Oglejte si naš celoten seznam zelenih in trajnostnih kemijskih virov, vključno s študijami primerov in primeri industrije. Ta bela knjiga prikazuje, kako informacije, ki jih zagotavlja napredna tehnologija podjetja METTLER TOLEDO, pomagajo pri podpiranju zelene in trajnostne kemije pri raziskavah, razvoju in proizvodnji farmacevtskih, kemičnih in polimernih molekul in izdelkov
Kaj je kemija klikov?
Kemija klikov je izraz, ki opisuje družino kemijskih reakcij, ki so zasnovane tako, da so učinkovite, selektivne in preproste. Te kemijske reakcije so zasnovane tako, da so modularne, širokega obsega in ustvarjajo minimalne stranske produkte. Kemijske reakcije klikov se pogosto uporabljajo na številnih področjih kemije, vključno z odkrivanjem zdravil, znanostjo o materialih in biokonjugacijo.
Koncept "kemije klikov" je leta 2001 uvedel Nobelov nagrajenec K. Barry Sharpless. Izraza "kemija klikov" in "reakcija klika" se pogosto uporabljata zamenljivo, vendar je med njima subtilna razlika.
Kaj je reakcija klika?
Reakcije klikov se nanašajo na kemijske reakcije, ki izpolnjujejo kriterije kemije klikov. Te reakcije vključujejo združevanje dveh molekul s specifično kemično vezjo, ki pogosto vključuje azide, alkine ali ciklooktine. Reakcije klikov so običajno hitre, visoko donosne in se pojavljajo v blagih pogojih, zaradi česar so idealne za različne aplikacije.
V reakcijah klikov znanstveniki uporabljajo posebne molekule, ki se lahko zlahka združijo, kot je varnostni pas, ki se popolnoma upogne. Še posebej so pomembni, saj se koncept uporablja ne glede na obseg. V zadnjih nekaj desetletjih so klik reakcije postale široko uporabljene v posebnih kemičnih, farmacevtskih, biomolekularnih, biomedicinskih in polimernih aplikacijah.
Kemija klikov je revolucionirala način, kako kemiki pristopajo k sintezi kompleksnih molekul in privedla do razvoja novih materialov, zdravil in drugih izdelkov, ki imajo pomembno uporabo na različnih področjih.
Kliknite Pogoji za odziv
Cilj je razviti nabor zmogljivih, selektivnih in modularnih "blokov", ki zanesljivo delujejo v majhnih in velikih aplikacijah. Temelj tega pristopa smo poimenovali »kemija klikov« in opredelili niz strogih meril, ki jih mora proces izpolnjevati, da bi bil uporaben v tem kontekstu. Reakcija mora biti modularna, širokega obsega, dajati zelo visoke izkoristke, ustvarjati le neškodljive stranske produkte, ki jih je mogoče odstraniti z nekromatografskimi metodami, in biti stereospecifična (vendar ne nujno enantioselektivna). Zahtevane značilnosti procesa vključujejo (Kolb et al. 2.1):
- Preprosti reakcijski pogoji in po možnosti na proces ne sme vplivati prisotnost kisika in vode
- Vhodni materiali in reagenti, ki so lahko dostopni
- Reakcije so brez topil ali pa se uporablja benigno vehiklo ali topilo, ki ga je mogoče zlahka odstraniti
- Enostavna izolacija izdelka
Reakcije klikov imajo določene ključne lastnosti, zaradi katerih so učinkovite. Zanašajo se na močno termodinamično gonilno silo, običajno nad 20 kcal mol-1, kar pomeni, da se lahko pojavijo hitro in proizvedejo samo en želeni izdelek. Reakcije klikov si lahko predstavljamo kot pripravljene za pot v eno smer, kot obremenjena vzmet. Pomembno je, da razumete te lastnosti za učinkovito uporabo klikov.
