Kliknij Reakcje i kliknij Narzędzia chemiczne

Chemia in-situ wspierająca reakcje kliknięcia

Co to jest chemia kliknięć?

Chemia kliknięć to termin opisujący rodzinę reakcji chemicznych, które zostały zaprojektowane tak, aby były wydajne, selektywne i proste. Te reakcje chemiczne są zaprojektowane tak, aby były modułowe, miały szeroki zakres i generowały minimalną ilość produktów ubocznych. Reakcje chemiczne kliknięć są szeroko stosowane w wielu dziedzinach chemii, w tym w odkrywaniu leków, materiałoznawstwie i biokoniugacji.

Koncepcja "click chemistry" została wprowadzona w 2001 roku przez laureata Nagrody Nobla, K. Barry'ego Sharplessa. Terminy "chemia kliknięcia" i "reakcja na kliknięcie" są często używane zamiennie, ale istnieje między nimi subtelna różnica.

Co to jest reakcja na kliknięcie?

Reakcje kliknięcia odnoszą się do reakcji chemicznych, które spełniają kryteria chemii kliknięć. Reakcje te polegają na połączeniu dwóch cząsteczek za pomocą określonego wiązania chemicznego, często obejmującego azydki, alkiny lub cyklooktyny. Reakcje kliknięcia są zazwyczaj szybkie, wysokowydajne i zachodzą w łagodnych warunkach, co czyni je idealnymi do różnych zastosowań. 

W reakcjach kliknięcia naukowcy wykorzystują specjalne cząsteczki, które mogą łatwo się ze sobą zatrzasnąć, jak pas bezpieczeństwa, który idealnie się ze sobą zapina. Są one szczególnie ważne, biorąc pod uwagę, że koncepcja ta ma zastosowanie niezależnie od skali. W ciągu ostatnich kilku dekad reakcje kliknięć stały się szeroko stosowane w specjalistycznych zastosowaniach chemicznych, farmaceutycznych, biomolekularnych, biomedycznych i polimerowych. 

Chemia kliknięć zrewolucjonizowała sposób, w jaki chemicy podchodzą do syntezy złożonych cząsteczek i doprowadziła do opracowania nowych materiałów, leków i innych produktów, które mają ważne zastosowania w różnych dziedzinach.

Kryteria reakcji na kliknięcie

Celem jest opracowanie rosnącego zestawu potężnych, selektywnych i modułowych "bloków", które działają niezawodnie zarówno w małych, jak i dużych aplikacjach. Podstawę tego podejścia nazwaliśmy "chemią kliknięć" i zdefiniowaliśmy zestaw rygorystycznych kryteriów, które musi spełniać proces, aby był użyteczny w tym kontekście. Reakcja musi być modularna, o szerokim zakresie, dawać bardzo wysoką wydajność, wytwarzać tylko nieszkodliwe produkty uboczne, które można usunąć metodami niechromatograficznymi, i być stereospecyficzna (ale niekoniecznie enancjoselektywna). Wymagane cechy procesu obejmują (Kolb i wsp. 2.1): 

  1. Proste warunki reakcji i najlepiej, aby obecność tlenu i wody nie miała wpływu na proces
  2. Materiały wyjściowe i odczynniki, które są łatwo dostępne
  3. Reakcje są albo wolne od rozpuszczalników, albo przy użyciu łagodnego lub łatwego do wyeliminowania rozpuszczalnika
  4. Prosta izolacja produktu

Reakcje na kliknięcia mają pewne kluczowe właściwości, które czynią je skutecznymi. Opierają się na silnej termodynamicznej sile napędowej, zwykle powyżej 20 kcal mol-1, co oznacza, że mogą wystąpić szybko i wytworzyć tylko jeden pożądany produkt. Możemy myśleć o reakcjach na kliknięcie jako o gotowości do działania w jednym kierunku, jak obciążona sprężyna. Ważne jest, aby zrozumieć te właściwości, aby skutecznie wykorzystywać reakcje na kliknięcia.

