Azid-alkynová cykloadice

Azid-alkinová cykloadice  je reakce mezi azidy a alkyny za vzniku 1,2,3- triazolů .

Reakce byla poprvé popsána Michaelem v roce 1893, který objevil, že zahřívání etherového roztoku fenylazidu a dimethylesteru acetylendikarboxylové kyseliny v uzavřené ampuli (8 h při 100 °C) vede k tvorbě substituovaného triazolu [1] . Nekatalytickou variantu reakce zkoumal Huisgen na počátku 60. let v rámci studia 1,3-dipolárních adičních reakcí [2] [3] . V literatuře se nazývá Huisgenova reakce .

V klasické verzi reakce probíhá podle mechanismu 1,3-dipolární adice vedoucí ke vzniku směsi izomerních 1,4- a 1,5-disubstituovaných 1,2,3-triazolů:

Reakce byla široce rozvinuta po objevu katalýzy mědi (I) v laboratořích Meldal [4] a Sharpless [5] v roce 2002 a stala se nejdůležitější reakcí v rámci konceptu klikací chemie [6] . Zlepšená verze, urychlená napětím cyklooktynového fragmentu, je slibným směrem ve studiu této reakce. Díky otevřeným modifikacím se reakce stala jednou z klikacích reakcí .

Mědí katalyzovaná reakce (CuAAC)

Měděná katalýza byla poprvé popsána v nezávislých publikacích Morten Meldahl [4] a Barry Sharpless [5] . Katalytická verze reakce neprobíhá synchronně, ale má postupný mechanismus, nelze ji proto nazvat Huisgenovou reakcí, i když se s takovým názvem v literatuře někdy setkáváme. Zavedením katalyzátoru získala reakce několik výhod, které umožnily její použití v různých biotechnologických aplikacích, a vešla ve známost pod zkratkou CuAAC (Cu-catalyzed azid-alkyne cycloaddition).

Výhody

• Katalytická varianta reakce probíhá přibližně 107krát rychleji než nekatalytická varianta, což umožňuje provádět azid-alkinovou cykloadiční reakci při teplotách blízkých teplotě místnosti.
• Substituenty na azidových a alkynových skupinách mají malý vliv na průběh reakce.
• Pro reakci je vhodná široká škála rozpouštědel, včetně vody, jakož i směsí vody a organických látek.
• Měděná katalytická varianta je regioselektivní a poskytuje 1,4-disubstituované 1,2,3-triazoly jako jediné produkty. [7]

Mechanismus

Postupný mechanismus reakce katalyzované mědí probíhá prostřednictvím meziproduktové tvorby acetylenidů mědi. Z tohoto důvodu vykazují v této reakci vysokou reaktivitu pouze koncové alkyny. Atom mědi zároveň svou koordinací působí na azid aktivačně, což také určuje regioselektivitu reakce. Dále dochází k tvorbě šestičlenného metallacyklu, který podléhá redukční eliminaci za vzniku triazolyl-měďnatého derivátu. V důsledku hydrolýzy posledně jmenovaného vzniká 1,4-disubstituovaný 1,2,3-triazol. [osm]

Katalytické systémy

Reakce probíhá v přítomnosti různých zdrojů Cu(I). Za předpokladu, že reaktanty jsou v roztoku nebo dokonce agregované směsi a že měďná měď nezmizela v důsledku disproporcionace nebo oxidace vzdušným kyslíkem, získávají se produkty obvykle ve vysokém výtěžku. Pro neustálé udržování dostatečné koncentrace Cu(I) se používají sloučeniny Cu(II) v přítomnosti přebytku redukčního činidla, které nejen generuje Cu(I), ale také činí reakci méně vnímavou vůči kyslíku.

Pro reakce probíhající ve vodném prostředí  se nejčastěji používá systém CuSO 4 - askorbát sodný. Dalším zdrojem jednomocné mědi jsou její soli (CuBr, CuI). V tomto případě fungují jako médium organická rozpouštědla (tetrahydrofuran, pyridin, DMSO, acetonitril atd.). Ke zvýšení rozpustnosti těchto solí se používají komplexy jako [Cu( CH3CN ) 4 ]PF6 , (EtO) 3P ·CuI . Pokud se měď používá přímo v monovalentním stavu, je třeba provést kroky k izolaci reakce od vzdušného kyslíku, například provedením reakce v inertní atmosféře nebo s přidáním redukčního činidla.

Méně často se katalytická množství jednomocné mědi zavádějí reakcí skládání Cu (0) a Cu(II), zatímco měděné dráty, prášky, nanočástice atd. slouží jako zdroj nulamocné mědi. [9]

K urychlení reakce a stabilizaci katalytické částice se používá triazol ( TBTA ) [10] a některé další ligandy [9] .

