Minden nagy bulinak szomorú a vége…

Jó buli ez a click kémia, de mint minden teleshopos cuccnak, csak vannak hátulütői?! 

Mi választja el a click kémiát attól, hogy a szent grál legyen? 

Mik a határai?

Mindenek előtt, ha valaki az azidokkal foglalkozó cikket olvas (leszámítva a mi két cikkünket :D), általában csupa nagybetűvel, félkövéren kiszúrja a szemét, hogy az azidokkal vigyázni kell, mert felrobbanhatnak. Láttatok már légzsákot? Az is azid. A szerves azidok is robbanásveszélyesek LEHETNEK. Hogy mikor azok ténylegesen, arra létezik néhány ökölszabály. A „hármas szabály” a nitrogén- és szénatomok számának hányadosával operál, pontosabban az (oxigénatomok száma + szénatomok száma)/nitrogénatomok száma hányados nagysága alapján rangsorolja az azidokat:

• ha ez nagyobb mint három, akkor az azid stabilnak tekinthető. A kilenc szénatomos nonil-azid a legkisebb alkil-azid, ami izolálható, és tárolható tiszta formában is (20 g mennyiségig). Erre a vegyületre a hányados pont három,
• ha a hányados egy és három közé esik, akkor előállítható ugyan az azid és izolálható is, de csak hűtve szabad tárolni, maximum 5 grammos tételben, és legfeljebb 1 M koncentrációjú oldatban,
• egy alatti hányadossal jellemezhető azidokat nem szabad izolálni. Előállíhatóak, mint intermedierek és minor komponensként használhatóak egy reakcióban, de legfeljebb egy grammos mennyiségben.

Alternatívát nyújt a „hatos szabály”. Eszerint hat szén (vagy hasonló méretű hetero)atomnak kell esnie egy energiadús (és ezért potenciálisan veszélyes) funkciós csoportra (azid, diazo, nitro stb.), hogy megfelelő óvatosság mellett biztonságosan kezelhető vegyületeket kapjunk.

A szerves azidok toxicitására általánosságban nincs adat, ezért érdemes a nátrium-azidból kiindulva mérgezőnek tekinteni őket.

Ezeken a potenciális veszélyeken sokat tompíthat, ha az azidot in situ állítjuk elő. Lehetőség van pl. a click reakciót úgy megvalósítani, hogy az acetilén mellé nem az azidot tesszük a lombikba reakciópartnerként, hanem a megfelelő halogénvegyületetet és nátrium-azidot. A lombikban "előbb" lejátszódik a nukleofil szubsztitúció, és a keletkező kis mennyiségű szerves azid gyorsan el is reagál, a click reakcióban, nem halmozódik fel.

Aztán a másik baj a click reakcióval, hogy egy cikloaddícióról van szó. Vagyis a dienofil nem lehet túlzottan elektronban gazdag. A dién nem lehet túlzottan elektronban szegény. A „dién” a Huisgen cikloaddícióban az azid, míg a dienofil az acetilén. Szerencsére a biológiai rendszerekben, illetve a gyógyszermolekulákban ritkán fordulnak elő olyan funkciós csoportok, amik ezt előidéznék.

Egy másik útonálló, aki a missziót meghiúsíthatja, az acetilén homokapcsolása, vagyis két acetilénmolekula egymással való reakciója. Ez három mechanizmus szerint is lehetséges, három különböző terméket szolgáltatva. Ami közös bennük, hogy rézkatalizáltak, és csökkentik a click reakció kihozatalát. 

Első Glazer. Ezt a Cu(I) katalizálja és oxigén jelenléte is szükséges, hogy végbemenjen.

Második Straus. Egy essel. Szintén Cu(I) katalizált, levegőn és inert atmoszférán is lejátszódik.

Harmadik: Eglinton.  Őt a Cu(II) ionok katalizálják.

Ami még közös a homokapcsolási mellékreakciókban, hogy a kisméretű bázis kedvez a lejátszódásuknak, tehát sztérikusan zsúfolt bázis használatával elkerülhetőek vagy háttérbe szoríthatóak. Bázist egyébként az alkin-Cu(I) komplex deprotonálódásának megkönnyítésére szokás a click reakcióhoz adni, amire főleg nembázikus oldószerekben lehet szükség. Így keletkezik a Cu-acetilid, aminek az aziddal kell reagálnia katalitikus körfolyamat következő lépésében.