Przewodnik po zielonej chemii i zrównoważonej inżynierii

Reakcja CuAAC (cykloaddycja azydowo-alkinowa katalizowana miedzią)

Katalizowana miedzią cykloaddycja azydkowo-alkinowa była pierwszą reakcją kliknięcia opracowaną niezależnie przez laureatów Nagrody Nobla, Sharplessa i Meldala. Ta reakcja, nazwana "klejnotem koronnym chemii kliknięć", wykorzystuje katalizator miedziowy do utworzenia nowego wiązania między azydkowymi i alkinowymi grupami funkcyjnymi. Rezultatem jest pierścień triazolowy, który działa jak klocek Lego lub klamra pasa bezpieczeństwa, aby "kliknąć" jedną cząsteczkę na drugiej. 

Reakcje CuAAC można przeprowadzać w procedurze jednoetapowej, co oznacza, że wszystkie reagenty można połączyć na początku reakcji, upraszczając proces i czyniąc go bardziej wydajnym. Produktami reakcji CuAAC są strukturalnie czyste polimery o dużej masie cząsteczkowej. 

Ze względu na niezwykłe właściwości katalizatorów miedzianych, takie jak ich stabilność w wielu warunkach reakcji, np. hydrolizy, utleniania i redukcji, przeprowadzono wiele badań nad rozwojem różnych katalizatorów miedziowych (i innych metali, np. rutenu) do syntezy azydkowo-alkinowej polimerów politriazolowych, a także po funkcjonalizacji polimerów.

Diagram reakcji CuAAC

Reakcja tiolowo-enowa

W reakcji tiol-en tiol reaguje z alkenem, tworząc wiązanie węgiel-siarka, w wyniku czego powstaje nowe podwójne wiązanie węgiel-węgiel. Reakcje tiolowo-enowe mają kilka zalet w porównaniu z tradycyjnymi reakcjami, w tym zdolność:

  • Postępuj w łagodnych warunkach
  • Tolerują szeroki zakres grup funkcjonalnych
  • Przeprowadza się je w procedurze jednoetapowej, upraszczając proces i zwiększając wydajność  

Reakcje tiol-yn są podobne do reakcji tiol-en, ale obejmują reakcję tiolu z alkinem w celu utworzenia wiązania węgiel-siarka, z nowym potrójnym wiązaniem węgiel-węgiel. Reakcje te mogą być wykorzystywane do budowy dendrymerów, hydrożeli i nanocząstek, a także do postfunkcjonalizacji łańcuchów polimerowych. Końcowe grupy alkenowe i tiolowe można łatwo wprowadzić, a reakcje można przeprowadzić bez toksycznych katalizatorów za pomocą fotochemii.

Reakcja Dielsa-Olchy

Reakcje cykloaddycji Dielsa-Aldera to klasa reakcji chemicznych, które polegają na tworzeniu cyklicznych związków ze sprzężonego dienu (cząsteczki zawierającej dwa naprzemienne wiązania podwójne) i dienofilu (cząsteczki zawierającej wiązanie podwójne). Dien i dienofil przechodzą skoordynowaną reakcję, w której powstaje nowe wiązanie między dienem a dienofilem w celu wytworzenia nowego cyklicznego związku.  

Chociaż reakcja Dielsa-Olchy jest potężnym narzędziem syntetycznym i może być wysoce selektywna, nie zawsze jest szybka lub wydajna. W niektórych przypadkach warunki reakcji muszą być dokładnie kontrolowane, aby uzyskać pożądany produkt. Dodatkowo niektóre reakcje Dielsa-Olcha mogą prowadzić do reakcji ubocznych lub powstawania niepożądanych produktów ubocznych.

Diagram reakcji Dielsa-Adlera

Reakcja SPAAC (cykloaddycja azydowo-alkinowa promowana przez szczep)

Cykloaddycja azydkowo-alkinowa promowana szczepem (SPAAC) to rodzaj reakcji kliknięcia, która nie wymaga metalowego katalizatora. Zamiast tego reakcja jest napędzana przez naturalną energię odkształcenia cyklooktyn i ich pochodnych, które reagują z azydkami, tworząc stabilny produkt triazolowy. 

