Az azid-alkin cikloaddíció azidok és alkinok közötti reakció 1,2,3- triazolokká .
A reakciót először Michael írta le 1893-ban, aki felfedezte, hogy fenilazid és acetilén-dikarbonsav- dimetil-észter éteres oldatának hevítése egy lezárt ampullában (8 óra 100 °C-on) szubsztituált triazol képződését eredményezi [1] . A reakció nem katalitikus változatát Huisgen vizsgálta az 1960-as évek elején az 1,3-dipoláris addíciós reakciók tanulmányozásának részeként [2] [3] . A szakirodalomban ezt Huisgen-reakciónak nevezik .
A klasszikus változatban a reakció az 1,3-dipoláris addíciós mechanizmus szerint megy végbe, ami izomer 1,4- és 1,5-diszubsztituált 1,2,3-triazolok keverékének kialakulásához vezet:
A reakciót széles körben fejlesztették ki, miután 2002-ben Meldal [4] és Sharpless [5] laboratóriumában felfedezték a réz(I) katalízist, és a kattintás-kémia fogalmának legfontosabb reakciójává vált [6] . Egy továbbfejlesztett változat, amelyet a ciklooktin fragmentum feszültsége gyorsít, ígéretes irány ennek a reakciónak a vizsgálatában. A nyílt módosításoknak köszönhetően a reakció az egyik kattintási reakcióvá vált .
A réz-katalízisről először Morten Meldahl [4] és Barry Sharpless [5] számolt be független publikációkban . A reakció katalitikus változata nem szinkron módon megy végbe, hanem lépcsőzetes mechanizmussal rendelkezik, ezért nem nevezhető Huisgen-reakciónak, bár a szakirodalomban néha előfordul ilyen név. A katalizátor bevezetésével a reakció számos olyan előnyhöz jutott, amelyek lehetővé tették a különféle biotechnológiai alkalmazásokban való felhasználását, és a CuAAC (Cu-catalyzed azide-alkyne cycloaddition) mozaikszóval vált ismertté.
A rézkatalizált reakció lépésenkénti mechanizmusa a réz-acetilenidok közbenső képződésén keresztül megy végbe. Emiatt ebben a reakcióban csak a terminális alkinek mutatnak nagy reaktivitást. Ugyanakkor a rézatom a koordinációja révén aktiváló hatással van az azidra, ami egyben a reakció regioszelektivitását is meghatározza. Ezenkívül hattagú metallaciklus képződik, amely reduktív elimináción megy keresztül triazolil-réz származék képződésével. Ez utóbbi hidrolízise következtében 1,4-diszubsztituált 1,2,3-triazol képződik. [nyolc]
A reakció különböző Cu(I)-források jelenlétében megy végbe. Feltéve, hogy a reagensek oldatban, vagy akár aggregált keverékben vannak, és a réz-réz nem tűnt el a légköri oxigénnel történő aránytalanítás vagy oxidáció következtében, általában nagy hozammal nyerik a termékeket. A réz(I) megfelelő koncentrációjának állandó fenntartása érdekében a réz(II)-vegyületeket redukálószer feleslegének jelenlétében alkalmazzák, ami nemcsak réz(I) képződést eredményez, hanem a reakciót kevésbé fogékonyabbá teszi az oxigénre.
Vizes közegben végbemenő reakciókhoz a CuSO 4 - nátrium-aszkorbát rendszert használják leggyakrabban. Az egyértékű réz másik forrása a sói (CuBr, CuI). Ilyenkor szerves oldószerek (tetrahidrofurán, piridin, DMSO, acetonitril stb.) hatnak közegként. E sók oldhatóságának növelésére olyan komplexeket használnak, mint a [Cu(CH 3 CN) 4 ]PF 6 , (EtO) 3 P·CuI. Ha a rezet közvetlenül egyértékű állapotban használjuk, lépéseket kell tenni a reakció izolálására a levegő oxigénjétől, például úgy, hogy a reakciót inert atmoszférában vagy redukálószer hozzáadásával hajtjuk végre.
Ritkábban a réz (0) és réz(II) összetételének reakciójával katalitikus mennyiségű egyértékű rezet vezetnek be, míg a rézhuzalok, -porok, nanorészecskék stb. nulla vegyértékű rézforrásként szolgálnak. [9]
A triazolt ( TBTA ) [10] és néhány más ligandumot [9] használják a reakció felgyorsítására és a katalitikus részecske stabilizálására .
A reakció felgyorsítása nemcsak katalizátor alkalmazásával érhető el, hanem az alkin reakcióképességének növelésével is. Ezt a megközelítést alkalmazták egy törzs által támogatott azid-alkin cikloaddíció, SPAAC [11 • ] létrehozására . Feszült ciklooktin bevitele az azidokkal való reakcióba javítja a reakció kinetikáját, és lehetővé teszi a cikloaddíció végrehajtását citotoxikus rézkatalizátor nélkül.