Aztán problematikus lehet a Cu-katalízis. Ugyan a réz biogén elem (lásd erről korábbi bejegyzésemet), hiánybetegsége is van, a hosszadalmas rézzel való érintkezést összefüggésbe hozták olyan komoly betegségekkel is, mint Alzheimer-kór, vesebetegségek, idegrendszeri rendellenességek. Ennek hátterében az áll, hogy a réz könnyen vesz vesz egyelektron felvételi-leadási reakciókban, így  toxikus mellékreakciókat katalizálhat in vivo.

Aztán bár az 1,2,3-triazol csoportot régóta ismeri a tudomány, még alig tudunk valamit az élő szervezetben való sorsáról, csupán néhány származékot vizsgáltak részletesebben, amiből általános információk egyelőre nem vonhatóak le.

És végül probléma, hogy sok click prekurzor (azid ill. acetilén) nem elérhető kereskedelmi forgalomban, elő kell őket állítani, ami pl. egy molekulakönyvtárat szintetizáló gyógyszerkémikus számára sok pluszmunkát jelent. Ez a probléma valószínűleg csak átmeneti, a vegyszergyártók is felismerték a click reakcióban rejlő potenciált.

Mindezekkel a limitációkkal együtt azonban azt gondoljuk, hogy a click reakcióval Sharpless kijelölt egy olyan útirányt, amin járni érdemes.

Double click

Az előző rész tartalmából: click, süti, vita, 1,4-, Cu(I), józan ész, van, nincs, effektív.

A click reakcióban az volt a nagy dobás, hogy a Cu(I)-katalízis bevezetésével egyszerre lett a reakció szelektív és enyhébb körülményeket igénylő: a Cu(I)-katalízis következtében kizárólag 1,4-szubsztituált triazolok keletkeznek az eredeti (termikusan kapott) izomerelegy helyett gyakran akár szobahőmérsékleten. De mi van a másik izomerrel? Ő mostohagyerek lett? Néhány évvel később sikerült megoldást találni az 1,5-diszubsztituált triazol szintézisére is, amikoris a reakciót ruténium(II)-komplexekkel katalizálták (ruténium katalizálta azid-alkin cikloaddíció, röviden RuAAC):

Annak az oka, hogy utóbbi kevésbé terjedt el, az az, hogy a ruténium a legdrágább és legritkább fémek közül való (mindössze 12 tonnát bányásznak egy évben), míg a réz olcsó és gyakori:

Ugyanakkor sok alkalmazás szempontjából teljesen mindegy, hogy a triazol linker 1,4- vagy 1,5-diszubsztituált-e. Ettől függetlenül tudományos, és alkalmazásokat tekintve pedig gyógyszerkémiai jelentősége lehet a RuAAC által előállított 1,5-szubsztituált-1,2,3-triazoloknak. További előnye ennek a módszernek, hogy ezzel már nem csak terminális (a hármas kötést a lánc végén tartalmazó) acetilének reagáltathatóak, hanem internálisak is (ahol a lánc közben található a hármas kötés), ekkor 1,4,5-tri (vagy ha jobban tetszik: per)szubsztituált triazolok keletkeznek:

 A reakció érdekessége, hogy szemben a Cu-katalizált testvérkével, nem viseli jól a protikus oldószereket (alkoholok, víz); alig érzékeny az acetilén szubsztituenseire, viszont az azidokat tekintve már finnyásabb: a primer azidokat szereti legjobban.

És ahogy az előző részben már ígértem, elkezdek írni az alkalmazásokról. A biokonjugáció az, amikor egy bio(lógiai szempontból fontos)molekulát valamilyen (pl. fluoreszcens vagy radioaktív) jelzőcsoporttal szeretnénk ellátni, nagy jelentőséggel bír, és ez lett a click kémia egyik nagy felvevőpiaca is. Lehet ezt in vivo (élő sejtben, szervezetben) vagy in vitro (szerintem köcsögben-nek kell fordítani, de elfogadottabb a lombikban kifejezés) csinálni. In vitro biokonjugációra első közelítésben kiválóan alkalmas a rézkatalizált click reakció. A reakció sémája ugyanaz, mint egy hónapja, csak most A illetve B helyébe egy biomolekulát illetve egy jelzőcsoportot fantáziálunk:

