Jump to content

Тиол-еновая реакция

В сероорганической химии тиол -еновая реакция (также гидротиолирование алкена ) представляет собой органическую реакцию между тиолом ( R-SH ) и алкен ( R 2 C=CR 2 ) с образованием тиоэфира ( R-S-R' ). Впервые эта реакция была описана в 1905 г. [1] но он приобрел известность в конце 1990-х и начале 2000-х годов благодаря своей осуществимости и широкому спектру применений. [2] [3] Эту реакцию принято считать химической реакцией щелчка, реакции учитывая высокий выход , стереоселективность , высокую скорость и термодинамическую движущую силу.

Основная схема реакции присоединения тиол-ена
Basic schematic of thiol-ene addition reaction

В результате реакции происходит антимарковниковское присоединение тиолового соединения к алкену. Учитывая стереоселективность, высокую скорость и выходы, эта синтетически полезная реакция может лежать в основе будущих применений в материаловедении и биомедицинских науках. [2] [4]

Механизмы

[ редактировать ]

Радикальное дополнение

[ редактировать ]

Известно, что присоединение тиол-ена происходит по двум механизмам: свободнорадикальное присоединение и каталитическое присоединение по Михаэлю . Свободнорадикальные присоединения могут быть инициированы светом, теплом или радикальными инициаторами, которые образуют тиильные радикалы . Затем радикал распространяется с еновой функциональной группой посредством антимарковниковского присоединения с образованием углеродцентрированного радикала. Стадия передачи цепи удаляет водородный радикал из тиола, который впоследствии может участвовать в нескольких стадиях распространения. [4]

Присоединения тиол-енового радикала выгодны для химического синтеза, поскольку процессы ступенчатого роста (стадии роста и передачи цепи) и роста цепи (гомополимеризация) могут эффективно использоваться для образования гомогенных полимерных сетей. Фотополимеризация является полезной радикальной реакцией для применения в области нанотехнологий, биоматериалов и материаловедения, но этим реакциям препятствуют ингибирующие способности кислорода . Присоединение тиол-енового радикала сочетает в себе преимущества реакций фотополимеризации с вышеупомянутыми преимуществами реакций клик-химии . Эта реакция полезна в области радикальной фотополимеризации, поскольку она количественно и быстро протекает по простому механизму в условиях окружающей атмосферы. [4] Углеродцентрированный радикал может подвергаться полимеризации с ростом цепи в зависимости от тиоловых и еновых функциональных групп. Эта свободнорадикальная полимеризация может быть полезна при синтезе однородных полимерных сеток. [5]

Майкл дополнение

[ редактировать ]

Известно, что тиол-еновые реакции протекают по пути присоединения Михаэля . Эти реакции катализируются либо основанием, либо нуклеофилом, в результате чего образуется продукт антимарковниковского присоединения, аналогичный продукту присоединения тиол-енового радикала. [6]

Кинетика

[ редактировать ]

Известно, что реакции клик-химии отличаются высокой эффективностью и высокой скоростью реакции, однако существует значительная вариабельность общей скорости реакции в зависимости от функциональности алкена. Для лучшего понимания кинетики тиол-еновых реакций были проведены расчеты и эксперименты по энтальпиям переходного состояния и реакции для ряда алкенов и их радикальных интермедиатов. [5] [7] Было показано, что реакционная способность и структура алкена определяют, пойдет ли реакция по пути ступенчатого роста или по пути роста цепи. [5] Было также показано, что тиол-еновую полимеризацию можно регулировать путем усиления межмолекулярных взаимодействий между тиоловыми и алкеновыми функциональными группами. [7] В настоящее время общепринятая тенденция заключается в том, что алкены, богатые электронами (такие как виниловый эфир или аллиловый эфир) и норборнен, обладают высокой реакционной способностью по сравнению с сопряженными и бедными электронами алкенами ( бутадиен и метоксиэтен ). В случае норборнена и винилового эфира наблюдается только ступенчатый рост, гомополимеризация после образования углеродцентрированного радикала не происходит. [4]