Reakcja została opublikowana w 2004 roku przez laureatkę Nagrody Nobla Carolyn Bertozzi, która zdobyła Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii wraz z Sharplessem i Meldalem. Bertozzi wiedziała, że miedź jest toksyczna dla organizmów żywych, więc przeszukała literaturę w poszukiwaniu alternatywy dla katalizowanych miedzią reakcji klikania azydko-alkinowej (CuAAC). Odkryła, że azydki i alkiny mogą reagować ze sobą, jeśli alkin zostanie wtłoczony w strukturę chemiczną w kształcie pierścienia. 

Reakcja SPAAC przebiegała dobrze w komórkach, więc Bertozzi wykazał, że można ją wykorzystać do śledzenia glikanów, specjalnych węglowodanów znajdujących się na powierzchni komórek. Dzieje się tak, ponieważ SPAAC jest wysoce selektywny i bioortogonalny, co oznacza, że może występować w systemach biologicznych bez zakłócania innych procesów biologicznych. 

SPAAC jest szeroko stosowany w biologii chemicznej i biokoniugacji, umożliwiając znakowanie i obrazowanie biomolekuł, takich jak glikany, a także opracowywanie terapii celowanych. SPAAC jest użyteczną alternatywą dla reakcji CuAAC w niektórych zastosowaniach ze względu na łagodne warunki reakcji i brak katalizatora. Na przykład reakcja ta pozwoliła Bertozziemu i naukowcom na zbadanie procesów chorobowych. 

Tetrazine Click Chemia

Tetrazynowa chemia kliknięć to rodzaj reakcji kliknięcia, która polega na reakcji tetrazin z odcedzonymi alkenami, takimi jak transcyklookteny, w celu wytworzenia stabilnego produktu. Reakcja jest bioortogonalna, co oznacza, że może zachodzić w systemach biologicznych bez zakłócania innych procesów biologicznych. 

Tetrazynowa chemia kliknięć jest szczególnie przydatna w obrazowaniu in vivo i dostarczaniu leków, ponieważ pozwala na selektywne znakowanie i celowanie w cząsteczki biologiczne. Dodatkowo, tetrazynowa chemia kliknięć jest szybka i wydajna, zachodzi w ciągu kilku sekund w temperaturze pokojowej. Jego wysoka selektywność i szybka kinetyka reakcji sprawiają, że tetrazyna click chemistry jest potężnym narzędziem do badań w biologii chemicznej i opracowywania leków.

Kliknij Polimeryzacja

Polimeryzacja klikająca to rodzaj reakcji kliknięcia, która służy do syntezy polimerów. Podejście to polega na szybkim i wydajnym sprzęganiu monomerów za pomocą reakcji chemii kliknięć, takich jak chemia CuAAC lub chemia tiolowo-enowa. 

Polimeryzacja Click ma kilka zalet w porównaniu z tradycyjną metodą polimeryzacji, w tym wysoką wydajność, wysoką selektywność i łagodne warunki reakcji. Dodatkowo polimeryzacja zatrzaskowa pozwala na precyzyjną kontrolę struktury i składu polimeru, umożliwiając tworzenie złożonych, wielofunkcyjnych materiałów. 

Polimeryzacja Click znalazła liczne zastosowania w materiałoznawstwie, w tym w opracowywaniu zaawansowanych powłok, klejów i kompozytów. Łatwość użycia i wszechstronność sprawiają, że polimeryzacja na klik jest cennym narzędziem do syntezy funkcjonalnych polimerów o dostosowanych właściwościach.

Kliknij, aby zwolnić

Click-to-release to rodzaj reakcji kliknięcia, która wyzwala uwalnianie bioaktywnych cząsteczek z cząsteczki nośnika lub rusztowania. Podejście to polega na użyciu cząsteczki łącznikowej, która może zostać rozszczepiona w reakcji kliknięcia, takiej jak CuAAC lub SPAAC, w celu uwolnienia cząsteczki ładunku. 