Ahhoz, hogy egy ilyen jelölést élő szervezetben is meg lehessen valósítani (ne csak köcsögben), legalább három kritériumnak kell megfelelnie a használni kívánt metódusnak: enyhe körülmények között (közel szobahőmérséklet), vizes oldatban, gyorsan végbe kell mennie (ez eddig egy :)), nem léphet reakcióba a sejtben megtalálható összes többi funkciós csoporttal, végül nem lehet toxikus a biológiai rendszerre, amiben alkalmazzunk (hogy in vivo maradjon a kísérlet :)). Ezt hívjuk úgy, hogy a módszer bioortogonális. Na ezen az utolsó ponton bukik el a RÉZkatalizált click reakció. (Off. Muszáj elmesélnem, friss az élmény és ide is kapcsolódik. Épp egy konferenciáról térek haza, ahol az utolsó előadó egy egyetemista vagy doktoráns ifjú titán volt, aki épp a click reakció egy aspektusáról beszélt. Az előadás végén egy neves és ismert nála idősebb tudós megkérdezte, hogy és mennyi a termék rézszennyezése. Az ifjú padavan pontosan válaszolt hogy ennyi és ennyi ppm, majd hozzátette: „különben meg a réz biogén elem, nem félünk tőle.” Mi azért maradjunk annyiban, hogy in vivo nem fogunk rézkatalizált reakcióval biomolekulákat jelölni.)

Akkor nyúljunk vissza az eredeti Huisgen reakcióhoz, melyhez nem kell réz. Ugyan általában termékelegyet szolgáltat, ahogy már utaltam rá, vannak olyan alkalmazások, amelyek szempontjából az 1,2,3-triazol csoport szubsztitúciójának helye teljesen mindegy, még a „keverék” (regioizomer elegy) is tökéletesen megteszi. (Hogy a biológusoknak mindegy, az nem azért van, mert ők igénytelenek, vagy észre sem veszik a különbséget, hanem mert… mert… :D)

De ha kidobjuk a rezet, akkor meg ott a magas aktiválási gát… Sokminden lesz a reakció szobahőmérsékleten, csak éppen nem gyors (emlékezz! A reakciósebességi együttható Arrhenius óta exponenciálisan függ az aktválási gát nagyságától). Kell valami nemrezes megoldás. Ha felmászunk a gát magasságának feléig-kétharmadáig, akkor már csak a maradékot kell megugrani a reakciónak. Vagyis legyen magasabb alapállapotú energiájú az acetilénünk. Legyen egy nem túl stabil, tehát magas energiájú feszült gyűrű! Igen! Legyen a hajtóerő egy gyűrűfeszültség megszűnése! A legkisebb létező gyűrűs acetilén a ciklooktin, mely igen feszült gyűrűvel rendelkezik (a feszültség oka a kötésszög eltérése az ideális 180°-tól). A gyűrűben annyi feszültség van, ami elegendő az acetilén aktiválására katalizátor nélkül is. A reakciót úgy fedezték fel, hogy amikor 1961-ben Wittig és Krebs összekevertek ciklooktint fenilaziddal, az elegy robbanásszerűen elreagált. A robbanásszerű egyesülést a megszűnő 18 kcal/molos gyűrűfeszültség okozza. Lesz itt elég hajtóerő… :D

A ciklooktin difluorozott (DIFO) vagy diarilezett (DBCO) származákai még nagyobb reakciókészséggel bírnak, mint a szubsztituálatlan ciklooktin. 

A kapcsolás további előnye, hogy hosszú életidejű, nem hasad el. Vagy-vagy, az arilezett-fluorozott származékok instabilnak bizonyultak:

A difluorozott származékkal élő sejtekben is használták, mégpedig a zebrahal embriójában és aranyhörcsög petefészek sejtjeiben:

Ui. A réz(I) használata főleg a DNS módosításánal bizonyult problematikusnak, mert lánctöréshez vezetett. Azonban a komlexált réz(I) ionok használata orvosolta ezt a problémát, effektív nukleinsav módosítást lehetővé téve. Itt egy ilyen rézkomplexet mutatunk, mely egyrészt nagy aktivitású click katalizátor, másrészt nem károsítja a DNS-t. Ha mégsem szeretnénk izomerelegyet... ;)

Klikkelj ide!