Napredek zelene kemije
Vrste odzivov na klik
Reakcija CuAAC (bakrem, katalizirana azid-alkinska cikloadicija)
Z bakrom katalizirana azid-alkinska cikloadicija je bila prva klik reakcija, ki sta jo neodvisno razvila Nobelova nagrajenca, Sharpless in Meldal. Ta reakcija, skovana kot "kronski dragulj kemije klikov", uporablja bakreni katalizator za oblikovanje nove vezi med azidnimi in alkinskimi funkcionalnimi skupinami. Rezultat je triazolni obroč, ki deluje kot blok Lego ali zaponka varnostnega pasu, da "klikne" eno molekulo na drugo.
Reakcije CuAAC se lahko izvajajo v postopku v enem loncu, kar pomeni, da se lahko vsi reaktanti združijo na začetku reakcije, kar poenostavi postopek in postane učinkovitejši. Produkti reakcij CuAAC so strukturno čisti polimeri z visoko molekulsko maso.
Zaradi izjemnih lastnosti bakrenih katalizatorjev, kot je njihova stabilnost v številnih reakcijskih pogojih, npr. hidroliza, oksidacija in redukcija, so bile opravljene obsežne raziskave o razvoju različnih bakrenih katalizatorjev (in drugih kovin, npr. rutenija) za sintezo azid-alkina politriazolnih polimerov in postfunkcionalizacijo polimerov.
Tiol-enska reakcija
V reakciji tiol-en tiol reagira z alkenom, da tvori vez ogljik-žveplo, pri čemer nastane nova dvojna vez ogljik-ogljik. Tiol-enske reakcije imajo več prednosti pred tradicionalnimi reakcijami, vključno s sposobnostjo:
- Nadaljujte v blagih pogojih
- Tolerirajte široko paleto funkcionalnih skupin
- Izvaja se v enem loncu, kar poenostavlja postopek in povečuje učinkovitost
Reakcije tiol-in so podobne reakcijam tiol-en, vendar vključujejo reakcijo tiola z alkinom, ki tvori vez ogljik-žveplo, pri čemer se v procesu oblikuje nova trojna vez ogljik-ogljik. Te reakcije se lahko uporabljajo za gradnjo dendrimerov, hidrogelov in nanodelcev ter postfunkcionalizirajočih polimernih verig. Terminalne alkenske in tiolne skupine se lahko enostavno vnesejo, reakcije pa se lahko izvedejo brez toksičnih katalizatorjev s fotokemijo.
Diels-Alderjeva reakcija
Diels-Alderjeve cikloadicijske reakcije so razred kemijskih reakcij, ki vključujejo tvorbo cikličnih spojin iz konjugiranega diena (molekule, ki vsebuje dve izmenični dvojni vezi) in dienofila (molekula, ki vsebuje dvojno vez). Dien in dienofil sta podvržena usklajeni reakciji, v kateri se oblikuje nova vez med dienom in dienofilom, da se ustvari nova ciklična spojina.
Medtem ko je Diels-Alderjeva reakcija močno sintetično orodje in je lahko zelo selektivna, ni vedno hitra ali visoko donosna. V nekaterih primerih je treba skrbno nadzorovati reakcijske pogoje, da se dobi želeni izdelek. Poleg tega lahko nekatere Diels-Alderjeve reakcije povzročijo neželene reakcije ali nastanek neželenih stranskih produktov.
Reakcija SPAAC (azid-alkinska cikloadicija, ki jo spodbuja sev)
Azid-alkinska cikloadicija, ki jo spodbuja sev, (SPAAC) je vrsta klik reakcije, ki ne zahteva kovinskega katalizatorja. Namesto tega reakcijo poganja inherentna energija seva ciklooktinov in njihovih derivatov, ki reagirajo z azidi in tvorijo stabilen triazolni produkt.
Reakcijo je leta 2004 objavila Nobelova nagrajenka Carolyn Bertozzi, ki je z Sharplessom in Meldalom prejela Nobelovo nagrado za kemijo. Bertozzi je vedela, da je baker strupen za živa bitja, zato je v literaturi iskala alternativo reakcijam azid-alkinske cikloadicije (CuAAC). Ugotovila je, da lahko azidi in alkini reagirajo skupaj, če se alkin potisne v obročasto kemično strukturo.