Зависимость скорости реакции присоединения тиол-енового радикала

Из-за сложной кинетики этой двухстадийной циклической реакции стадию, определяющую скорость было трудно определить . Учитывая, что скорости обеих стадий должны быть равны, концентрация радикальных частиц определяется константой скорости более медленной из стадий реакции. Таким образом, общая скорость реакции ( RP ) к ) может быть смоделирована отношением скорости распространения ( k P скорости передачи цепи ( k CT ). Поведение скорости реакции описывается соотношением, приведенным ниже. Во всех случаях реакция имеет первый порядок , когда k P k CT [уравнение. 1] скорость реакции определяется концентрацией тиола, а лимитирующей стадией является передача цепи, когда k P k CT [уравнение 2] скорость реакции определяется концентрацией алкена, а лимитирующей стадией является распространение, и, наконец, когда k P k CT [уравнение 3] реакция имеет полупорядок как по концентрации алкена, так и по концентрации тиола.

Функциональные группы тиоловых и алкеновых соединений могут влиять на реакционную способность радикальных частиц и их соответствующие константы скорости. Структура алкена определяет, будет ли реакция ограничена распространением или переносом цепи и, следовательно, будет иметь первый порядок по концентрации алкена или тиола соответственно. В случае реакционноспособных алкенов, таких как аллиловый эфир, передача цепи является стадией, лимитирующей скорость, тогда как в случае менее реакционноспособных алкенов, таких как винилсилазаны, стадией, лимитирующей скорость, является распространение цепи. Сродство тиола к водороду также влияет на стадию ограничения скорости. Алкилтиолы имеют меньше отщепляемых протонов, и поэтому стадия передачи цепи имеет более низкую скорость реакции, чем стадия роста. [4]

Схема фотоинициируемой тиол-еновой клик-реакции. [8]

В большинстве случаев реакция квазипервого порядка дает кинетическое уравнение скорости, соответствующее экспоненциальной функции распада реагентов и продуктов.

[нормализованный тиол-еновый продукт] =

где k — эффективная константа скорости, а t — время.

Однако когда генерация радикалов становится лимитирующей стадией, индукционный период часто наблюдается на ранней стадии реакции, например, для фотоинициируемой реакции в условиях слабого освещения. Кинетическая кривая отклоняется от экспоненциальной функции затухания для обычной реакции первого порядка из-за медленного периода роста. Кинетическая модель должна включать стадию генерации радикалов, чтобы объяснить этот индукционный период (рисунок справа). Окончательное выражение имеет форму, подобную Гауссу . [8]

[нормализованный тиол-еновый продукт] =

где k — эффективная константа скорости, а t — время.

Синтетически полезные тиол-еновые реакции

[ редактировать ]

Инициирование каскадной циклизации

[ редактировать ]

Тиол-еновая реакция (и аналогичная тиолиновая реакция) широко использовалась для получения реакционноспособных промежуточных продуктов циклизации ненасыщенных субстратов . Радикальное гидротиолирование ненасыщенной функциональной группы косвенно генерирует углеродцентрированный радикал, который затем может циклизоваться внутримолекулярно с образованием алкенов, простых эфиров оксимов, изоцианидов , цианогрупп и ароматических колец. [9] Использование тиильных радикалов в качестве инициаторов циклизации использовано в синтезе ряда природных продуктов, в том числе аплизинов, [10] α- каиновая кислота , [11] асперпаралины, [12] и алкалоиды, такие как нарциклазин и ликорицидин. [13]

Синтез каиновой кислоты путем циклизации, индуцированной тиильным радикалом.