Amikor K. Barry Sharpless, a 2001-es év kémiai Nobel-díjasa publikálta click kémia néven ismert koncepcióját, nagy vitákat zúdított a kémikus társadalomra. Egy olyan elképzelést publikált, amelyre keresve több mint 7500 találatot ad (alig 12 év termése) a SciFinder adatbázis. A „click reaction”-re keresve pedig ez a szám majdnem 3000. Mi ez a fogalom, mi ez a koncepció, ez a „kémia”, ami ilyen populárissá, publikálttá és ismertté vált alig több, mint 10 év alatt? És amelynek mások magát a létezését, létjogosultságát is megkérdőjelezik.

Nézőpont kérdése?

Úgy van a tudós társadalom a click kémiával mint a vak indiánok a viccben az elefánttal, mindenki mást lát benne, attól függően, hogy merről közelíti meg. Van aki rézkatalizált reakciók gyűjteményét látja benne (mármint nem az elefántban, ennyire vak egy indián sem lehet J), van, aki  enzimes biós izéket lát bele vagy egy új, általános módszert polimerek előállítására, esetleg egy egészen új metodológiát, melynek meg kell határoznia a szerves kémia jövőjét. A kritikusok szerint pedig Sharpless pusztán egy új nevet adott a józan észnek, semmi újat nem vezetett be.

Ilyen a kilátás egy Nobel-díjas irodájából...ööö...Itt láthatjátok Sharpless-t.

 Közhely, hogy a kémia olyan, mint a konyhaművészet. Nem csak annyiban, hogy (távolról nézve) mindkettőben össze kell keverni bizonyos mennyiséget az egyes összetevőkből, majd megfőzni/sütni kicsit, hanem abban is, hogy (közelebbről nézve) az eredmény nem mindig úgy néz ki, ahogyan azt elképzeltük/a receptkönyvben található:

Van, hogy „nem jön föl” a sütemény, vagy épp ellenkezőleg, túlzottan felfújódik, de ami még talán ennél is gyakoribb tapasztalatunk (nem feltétlen a konyhában), hogy ott van ugyan a várt termékünk, csak egy csomó fekete „melléktermék” társaságában… Ismerős, ugye?! Állítólag ez volt az, ami hősünket a click elképzelésre vezette, ami ráébresztette, hogy modern szintézismódszereink kevéssé hatékonyak, távol járnak a józan észtől, és a természet szintézisstratégiájától, aki pedig mégiscsak a „legnagyobb vegyész” (Marcinak…), tehát érdemes figyelni rá.

Sharpless szerint a legnagyobb baj, hogy reakcióinknak kicsi a termodinamikai hajtóereje, emiatt alacsony lesz a konverzió, extrém körülményekre van szükség. A másik baj, hogy a modern szintetikus kémia főleg a szén-szén kötések szintézisére fókuszál, amit nem tudunk elég hatékonyan (elég nagy termodinamikai hajtóerővel) csinálni, szemben a természettel, „aki” ezt főleg aldol kondenzációval csinálja. Azonban a molekulák nem csak szénvázból állnak – mondja Sharpless – sőt, a nagy makromolekulák (nukleinsavak, fehérjék, poliszacharidok, melyek az élet bámulatos sokszínűségét lehetővé teszik) monomerjeiben nagyon ritkán található 6-nál több szén egymás után. Egyértelmű hát a teendő, csináljuk azt, amiben jók vagyunk: szén-heteroatom kötésre fel! Vegyünk olyan alapmolekulákat, amiknek készen van a szénváza, és olyan reakciókat hozzá, amelyeknek nagy a hajtóereje, ezáltal enyhe körülményeket igényelnek, így nincs melléktermék képződés, bomlás (lásd a fenti harmadik süti képe). Olyan egyszerű és hatékony lesz felépíteni egy molekulát vagy egy molekulakönyvtárat, mint összeilleszteni LEGO kockákat vagy összerakni egy IKEA asztalt. Így tényleg olyan reakcióink, olyan kémiánk lesz, amilyet a természet „csinál”. Ésszerű, nem? Click, igen!

Amikor Sharpless ezt a koncepciót publikálta, egy példareakciót is szolgáltatott, egy olyan reakciót, amely messzemenően teljesíti azokat a kritériumokat, melyeket egy click reakciónak teljesítenie kell: nagy a termodinamikai hajtóereje, emiatt enyhe körülményeket igényel, egyféle terméket szolgáltat (tehát (sztereo)szelektív és nem igényel kromatográfiás tisztítást), oldószer nélkül, vagy  veszélytelen oldószerben (elsősorban vízben) is végbemegy. Tehát „természetes”. Tehát zöld. Click.