Reakcija SPAAC je dobro delovala v celicah, zato je Bertozzi pokazal, da jo je mogoče uporabiti za sledenje glikanom, posebnim ogljikovim hidratom, ki se nahajajo na površini celic. To je zato, ker je SPAAC zelo selektiven in bioortogonalen, kar pomeni, da se lahko pojavi v bioloških sistemih, ne da bi posegal v druge biološke procese.
SPAAC se pogosto uporablja v kemijski biologiji in biokonjugaciji, kar omogoča označevanje in slikanje biomolekul, kot so glikani, ter razvoj ciljnih terapij. SPAAC je koristna alternativa reakcijam CuAAC v nekaterih aplikacijah zaradi blagih reakcijskih pogojev in pomanjkanja katalizatorja. Na primer, reakcija je Bertozziju in znanstvenikom omogočila tudi preučevanje bolezenskih procesov.
Tetrazin klik kemija
Tetrazinska klik kemija je vrsta klik reakcije, ki vključuje reakcijo tetrazinov z napetimi alkeni, kot so trans-ciklookteni, da tvorijo stabilen produkt. Reakcija je bioortogonalna, kar pomeni, da se lahko pojavi v bioloških sistemih, ne da bi posegala v druge biološke procese.
Tetrazinska klik kemija je še posebej uporabna za in vivo slikanje in aplikacije za dostavo zdravil, saj omogoča selektivno označevanje in ciljanje bioloških molekul. Poleg tega je kemija klikov tetrazin hitra in učinkovita, pojavlja se v nekaj sekundah pri sobni temperaturi. Zaradi visoke selektivnosti in kinetike hitre reakcije je kemija tetrazin močno orodje za raziskave kemijske biologije in razvoj zdravil.
Kliknite Polimerizacija
Klik polimerizacija je vrsta klik reakcije, ki se uporablja za sintezo polimerov. Ta pristop vključuje hitro in učinkovito spajanje monomerov z uporabo klik kemijskih reakcij, kot sta CuAAC ali tiol-enska kemija.
Klik polimerizacija ima več prednosti pred tradicionalno metodo polimerizacije, vključno z visoko učinkovitostjo, visoko selektivnostjo in blagimi reakcijskimi pogoji. Poleg tega polimerizacija s klikom omogoča natančen nadzor nad strukturo in sestavo polimera, kar omogoča ustvarjanje kompleksnih, večnamenskih materialov.
Polimerizacija klikov je našla številne aplikacije v znanosti o materialih, vključno z razvojem naprednih premazov, lepil in kompozitov. Zaradi enostavne uporabe in vsestranskosti je polimerizacija klikov dragoceno orodje za sintezo funkcionalnih polimerov s prilagojenimi lastnostmi.
Sprostitev s klikom
Klik za sprostitev je vrsta reakcije klika, ki sproži sproščanje bioaktivnih molekul iz nosilne molekule ali odra. Ta pristop vključuje uporabo povezovalne molekule, ki jo je mogoče razcepiti s klik reakcijo, kot je CuAAC ali SPAAC, za sprostitev molekule tovora.
Click-to-release je zelo selektiven in ga je mogoče prilagoditi tako, da sprosti molekulo tovora pod določenimi pogoji, na primer kot odziv na določen encim ali raven pH. Ta pristop je bil uporabljen za ciljno dostavo zdravil, kjer se molekula tovora sprosti na mestu bolezni ali poškodbe, kar zmanjša neželene učinke in izboljša terapevtsko učinkovitost.
Click-to-release se uporablja tudi v znanosti o materialih, kjer omogoča nadzorovano sproščanje funkcionalnih molekul iz premazov, lepil in drugih materialov. Zaradi visoke selektivnosti in nadzorovanih lastnosti sproščanja je klik za sproščanje močno orodje za ciljno dostavo zdravil in druge aplikacije.
