사례 연구 및 업계 사례를 포함한 친환경 및 지속 가능한 화학 리소스의 전체 목록을 확인하세요. 이 백서는 메틀러 토레도의 첨단 기술이 제공하는 정보가 제약, 화학 및 고분자 분자 및 제품의 연구, 개발 및 생산에서 친환경적이고 지속 가능한 화학을 지원하는 데 어떻게 도움이 되는지 보여줍니다
클릭 케미스트리란 무엇입니까?
클릭 화학 은 효율적이고 선택적이며 간단하도록 설계된 화학 반응 제품군을 설명하는 용어입니다. 이러한 화학 반응은 모듈식이고 범위가 넓으며 부산물을 최소화하도록 설계되었습니다. 클릭 화학 반응은 약물 발견, 재료 과학 및 생물 접합을 포함한 많은 화학 분야에서 널리 사용됩니다.
"클릭 화학" 의 개념은 2001년 노벨상 수상자인 K. Barry Sharpless에 의해 소개되었습니다. "클릭 케미스트리"와 "클릭 반응"이라는 용어는 종종 같은 의미로 사용되지만 둘 사이에는 미묘한 차이가 있습니다.
클릭 반응이란 무엇입니까?
클릭 반응 은 클릭 화학 기준을 충족하는 화학 반응을 말합니다. 이러한 반응에는 종종 아지드, 알킨 또는 사이클로옥틴을 포함하는 특정 화학 결합을 통해 두 분자가 결합되는 것이 포함됩니다. 클릭 반응은 일반적으로 빠르고 수율이 높으며 온화한 조건에서 발생하므로 다양한 응용 분야에 이상적입니다.
클릭 반응에서 과학자들은 안전벨트가 완벽하게 구부러지는 것처럼 쉽게 서로 찰칵 소리를 낼 수 있는 특수 분자를 활용합니다. 규모에 관계없이 개념이 적용 가능하다는 점을 고려하면 특히 중요합니다. 지난 수십 년 동안 클릭 반응은 특수 화학, 제약, 생체 분자, 생물 의학 및 폴리머 응용 분야에서 널리 사용되었습니다.
클릭 화학은 화학자들이 복잡한 분자 합성에 접근하는 방식에 혁명을 일으켰고 다양한 분야에서 중요한 응용 분야를 가진 신소재, 약물 및 기타 제품의 개발로 이어졌습니다.
반응 기준(Reaction Criteria)을 클릭합니다.
목표는 소규모 및 대규모 애플리케이션 모두에서 안정적으로 작동하는 강력하고 선택적인 모듈식 "블록" 세트를 개발하는 것입니다. 우리는 이 접근 방식의 기초를 "클릭 케미스트리"라고 부르며 이러한 맥락에서 유용하기 위해 프로세스가 충족해야 하는 일련의 엄격한 기준을 정의했습니다. 반응은 모듈식이어야 하고, 범위가 넓고, 매우 높은 수율을 제공하고, 비크로마토그래피 방법으로 제거할 수 있는 무해한 부산물만 생성해야 하며, 입체특이적이어야 합니다(반드시 거울상 선택적이지는 않음). 필요한 공정 특성은 다음과 같습니다(Kolb et al. 2.1).
- 간단한 반응 조건 및 바람직하게는 공정이 산소와 물의 존재에 영향을 받지 않아야 합니다
- 쉽게 접근할 수 있는 출발 물질 및 시약
- 반응은 용매가 없거나 양성이거나 쉽게 제거되는 용매를 사용합니다.
- 간단한 제품 격리
클릭 반응에는 효과를 발휘하는 특정 주요 속성이 있습니다. 그들은 일반적으로 20kcal mol-1 이상의 강력한 열역학적 추진력에 의존하므로 빠르게 발생하고 원하는 제품을 하나만 생산할 수 있습니다. 클릭 반응은 스프링이 로드된 것처럼 한 방향으로 갈 준비가 된 것으로 생각할 수 있습니다. 클릭 반응을 효과적으로 사용하려면 이러한 속성을 이해하는 것이 중요합니다.
