Динамическая ковалентная химия - Dynamic covalent chemistry

Динамическая ковалентная химия (DCvC) - это синтетическая стратегия, используемая химиками для создания сложных супрамолекулярных ансамблей из дискретных молекулярных строительных блоков.[1] DCvC предоставил доступ к сложным сборкам, таким как ковалентные органические каркасы, молекулярные узлы, полимеры и новые макроциклы.[2] Не путать с динамической комбинаторной химией, DCvC касается только взаимодействий ковалентных связей. Таким образом, он охватывает только подмножество супрамолекулярной химии.

Основная идея заключается в том, что быстрое уравновешивание позволяет сосуществовать множеству различных видов, среди которых молекулы могут быть выбраны с желаемым химический, фармацевтический и биологический свойства. Например, добавление подходящего шаблона сместит равновесие в сторону компонента, образующего комплекс более высокой стабильности (термодинамический эффект шаблона ). После нового равновесие устанавливается, условия реакции изменяются для прекращения уравновешивания. Затем оптимальное связующее для темплата извлекается из реакционной смеси обычным способом. лаборатория процедуры. Свойство самосборки и исправления ошибок, позволяющее использовать DCvC в супрамолекулярной химии, основано на динамическом свойстве

Динамические системы

Динамические системы - это наборы дискретных молекулярных компонентов, которые можно обратимо собирать и разбирать. Системы могут включать несколько взаимодействующих видов, приводящих к конкурирующим реакциям. Обратимость, присущая

Термодинамический контроль

Рисунок 1: Термодинамический и кинетический контроль[3]

В динамических реакционных смесях несколько продуктов находятся в равновесии. Обратимая сборка молекулярных компонентов приводит к образованию продуктов и полустабильных промежуточных продуктов. Реакции могут протекать по кинетическим или термодинамическим путям. Начальные концентрации кинетических промежуточных продуктов больше, чем термодинамические продукты, потому что более низкий барьер активации (ΔG ‡), по сравнению с термодинамическим путем, дает более высокую скорость образования. Кинетический путь представлен на рисунке 1 в виде фиолетовой энергетической диаграммы. Со временем промежуточные соединения уравновешиваются к глобальному минимуму, соответствующему самой низкой общей свободной энергии Гибба (ΔG °), показанной красным цветом на диаграмме реакции на рисунке 1. Движущей силой для продуктов, чтобы повторно уравновеситься в сторону наиболее стабильных продуктов, является называется термодинамическим контролем. Отношение продуктов к в любом состоянии равновесия определяется относительными величинами свободной энергии продуктов. Эта связь между населенностью и относительной энергией называется распределением Максвелла-Больцмана.

Термодинамический шаблонный эффект

Концепция термодинамического шаблона продемонстрирована на схеме 1. Термодинамический шаблон - это реагент, который может стабилизировать форму одного продукта по сравнению с другими, снижая его свободную энергию Гибба (ΔG °) по сравнению с другими продуктами. циклофан C2 может быть получен необратимой сильно разбавленной реакцией диола с хлорбромметан в присутствии гидрид натрия. Однако димер является частью ряда равновесий между полиацетальными макроциклами разного размера, вызванных кислотный катализатор (трифликовая кислота ) трансацетализация.[4] Независимо от исходного материала, C2, C4 или высокий молярная масса продукта, равновесие в конечном итоге приведет к распределению продукта по многим макроциклам и олигомерам. В этой системе возможно усилить Наличие C2 в смеси, когда катализатором трансацетализации является трифлат серебра, потому что ион серебра идеально и необратимо входит в состав C2 полость.

Схема 1: Термодинамический шаблон в синтезе макроцикла

Синтетические методы

Реакции, используемые в DCvC, должны производить термодинамически стабильные продукты, чтобы преодолеть энтропийную стоимость самосборки. Реакции должны образовывать ковалентные связи между строительными блоками. Наконец, все возможные промежуточные соединения должны быть обратимыми, и реакция идеально протекает в условиях, которые допускают присутствие функциональных групп в другом месте молекулы.