Prednosti odzivov klikov
- Visoka učinkovitost
- Visoka selektivnost
- Bioortogonalna reaktivnost
- Blaga reakcijska stanja
Omejitve odzivov klikov
- Zahteva po strupenih katalizatorjih
- Potreba po toleranci funkcionalnih skupin
- Nezdružljivost z nekaterimi reakcijskimi pogoji
- Omejeno področje uporabe
Prihodnost odzivov klikov
Kliknite Kemija, integrirana z nastajajočimi tehnologijami
Kemija klikov ima obetavno prihodnost z nadaljnjim razvojem in izpopolnjevanjem obstoječih klik reakcij ter odkrivanjem novih klik reakcij s še večjo učinkovitostjo, selektivnostjo in vsestranskostjo. Procesna analitična tehnologija (PAT) je pripravljena igrati ključno vlogo v tej prihodnosti, saj omogoča spremljanje in nadzor klikov v realnem času med sintezo in proizvodnimi procesi. PAT omogoča hitro in neprekinjeno merjenje ključnih procesnih parametrov, kot so reakcijska kinetika, temperatura in koncentracija, kar zagotavlja dragocene povratne informacije za optimizacijo in nadzor procesa.
V kontekstu kemije klikov se lahko PAT uporablja za spremljanje napredka klik reakcij v realnem času, kar zagotavlja, da reakcija poteka učinkovito in daje želeni izdelek. Poleg tega lahko PAT pomaga prepoznati potencialne vire variabilnosti ali nečistoč, kar omogoča zgodnje posredovanje in odpravo morebitnih težav, ki se lahko pojavijo. Ker kemija klikov še naprej igra vse pomembnejšo vlogo pri kemijski sintezi, znanosti o materialih in razvoju zdravil, bo uporaba PAT verjetno postala bolj razširjena, kar bo pomagalo zagotoviti dosledno in učinkovito proizvodnjo visokokakovostnih izdelkov.
FTIR na kraju samem za profiliranje reakcije klikov
FTIR spektroskopija na kraju samem vam pomaga pridobiti natančno analizo profiliranja reakcije klikov v realnem času. Spektrometer ReactIR™ FTIR ponuja visoko občutljivost, ločljivost in hitro pridobivanje podatkov, kar vam lahko pomaga prepoznati mehanizem in kinetiko profiliranja reakcije klikov. ReactIR se lahko uporablja tudi za analizo reakcijskih poti, spremljanje čistosti izdelka in odkrivanje nečistoč. ReactIR uporablja tehnologijo hlajenja v trdnem stanju za zagotavljanje najboljše zmogljivosti v razredu - brez potrebe po tekočem dušiku, kar zagotavlja učinkovito, zanesljivo in nedestruktivno metodo za profiliranje reakcij klikov, ki je ključnega pomena za nadzor kakovosti in optimizacijo procesov.
Kliknite Primeri reakcij v industriji
PAT za reakcijo cikloadicije
Zhang, Y., Lai, W., Xie, S. Q., Zhou, H., & Lu, X. (2021b). Enostavna sinteza, struktura in lastnosti poli(tioeter-kokarbonata) iz CO2, ki vsebujejo acetilne obeske s tio-ensko polimerizacijo.Kemija polimerov, 13(2), 201–208. https://doi.org/10.1039/d1py01477c
Alifatski polikarbonati so se izkazali za pomembne v biomedicinskih aplikacijah, sinteza novih APC pa se aktivno raziskuje. V tem delu so poli(tioeter-kokarbonati) sintetizirani, ki nosijo acetilne skupine, vezane na funkcionalizirane bis- in tris-β-oksokarbonate. Alifatski polikarbonati s tio-povezavami v glavni verigi in acetilni obeski v vsaki ponavljajoči se enoti so bili pripravljeni s fotokemično inducirano tiol-ensko klik polimerizacijo bis- in tris-vinil-β-oksokarbonatov s primarnimi bistioli. Ti polikarbonati se v blagih pogojih zlahka depolimerizirajo z uporabo t-butil peroksida, pri čemer nastanejo peroksi-substituirani ciklični karbonati in polioli. Ta razgradnja je bila dokazana z uporabo FTIR na kraju samem.
