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.
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]
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]
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]
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.
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]
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 ]- Нажмите химия
- Свободнорадикальное присоединение
- Нестехиометрический тиол-еновый полимер
- Тиол-иновая реакция
Ссылки
[ редактировать ]- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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.
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .