Reakcja tiolowo-enowa
W chemii siarki organicznej reakcja tiol -en (również hydrotiolowanie alkenu ) jest reakcją organiczną pomiędzy tiolem ( R-SH ) i alkenem ( R 2 C=CR 2 ) w celu utworzenia tioeteru ( R-S-R' ). Ta reakcja została po raz pierwszy opisana w 1905 roku, ale zyskała na znaczeniu pod koniec lat 90. i na początku XXI wieku ze względu na wykonalność i szeroki zakres zastosowań. Ta reakcja jest akceptowana jako chemia kliknięć wydajność reakcji , stereoselektywność , dużą szybkość i termodynamiczną siłę napędową.
W wyniku reakcji dochodzi do addycji anty-Markownikowa związku tiolowego do alkenu. Biorąc pod uwagę stereoselektywność, wysoką szybkość i wydajność, ta syntetycznie użyteczna reakcja może stanowić podstawę przyszłych zastosowań w materiałoznawstwie i naukach biomedycznych.
Mechanizmy
Radykalny dodatek
Wiadomo, że addycje tiol-enowe przebiegają przez dwa mechanizmy: addycje wolnorodnikowe i katalizowane addycje Michaela . Addycje wolnorodnikowe mogą być inicjowane przez światło, ciepło lub inicjatory rodnikowe, które tworzą tiylowe . Następnie rodnik propaguje się z enową grupą funkcyjną poprzez dodatek anty-Markownikowa, tworząc rodnik skoncentrowany na węglu. Etap przenoszenia łańcucha usuwa rodnik wodorowy z tiolu, który może następnie uczestniczyć w wielu etapach propagacji.
Dodatki rodników tiolowo-enowych są korzystne w syntezie chemicznej, ponieważ procesy stopniowego wzrostu (etapy propagacji i przenoszenia łańcucha) oraz wzrostu łańcucha (homopolimeryzacja) mogą być skutecznie wykorzystywane do tworzenia jednorodnych sieci polimerowych. Fotopolimeryzacja jest użyteczną reakcją opartą na rodnikach do zastosowań w nanotechnologii, biomateriałach i materiałoznawstwie, ale reakcje te są hamowane przez hamujące właściwości tlenu . Dodatek rodnika tiolowo-enowego łączy w sobie zalety fotopolimeryzacji ze wspomnianymi zaletami chemii typu „click”. reakcje. Ta reakcja jest przydatna w dziedzinie fotopolimeryzacji rodnikowej, ponieważ ilościowo i szybko przebiega poprzez prosty mechanizm w otaczających warunkach atmosferycznych. Rodnik skoncentrowany na węglu może ulegać polimeryzacji ze wzrostem łańcucha w zależności od tiolowych i enowych grup funkcyjnych. Ta wolnorodnikowa polimeryzacja może być przydatna w syntezie jednolitych sieci polimerowych.
Dodatek Michał
Wiadomo, że reakcje tiol-en przebiegają drogą addycji Michaela . Reakcje te są katalizowane przez zasadę lub nukleofil, w wyniku czego powstaje podobny addycji anty-Markownikowa, jak addycja rodnika tiolowo-enowego.
Kinetyka
Wiadomo, że reakcje chemii kliknięć są wysoce wydajne i charakteryzują się dużymi szybkościami reakcji, jednak istnieje znaczna zmienność ogólnej szybkości reakcji w zależności od funkcjonalności alkenu. Aby lepiej zrozumieć kinetykę reakcji tiol-en, przeprowadzono obliczenia i eksperymenty stanu przejściowego i entalpii reakcji dla wielu alkenów i ich rodnikowych związków pośrednich. Wykazano, że reaktywność i struktura alkenu decydują o tym, czy reakcja będzie przebiegać według ścieżki wzrostu stopniowego, czy łańcuchowego. Wykazano również, że polimeryzację tiol-enu można regulować poprzez wzmacnianie oddziaływań międzycząsteczkowych między tiolowymi i alkenowymi grupami funkcyjnymi. Obecnie akceptowanym trendem jest to, że alkeny bogate w elektrony (takie jak eter winylowy lub eter allilowy ) i norbornen są wysoce reaktywne w porównaniu do sprzężonych i ubogich w elektrony alkenów ( butadien i metoksyeten). W przypadku norbornenu i eteru winylowego obserwuje się jedynie skokowy wzrost, po utworzeniu rodnika z centralnym atomem węgla nie zachodzi homopolimeryzacja.