Ugotovljeni so bili raztezni pasovi C = O v polimeru, ki izhajajo iz karbonata (1746 cm−1) in iz vezane acetilne skupine (1723 cm−1). Ti absorpcijski pasovi C = O so se sčasoma zmanjšali, potem ko sta bila reakcijskemu sistemu dodana 1,5,7-triazabiciklo[4.4.0]dec-5-en (TBD) in terc-butil hidroperoksid (TBHP). Prisotnost novega vrha na 1809 cm−1 , ki izhaja iz razteznega pasu cikličnega karbonata C = O, je bila povezana z tvorbo peroksifunkcionaliziranih bicikličnih karbonatov in odseva razgradnjo polimera.
In-situ FTIR za termoplastične elastomere
Bretzler, V., Grübel, M., Meister, S., & Rieger, B. (2014b). Izmenični kopolimeri, ki vsebujejo PDMS, pridobljeni s klik polimerizacijo. Makromolekularna kemija in fizika, 215(14), 1396–1406. https://doi.org/10.1002/macp.201400178
Ta raziskava poudarja prednosti termoplastičnih elastomerov (TPE) pred kemično zamreženimi elastomernimi polimeri, ki zahtevajo drage katalizatorje in zahtevajo dodatne premisleke. TPE ponuja prednosti pri toplotni obdelavi, zaradi česar so dragocena izbira za aplikacije, kot so 3D tiskanje in brizganje. Predvsem ta študija kaže, da se poli(dimetilsiloksan) lahko uporablja kot segmenti v TPE, in CuAAC klik reakcije lahko konstruirajo linearne polimere na osnovi PDMS.
Avtorji razširjajo to raziskavo s prikazom vključitve različnih funkcionalnosti v izmenični kopolimer, ki vsebuje PDMS, prek reakcije CuAAC, kar ima za posledico nastanek TPE z različnimi lastnostmi. Avtorji raziskujejo razmerja med strukturo in lastnostmi, ki so odvisna od različnih azido-funkcionaliziranih oligosiloksanskih segmentov, pa tudi geometrije različnih dialkin komonomerjev, ki se uporabljajo pri polimerizacijah.
FTIR spektrometer ReactIR in situ je omogočil vpogled v kinetiko polimerizacije s sledenjem razpadu funkcionalnosti azida med reakcijo. Poleg tega so meritve FTIR na kraju samem pokazale znatno povečanje hitrosti polimerizacijske reakcije z dodatkom enega ekvivalenta tridentat triazol liganda tris(((1-benzil-1H-1,2,3-triazol-4-il)metil)amina (TBTA) reakciji CuAAC. Poleg tega je bilo ugotovljeno, da je optimalno razmerje med ligandom in kovino za doseganje pospeševalnega učinka med 0,5 in 1,0 eq, kar ima za posledico najvišjo hitrost reakcije. Ta študija osvetljuje potencial TPE in zagotavlja celovito razumevanje njihovih lastnosti in zmogljivosti.