Внутримолекулярные тиол-еновые реакции

[ редактировать ]

Внутримолекулярные тиол-еновые реакции позволяют создавать серосодержащие гетероциклы . Радикально-инициированная тиол-еновая реакция позволила синтезировать четырех- и восьмичленные кольца, а также макроциклы. благоприятствует образованию антимарковниковского продукта, региохимия циклоприсоединения Хотя радикальная тиол-еновая реакция зависит от эффектов заместителей и условий реакции, которые служат для направления циклизации к термодинамически или кинетически предпочтительному продукту соответственно. В этом разделе рассматриваются реакции внутримолекулярной тиол-еновой циклизации, в результате которых образуется смесь 5- экзо- и 6- эндо- продуктов, чтобы облегчить обсуждение факторов, которые могут влиять на региоселективность внутримолекулярного присоединения. Эта реакция имеет отношение к синтезу С -связанных тиосахаров. [14] И фуранозный, и пиранозный тиосахара могут быть получены из одного и того же предшественника тиильного радикала; 5- экзо- и 6- эндо- циклизации этого предшественника образуют соответствующее желаемое соединение. Условия, при которых происходят эти реакции циклизации, соответствуют правилам Болдуина для замыкания кольца.

Циклизация тиосахаров 5-экзо и 6-эндо
Thiosugar 5-exo and 6-endo cyclization

Внутримолекулярная циклизация тиильных и ацилтиильных радикалов была использована для доступа к алициклическим и гетероциклическим соединениям посредством антимарковниковских тиол-еновых реакций на 1,6-диенах в фотохимических условиях. [15]

Цис транс- конверсия алкенов

[ редактировать ]

Учитывая обратимость присоединения тиол-енового радикала, реакцию можно использовать для облегчения цис - транс- изомеризации . Тиильный радикал распространяется вместе с алкеном, образуя углеродцентрированный радикал, предыдущая двойная связь теперь допускает свободное вращение вокруг одинарной сигма-связи . Когда происходит обратная реакция, ориентация присоединения водорода к углеродному радикалу определяет, будет ли продукт изомеризации цис- или транс- . Следовательно, состав продуктов зависит от конформационной стабильности углеродцентрированного радикального интермедиата. [16]

Тиол-еновая цис-транс-изомеризация
Thiol-ene cistrans isomerization

Возможные применения

[ редактировать ]

Синтез дендримеров

[ редактировать ]

Дендримеры перспективны в медицине, биоматериалах и наноинженерии . Эти полимеры могут действовать как нацеливающие компоненты, детектирующие агенты и фармацевтически активные соединения. Тиол-еновые добавки полезны в дивергентном синтезе дендримеров из-за особенностей клик-химии, таких как мягкие условия реакции (мягкие растворители), региоселективность , высокая эффективность, высокая конверсия и количественный выход . [17] Поскольку эта реакция инициируется фото , она не требует медного катализа , в отличие от других распространенных реакций, используемых при получении дендримеров; это выгодно для синтеза функциональных биоматериалов, учитывая ингибирующие свойства меди в отношении биологических систем. [18] Тиол-еновые реакции использовались наряду с реакциями ангидрида, этерификации , Гриньяра и Михаэля для функционализации концов цепей и построения основных цепей полимера в синтезе разветвленных молекул, таких как гликодендроны, политиоэфирные дендримеры и кремнийорганические тиоэфирные дендримеры. [3] [4] [19]

Общая стратегия дивергентного синтеза дендримера начинается с ядра; обычно используемые ядра включают 2,4,6-триаллилокси-1,3,5-триазин, триаллилизоцианурат и тетравинилсилан. [17] [18] [20] В хорошо цитируемом сообщении 2,4,6-триаллилокси-1,3,5-триазин смешивали с 1-тиоглицерином в отсутствие растворителя, тиол-еновую реакцию инициировали радикальным инициатором 2,2-диметокси- 2-фенилацетофенон и УФ- облучение. Концевые алкеновые функциональные группы добавляли к дендримеру путем этерификации пент-4-еновым ангидридом в присутствии ДМАП и пиридина . Продукт четвертого поколения, полученный ступенчатым способом, содержит 48 концевых гидроксильных групп. [17]

Синтез полимеров

[ редактировать ]

Многофункциональные тиолы, такие как тетракис(3-меркаптопропионат) пентаэритрита, могут реагировать с многофункциональными енами, такими как мономеры, функционализированные норборненом , путем фотополимеризации с образованием сшитых полимерных сетей. Эти тиол-еновые сетки имеют преимущество перед традиционными сетками, поскольку они формируются быстро и количественно в атмосферных условиях (без ингибирования кислорода) с образованием гомогенных полимерных сеток. [4]