Реакции, которые можно использовать в DCvC, разнообразны и могут быть разделены на две основные категории. Реакции обмена включают замену одного реакционного партнера в межмолекулярной реакции другим с идентичным типом связи. Некоторые примеры этого показаны на схемах 5 и 8 в реакциях обмена сложного эфира и обмена дисульфида. Второй тип, реакции образования, основаны на образовании новых ковалентных связей. Некоторые примеры включают реакции Дильса-Альдера и Альдола. В некоторых случаях реакция может относиться к обеим категориям. Например, образование основания Шиффа можно классифицировать как образование новых ковалентных связей между карбонилом и первичным амином. Однако в присутствии двух разных аминов реакция превращается в реакцию обмена, в которой два производных имина конкурируют в равновесии.

Реакции обмена и образования можно разделить на три категории:

  1. Связь между углеродом и углеродом
  2. Связь между углеродом и гетероатомом
  3. Связь между Гетероатом и Гетероатом

Формирование связи C-C

Образование связи между атомами углерода приводит к очень термодинамически стабильным продуктам. Поэтому они часто требуют использования катализатора для улучшения кинетики и обеспечения обратимости.

Альдольные реакции

Альдольные реакции обычно используются в органической химии для образования углерод-углеродных связей. Мотив альдегид-спирт, общий для продукта реакции, встречается повсеместно в синтетической химии и природных продуктах. В реакции используются два карбонильных соединения для образования β-гидроксикарбонила. Катализ всегда необходим, потому что барьер активации между кинетическими продуктами и исходными материалами делает динамический обратимый процесс слишком медленным. Катализаторы, которые были успешно использованы, включают ферментативную альдолазу и системы на основе Al2O3.[5]

Схема 2: образование альдола из кетона и альдегида

Дильс-Альдер

Схема 3: [4 + 2] циклоприсоединение между фураном и малеимидом

[4 + 2] циклоприсоединения диена и алкена были использованы в качестве реакций DCvC. Эти реакции часто обратимы при высоких температурах. В случае аддуктов фуран-малеимид ретроциклоприсоединение возможно при температурах до 40 ° C.[6]

Метатезис

Схема 4: Метатезис олефинов через катализатор Грабба

Метатезис олефинов и алкинов относится к реакции образования углерод-углеродной связи. В случае метатезиса олефинов связь образуется между двумя sp2-гибридизированными углеродными центрами. При метатезисе алкинов он образуется между двумя sp-гибридными углеродными центрами.[7] Полимеризация с раскрытием цикла с метатезисом (ROMP) может быть использована в полимеризации и синтезе макроциклов.[1]

Углерод-гетероатом

Распространенным мотивом динамического ковалентного строительства является образование связи между углеродным центром и гетероатомом, таким как азот или кислород. Поскольку связь, образованная между углеродом и гетероатомом, менее стабильна, чем связь углерод-углерод, они обеспечивают большую обратимость и достигают термодинамического равновесия быстрее, чем углеродная связь, образующая динамические ковалентные реакции.

Эфирный обмен

Схема 5: Эфирный обмен со спиртом

Обмен сложного эфира происходит между карбонилом сложного эфира и спиртом. Обратная этерификация может происходить путем гидролиза. Этот метод широко используется в синтезе полимеров.[8]

Иминное и аминальное образование

Реакции образования связей между углеродом и азотом наиболее широко используются в динамической ковалентной химии. Они более широко используются в химии материалов для молекулярных переключателей, ковалентных органических каркасов и в системах самосортировки.[1]

Образование имина происходит между альдегидом или кетоном и первичным амином. Точно так же аминальное образование происходит между альдегидом или кетоном и вицинальным вторичным амином.[8] Обе реакции обычно используются в DCvC.[1] Хотя обе реакции изначально можно отнести к категории реакций образования, в присутствии одного или нескольких реагентов динамическое равновесие между карбонилом и амином становится реакцией обмена.