녹색 화학 발전
클릭 반응 유형
CuAAC(구리 촉매 아지드-알킨 사이클로첨가) 반응
구리 촉매 아지드-알킨 사이클로첨가는 노벨상 수상자인 Sharpless와 Meldal이 독립적으로 개발한 최초의 클릭 반응이었습니다. "클릭 화학의 왕관 보석"이라고 불리는 이 반응은 구리 촉매를 사용하여 아지드와 알킨 작용기 사이에 새로운 결합을 형성합니다. 그 결과 레고 블록이나 안전 벨트 버클처럼 작동하여 한 분자를 다른 분자로 "클릭"하는 트리아졸 링이 탄생했습니다.
CuAAC 반응은 원팟 절차로 수행할 수 있으며, 이는 반응 초기에 모든 반응물을 결합할 수 있어 공정을 단순화하고 효율성을 높일 수 있습니다. CuAAC 반응의 생성물은 구조적으로 순수하고 고분자량 폴리머입니다.
가수분해, 산화 및 환원과 같은 많은 반응 조건에서의 안정성과 같은 구리 촉매의 놀라운 특성으로 인해 폴리트리아졸 폴리머의 아지드-알킨 합성 및 폴리머의 후기능화를 위한 다양한 구리 촉매(및 루테늄과 같은 기타 금속)의 개발에 대한 상당한 연구가 있었습니다.
티올-엔 반응
티올-엔 반응에서 티올은 알켄과 반응하여 탄소-황 결합을 형성하고 그 과정에서 새로운 탄소-탄소 이중 결합이 형성됩니다. 티올-엔 반응은 기존 반응에 비해 다음과 같은 몇 가지 장점이 있습니다.
- 온화한 조건에서 진행
- 광범위한 작용기를 내성
- 원팟 절차로 수행되어 프로세스를 단순화하고 효율성을 높입니다.
티올-인 반응은 티올-엔 반응과 유사하지만 티올과 알킨의 반응을 포함하여 탄소-황 결합을 형성하고 그 과정에서 새로운 탄소-탄소 삼중 결합이 형성됩니다. 이러한 반응은 덴드리머, 하이드로겔 및 나노입자를 구축하고 폴리머 사슬을 기능화 후하는 데 사용할 수 있습니다. 말단 알켄 및 티올 그룹을 쉽게 도입할 수 있으며 광화학을 통해 독성 촉매 없이 반응을 수행할 수 있습니다.
Diels-Alder 반응
Diels-Alder 고리형 부가 반응은 공액 디엔(두 개의 교대 이중 결합을 포함하는 분자)과 친디에노(이중 결합을 포함하는 분자)에서 고리 화합물을 형성하는 화학 반응의 한 종류입니다. 디엔과 친디에노는 디엔과 친디에노 사이에 새로운 결합이 형성되어 새로운 고리 화합물을 생성하는 공동 반응을 겪습니다.
Diels-Alder 반응은 강력한 합성 도구이며 선택성이 높을 수 있지만 항상 빠르거나 수율이 높은 것은 아닙니다. 어떤 경우에는 원하는 생성물을 얻기 위해 반응 조건을 신중하게 제어해야 합니다. 또한 일부 Diels-Alder 반응은 부반응이나 원치 않는 부산물의 형성을 초래할 수 있습니다.
SPAAC(균주 촉진 아지드-알킨 사이클로첨가) 반응
스트레인 촉진 아지드-알킨 사이클로첨가(SPAAC) 금속 촉매가 필요하지 않은 클릭 반응의 일종입니다. 대신, 반응은 아지드와 반응하여 안정적인 트리아졸 생성물을 형성하는 사이클로옥틴 및 그 유도체의 고유한 변형 에너지에 의해 구동됩니다.