Рисунок поверхности

[ редактировать ]

Тиол-еновая функционализация поверхности широко исследуется в материаловедении и биотехнологии. Присоединение молекулы со стерически доступной алкеновой или тиоловой группой к твердой поверхности позволяет создавать на поверхности полимеры посредством последующих тиол-еновых реакций. [2] Учитывая, что в водных растворах тиол-еновые реакции могут инициироваться УФ-светом (длина волны 365–405 нм) или солнечным светом, присоединение данной функциональной группы к экспонированному тиолу или алкену можно пространственно контролировать с помощью фотомаскирования. [21] Более конкретно, фотомаска позволяет выборочно подвергать поверхность источнику ультрафиолетового света, контролируя место данной тиол-еновой реакции, тогда как идентичность присоединенной молекулы определяется составом водной фазы, расположенной над поверхностью. в момент воздействия УФ. Таким образом, манипуляции с формой фотомаски и составом водного слоя приводят к созданию неоднородной поверхности, свойства которой зависят от идентичности прикрепленной молекулы в данном месте. [2]

Тиол-еновая функционализация поверхности может быть достигнута с высоким уровнем пространственной специфичности, что позволяет производить фотомаски. [21]

Молекулы органотриэтоксисилана с тиоловыми или виниловыми хвостами были использованы для функционализации поверхности. Функциональные группы этоксисилана и метоксисилана обычно используются для закрепления органических молекул на различных оксидных поверхностях. Тиол-еновое соединение может быть достигнуто либо в объеме раствора, либо до молекулярного закрепления. [8] или поэтапно на подложку, позволяющую фотолитографию. [22] Реакцию можно провести за пять минут под солнечным светом с ~4% УФ-света, который полезен для тиол-еновой реакции. [8]

Формирование белкового рисунка на электронно-лучевом резисте

[ редактировать ]

Тиол-ен также можно использовать в качестве сопротивления электронному лучу . [ нужны разъяснения ] в результате появляются наноструктуры, которые позволяют осуществлять прямую функционализацию белков. [23]