Ze względu na złożoną kinetykę tej dwuetapowej cyklicznej reakcji, etap określający szybkość był trudny do wyznaczenia. Biorąc pod uwagę, że szybkości obu etapów muszą być równe, stężenie rodników jest określone przez stałą szybkości wolniejszego z etapów reakcji. Zatem ogólną szybkość reakcji ( RP ) można modelować za pomocą stosunku szybkości propagacji ( kP ) do szybkości przenoszenia łańcucha ( kCT ) . Zachowanie się szybkości reakcji przedstawia poniższa zależność. We wszystkich przypadkach reakcja jest pierwszego rzędu , kiedy k P ≫ k CT [Równ. 1] szybkość reakcji jest określona przez stężenie tiolu, a etapem ograniczającym szybkość jest przeniesienie łańcucha, gdy k P ≪ k CT [Równ. 2] szybkość reakcji jest określona przez stężenie alkenu, a etapem ograniczającym szybkość jest propagacja, aw końcu, gdy k P ≈ k CT [Równ. 3] reakcja jest w połowie rzędu w odniesieniu zarówno do stężeń alkenu, jak i tiolu.
Grupy funkcyjne związków tiolowych i alkenowych mogą wpływać na reaktywność rodników i ich odpowiednie stałe szybkości. Struktura alkenu określa, czy reakcja będzie ograniczona propagacją, czy przenoszeniem łańcucha, a zatem pierwszego rzędu odpowiednio pod względem stężenia alkenu lub tiolu. W przypadku reaktywnych alkenów, takich jak eter allilowy, etapem ograniczającym szybkość jest przeniesienie łańcucha, podczas gdy w przypadku mniej reaktywnych alkenów, takich jak winylosilazany, etapem ograniczającym szybkość jest propagacja. Powinowactwo wodoru tiolu wpływa również na etap ograniczający szybkość. Tiole alkilowe mają mniej możliwych do abstrakcji protonów i dlatego etap przenoszenia łańcucha ma niższą szybkość reakcji niż etap propagacji.
W większości przypadków reakcja quasi-pierwszego rzędu daje równanie szybkości kinetycznej następujące po wykładniczej funkcji rozpadu dla reagentów i produktów.
- [znormalizowany produkt tiolowo-enowy] =
gdzie k jest efektywną stałą szybkości, a t jest czasem.
Jednakże, gdy generowanie rodników staje się etapem ograniczającym szybkość, często obserwuje się okres indukcji na wczesnym etapie reakcji, na przykład w przypadku reakcji fotoinicjowanej w warunkach słabego oświetlenia. Krzywa kinetyczna odbiega od funkcji rozpadu wykładniczego dla typowej reakcji pierwszego rzędu, ponieważ ma okres powolnego wzrostu. Model kinetyczny musi obejmować etap generowania rodników, aby wyjaśnić ten okres indukcji (prawy rysunek). Końcowe wyrażenie ma kształt podobny do Gaussa .
- [znormalizowany produkt tiolowo-enowy] =
gdzie k jest efektywną stałą szybkości, a t jest czasem.
Syntetycznie użyteczne reakcje tiol-en
Inicjacja cyklizacji kaskadowej
Reakcja tiol-en (i analogiczna reakcja tiol-yn ) były szeroko stosowane do wytwarzania reaktywnych związków pośrednich do cyklizacji nienasyconych substratów . Rodnikowe hydrotiolowanie nienasyconej grupy funkcyjnej pośrednio generuje rodnik skoncentrowany na węglu, który może następnie cyklizować wewnątrzcząsteczkowo na alkeny, etery oksymu, izocyjanki , grupy cyjanowe i pierścienie aromatyczne. Wykorzystanie rodników tiylowych jako inicjatorów cyklizacji zostało wykorzystane w syntezie wielu produktów naturalnych, w tym aplysyn, kwasu α-kainowego , asperparalin i alkaloidów takie jak narcyklazyna i likorycydyna.
Wewnątrzcząsteczkowe reakcje tiolowo-enowe
Wewnątrzcząsteczkowe reakcje tiol-en zapewniają środki do tworzenia heterocykli zawierających siarkę . Reakcja tiol-en inicjowana przez rodniki umożliwiła syntezę pierścieni cztero- do ośmioczłonowych, a także makrocykli. Podczas gdy rodnikowa reakcja tiol-en faworyzuje produkt anty-Markownikowa, regiochemia cykloaddycji zależy od efektów podstawników i warunków reakcji, które służą do kierowania cyklizacji odpowiednio w stronę produktu uprzywilejowanego termodynamicznie lub kinetycznie . W tej części omówiono wewnątrzcząsteczkowe reakcje cyklizacji tiolenu, w wyniku których powstaje mieszanina 5- exo i 6- endo w celu ułatwienia omówienia czynników, które mogą wpływać na regioselektywność addycji wewnątrzcząsteczkowej. Ta reakcja ma znaczenie dla syntezy C -połączonych tiocukrów. Zarówno tiocukry furanozowe, jak i piranozowe można wytworzyć z tego samego prekursora rodnika tiylowego; 5- egzo i 6- endo tego prekursora tworzą odpowiedni pożądany związek. Warunki, w których zachodzą te reakcje cyklizacji, są zgodne z regułami Baldwina dotyczącymi zamykania pierścieni.
cis – trans alkenów
Biorąc pod uwagę odwracalność addycji rodnika tiolenowego, reakcję można wykorzystać do ułatwienia izomeryzacji cis – trans . Rodnik tiylowy propaguje się z alkenem, tworząc rodnik skoncentrowany na węglu, poprzednie wiązanie podwójne umożliwia teraz swobodny obrót wokół pojedynczego wiązania sigma . Kiedy zachodzi reakcja odwrotna, orientacja addycji wodoru na rodniku węglowym decyduje o tym, czy produkt izomeryzacji będzie cis czy trans . Dlatego skład produktów zależy od konformacji stabilność rodnikowego produktu pośredniego z atomem węgla.