A reakció standard 1,3-dipoláris cikloaddícióként megy végbe, aszinkron illesztett periciklusos elektroneltolódással. Az 1,3-dipólus ambivalens jellege lehetetlenné teszi az azidban lévő elektrofil és nukleofil centrum meghatározását, így az elektronátmeneti irány képe értelmetlen. A számítások azonban azt mutatják, hogy a belső nitrogénatom hordozza a legnagyobb negatív töltést. [12]
Bár a reakció két regioizomer triazol keverékét eredményezi, ez a legtöbb jelenlegi alkalmazásnál nem jelent jelentős hátrányt. Magas regioszelektivitás érhető el terminális alkinokkal végzett rézkatalizált reakcióval.
| ciklooktin | Másodrendű sebességi állandó (M -1 s -1 ) |
|---|---|
| OKTÓBER | 0,0024 |
| ALO | 0,0013 |
| MOFO | 0,0043 |
| DIFO | 0,076 |
| DIBO | 0,057 |
| BARAC | 0,96 |
| DIBAC (ADIBO) | 0.31 |
| DIMAC | 0,0030 |
| BCN | 0,14-0,29 |
Az OCT volt az első ciklooktin, amelyet rézmentes azid-alkin cikloaddícióra fejlesztettek ki. [13] Míg a lineáris alkinek fiziológiás hőmérsékleten nem reakcióképesek, az OCT biológiai körülmények között könnyen reagált alkinekkel anélkül, hogy toxikusak lennének. Vízoldhatósága azonban alacsony volt, és kinetikája alig haladta meg a Staudinger-ligációét . Az ALO -t (aryl-less octyne) fejlesztésként fejlesztették ki , de az is lassan reagált. [tizennégy]
A monofluorozott ( MOFO ) [14] és a difluorozott ( DIFO ) [15] ciklooktinokat azért hozták létre, hogy növeljék a reakciósebességet azáltal, hogy elektronvonó fluoratomokat vittek a propargil pozícióba. A fluor kényelmes akceptorcsoport mind a szintetikus hozzáférhetőség, mind a biológiai tehetetlenség szempontjából. Különösen nem tud Michael-akceptort képezni, amely mellékreakciókat ad a biológiai nukleofilekkel.
A DIBO (dibenzociklooktin) két fuzionált benzolgyűrűt kapott, ami a ciklooktin fragmentum szögfeszültségének növekedéséhez vezetett. Feltételezték, hogy az arilcsoportok hármas kötéssel történő konjugálása növeli a vegyület reakcióképességét.
A ciklooktinhoz egy másik kettős kötés hozzáadása instabil vegyületeket eredményezett, ezért Bertozzi csoportja a BARAC (biarylazacyclooctynon) ciklooktint javasolta amidkötéssel, amely a rezonancia miatt részleges kettős kötéssel rendelkezik. Ezenkívül egy heteroatom hozzáadása a molekulához növeli az oldhatóságot és javítja a molekula farmakokinetikáját. A BARAC meglehetősen gyorsan reagál az azidokkal, így nincs szükség felesleges reagens kimosására, ami kritikus azokban az alkalmazásokban, ahol ez a mosás nem lehetséges (dinamikus folyamatok valós idejű monitorozása, élőlények biomolekuláinak jelölése). Bár a BARAC rendkívül hasznos, instabilitása miatt 0°C-on, sötét helyen, oxigén hiányában kell tárolni. [16]
A BARAC további szerkezeti változásai a DIBAC-ot (ADIBO) eredményezik, amely kevésbé gátolja az alkin funkciót. [17] Azt a vegyületet, amely egy konjugált benzolgyűrűt és a propargil-helyzetben két fluoratomot kombinál ( DIFBO , difluor-benzociklooktin), instabilnak találták. [tizennyolc]
A DIFO egereken végzett in vivo vizsgálatok használatával kapcsolatos problémák illusztrálhatják a bioortogonális válaszok generálásának nehézségeit. Bár a DIFO nagyon reaktív volt a sejtmódosításban, egerekben gyengén teljesített a szérumalbuminhoz való kötődése miatt. A ciklooktin hidrofóbsága az oka a sejtmembránokkal és a szérumfehérjékkel való kölcsönhatásának , ami nagymértékben csökkenti a rendelkezésre álló koncentrációkat. A DIMAC -ot (dimetoxiazaciklooktin) vízoldható analógként javasolták megnövelt polaritással és jobb farmakokinetikával .
Más módszereket is teszteltek a ciklooktin ciklusban további stressz létrehozására. Különösen a BCN (biciklononin) mutatott jó eredményeket, ahol ezt a hatást úgy érték el, hogy egy kondenzált háromtagú gyűrűt vittek be a molekulába. [19]
A ruténium komplexek ( RuAAC ) által katalizált azid-alkin cikloaddíciós reakció 1,5-diszubsztituált triazolok képződéséhez vezet [20] . Fontos különbség a CuAAC-hoz képest a teljesen szubsztituált triazolok szintézisének lehetősége, mivel ebben a reakcióban diszubsztituált alkinek is részt vehetnek. A Cp*RuCl( PPh3 ) 2 , Cp*Ru(COD) és Cp*[RuCl4 ] katalizátorként általában használatos . Ciklopentadienil-ligandumot (Cp) tartalmazó katalizátorokat is alkalmaznak, azonban a legjobb eredményeket pentametil-ciklopentadienil-ligandum (Cp*) részvételével érik el.
A javasolt mechanizmus magában foglalja az aktív katalitikus formák [Cp*RuCl] képződését, amely után a ligandumok azidra és alkinra cserélődnek, az oxidatív addíciót rutenaciklus képződésével és a reduktív eliminációt triazoltermék képződésével. Ebben a folyamatban a nitrogénatom kötést képez az alkin könnyebben hozzáférhető szénatomjával, ami meghatározza a reakció regioszelektivitását [21] .
Az azid-alkin cikloaddíció reakcióját az ezüst (I) P,O-komplexei katalizálhatják szobahőmérsékleten túlnyomórészt 1,4-diszubsztituált triazolok képződésével. Az ezüst(I)-sók nem katalizálják ezt a reakciót. [22] [23]