이 반응은 2004년 노벨상 수상자인 캐롤린 베르토치(Carolyn Bertozzi)가 발표했으며, 그는 샤플리스와 멜달과 함께 노벨 화학상을 수상했습니다. Bertozzi는 구리가 생물에 독성이 있다는 것을 알고 있었기 때문에 구리 촉매 아지드-알킨 사이클로첨가(CuAAC) 클릭 반응에 대한 대안을 찾기 위해 문헌을 검색했습니다. 그녀는 알킨이 고리 모양의 화학 구조로 강제로 들어가면 아지드와 알킨이 함께 반응할 수 있음을 발견했습니다.
SPAAC 반응은 세포에서 잘 작동했기 때문에 Bertozzi는 세포 표면에 위치한 특수 탄수화물인 글리칸을 추적하는 데 사용할 수 있음을 입증했습니다. 이는 SPAAC가 매우 선택적이고 생물학적 직교성이므로 다른 생물학적 과정을 방해하지 않고 생물학적 시스템에서 발생할 수 있기 때문입니다.
SPAAC는 화학 생물학 및 생체 접합에 널리 사용되어 글리칸과 같은 생체 분자의 라벨링 및 이미징은 물론 표적 치료법 개발도 가능합니다. SPAAC 는 반응 조건이 온화하고 촉매가 없기 때문에 일부 응용 분야에서 CuAAC 반응 에 대한 유용한 대안입니다. 예를 들어, 이 반응을 통해 Bertozzi와 과학자들은 질병 과정을 연구할 수 있었습니다.
테트라진 클릭 화학
테트라진 클릭 화학은 테트라진과 트랜스-시클로옥텐과 같은 변형된 알켄을 반응시켜 안정적인 생성물을 형성하는 클릭 반응의 한 유형입니다. 이 반응은 생물학적 직교적이며, 이는 다른 생물학적 과정을 방해하지 않고 생물학적 시스템에서 발생할 수 있음을 의미합니다.
테트라진 클릭 화학은 생물학적 분자의 선택적 라벨링 및 표적화를 가능하게 하므로 생체 내 이미징 및 약물 전달 응용 분야에 특히 유용합니다. 또한 테트라진 클릭 화학은 빠르고 효율적이며 실온에서 몇 초 안에 발생합니다. 높은 선택성과 빠른 반응 동역학으로 인해 테트라진 클릭 화학은 화학 생물학 연구 및 약물 개발을 위한 강력한 도구가 되었습니다.
중합을 클릭합니다.
클릭 중합은 폴리머를 합성하는 데 사용되는 클릭 반응의 한 유형입니다. 이 접근 방식에는 CuAAC 또는 티올-엔 화학과 같은 클릭 화학 반응을 사용하여 단량체를 빠르고 효율적으로 결합하는 것이 포함됩니다.
클릭 중합은 고효율, 높은 선택성 및 온화한 반응 조건을 포함하여 기존 중합 방법에 비해 여러 가지 장점이 있습니다. 또한 클릭 중합 을 통해 폴리머 구조와 구성을 정밀하게 제어할 수 있어 복잡한 다기능 재료를 만들 수 있습니다.
클릭 중합은 고급 코팅, 접착제 및 복합재 개발을 포함하여 재료 과학 분야에서 수많은 응용 분야를 발견했습니다. 사용 편의성과 다양성으로 인해 클릭 중합은 맞춤형 특성을 가진 기능성 폴리머 합성을 위한 귀중한 도구가 되었습니다.
클릭 투 릴리스
클릭 투 릴리스는 운반체 분자 또는 스캐폴드에서 생리 활성 분자의 방출을 유발하는 클릭 반응의 한 유형입니다. 이 접근법에는 화물 분자를 방출하기 위해 CuAAC 또는 SPAAC와 같은 클릭 반응에 의해 절단될 수 있는 링커 분자를 사용하는 것이 포함됩니다.