Click-to-release jest wysoce selektywny i może być dostosowany do uwalniania cząsteczki ładunku w określonych warunkach, takich jak odpowiedź na określony enzym lub poziom pH. Podejście to zostało zastosowane do celowanego dostarczania leków, w którym cząsteczka ładunku jest uwalniana w miejscu choroby lub urazu, minimalizując skutki uboczne i poprawiając skuteczność terapeutyczną. 

Click-to-release jest również stosowany w materiałoznawstwie, gdzie pozwala na kontrolowane uwalnianie cząsteczek funkcjonalnych z powłok, klejów i innych materiałów. Wysoka selektywność i kontrolowane właściwości uwalniania sprawiają, że technologia "kliknij, aby uwolnić" jest potężnym narzędziem do celowanego dostarczania leków i innych zastosowań.

Zalety reakcji na kliknięcia

  • Wysoka wydajność
  • Wysoka selektywność
  • Reaktywność bioortogonalna
  • Łagodne warunki reakcji

Ograniczenia reakcji na kliknięcie

  • Wymóg stosowania katalizatorów toksycznych
  • Potrzeba tolerancji grup funkcyjnych
  • Niezgodność z niektórymi warunkami reakcji
  • Ograniczony zakres stosowania 

Przyszłość reakcji na kliknięcia

Click Chemia zintegrowana z nowymi technologiami

Chemia kliknięć ma obiecującą przyszłość dzięki ciągłemu rozwojowi i udoskonalaniu istniejących reakcji na kliknięcia, a także odkrywaniu nowych reakcji na kliknięcia z jeszcze większą wydajnością, selektywnością i wszechstronnością. Technologia analizy procesowej (PAT) może odegrać kluczową rolę w tej przyszłości, umożliwiając monitorowanie i kontrolę reakcji kliknięcia w czasie rzeczywistym podczas procesów syntezy i produkcji. PAT pozwala na szybki i ciągły pomiar kluczowych parametrów procesu, takich jak kinetyka reakcji, temperatura i stężenie, dostarczając cennych informacji zwrotnych do optymalizacji i kontroli procesu.

W kontekście chemii kliknięć, PAT może być używany do monitorowania postępu reakcji kliknięć w czasie rzeczywistym, zapewniając, że reakcja przebiega sprawnie i daje pożądany produkt. Ponadto PAT może pomóc w identyfikacji potencjalnych źródeł zmienności lub zanieczyszczeń, umożliwiając wczesną interwencję i skorygowanie wszelkich problemów, które mogą się pojawić. Ponieważ chemia kliknięć nadal odgrywa coraz ważniejszą rolę w syntezie chemicznej, materiałoznawstwie i opracowywaniu leków, stosowanie PAT prawdopodobnie stanie się bardziej powszechne, pomagając zapewnić stałą i wydajną produkcję produktów wysokiej jakości.

Spektroskopia ftir in-situ do profilowania reakcji kliknięcia

Przykłady reakcji na kliknięcia w przemyśle

PAT dla reakcji kliknięcia cykloaddycji

Zhang, Y., Lai, W., Xie, S. Q., Zhou, H. i Lu, X. (2021b). Łatwa synteza, struktura i właściwości poli(tioetero-kowęglanu) pochodzącego z CO2 zawierającego wisiorki acetylowe poprzez polimeryzację tio-enu na klik. Chemia polimerów, 13(2), 201–208. https://doi.org/10.1039/d1py01477c

Poliwęglany alifatyczne okazują się być istotne w zastosowaniach biomedycznych, a synteza nowych APC jest aktywnie badana. W tej pracy poli(tioetero-kowęglany) są syntetyzowane zawierające grupy acetylowe przyłączone do funkcjonalizowanych grupami winylowymi bis- i tris-β-oksowęglanów. Alifatyczne poliwęglany z wiązaniami tio-wiązaniami w łańcuchu głównym i zawieszkami acetylowymi w każdej powtarzającej się jednostce otrzymano poprzez fotochemicznie indukowaną polimeryzację tiolowo-zatrzaskową bis- i tris-winylo-β-oksowęglanów z pierwotnymi bistiolami. Poliwęglany te są łatwo depolimeryzowane w łagodnych warunkach przy użyciu nadtlenku t-butylu, tworząc cykliczne węglany i poliole podstawione nadtlenem. Degradację tę wykazano za pomocą FTIR in-situ.  