Odezva propagovaná napětím (SPAAC)

Urychlení reakce lze dosáhnout nejen použitím katalyzátoru, ale také zvýšením reaktivity alkynu. Tento přístup byl použit k vytvoření azid-alkinové cykloadice podporované kmeny, SPAAC [11 •• ] . Zavedení filtrovaného cyklooktynu do reakce s azidy zlepšuje reakční kinetiku a umožňuje provádět cykloadici v nepřítomnosti cytotoxického měděného katalyzátoru.

Mechanismus

Reakce probíhá jako standardní 1,3-dipolární cykloadice s asynchronním přizpůsobeným pericyklickým elektronovým posunem. Ambivalentní povaha 1,3-dipolu znemožňuje určení elektrofilního a nukleofilního centra v azidu, takže obraz směru elektronového přechodu postrádá smysl. Výpočty však ukazují, že vnitřní atom dusíku nese největší záporný náboj. [12]

Regioselektivita

Ačkoli reakcí vzniká směs dvou regioizomerních triazolů, není to pro většinu současných aplikací významnou nevýhodou. Vysoké regioselektivity lze dosáhnout použitím mědí katalyzované reakce s koncovými alkyny.

Vývoj cyklooktynů

OCT byl první cyklooktyn vyvinutý pro azid-alkinovou cykloadici bez obsahu mědi. [13] Zatímco lineární alkyny jsou za fyziologických teplot nereaktivní, OCT snadno reagovaly s alkyny za biologických podmínek, aniž by byly toxické. Měl však nízkou rozpustnost ve vodě a kinetika stěží překonala kinetiku Staudingerovy ligace . ALO (aryl-less oktyne) byl vyvinut jako vylepšení , ale také pomalu reagoval. [čtrnáct]

Monofluorované ( MOFO ) [14] a difluorované ( DIFO ) [15] cyklooktyny byly vytvořeny ke zvýšení reakční rychlosti zavedením atomů fluoru přitahujících elektrony do propargylové pozice. Fluor je vhodná akceptorová skupina jak z hlediska syntetické dostupnosti, tak biologické inertnosti. Zejména nemůže tvořit Michaelův akceptor, který dává vedlejší reakce s biologickými nukleofily.

DIBO (dibenzocyklooktyn) obdržel dva kondenzované benzenové kruhy, což vedlo ke zvýšení úhlového napětí fragmentu cyklooktynu. Bylo navrženo, že konjugace arylových skupin s trojnou vazbou by zvýšila reaktivitu sloučeniny.

Přidání další dvojné vazby k cyklooktynu mělo za následek nestabilní sloučeniny, takže Bertozziho skupina navrhla BARAC (biarylazacyclooctynon) cyklooktyn s amidovou vazbou, která má částečnou dvojnou vazbu díky rezonanci. Navíc přidání heteroatomu k molekule zvyšuje rozpustnost a zlepšuje farmakokinetiku molekuly. BARAC reaguje s azidy poměrně rychle, takže není nutné vymývání přebytečného činidla, což je kritické v aplikacích, kde takové promývání není možné (monitorování dynamických procesů v reálném čase, značení biomolekul v organismech). Přestože je BARAC extrémně užitečný, musí být kvůli nestabilitě skladován při 0°C na tmavém místě, bez přístupu kyslíku. [16]

Další strukturální změny BARAC vedou k DIBAC ( ADIBO ) s menší sterickou zábranou alkynové funkce. [17] Bylo zjištěno, že sloučenina, která kombinuje přítomnost konjugovaného benzenového kruhu a dvou atomů fluoru v propargylové poloze ( DIFBO , difluorbenzocykloktyn), je nestabilní. [osmnáct]

Problémy s použitím DIFO ve studiích in vivo na myších mohou ilustrovat obtížnost generování bioortogonálních odpovědí. Ačkoli DIFO byl velmi reaktivní v buněčné modifikaci, fungoval u myší špatně kvůli vazbě na sérový albumin. Hydrofobnost cyklooktynu je důvodem jeho interakce s buněčnými membránami a sérovými proteiny , což značně snižuje jeho dostupné koncentrace. DIMAC (dimethoxyazacyklooktyn) byl navržen jako ve vodě rozpustný analog se zvýšenou polaritou a zlepšenou farmakokinetikou .