클릭 투 릴리스는 매우 선택적이며 특정 효소 또는 pH 수준에 대한 반응과 같은 특정 조건에서 화물 분자를 방출하도록 맞춤화할 수 있습니다. 이 접근법은 질병이나 부상 부위에 화물 분자가 방출되어 부작용을 최소화하고 치료 효능을 향상시키는 표적 약물 전달에 사용되었습니다.
클릭 투 이형은 재료 과학에서도 사용되어 코팅, 접착제 및 기타 재료에서 기능성 분자의 방출을 제어할 수 있습니다. 높은 선택성과 제어 가능한 방출 특성으로 인해 클릭 투 방출은 표적 약물 전달 및 기타 응용 분야를 위한 강력한 도구입니다.
클릭 반응의 장점
- 고효율
- 높은 선택성
- 생물 직교 반응성
- 온화한 반응 조건
클릭 반응의 제한 사항
- 독성 촉매의 요구 사항
- 작용기 내성의 필요성
- 일부 반응 조건과의 비호환성
- 제한된 적용 범위
클릭 반응의 미래
신흥 기술과 통합된 Click Chemistry
클릭 화학은 기존 클릭 반응의 지속적인 개발 및 개선뿐만 아니라 훨씬 더 높은 효율성, 선택성 및 다양성을 갖춘 새로운 클릭 반응의 발견을 통해 유망한 미래를 가지고 있습니다. 공정 분석 기술(PAT)은 합성 및 제조 공정 중 클릭 반응을 실시간으로 모니터링하고 제어할 수 있게 함으로써 미래에 핵심적인 역할을 할 준비가 되어 있습니다. PAT를 사용하면 반응 동역학, 온도, 농도 등 주요 프로세스 매개변수를 빠르고 지속적으로 측정할 수 있으며, 프로세스 최적화 및 제어에 대한 귀중한 피드백을 제공합니다.
클릭 화학의 맥락에서 PAT를 사용하여 클릭 반응의 진행 상황을 실시간으로 모니터링하여 반응이 효율적으로 진행되고 원하는 생성물을 생산할 수 있습니다. 또한 PAT는 가변성 또는 불순물의 잠재적 원인을 식별하여 발생할 수 있는 모든 문제에 대한 조기 개입 및 수정을 가능하게 합니다. 클릭 화학이 화학 합성, 재료 과학 및 약물 개발에서 점점 더 중요한 역할을 함에 따라 PAT의 사용이 더욱 널리 보급되어 고품질 제품의 일관되고 효율적인 생산을 보장하는 데 도움이 될 것입니다.
클릭 반응 프로파일링을 위한 In-Situ FTIR
In-situ FTIR 분광법 은 클릭 반응 프로파일링에 대한 정확한 실시간 분석을 수행하는 데 도움이 됩니다. ReactIR™ FTIR 분광기는 높은 감도, 분해능 및 빠른 데이터 수집을 제공하여 클릭 반응 프로파일링의 메커니즘과 동역학을 식별하는 데 도움이 될 수 있습니다. ReactIR은 반응 경로 분석, 제품 순도 모니터링 및 불순물 검출에도 사용할 수 있습니다. ReactIR은 고체 냉각 기술을 사용하여 액체 질소 없이도 동급 최고의 성능을 제공하므로 품질 관리 및 공정 최적화에 중요한 클릭 반응 프로파일링을 위한 효율적이고 신뢰할 수 있으며 비파괴적인 방법을 제공합니다.