Zidentyfikowano pasma rozciągające C=O w polimerze wynikające z węglanu (1746 cm−1) i przyłączonej grupy acetylowej (1723 cm−1). Te pasma absorpcyjne C=O zmniejszały się z czasem po dodaniu do układu reakcyjnego 1,5,7-triazabicyklo[4.4.0]dec-5-enu (TBD) i wodoronadtlenku tert-butylu (TBHP). Obecność nowego wierzchołka na wysokości 1809 cm−1 wynikającego z pasma rozciągającego C=O cyklicznego węglanu wiązała się z powstawaniem funkcjonalizowanych peroksy węglanów dwupierścieniowych i odzwierciedlała degradację polimeru. 

FTIR in-situ dla elastomerów termoplastycznych

Bretzler, V., Grübel, M., Meister, S. i Rieger, B. (2014b). Naprzemienne kopolimery zawierające PDMS otrzymywane metodą polimeryzacji zatrzaskowej. Chemia i fizyka makromolekularna, 215(14), 1396–1406. https://doi.org/10.1002/macp.201400178

Badania te podkreślają zalety elastomerów termoplastycznych (TPE) w porównaniu z chemicznie usieciowanymi polimerami elastomerowymi, które wymagają kosztownych katalizatorów i dodatkowych rozważań. TPE oferuje korzyści w obróbce termicznej, co czyni je cennym wyborem do zastosowań takich jak druk 3D i formowanie wtryskowe. Warto zauważyć, że badanie to pokazuje, że poli(dimetylosiloksan) może być stosowany jako segmenty w TPE, a reakcje klikania CuAAC mogą konstruować liniowe polimery na bazie PDMS. 

Autorzy rozszerzają te badania, prezentując włączenie różnych funkcji do naprzemiennego kopolimeru zawierającego PDMS poprzez reakcję CuAAC, w wyniku której powstaje TPE o różnych właściwościach. Autorzy badają zależności struktura-właściwości, które są zależne od różnych segmentów oligosiloksanów funkcjonalizowanych azydo, a także geometrii różnych komonomerów dialkinowych stosowanych w polimeryzacji

Spektrometr FTIR in-situ ReactIR dostarczył informacji na temat kinetyki polimeryzacji poprzez śledzenie zaniku funkcjonalności azydku podczas reakcji.  Ponadto pomiary FTIR in-situ wykazały znaczne zwiększenie szybkości reakcji polimeryzacji po dodaniu jednego odpowiednika triazolowego ligandu triazolowego tris((1-benzylo-1H-1,2,3-triazol-4-ylo)metylo)aminy (TBTA) do reakcji CuAAC. Co więcej, optymalny stosunek ligandu do metalu dla osiągnięcia efektu przyspieszenia określono na poziomie od 0,5 do 1,0 eq, co skutkuje najwyższą szybkością reakcji. Badanie to rzuca światło na potencjał TPE i zapewnia kompleksowe zrozumienie ich właściwości i możliwości.

Cytaty i referencje

Najczęściej zadawane pytania

Jaka jest definicja reakcji na kliknięcie?