Схема 6: Образование основания Шиффа между альдегидом и амином
Схема 7: Аминальное образование между кетоном и двумя вторичными аминами

Гетероатом-Гетероатом

Образование динамической гетероатомной связи представляет собой полезные реакции в инструментарии динамических ковалентных реакций. Конденсация бороновой кислоты (BAC) и обмен дисульфида составляют две основные реакции в этой категории.[1]

Дисульфидный обмен

Дисульфиды могут вступать в реакции динамического обмена со свободными тиолами. Эта реакция хорошо задокументирована в области DCvC, и это одна из первых реакций, продемонстрировавших динамические свойства.[1][9] Применение химии дисульфидов имеет дополнительное преимущество, поскольку является биологическим мотивом. Остатки цистеина могут образовывать дисульфидные связи в природных системах.[1]

Схема 8: Дисульфидный обмен между асимметричными дисульфидами

Бороновая кислота

Самоконденсация или конденсация бороновой кислоты с диолами - это хорошо задокументированная динамическая ковалентная реакция. Конденсация бороновой кислоты характеризуется образованием двух динамических связей с различными субстратами. Это выгодно при проектировании систем, где требуется высокая жесткость, таких как трехмерные клетки и COF.[10]

Схема 9: Самоконденсация бороновой кислоты.

Схема 9: Конденсация бороновой кислоты

Приложения

Динамическая ковалентная химия позволила получить доступ к широкому спектру надмолекулярных структур. Используя вышеуказанные реакции для связывания молекулярных фрагментов, были получены материалы более высокого порядка. Эти материалы включают макроциклы, COF и молекулярные узлы. Эти продукты используются, в частности, в хранении газа, катализе и биомедицинском зондировании.[1]

Каскады динамической сигнализации

Динамические ковалентные реакции недавно были использованы в Системная химия инициировать сигнальные каскады путем обратимого высвобождения протонов. Динамический характер реакций обеспечивает подходящую переключающую природу каскадных систем.[11]

Макроциклы

Существует множество примеров, демонстрирующих полезность DCvC в синтезе макроциклов. Этот тип химии эффективен для синтеза больших макроциклов, потому что термодинамический эффект шаблона хорошо подходит для стабилизации кольцевых структур. Кроме того, способность исправлять ошибки, присущая DCvC, позволяет изготавливать большие конструкции без дефектов.[12][13]

Ковалентные органические каркасы

Все современные методы ковалентный органический каркас (COF) синтез используют DCvC. Обезвоживание бороновой кислоты, как показано Яги и другие. это наиболее часто используемый тип реакции.[14] COF использовались в хранении газа, катализе,. Возможные морфологии включают бесконечные ковалентные 3D-каркасы, 2D-полимеры или дискретные молекулярные клетки.