업계의 클릭 반응 예시
순환 첨가 클릭 반응에 대한 PAT
장, Y., 라이, W., 시에, SQ, 저우, H., 루, X. (2021b). 티오엔 클릭 중합을 통한 아세틸 펜던트를 함유한 CO2 기반 폴리(티오에테르-코-카보네이트)의 쉬운 합성, 구조 및 특성. 고분자 화학, 13(2), 201–208. https://doi.org/10.1039/d1py01477c
지방족 폴리카보네이트는 생물 의학 응용 분야에서 중요한 것으로 입증되고 있으며 새로운 APC의 합성이 활발히 연구되고 있습니다. 이 연구에서 폴리(티오에테르-코-카보네이트)는 비닐기 기능화된 비스-및 트리스-β-옥소-카보네이트에 부착된 아세틸기를 함유하여 합성됩니다. 주쇄에 티오 결합이 있고 각 반복 단위에 아세틸 펜던트가 있는 지방족 폴리카보네이트를 1차 비스티올과 함께 비스-비닐-비닐-β-옥소-카보네이트의 광화학적 유도 티올-엔 클릭 중합 을 통해 제조되었습니다. 이러한 폴리카보네이트는 t-부틸 퍼옥사이드를 사용하여 온화한 조건에서 쉽게 해중합되어 과산화 치환 고리형 탄산염과 폴리올을 생성합니다. 이 분해는 in-situ FTIR을 사용하여 입증되었습니다.
폴리머의 C=O 스트레칭 밴드는 탄산염(1746cm-1)과 부착된 아세틸기(1723cm-1)에서 발생하는 것으로 확인되었습니다. 이러한 C=O 흡수 밴드는 1,5,7-트리아자비시클로[4.4.0]dec-5-ene(TBD) 및 tert-부틸 하이드로퍼옥사이드(TBHP)를 반응 시스템에 첨가한 후 시간이 지남에 따라 감소했습니다. 고리형 탄산염의 C=O 스트레칭 밴드에서 발생하는 1809cm-1에서 새로운 상단의 존재는 과산화기능화된 바이사이클릭 탄산염의 형성과 관련이 있으며 폴리머 분해를 반영합니다.
열가소성 엘라스토머를 위한 In-Situ FTIR
Bretzler, V., Grübel, M., Meister, S., &; Rieger, B. (2014b). 클릭 중합에 의해 얻은 PDMS 함유 교대 공중합체. 고분자 화학 및 물리학, 215(14), 1396–1406. https://doi.org/10.1002/macp.201400178
이 연구는 값비싼 촉매가 필요하고 추가 고려 사항이 필요한 화학적으로 가교된 엘라스토머 폴리머에 비해 열가소성 엘라스토머(TPE)의 장점을 강조합니다. TPE는 열처리에 이점을 제공하므로 3D 프린팅 및 사출 성형과 같은 응용 분야에 귀중한 선택입니다. 특히, 이 연구는 폴리(디메틸실록산)가 TPE의 세그먼트로 사용될 수 있고 CuAAC 클릭 반응 이 PDMS를 기반으로 선형 고분자를 구성할 수 있음을 보여줍니다.
저자는 CuAAC 반응을 통해 PDMS 함유 교대 공중합체에 다양한 기능이 통합되어 다양한 특성을 가진 TPE가 형성되는 것을 보여줌으로써 이 연구를 확장합니다. 저자는 중 합에 사용되는 다양한 디알킨 코모노머의 기하학적 구조뿐만 아니라 다양한 아지도-기능화된 올리고실록산 세그먼트에 의존하는 구조-특성 관계를 탐구합니다.
ReactIR in-situ FTIR 분광기는 반응 중 아지드 관능률의 붕괴를 추적하여 중합 동역학에 대한 통찰력을 제공했습니다. 또한, 현장 FTIR 측정은 CuAAC 반응에 삼형 트리아졸 리간드 트리스((1-벤질-1H-1,2,3-트리아졸-4-일)메틸)아민(TBTA)의 등가물을 첨가하여 중합 반응 속도가 크게 향상되었음을 입증했습니다. 또한, 가속 효과를 달성하기 위한 리간드 대 금속의 최적 비율은 0.5 내지 1.0 eq 사이로 결정되어 반응 속도가 가장 높았습니다. 이 연구는 TPE의 잠재력을 조명하고 TPE의 특성과 기능에 대한 포괄적인 이해를 제공합니다.
인용 및 참고 문헌
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