Reakcje kliknięcia to rodzina reakcji chemicznych, które są szybkie, wydajne i wysoce selektywne. Zostały one po raz pierwszy wprowadzone przez K. Barry'ego Sharplessa w 2001 roku i od tego czasu stały się cennym narzędziem do syntezy chemicznej, materiałoznawstwa i biokoniugacji. Reakcje klikania zazwyczaj polegają na sprzężeniu dwóch fragmentów molekularnych poprzez określony mechanizm reakcji, taki jak cykloaddycja, substytucja nukleofilowa lub addycja Michaela. Reakcje te charakteryzują się wysoką wydajnością, prostymi warunkami reakcji i zdolnością do zachodzenia w warunkach biokompatybilnych. Reakcje kliknięć znalazły liczne zastosowania w biologii chemicznej, gdzie są wykorzystywane do znakowania, obrazowania i dostarczania leków, a także w materiałoznawstwie, gdzie są wykorzystywane do syntezy zaawansowanych powłok, klejów i kompozytów.

Dlaczego nazywa się to reakcją kliknięcia?

reakcjach kliknięć naukowcy wykorzystują specjalne cząsteczki, które mogą się łatwo ze sobą łączyć. Ten zazębiający się proces pozwala naukowcom budować nowe rzeczy, podobnie jak budowanie z klocków Lego.  

Reakcje na kliknięcia zyskały swoją nazwę ze względu na swoją prostotę, skuteczność i wysoką selektywność. Termin ten został wprowadzony przez K. Barry'ego Sharplessa w 2001 roku, który opisał idealną reakcję chemiczną jako "proces, który jest modułowy, ma szeroki zakres, daje bardzo wysoką wydajność, generuje tylko nieszkodliwe produkty uboczne, które są łatwe do usunięcia i mogą być przeprowadzane w łagodnych warunkach, najlepiej w roztworze wodnym lub in vivo".

Co więcej, idealna reakcja kliknięcia powinna być również wysoce selektywna i zachodzić w jednym kroku, eliminując potrzebę skomplikowanych etapów oczyszczania lub izolacji. Termin "klik" stał się obecnie powszechnie używany do opisania rodziny reakcji chemicznych, które spełniają te kryteria.

Czy chemia kliknięć to zielona chemia?

Chemia Click została uznana za technologię zielonej chemii ze względu na wysoką wydajność, selektywność i niską produkcję odpadów. Idealna reakcja kliknięcia powinna generować minimalną ilość odpadów lub nie powodować jej braku, wymagać minimalnego wkładu energii i przebiegać w łagodnych warunkach reakcji (tj. temperaturze i ciśnieniu otoczenia), co czyni ją atrakcyjną opcją dla zrównoważonej chemii. 

Reakcje klikania mogą być również stosowane w wodnych lub innych przyjaznych dla środowiska rozpuszczalnikach, co dodatkowo zmniejsza ich wpływ na środowisko. Co więcej, chemicy łączą chemię kliknięć z innymi technikami zielonej chemii, takimi jak chemia przepływowa, aby jeszcze bardziej zminimalizować ilość odpadów i zużycie energii. Chemia kliknięć stanowi obiecującą drogę do rozwoju bardziej zrównoważonych i przyjaznych dla środowiska metod syntezy chemicznej.

Dowiedz się więcej o zielonej chemii i zrównoważonym rozwoju.

Jaka jest różnica między chemią kliknięć a reakcjami kliknięć?

Chemia kliknięć to rodzaj syntezy chemicznej, która ma na celu szybkie, łatwe i selektywne tworzenie nowych cząsteczek przy użyciu tylko niewielkiego zestawu wysoce niezawodnych i wydajnych reakcji. Z drugiej strony reakcje kliknięcia to specyficzne reakcje chemiczne, które wykorzystują chemię kliknięcia do tworzenia wiązania kowalencyjnego między dwiema grupami funkcyjnymi.

Innymi słowy, chemia kliknięć to szerokie pojęcie, które opisuje ogólne podejście do syntezy chemicznej, podczas gdy reakcje kliknięć są specyficznymi reakcjami stosowanymi w ramach tego podejścia. Reakcje Click charakteryzują się wysoką wydajnością, wysoką specyficznością i łagodnymi warunkami reakcji, co czyni je idealnymi do zastosowań takich jak odkrywanie leków, materiałoznawstwo i biokoniugacja.

Chcę...
Need assistance?
Our team is here to achieve your goals. Speak with our experts.