pro aplikace in vivo zobrazování a dodávání léčiv, protože umožňuje selektivní značení a cílení biologických molekul. Tetrazinová klikací chemie je navíc rychlá a účinná, při pokojové teplotě k ní dochází během několika sekund. Díky své vysoké selektivitě a rychlé reakční kinetice je tetrazin klikací chemií mocným nástrojem pro chemicko-biologický výzkum a vývoj léčiv.
Klikněte na Polymerizace
Click polymerace je typ klikací reakce, která se používá k syntéze polymerů. Tento přístup zahrnuje rychlé a efektivní spojování monomerů pomocí chemických reakcí kliknutí, jako je CuAAC nebo thiol-enová chemie.
Klikací polymerace má oproti tradiční polymerační metodě několik výhod, včetně vysoké účinnosti, vysoké selektivity a mírných reakčních podmínek. Kliková polymerace navíc umožňuje přesnou kontrolu struktury a složení polymeru, což umožňuje vytváření složitých, multifunkčních materiálů.
Klikací polymerace našla řadu aplikací ve vědě o materiálech, včetně vývoje pokročilých povlaků, lepidel a kompozitů. Díky snadnému použití a všestrannosti je kliková polymerace cenným nástrojem pro syntézu funkčních polymerů s přizpůsobenými vlastnostmi.
Uvolnění kliknutím
Click-to-release je typ klikací reakce, která spouští uvolňování bioaktivních molekul z nosné molekuly nebo nosiče. Tento přístup zahrnuje použití molekuly linkeru, která může být štěpena klikací reakcí, jako je CuAAC nebo SPAAC, k uvolnění molekuly nákladu.
Click-to-release je vysoce selektivní a může být přizpůsoben tak, aby uvolnil molekulu nákladu za specifických podmínek, například v reakci na konkrétní enzym nebo úroveň pH. Tento přístup byl použit pro cílené podávání léků, kdy se molekula nákladu uvolňuje v místě onemocnění nebo poranění, čímž se minimalizují vedlejší účinky a zlepšuje terapeutická účinnost.
Click-to-release se používá také v materiálové vědě, kde umožňuje řízené uvolňování funkčních molekul z povlaků, lepidel a dalších materiálů. Díky vysoké selektivitě a kontrolovatelným vlastnostem uvolňování je click-to-release výkonným nástrojem pro cílené dodávání léků a další aplikace.
Výhody reakcí na kliknutí
- Vysoká účinnost
- Vysoká selektivita
- Bioortogonální reaktivita
- Mírné reakční stavy
Omezení reakcí na kliknutí
- Požadavek na toxické katalyzátory
- Potřeba tolerance funkčních skupin
- Nekompatibilita s některými reakčními podmínkami
- Omezený rozsah použitelnosti
Budoucnost reakcí na kliknutí
Click Chemistry integrovaná s novými technologiemi
Klikací chemie má slibnou budoucnost díky pokračujícímu vývoji a zdokonalování stávajících klikacích reakcí, stejně jako objevování nových klikacích reakcí s ještě vyšší účinností, selektivitou a všestranností. Procesní analytická technologie (PAT) je připravena hrát v této budoucnosti klíčovou roli tím, že umožní monitorování a řízení reakcí kliknutí v reálném čase během syntézy a výrobních procesů. PAT umožňuje rychlé a kontinuální měření klíčových parametrů procesu, jako je kinetika reakce, teplota a koncentrace, což poskytuje cennou zpětnou vazbu pro optimalizaci a řízení procesu.
V souvislosti s klikací chemií lze PAT použít ke sledování průběhu klikacích reakcí v reálném čase, což zajišťuje, že reakce probíhá efektivně a poskytuje požadovaný produkt. Kromě toho může PAT pomoci identifikovat potenciální zdroje variability nebo nečistot, což umožňuje včasný zásah a nápravu jakýchkoli problémů, které mohou nastat. Vzhledem k tomu, že klikací chemie stále hraje stále důležitější roli v chemické syntéze, vědě o materiálech a vývoji léčiv, je pravděpodobné, že se používání PAT rozšíří, což pomůže zajistit konzistentní a efektivní výrobu vysoce kvalitních produktů.
In-situ FTIR pro profilování klikací reakce
In-situ FTIR spektroskopie vám pomůže získat přesnou analýzu profilování klikací reakce v reálném čase. FTIR spektrometr ReactIR™ nabízí vysokou citlivost, rozlišení a rychlý sběr dat, což vám může pomoci identifikovat mechanismus a kinetiku profilování klikací reakce. ReactIR lze také použít pro analýzu reakčních drah, sledování čistoty produktu a detekci nečistot. ReactIR využívá technologii chlazení v pevné fázi, aby poskytoval nejlepší výkon ve své třídě - bez potřeby kapalného dusíku, což poskytuje účinnou, spolehlivou a nedestruktivní metodu profilování klikací reakce, která je zásadní pro kontrolu kvality a optimalizaci procesu.