A click reakció eredeti változatának sémája, ahol még két termék keletkezett

A Cu(I) ionoknak köszönhetően már csak egyetlen termék keletkezik a click reakcióban

A példareakció melyet azóta „a” click reakcióként (merthogy ne felejtsük, ez eredetileg egy gyűjtőnév) is emlegetnek a CuAAC, vagyis a rézkatalizált azid-alkin cikloaddíció. A reakció eredetileg több mint száz éves, és Huisgen nevéhez fűződik, azonban ebben az eredeti változatában magas hőmérsékletet használtak a nagy aktiválási gát leküzdésére, és a reakcióban termékelegy keletkezett attól függően, hogy hogyan helyezkedett el a két reagáló komponens egymáshoz képest amikor koncertikusan összekapcsolódtak. A termékelegy két izomert, az 1,4- illetve az 1,5-szubsztituált triazolt tartalmazta. Sharpless csoportjának felfedezése az volt, hogy a réz(I)-ionok katalizálják ezt a reakciót, alacsonyabb (akár szoba-) hőmérsékletet lehetővé téve, és ami még fontosabb: a reakció az új mechanizmusnak köszönhetően szelektív lett: már csak 1,4-diszubsztituált triazolok keletkeztek. (A réz(I)-ionok katalizálta reakciót Sharpless csoportjával egyidejűleg, de tőlük függetlenül egy a Carlsberg Laboratóriumban dolgozó kutatócsoport is felfedezte és publikálta.)

A Huisgen-cikloaddíció

A click reakció (tádááááám)

A reakció (egyszerűsített) mechanizmusa szerint a Cu⁺ koordinálja mindkét reakciópartnert (az acetilénnel valójában sót képez), majd egy metallaciklus jön létre (vagyis egy olyan gyűrűs vegyület, amely a gyűrűben tartalmazza a fémet), ami utána gyűrűszűkülést szenved, majd megkapjuk a terméket és a katalizátort; utóbbi ezután újabb katalitikus ciklusba „kezd” (merthogy tényleg katalizátor, szemben pl. a Fiedel-Crafts reakciók Lewis-sav „katalizátoraival”, melyek valójában aktivátorok, vagy ha úgy tetszik, reagensek). A mechanizmus érdekessége a szokatlan Cu(III)-metallaciklusos köztitermék.

A click reakció egyszerűsített mechanizmusa

A legegyszerűbb Cu(I)-ion források a Cu(I)-sók közvetlenalkalmazása, vagy in situ előállítása. Utóbbi történhet in situ redukcióval Cu(II)-sókból valamilyen alkalmas redukálószerrel (pl. C-vitamin vagy sója, a Na-aszkorbát (talán ez a leggyakrabban használt katalizátorrendszer: réz-szulfát + nátrium-aszkorbát), merthogy az amit ma széleskörűen antioxidánsnak szokás hívni, azt a kémia redukálószernek hívja), vagy szinproporcióval, ha a Cu(II) ionok mellett egy rézdrótot is dugunk a reakcióelegybe, sőt, a Cu(II) akár el is maradhat, úgyis ott van a rézdrót felszínén (patina). Érdekesség, hogy több cikk szerzője nem is tudta, hogy valójában mivel katalizálja a reakcióját, azt hitte Cu(0)-val vagy Cu(II)-vel, pedig valójában erre csak a Cu(I) képes, ezekben az esetekben is ezt állította elő valamilyen jelen levő redukáló- vagy oxidálószer (antiredukáns J) katalitikus mennyiségben. És ezeknél összetettebb katalizátorrendszereket is kifejlesztettek, amelyek elsődleges célja a Cu(I) ion stabilitásának és katalitikus aktivitásának növelése  volt. Előbbi cél egyébként a feleslegben adagolt redukálószerrel (Na-aszkorbát, ugyanis a Cu⁺-t az oxidációtól kell megóvni, avagy „visszaredukálni”) is elérhető. Így a legkülönbözőbb komplexek formájában használták a katalizáló iont, hordozóhoz is rögzítették: módosított szilikagélhez, polimerekhez (ioncserélő gyantákhoz), „kopolimert” csináltak belőle izonitrilekkel, de katalizálták a click reakciót a manapság divatos nanorészecskékkel is (ki ne venne meg egy olyan cikket, amiben click és nano is van a kulcsszavak között J).