Молекулярные узлы

DCvC использовался для создания молекул со сложными топологическими свойствами. На случай, если Кольца Борромео DCvC используется для синтеза трехкольцевой системы блокировки. Термодинамические шаблоны используются для стабилизации взаимосвязанного роста макроцикла.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ а б c d е ж г час Цзинь, Инхуа; Ю, Чао; Денман, Райан Дж .; Чжан, Вэй (21.08.2013). «Последние достижения в динамической ковалентной химии». Обзоры химического общества. 42 (16): 6634–6654. Дои:10.1039 / c3cs60044k. ISSN  1460-4744. PMID  23749182.
  2. ^ Цзинь, Инхуа; Ван, Ци; Тайнтон, Филип; Чжан, Вэй (20 мая 2014 г.). «Подходы динамической ковалентной химии к макроциклам, молекулярным клеткам и полимерам». Отчеты о химических исследованиях. 47 (5): 1575–1586. Дои:10.1021 / ar500037v. ISSN  0001-4842. PMID  24739018.
  3. ^ «Термодинамика против кинетического контроля» от Nick024 - собственная работа. Лицензия CC0 через Commons - https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Thermodyamic_versus_kinetic_control.png#/media/File:Thermodyamic_versus_kinetic_control.png
  4. ^ Этот конкретный тип трансацетализации известен под названием формальный метатезис потому что это напоминает метатезис олефинов но тогда с формальдегид.
  5. ^ Чжан, Ян; Вонгвилаи, Порнрапи; Сакулсомбат, Моракот; Фишер, Андреас; Рамстрём, Олоф (24 марта 2014 г.). «Асимметричный синтез замещенных тиоланов посредством домино Thia-Michael-Henry динамического ковалентного системного разрешения с использованием липазного катализа». Расширенный синтез и катализ. 356 (5): 987–992. Дои:10.1002 / adsc.201301033. ISSN  1615-4150. ЧВК  4498465. PMID  26190961.
  6. ^ Бутель, Роберт С .; Нортроп, Брайан Х. (07.10.2011). «Влияние заместителей на обратимость циклоприсоединений фуран-малеимид». Журнал органической химии. 76 (19): 7994–8002. Дои:10.1021 / jo201606z. ISSN  1520-6904. PMID  21866976.
  7. ^ Vougioukalakis, Georgios C .; Граббс, Роберт Х. (10 марта 2010 г.). "Гетероциклические карбен-координированные катализаторы метатезиса олефинов на основе рутения". Химические обзоры. 110 (3): 1746–1787. Дои:10.1021 / cr9002424. ISSN  0009-2665. PMID  20000700.
  8. ^ а б Боздемир, О. Алтан; Барин, Гохан; Бедич, Мэтью Е .; Basuray, Ashish N .; Беерле, Флориан; Стоддарт, Дж. Фрейзер (26 сентября 2012 г.). «Динамический ковалентный шаблонный синтез [c2] гирляндных цепочек». Химические коммуникации. 48 (84): 10401–10403. Дои:10.1039 / C2CC35522A. PMID  22982882. Получено 2015-11-17.
  9. ^ Ким, Джихонг; Пэк, Кангюн; Шетти, Динеш; Сельвапалам, Нараянан; Юн, Кёнвон; Ким, Нам Хун; Ко, Ён Хо; Парк, Кенг Мин; Хван, Илья (23 февраля 2015 г.). «Обратимое морфологическое преобразование между полимерными нанокапсулами и тонкими пленками посредством динамической ковалентной самосборки». Angewandte Chemie International Edition. 54 (9): 2693–2697. Дои:10.1002 / anie.201411842. ISSN  1521-3773. PMID  25612160.
  10. ^ Нишиябу, Рюхей; Кубо, Юдзи; Джеймс, Тони Д .; Фосси, Джон С. (28 января 2011 г.). «Строительные блоки борной кислоты: инструменты для самостоятельной сборки». Chemical Communications (Кембридж, Англия). 47 (4): 1124–1150. Дои:10.1039 / c0cc02921a. ISSN  1364-548X. PMID  21113558.
  11. ^ Рен, Юлонг; Ты, Лэй (11.11.2015). "Динамические сигнальные каскады: обратимые ковалентные молекулярные переключатели, связанные реакцией". Журнал Американского химического общества. 137 (44): 14220–14228. Дои:10.1021 / jacs.5b09912. ISSN  0002-7863. PMID  26488558.
  12. ^ Каччапалья, Роберта; Ди Стефано, Стефано; Мандолини, Луиджи (2005-10-05). «Реакция метатезиса ацеталей формальдегида: легкий вход в динамическую ковалентную химию образования циклофана». Журнал Американского химического общества. 127 (39): 13666–13671. Дои:10.1021 / ja054362o. ISSN  0002-7863. PMID  16190732.
  13. ^ Корниенко, Николай; Чжао, Инбо; Клей, Кристофер С .; Чжу, Чэньхуэй; Ким, Дохён; Линь, Песня; Чанг, Кристофер Дж .; Яги, Омар М .; Ян, Пейдун (2015-10-28). «Металлоорганические основы для электрокаталитического восстановления диоксида углерода». Журнал Американского химического общества. 137 (44): 14129–14135. Дои:10.1021 / jacs.5b08212. PMID  26509213.
  14. ^ Bunck, Дэвид Н .; Дихтель, Уильям Р. (20 февраля 2012 г.). «Внутренняя функционализация трехмерных ковалентных органических каркасов». Angewandte Chemie International Edition. 51 (8): 1885–1889. Дои:10.1002 / anie.201108462. ISSN  1521-3773. PMID  22249947.