Příklady klikacích reakcí v průmyslu
PAT pro cykloadiční klikací reakci
Zhang, Y., Lai, W., Xie, S. Q., Zhou, H., & Lu, X. (2021b). Snadná syntéza, struktura a vlastnosti poly(thioether-ko-karbonátu) pocházejících z CO2 obsahujících acetylové přívěsky prostřednictvím thio-enové klikové polymerace. Polymerní chemie, 13(2), 201–208. https://doi.org/10.1039/d1py01477c
Alifatické polykarbonáty se ukazují jako významné v biomedicínských aplikacích a syntéza nových APC je aktivně zkoumána. V této práci jsou syntetizovány poly(thioether-ko-karbonáty) nesoucí acetylové skupiny připojené k vinylovým skupinám funkcionalizovaných bis- a tris-β-oxo-karbonátů. Alifatické polykarbonáty s thio-vazbami v hlavním řetězci a acetylovými přívěsky v každé opakující se jednotce byly připraveny fotochemicky indukovanou thiol-enovou klikovou polymerací bis- a tris-vinyl-β-oxo-karbonátů s primárními bisthioly. Tyto polykarbonáty jsou snadno depolymerizovány za mírných podmínek pomocí t-butylperoxidu, čímž vznikají peroxy-substituované cyklické uhličitany a polyoly. Tato degradace byla prokázána pomocí in-situ FTIR.
V polymeru byly identifikovány rozpínací pásy C=O vycházející z uhličitanu (1746 cm−1) a z připojené acetylové skupiny (1723 cm−1). Tyto absorpční pásy C=O se postupem času zmenšily poté, co byly do reakčního systému přidány 1,5,7-triazabicyklo[4.4.0]dec-5-en (TBD) a terc-butyl hydroperoxid (TBHP). Přítomnost nového vrcholu na 1809 cm−1 vycházejícího z protahovacího pásu C=O cyklického uhličitanu byla spojena s tvorbou peroxy-funkcionalizovaných biscyklických karbonátů a odrážela degradaci polymeru.
In-situ FTIR pro termoplastické elastomery
Bretzler, V., Grübel, M., Meister, S., & Rieger, B. (2014b). Alternující kopolymery obsahující PDMS získané click polymerací. Makromolekulární chemie a fyzika, 215(14), 1396–1406. https://doi.org/10.1002/macp.201400178
Tento výzkum zdůrazňuje výhody termoplastických elastomerů (TPE) oproti chemicky zesíťovaným elastomerním polymerům, které vyžadují nákladné katalyzátory a vyžadují další úvahy. TPE nabízí výhody v tepelném zpracování, což z nich činí cennou volbu pro aplikace, jako je 3D tisk a vstřikování. Tato studie zejména ukazuje, že poly(dimethylsiloxan) lze použít jako segmenty v TPE a CuAAC klikací reakce mohou konstruovat lineární polymery založené na PDMS.
Autoři rozšiřují tento výzkum tím, že předvádějí začlenění různých funkcí do alternujícího kopolymeru obsahujícího PDMS prostřednictvím reakce CuAAC, což vede k tvorbě TPE s různými vlastnostmi. Autoři zkoumají vztahy mezi strukturou a vlastnostmi, které jsou závislé na různých azido-funkcionalizovaných oligosiloxanových segmentech, stejně jako na geometriích různých dialkynových komonomerů použitých v polymeracích.
In-situ FTIR spektrometr ReactIR poskytl pohled na kinetiku polymerace sledováním rozpadu azidové funkce během reakce. Kromě toho in-situ měření FTIR prokázala významné zvýšení rychlosti polymerační reakce přidáním jednoho ekvivalentu tridentátního triazolového ligandu tris((1-benzyl-1H-1,2,3-triazol-4-yl)methyl)aminu (TBTA) k reakci CuAAC. Kromě toho byl stanoven optimální poměr ligandu ke kovu pro dosažení urychlujícího efektu mezi 0,5 až 1,0 ekv., což vedlo k nejvyšší rychlosti reakce. Tato studie vrhá světlo na potenciál TPE a poskytuje komplexní pochopení jejich vlastností a schopností.