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ Познер, Теодор (январь 1905 г.). «Вклад в познание ненасыщенных соединений. II. О присоединении меркаптанов к ненасыщенным углеводородам» . Отчеты Немецкого химического общества . 38 (1): 646–657. дои : 10.1002/cber.190503801106 .
  2. ^ Jump up to: а б с д Лоу, Эндрю Б. (2010). «Реакции тиол-енового щелчка и последние применения в синтезе полимеров и материалов». Полим. Хим . 1 (1): 17–36. дои : 10.1039/B9PY00216B .
  3. ^ Jump up to: а б Нильссон, Камилла; Симпсон, Нил; Малкох, Майкл; Йоханссон, Матс; Мальмстрем, Ева (15 февраля 2008 г.). «Синтез и тиол-еновая фотополимеризация дендримеров, функционализированных аллиловым эфиром». Журнал науки о полимерах. Часть A: Химия полимеров . 46 (4): 1339–1348. Бибкод : 2008JPoSA..46.1339N . дои : 10.1002/pola.22474 .
  4. ^ Jump up to: а б с д и ж г Хойл, Чарльз Э.; Боуман, Кристофер Н. (22 февраля 2010 г.). «Химия тиол-енового клика». Angewandte Chemie, международное издание . 49 (9): 1540–1573. дои : 10.1002/anie.200903924 . ПМИД   20166107 .
  5. ^ Jump up to: а б с Нортроп, Брайан Х.; Коффи, Родерик Н. (22 августа 2012 г.). «Химия тиол-енового клика: вычислительный и кинетический анализ влияния алкеновой функциональности». Журнал Американского химического общества . 134 (33): 13804–13817. дои : 10.1021/ja305441d . ПМИД   22853003 .
  6. ^ Наир, Девата П.; Подгорский, Мацей; Чатани, Сюнсукэ; Гонг, Тао; Си, Вэйсянь; Феноли, Кристофер Р.; Боуман, Кристофер Н. (14 января 2014 г.). «Реакция щелчка присоединения Тиола-Майкла: мощный и широко используемый инструмент в химии материалов». Химия материалов . 26 (1): 724–744. дои : 10.1021/cm402180t .
  7. ^ Jump up to: а б Фундук, Вулкан; Миллер, Иса; Чатак, Шарон; Авиенте, Виктория (январь 2019 г.). «Теоретическое исследование реакций тиол-енового щелчка: взгляд на DFT». Европейский журнал полимеров . 110 : 211–220. Бибкод : 2019EurPJ.110..211F . doi : 10.1016/j.eurpolymj.2018.11.030 . S2CID   105594327 .
  8. ^ Jump up to: а б с д Сай Пьекко, Курт В.Е.; Аболенен, Ахмед М.; Пайл, Джозеф Р.; Висенте, Ювинч Р.; Гаутам, Динеш; Чен, Цзисинь (2018). «Кинетическая модель в условиях ограничения света для фотоинициируемых реакций тиол-енового сочетания» . АСУ Омега . 3 (10): 14327–14332. дои : 10.1021/acsomega.8b01725 . ПМК   6210074 . ПМИД   30411064 .
  9. ^ Линч, Дилан М.; Сканлан, Эоин М. (07 июля 2020 г.). «Тиильные радикалы: универсальные реакционноспособные промежуточные соединения для циклизации ненасыщенных субстратов» . Молекулы . 25 (13): 3094. doi : 10,3390/molecules25133094 . ISSN   1420-3049 . ПМЦ   7412111 . ПМИД   32646036 .
  10. ^ Харроувен, Дэвид С; Лукас, Мэтью С; Хоуз, Питер Д. (июнь 1999 г.). «Полный синтез аплизина и дебромаплизина с использованием диастереоселективной стратегии радикальной циклизации, опосредованной серой» . Буквы тетраэдра . 40 (23): 4443–4444. дои : 10.1016/S0040-4039(99)00768-6 .
  11. ^ Мията, Окико; Одзава, Йошики; Ниномия, Ичия; Наито, Такеаки (август 2000 г.). «Радикальная циклизация в синтезе гетероциклов. Часть 10: Краткий синтез (-)-каиновой кислоты посредством реакции присоединения-циклизации-элиминирования сульфанильных радикалов» . Тетраэдр . 56 (34): 6199–6207. дои : 10.1016/S0040-4020(00)00579-2 .
  12. ^ Крик, Питер Дж.; Симпкинс, Найджел С.; Хайтон, Адриан (16 декабря 2011 г.). «Синтез асперпаралинового ядра радикальным каскадом» . Органические письма . 13 (24): 6472–6475. дои : 10.1021/ol202769f . ISSN   1523-7060 . ПМИД   22082317 .