A „hagyományos” (Cu(I)-só (elsősorban jodid), Cu(II)-só + aszkorbát) réz(I)-ion forrásokon kívül a fent említettek közül két szofisztikáltabb katalizátorrendszert próbáltunk ki saját praxisunkban: az egyik egy ioncserélő gyanta (Amberlyst A21 a neve a kereskedelmi forgalomban), amelynek a felületén dimetilaminobenzil csoportok vannak, amelyek megkötik a Cu(I)-iont, ha CuI acetonitriles oldatában áztatjuk. Így egy igen aktív click katalizátor nyerhető. A másik esetben CuCl-ból és egy izonitrilből (2,4-dimetoxifenilizonitril) polimert képeztünk, mellyel „on-water” körülmények között lehetett olyan click reakciót is megvalósítani, ami más katalizátorral nem sikerült.

Amberlyst A21.CuI hordozós katalizátor "felületi szerkezete"

Balról: 2,4-Dimetoxifenilizocianid képlete, jobbról: CuCl komplexe, mely tkp. egy lineáris polimer

Egyes esetekben még bázist (Hünig-bázis, 2,6-lutidin, aszkorbátion) is adnak a click reakcióhoz, hogy elősegítsék a mechanizmus első lépésében az acetilid képződését, ez azonban nem mindig szükséges.

A click reakció, vagyis a Huisgen-Sharpless-féle azid-alkin cikloaddíció fényes karriert futott be, a számos  területeken – szerves, gyógyszer és analitikai kémia, anyag- és polimertudomány, biokémia, szupramolekuláris kémia – használták sikerrel. Előállítottak vele új gyógyszerjelölteket, molekulakönyvtárakat, dendrimereket, új funkcionális polimereket, analitikai eszközöket, valamilyen jelzőcsoporttal megjelölt biomolekulákat, ionofórokat (köztük kalixarén alapúakat J), egyéb receptormolekulákat (köztük nukleozid-polifoszfátokra érzékeny fluoreszcensz receptorokat J), szénhidrát-alapú konjugátumokat, peptidomimetikumokat és számos tudományos publikációt. J

Kifogásolható a katalizátor (réz(I)-ion) toxicitása, azonban ha ezt pl.  szilárd hordozóhoz kötjük, akkor a hordozóval együtt eltávolítható (kiszűrhető, kiemelhető)  a reakció végén a reaktoredényből. És akit ez sem nyugtat meg teljesen, azoknak a kedvéért van a reakciónak néhány olyan változata is, amelyekben elhagyható a Cu(I)ion katalizátor, ezekről a következő bejegyzésben fogok írni. Ekkor lesz szó kicsit részletesebben az alkalmazásokról is, amikeket most csak felsoroltam. És arról is, hogy melyik fém tud még valami hasonlót a Cu⁺-hoz. No, és ne feledjük, a fentiekben csupán egyetlen példát hoztam a click filozófiára (bár az személyesen a click reakció volt). Vannak további hasonló reakciók, ezekről is lesz szó.

Legvégül pedig: hogy van-e különbség a józan ész és a click filozófia között (a sok impact faktoron kívül J)? Csak egy új nevet adtunk a hatékonyságnak? Ezt mindenki megítéli maga, ami azonban biztos, hogy a mai szerves kémia „sokminden, csak nem hatékony” (G. Whitesides, Harvard), ugyanis az előállított termékhalmaznak csak egy (kis) részét használjuk általában, ami megnehezíti a(z ipari) alkalmazást. Sharpless szerint a szintetikus szerves kémia 50-100 éve sokkal „click-ebb” volt, mint manapság, ugyanis éppen pl. a kevés rendelkezésre álló szofisztikált reakció, oldószer és tisztítási művelet miatt a vegyész csak abba az irányba tudott menni, amerre egy terméket kapott jó termeléssel, ami nem igényelt nagyon bonyolult tisztítást. Egy azonban biztos: a kémia egy alapvető fontosságú aspektusa kapott hangsúlyt, kitüntetett figyelmet Sharpless munkássága nyomán. 