Potencjalne aplikacje
Synteza dendrymeru
Dendrymery są obiecujące w medycynie, biomateriałach i nanoinżynierii . Polimery te mogą działać jako składniki kierujące, środki wykrywające i związki farmaceutycznie czynne. Dodatki tiolowo-enowe są przydatne w rozbieżnej syntezie dendrymerów ze względu na właściwości chemii klików, takie jak łagodne warunki reakcji (łagodne rozpuszczalniki), regioselektywność , wysoka wydajność, wysoka konwersja i wydajność ilościowa. Ponieważ ta reakcja jest fotoinicjowana, nie wymaga katalizy miedziowej , w przeciwieństwie do innych typowych reakcji stosowanych w przygotowaniu dendrymerów; jest to korzystne dla syntezy funkcjonalnych biomateriałów, biorąc pod uwagę właściwości hamujące miedzi w układach biologicznych. Reakcje tiol-en były stosowane obok bezwodnika, estryfikacji , Grignarda i Michaela w celu funkcjonalizacji końców łańcuchów i budowy szkieletów polimerowych w syntezie cząsteczek rozgałęzionych, takich jak glikodendrony, dendrymery politioeterowe i dendrymery tioeteroorganiczne.
Ogólna strategia rozbieżnej syntezy dendrymeru zaczyna się od rdzenia; powszechnie stosowane rdzenie obejmują 2,4,6-trialliloksy-1,3,5-triazynę, izocyjanuran triallilu i tetrawinylosilan. W dobrze cytowanym doniesieniu, 2,4,6-trialliloksy-1,3,5-triazynę zmieszano z 1-tiogliceryną bez rozpuszczalnika, reakcję tiol-enu zainicjowano inicjatorem rodnikowym 2,2 -dimetoksy- 2-fenyloacetofenon i promieniowanie UV . Końcowe alkenowe grupy funkcyjne dodano do dendrymeru poprzez estryfikację bezwodnikiem pent-4-enowym w obecności DMAP i pirydyna . Produkt czwartej generacji przygotowany w sposób stopniowy zawiera 48 końcowych grup hydroksylowych
Wzornictwo powierzchni
Tiol-enowa funkcjonalizacja powierzchni była szeroko badana w materiałoznawstwie i biotechnologii. Przyłączenie cząsteczki z dostępną sterycznie grupą alkenową lub tiolową do powierzchni ciała stałego umożliwia budowę polimerów na powierzchni poprzez kolejne reakcje tiol-en. Biorąc pod uwagę, że w roztworach wodnych reakcje tiol-en mogą być inicjowane przez światło UV (długość fali 365–405 nm) lub światło słoneczne, przyłączenie danej grupy funkcyjnej do odsłoniętego tiolu lub alkenu można kontrolować przestrzennie poprzez fotomaskowanie. A dokładniej fotomaska , umożliwia selektywną ekspozycję powierzchni na źródło światła UV, kontrolując miejsce danej reakcji tiol-en, natomiast o tożsamości przyłączonej cząsteczki decyduje skład fazy wodnej znajdującej się nad powierzchnią w czasie naświetlania UV narażenie. Zatem manipulowanie kształtem fotomaski i składem warstwy wodnej skutkuje powstaniem niejednorodnej powierzchni, której właściwości zależą od tożsamości przyłączonej cząsteczki w danym miejscu.
Funkcjonalizację tiolenową powierzchni można osiągnąć przy wysokim poziomie specyficzności przestrzennej, co pozwala na produkcję fotomasek.
Cząsteczki organotrietoksysilanu, tiolowe lub winylowe, zostały wprowadzone do funkcjonalizacji powierzchni. Etoksysilanowe i metoksysilanowe grupy funkcyjne są powszechnie stosowane do zakotwiczania cząsteczek organicznych na różnych powierzchniach tlenków. Sprzęganie tiol-en można osiągnąć albo w roztworze masowym przed zakotwiczeniem molekularnym, albo etapami na podłożu, które umożliwia fotolitografię. Reakcję można przeprowadzić w ciągu pięciu minut w świetle słonecznym, które ma ~ 4% światła UV, które jest przydatne w reakcji tiol-en.
Wzornictwo białek na rezystancji wiązki elektronów
Tiol-en może być również stosowany jako opór dla wiązki elektronów , [ wymagane wyjaśnienie ] , w wyniku czego powstają nanostruktury, które umożliwiają bezpośrednią funkcjonalizację białek.
Zobacz też
- Kliknij chemię
- Reakcja tiolo-ynowa
- Niestechiometryczny polimer tiolowo-enowy
- Dodatek wolnych rodników