  13. ^ Кек, Гэри Э.; Вейгер, Трэвис Т.; Родригес, Дж. Феликс Дуарте (июнь 1999 г.). «Полный синтез (-)-ликорицидина, (+)-ликорицидина и (+)-нарциклазина посредством 6-экзо-циклизации замещенных виниловых радикалов эфирами оксима †» . Журнал Американского химического общества . 121 (22): 5176–5190. дои : 10.1021/ja9826688 . ISSN   0002-7863 .
  14. ^ Сканлан, Эоин; Корсе, Винсент; Мэлоун, Аойф (19 ноября 2014 г.). «Синтетическое применение внутримолекулярных тиол-еновых реакций «щелчка»» . Молекулы . 19 (11): 19137–19151. дои : 10.3390/molecules191119137 . ПМК   6271571 . ПМИД   25415476 .
  15. ^ Линч, Дилан М.; Нолан, Марк Д.; Уильямс, Конор; Ван Далсен, Леендерт; Калверт, Сюзанна Х.; Денес, Фабрис; Трухильо, Кристина; Сканлан, Эоин М. (21 июля 2023 г.). «Бесследовая радикальная циклизация 1,6-диенов, опосредованная тиокислотами» . Журнал органической химии . 88 (14): 10020–10026. дои : 10.1021/acs.joc.3c00824 . ISSN   0022-3263 . ПМЦ   10367065 . ПМИД   37418624 .
  16. ^ Уоллинг, Чевес; Хельмрайх, Вольф (март 1959 г.). «Реакционная способность и обратимость реакции тиильных радикалов с олефинами». Журнал Американского химического общества . 81 (5): 1144–1148. дои : 10.1021/ja01514a032 .
  17. ^ Jump up to: а б с Киллопс, Като Л.; Кампос, Луис М.; Хокер, Крейг Дж. (апрель 2008 г.). «Надежный, эффективный и ортогональный синтез дендримеров с помощью химии тиол-енового щелчка». Журнал Американского химического общества . 130 (15): 5062–5064. CiteSeerX   10.1.1.658.8715 . дои : 10.1021/ja8006325 . ПМИД   18355008 .
  18. ^ Jump up to: а б Монтаньес, Мария И.; Кампос, Луис М.; Антони, Пер; Хед, Ивонн; Уолтер, Мари В.; Крулл, Брэндон Т.; Хан, Анзар; Хульт, Андерс; Хокер, Крейг Дж.; Малкох, Майкл (27 июля 2010 г.). «Ускоренный рост дендримеров посредством тиол-енов и реакций этерификации». Макромолекулы . 43 (14): 6004–6013. Бибкод : 2010МаМол..43.6004М . CiteSeerX   10.1.1.661.7797 . дои : 10.1021/ma1009935 .
  19. ^ Риссинг, Кристиана; Сын, Дэвид Ю. (8 июня 2009 г.). «Применение тиол-еновой химии для получения карбосилан-тиоэфирных дендримеров». Металлоорганические соединения . 28 (11): 3167–3172. дои : 10.1021/om9001395 .
  20. ^ Сын, ДЯ; Риссинг, К.; Чен, Л.; Андерссон, Т.Э. (2010). «Тиол-еновая химия для синтеза и модификации разветвленных кремнийорганических полимеров» . Полимерные препринты . 51 (2): 730–731.
  21. ^ Jump up to: а б Йонкхейм, Паскаль; Вайнрих, Дирк; Кён, Майя; Энгелькамп, Ганс; Кристианен, Питер CM; Кульманн, Юрген; Манн, Джон К.; Нюссе, Дирк; Шредер, Генри; Вакер, Рон; Брейнбауэр, Рольф; Нимейер, Кристоф М.; Вальдманн, Герберт (26 мая 2008 г.). «Фотохимическое формирование рисунка поверхности с помощью тиол-еновой реакции». Angewandte Chemie, международное издание . 47 (23): 4421–4424. дои : 10.1002/anie.200800101 . hdl : 2066/71919 . ПМИД   18428169 .
  22. ^ Курт Уолдо Э. Сай Пьекко; Ювинч Р. Висенте; Джозеф Р. Пайл; Дэвид К. Ингрэм; Мартин Э. Кордеш; Цзисинь Чен (2019). «Многоразовые подложки с химическим микроструктурным рисунком посредством последовательных фотоинициируемых тиол-еновых реакций в качестве матрицы для тонкопленочных микрочипов перовскита» . ChemRxiv . дои : 10.26434/chemrxiv.8966297.v2 .
  23. ^ Шафаг, Реза; Вастессон, Александр; Го, Вэйджин; из Вейнгаарта — Воутер; Харальдссон, Томми (2018). «Электронно-лучевое наноструктурирование и биофункционализация тиол-енового резиста прямым щелчком» . АСУ Нано . 12 (10): 9940–9 дои : 10.1021/acsnano.8b03709 . ПМИД   30212184 . S2CID   52271550 .
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 2bc246ec6b2380df9d6939a1199a3b9f__1708768320
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/2b/9f/2bc246ec6b2380df9d6939a1199a3b9f.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Thiol-ene reaction - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)