Pro vytvoření dodatečného napětí v cyklooktynovém cyklu byly testovány i další metody. Dobré výsledky prokázal zejména BCN (bicyklononin), u kterého bylo tohoto efektu dosaženo zavedením kondenzovaného tříčlenného kruhu do molekuly. [19]

Ruthenium katalyzovaná reakce (RuAAC)

Azid-alkynová cykloadiční reakce katalyzovaná rutheniovými komplexy ( RuAAC ) vede ke vzniku 1,5-disubstituovaných triazolů [20] . Důležitým rozdílem od CuAAC je možnost syntézy plně substituovaných triazolů, protože této reakce se mohou účastnit i disubstituované alkyny. Cp*RuCl(PPh3 ) 2 , Cp*Ru(COD) a Cp*[RuCl4 ] se běžně používají jako katalyzátory . Používají se také katalyzátory obsahující cyklopentadienylový ligand (Cp), ale nejlepších výsledků se dosahuje za účasti pentamethylcyklopentadienylového ligandu (Cp*).

Mechanismus

Navrhovaný mechanismus zahrnuje tvorbu aktivních katalytických látek [Cp*RuCl], po kterých jsou ligandy vyměněny za azid a alkyn, oxidativní adici za vzniku ruthenacyklu a redukční eliminaci za vzniku triazolového produktu. V tomto procesu atom dusíku tvoří vazbu s dostupnějším atomem uhlíku alkynu, což určuje regioselektivitu reakce [21] .

Stříbrná katalyzovaná reakce (AgAAC)

Reakce azid-alkin cykloadice může být katalyzována P,O-komplexy stříbra (I) s převládající tvorbou 1,4-disubstituovaných triazolů při teplotě místnosti. Soli stříbra tuto reakci nekatalyzují. [22] [23]