Citace a odkazy
Klikněte na Chemie v publikacích časopisů
- Plank, M., Frieß, F. V., Bitsch, C. V., Pieschel, J., Reitenbach, J., & Gallei, M. (2023b). Modulární syntéza funkčních blokových kopolymerů thiol–maleimidovou "klikací" chemií pro tvorbu porézní membrány. Makromolekuly, 56(4), 1674–1687. https://doi.org/10.1021/acs.macromol.2c02255
- Bertozzi, C. R. (2022). Speciální virtuální vydání oslavující Nobelovu cenu za chemii za rok 2022 za rozvoj klikací chemie a bioortogonální chemie. Ústřední věda ACS. https://doi.org/10.1021/acscentsci.2c01430
- Devaraj, N. K., & Finn, MG (2021). Úvod: Klikněte na Chemie. Chemické recenze, 121(12), 6697–6698. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.1c00469
- Huang, D., Qin, A., & Tang, B. Z. (2018). Přehled click polymerace, kapitola 1. V aplikaci Polymerizace kliknutí. Královská chemická společnost. https://doi.org/10.1039/9781788010108
- Golas, PL & Matyjaszewski, K. (2010). Spojení klikací chemie s polymerací: rozšíření rozsahu polymerních materiálů. Chem. Soc. Rev., 39(4), 1338-1354. https://doi.org/10.1039/b901978m
- Qin, A., Lam, J. W. Y., & Tang, B. Z. (2010). Click Polymerization: Pokroky, výzvy a příležitosti. Makromolekuly, 43(21), 8693–8702. https://doi.org/10.1021/ma101064u
- Sumerlin, BS & Vogt, AP (2010). Makromolekulární inženýrství prostřednictvím klikací chemie a dalších účinných transformací. Makromolekuly, 43(1), 1–13. https://doi.org/10.1021/ma901447e
- Kolb, HC, Finn, MG, & Sharpless, KB. (2001). Click Chemistry: Různorodá chemická funkce z několika dobrých reakcí. Angewandte Chemie, 40(11), 2004–2021. https://doi.org/10.1002/1521-3773(20010601)40:11
FTIR vyšetřování click polymerizací
- De Silva, E. H., & Novák, B. M. (2021). Teplotou indukovaná šroubovicová kontrakce a expanze ve větvených polykarbodiimidech a jejich vlastnosti snímání par rozpouštědlem. J. Makromolekulární věda, část A: Čistá a aplikovaná chemie, 59(1), 11–19. Zdroj: https://doi.org/10.1080/10601325.2021.1978849
- Hendriks, B., van den Berg, O., & Du Prez, F. E. (2019). Uretan-polythioetherové samosíťující pryskyřice. Pokrok v organických nátěrech, 136. 105215. https://doi.org/10.1016/j.porgcoat.2019.105215
- Krappitz, T., Brauer, D. D., & Theato, P. (2016). Syntéza poly(allyl 2-yliden-acetátu) a následná postpolymerační modifikace pomocí thiol-enové reakce. Polymerní chemie, 7(27), 4525-4530. Zdroj: https://doi.org/10.1039/c6py00818f
- Nguyen, L. T., Devroede, J., Plasschaert, K., Jonckheere, L., Haucourt, N. H., & Du Prez, F. (2013). Poskytování funkčnosti polyuretanových pěn: kinetické srovnání různých "klikacích" a spojovacích reakčních drah. Polymerní chemie, 4(5), 1546-1556. https://doi.org/10.1039/c2py20970e
- Derboven, P., D'hooge, D. R., Stamenović, M. M., Espeel, P., Marin, G. B., Du Prez, F. E., & Reyniers, M-F. (2013). Kinetické modelování chemie radikálového thiol−enu pro makromolekulární design: Význam vedlejších reakcí a difúzní omezení. Makromolekuly, 46(5), 1732−1742. https://doi.org/10.1021/ma302619k
- Tasdelen, M. A. (2011). Dielsovy–Alderovy "klikací" reakce: nedávné aplikace v polymerních a materiálových vědách. Polym. Chem., 2(10), 2133-2145. https://doi.org/10.1039/c1py00041a
- Sun, J., Hu, J., Liu, G., Xiao, D., He, G., & Lu, R. (2011). Efektivní syntéza dobře definovaného amfifilního válcového kartáčového polymeru s vysokou hustotou roubování: mezifázový chemický přístup "click". J. Věda o polymerech část A: Chemie polymerů, 49(5), 1282–1288. https://doi.org/10.1002/pola.24540
- Bonami, L., Van Camp, W., Van Rijckegem, D., & Du Prez, F. E. (2009). Snadný přístup k účinnému systému Click Catalyst s pevnou podepřením na bázi poly(ethyleneiminu). Makromol. Rychlá komunikace, 30(1), 34–38. https://doi.org/10.1002/marc.200800607
- Fournier, D., & Du Prez, F. (2008). "Click" chemie jako slibný nástroj pro funkcionalizaci polyuretanů s postranním řetězcem. Makromolekuly, 41(13), 4622-4630. https://doi.org/10.1021/ma800189z
- Du Prez, F. E., Lammens, M., & Fournier, D. (2008). Funkcionalizace polymerních struktur ve tvaru hvězdy pro návrh reaktivních nanočástic. Polymerní preprinty 49(2) z 236. konference ACS, 127–128. https://www.researchgate.net/profile/Filip-Du-Prez/publication/242268627_Functionalization_of_Star-shaped_Polymer_Structures_For_Design_Of_Reactive_Nanoparticles/links/54ccf09a0cf29ca810f731d8/Functionalization-of-star-shaped-polymer-structures-for-design-of-reactive-nanoparticles.pdf
- Billiet, L., Fournier, D., & Du Prez, F. (2008). Kombinace "klikací" chemie a polymerace s postupným růstem pro výrobu vysoce funkcionalizovaných polyesterů. Časopis polymerní vědy část A, 46(19), 6552-6564. https://doi.org/10.1002/pola.22966