Citati in reference
Kliknite Kemija v publikacijah revij
- Plank, M., Frieß, F. V., Bitsch, C. V., Pieschel, J., Reitenbach, J., & Gallei, M. (2023b). Modularna sinteza funkcionalnih blok kopolimerov s tiol-maleimidno "klik" kemijo za tvorbo porozne membrane. Makromolekule, 56(4), 1674–1687. https://doi.org/10.1021/acs.macromol.2c02255
- Bertozzi, C. R. (2022). Posebna virtualna številka, ki praznuje Nobelovo nagrado za kemijo za leto 2022 za razvoj klik kemije in bioortogonalne kemije. Centralna znanost ACS. https://doi.org/10.1021/acscentsci.2c01430
- Devaraj, N. K., & Finn, M. G. (2021). Uvod: Kliknite Kemija. Kemijski pregledi, 121(12), 6697–6698. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.1c00469
- Huang, D., Qin, A., & Tang, B. Z. (2018). Pregled polimerizacije klikov, poglavje 1. V razdelku Kliknite Polimerizacija. Kraljevo društvo za kemijo. https://doi.org/10.1039/9781788010108
- Golas, P. L. & Matyjaszewski, K. (2010). Združitev klik kemije s polimerizacijo: razširitev obsega polimernih materialov. Chem. Soc. Rev., 39(4), 1338-1354. https://doi.org/10.1039/b901978m
- Qin, A., Lam, JWY, & Tang, B. Z. (2010). Kliknite Polimerizacija: napredek, izzivi in priložnosti. Makromolekule, 43(21), 8693–8702. https://doi.org/10.1021/ma101064u
- Sumerlin, B. S. & Vogt, A. P. (2010). Makromolekularni inženiring s kemijo klikov in drugimi učinkovitimi transformacijami. Makromolekule, 43(1), 1–13. https://doi.org/10.1021/ma901447e
- Kolb, HC, Finn, MG in Sharpless, KB (2001). Kliknite Kemija: Raznolika kemijska funkcija iz nekaj dobrih reakcij. Angewandte Chemie, 40(11), 2004–2021. https://doi.org/10.1002/1521-3773(20010601)40:11
FTIR preiskave polimerizacij klikov
- De Silva, E. H., & Novak, B. M. (2021). Temperaturno povzročeno spiralno krčenje in ekspanzija v razvejanih polikarbodiimidih in njihove lastnosti zaznavanja hlapov topila. J. Makromolekularna znanost, del A: Čista in uporabna kemija, 59(1), 11–19. https://doi.org/10.1080/10601325.2021.1978849 (v angleščini)
- Hendriks, B., van den Berg, O., & Du Prez, F. E. (2019). Uretanske politioeterske samo-premrežene smole. Napredek pri organskih premazih, 136. 105215. https://doi.org/10.1016/j.porgcoat.2019.105215
- Krappitz, T., Brauer, D. D., & Theato, P. (2016). Sinteza poli(alil 2-iliden-acetata) in naknadna postpolimerizacijska modifikacija s tiol-ensko reakcijo. Kemija polimerov, 7(27), 4525-4530. https://doi.org/10.1039/c6py00818f
- Nguyen, L. T., Devroede, J., Plasschaert, K., Jonckheere, L., Haucourt, N. H., & Du Prez, F. (2013). Zagotavljanje funkcionalnosti poliuretanskih pen: kinetična primerjava različnih reakcijskih poti "klika" in spajanja. Kemija polimerov, 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). Kinetično modeliranje radikalne tiol-enske kemije za makromolekularno oblikovanje: pomen stranskih reakcij in difuzijskih omejitev. Makromolekule, 46(5), 1732−1742. https://doi.org/10.1021/ma302619k
- Tasdelen, M. A. (2011). Diels-Alderjeve "klik" reakcije: nedavne aplikacije v znanosti o polimerih in materialih. 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). Učinkovita sinteza dobro opredeljenih amfifilnih cilindričnih ščetk Polimer z visoko gostoto cepljenja: medfazni "klik" kemijski pristop. J. Znanost o polimerih, del A: Kemija polimerov, 49(5), 1282–1288. https://doi.org/10.1002/pola.24540
- Bonami, L., Van Camp, W., Van Rijckegem, D., & Du Prez, F. E. (2009). Enostaven dostop do učinkovitega sistema katalizatorja na trdni trdni ravni, ki temelji na poli(etileniminu). Makromol. Rapid Commun., 30(1), 34–38. https://doi.org/10.1002/marc.200800607
- Fournier, D., & Du Prez, F. (2008). "Klik" kemija kot obetavno orodje za funkcionalizacijo poliuretanov v stranski verigi. Makromolekule, 41(13), 4622-4630. https://doi.org/10.1021/ma800189z
- Du Prez, FE, Lammens, M., & Fournier, D. (2008). Funkcionalizacija polimernih struktur v obliki zvezde za načrtovanje reaktivnih nanodelcev. Polimerni prednatisi 49(2) 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). Združevanje "klik" kemije in polimerizacije stopenjske rasti za proizvodnjo visoko funkcionaliziranih poliestrov. Revija za znanost o polimerih, del A, 46(19), 6552-6564. https://doi.org/10.1002/pola.22966