Poznámky

1. ↑ Michael A. Ueber die Einwirkung von Diazobenzolimid auf Acetylendicarbonsauremethylester  (německy)  // J. Prakt. Chem. - 1893. - Bd. 48 . — S. 94–95 .
2. ↑ Huisgen R. 1,3-dipolární cykloadice. Minulost a budoucnost  (anglicky)  // Angew. Chem. Int. Ed. - 1963. - Sv. 2 , ne. 10 . — S. 565–598 . - doi : 10.1002/anie.196305651 .
3. ↑ Huisgen R. Kinetika a mechanismus 1,3-dipolárních cykloaddic   // Angew . Chem. Int. Ed. - 1963. - Sv. 2 , ne. 11 . — S. 633–645 . - doi : 10.1002/anie.196306331 .
4. ↑ 1 2 Tornøe CW, Christensen C., Meldal M. Peptidotriazoly na pevné fázi: [1,2,3]-Triazoly pomocí regiospecifické mědi ( I)-katalyzované 1,3-dipolární cykloadice terminálních alkynů na azidy   // J. Org. Chem. - 2002. - Sv. 67 , č. 9 . — S. 3057–3064 . - doi : 10.1021/jo011148j . — PMID 11975567 .
5. ↑ 1 2 Rostovtsev VV, Zelená LG, Fokin VV, Sharpless KB Postupný Huisgenův cykloadiční proces: Regioselektivní „ligace“ azidů a terminálních alkynů katalyzovaná mědí (I  )  // Angew. Chem. Int. Ed. - 2002. - Sv. 41 , č. 14 . — S. 2596–2599 . - doi : 10.1002/1521-3773(20020715)41:14<2596::AID-ANIE2596>3.0.CO;2-4 . — PMID 12203546 .
6. ↑ Kolb HC, Finn MG, Sharpless KB Click Chemistry: Různé chemické funkce z několika dobrých reakcí   // Angew . Chem. Int. Ed. - 2001. - Sv. 40 , č. 11 . — S. 2004–2021 . - doi : 10.1002/1521-3773(20010601)40:11<2004::AID-ANIE2004>3.0.CO;2-5 . — PMID 11433435 .
7. ↑ Brase S., Banert K. Organic Azides: Syntheses and Applications. - Wiley, 2009. - S. 270. - 536 s. - ISBN 978-0-470-51998-1 .
8. ↑ Wu P., Fokin VV Katalytická azid-alkynová cykloadice: Reaktivita a aplikace  //  Aldrichimica Acta. - 2007. - Sv. 40 , č. 1 . — S. 7–17 .
9. ↑ 1 2 Meldal M., Tornøe CW azid katalyzovaný mědí#  alkynová cykloaddice  // Chem . Rev. - 2008. - Sv. 108 , č. 8 . — S. 2952-3015 . - doi : 10.1021/cr0783479 .
10. ↑ Chan TR, Hilgraf R., Sharpless KB, Fokin VV Polytriazoles as Copper(I)-Stabilizing Ligands in Catalysis   // Org . Lett. - 2004. - Sv. 6 , č. 17 . — S. 2853–2855 . - doi : 10.1021/ol0493094 .
11. ↑ Baskin JM, Prescher JA, Laughlin ST, Agard NJ, Chang PV, Miller IA, Lo A., Codelli JA, Bertozzi CR Bezměděná klikací chemie pro dynamické zobrazování in vivo   // Proc . Natl. Akad. sci. USA. - 2007. - Sv. 104 , č. 43 . — S. 16793–16797 . - doi : 10.1073/pnas.0707090104 . — PMID 17942682 .
12. ↑ Gold B., Shevchenko NE, Bonus N., Dudley GB, Alabugin IV Selektivní stabilizace přechodového stavu prostřednictvím hyperkonjugativní a konjugativní asistence: Stereoelektronický koncept pro chemii klikání bez mědi  //  J. Org. Chem. - 2012. - Sv. 77 , č. 1 . — S. 75–89 . doi : 10.1021 / jo201434w . — PMID 22077877 .
13. ↑ Agard NJ, Prescher JA, Bertozzi ČR Kmenem podporovaný [3 + 2] Azid-alkynová cykloadice pro kovalentní modifikaci biomolekul v živých systémech  //  J. Am. Chem. soc. - 2004. - Sv. 126 , č.p. 46 . — S. 15046–15047 . - doi : 10.1021/ja044996f . — PMID 15547999 .
14. ↑ 1 2 Agard NJ, Baskin JM, Prescher JA, Lo A., Bertozzi ČR Srovnávací studie bioortogonálních reakcí s azidy  //  ACS Chem. Biol. - 2006. - Sv. 1 , ne. 10 . — S. 644–648 . - doi : 10.1021/cb6003228 . — PMID 17175580 .
15. ↑ Codelli JA, Baskin JM, Agard NJ, Bertozzi ČR Difluorované cyklooktyny druhé generace pro klikací chemii bez mědi  //  J. Am. Chem. soc. - 2008. - Sv. 130 , č. 34 . — S. 11486–11493 . - doi : 10.1021/ja803086r . — PMID 18680289 .
16. ↑ Jewett JC, Sletten EM, Bertozzi CR Rychlá klikací chemie bez obsahu Cu se snadno syntetizovanými biarylazacyklooktynony  //  J. Am. Chem. soc. - 2010. - Sv. 132 , č.p. 11 . — S. 3688–3690 . - doi : 10.1021/ja100014q . — PMID 20187640 .
17. ↑ Kuzmin A., Poloukhtine A., Wolfert MA, Popik VV povrchová funkcionalizace pomocí azid-alkynové cykloadice bez katalyzátoru   // Bioconjugate Chem . - 2010. - Sv. 21 , č. 11 . — S. 2076–2085 . doi : 10.1021 / bc100306u . — PMID 20964340 .
18. ↑ Sletten EM, Nakamura H., Jewett JC, Bertozzi ČR Difluorobenzocyklooktyn: Syntéza, reaktivita a stabilizace β-cyklodextrinem  //  J. Am. Chem. soc. - 2010. - Sv. 132 , č.p. 33 . - S. 11799-11805 . doi : 10.1021 / ja105005t . — PMID 20666466 .
19. ↑ Dommerholt J., Schmidt S., Temming R., Hendriks LJA, Rutjes FPJT, van Hest JCM, Lefeber DJ, Friedl P., van Delft FL Snadno dostupné bicyklonyny pro bioortogonální značení a trojrozměrné zobrazování živých buněk  .)  / / Angew. Chem. Int. Ed. - 2010. - Sv. 49 , č. 49 . — S. 9422–9425 . - doi : 10.1002/anie.201003761 . — PMID 20857472 .
20. ↑ Zhang L., Chen X., Xue P., Sun HHY, Williams ID, Sharpless KB, Fokin VV, Jia G. Ruthenium katalyzovaná cykloaddice alkynů a organických azidů  //  J. Am. Chem. soc. - 2005. - Sv. 127 , č. 46 . — S. 15998–15999 . - doi : 10.1021/ja054114s . — PMID 16287266 .
21. ↑ Boren BC, Narayan S., Rasmussen LK, Zhang L., Zhao H., Lin Z., Jia G., Fokin VV Ruthenium katalyzovaná azid-alkynová cykloaddice: Rozsah a mechanismus  //  J. Am. Chem. soc. - 2008. - Sv. 130 , č. 44 . — S. 8923–8930 . doi : 10.1021 / ja0749993 . — PMID 18570425 .
22. ↑ McNulty J., Keskar K., Vemula R. První dobře definovaná cykloadice azidů katalyzovaná komplexem stříbra (I) na terminální alkyny při pokojové teplotě   // Chem . Eur. J. - 2011. - Sv. 17 , iss. 52 . — S. 14727–14730 . - doi : 10.1002/chem.201103244 .
23. ↑ McNulty J., Keskar K. Objev robustního a účinného homogenního katalyzátoru stříbra(I) pro cykloadici azidů na terminální alkyny  //  Eur. J. Org. Chem. - 2012. - Sv. 2012 , iss. 28 . - S. 5462-5470 . - doi : 10.1002/ejoc.201200930 .