És hogy honnan szedünk ennyi nitrogént? Nem a méret a lényeg, de impozáns látvány, na… :D

Abszolút élet

Víz jelenlétében sok reakció félremegy – ezt mindenki megtanulta elemiben.:) Erre lehet egy megoldás a reagens elegendően nagy feleslegben való alkalmazása, ekkor miután a vízzel elreagált egy rész, a maradékkal még mindig végbemehet a kívánt reakció. Azonban ez nem minden esetben célravezető, ráadásul vannak olyan reakciók, amik nem csak a vizet, hanem a levegő valamelyik komponensét – leggyakrabban az oxigént, ritkábban a nitrogént vagy a szén-dioxidot (és persze ne felejtsük: a levegő víztartalma is jelentős!) „sem nézik jó szemmel”, ezekben az esetben bizony a víz és/vagy levegő kizárása szükséges.

Elsőként az eszközökről. Az üvegeszközök felületén jelentős mennyiségű víz adszorbeálódik. Ugyancsak megkötődhet a levegő nedvességtartalma fémek, kevésbé műanyag tárgyak felületén. Ezért az első két anyagból készült – de különösen az üvegeszközök - vízmentesítése nagyon fontos, ezt egyszerűen (ki)hevítéssel szoktuk végezni (ennek van egy olyan praktikus oka is, hogy az üveg és fémtárgyak jobban viselik magukat a 140°C-os kemencében, mint műanyag társaik – a gonosz hozzászóló :) ). Azonban ez mit sem ér, hiszen lehűlve az eszköz újra megköti a nagy nehezen elűzött vizet, ezért a kihevítést követő lehűtésnek inert atmoszférán vagy vákuumban kell történnie.

A legegyszerűbb módszer szerint a víz-levegőmentes – úgynevezett abszolutizált – körülményeket igénylő reakciónkat a hagyományos eszközökben (lombik stb.) vitelezzük ki, csupán az a légteret kiöblítjük inert gázzal (nitrogén vagy argon), vagy kombinálhatjuk ezt az eszközök előzetes kihevítésével. Ily módon vitelezzük ki általában az olyan vízmentes körülményeket igénylő reakciókat mint pl. a Grignard-reakció.

Ha ennél a levegő- és/vagy víztartalomra érzékenyebb reakcióról van szó, akkor a Schlenk-technikához fordulhatunk. Ennek az inert technikának az ismertetésével folytatjuk. A Schlenk-technika lényege az ún. Schlenk line (vagy vacuum manifold), amely egy háromállású csapon keresztül lehetővé teszi, hogy a line-ra kötött edényünket tetszés szerint inert gázzal öblítsük vagy vákuum alá helyezzük. A zárt eszközökben a levegő cseréjét háromszori vákuum-inert gáz ciklussal szoktuk végezni. Így elérhető, hogy a maradék levegő (és benne oxigén illetve víz) parciális nyomása (anyagmennyisége/molszázalékos aránya – gusztus dolga) már nagyon kicsi legyen.

A technikához tartozik néhány speciális eszköz, mint a Schlenk büretta és Schlenk cső: előbbi a folyadékok inert körülmények közötti volumetrikus kimérését teszi lehetővé, utóbbiban reakciókat szoktunk kivitelezni, vagy zárt edényben inert atmoszféra alatt (enyhe túlnyomás alkalmazásával), esetleg lassú nitrogénáramban, ami lehetővé teszi, hogy ne jusson be levegő a rendszerbe. A „Schlenk-technikához való tipikus kémia” (ha szabad ilyet mondani) pl. a fém(főleg lítium)organikus kémia.

Schlenk büretta

Schlenk cső Dewar edényben folyékony nitrogénnel vagy acetonos szárazjéggel hűtve (tyű, erről is írhatnék egyszer)

És ennél is alacsonyabb oxigén és víztartalom (jellemzően akár néhény ppm-es nagyságrendű) érhető el glove box használatával. Működése hasonló az imént bemutatott Schlenk-technikához, a különbség annyi, hogy itt egy egész térrész, mondjuk egy speciális vegyifülke van inert atmoszféra alá helyezve. A korábban már bemutatott kép azzal a glove boxszal, amivel az elmúlt hónapokban volt szerencsém közeli ismeretséget kötni:

           A glove box egy, a környezetétől (majdnem) elszigetelt rendszert alkot, a benne való munka a két gumikesztyűn keresztül történik (ami elég mókás tud lenni :D). Azonban hogy jutunk be ebbe a „zárt” rendszerbe? A box oldalán látható két fémhenger két (csak méretében különböző) zsilip, ezeken keresztül lehet ki-be közlekedni az inert rendszerbe. A zsilip használatának a lényege, hogy ne szennyezzük a fülkét a kinti levegővel (és annak gonosz, rosszakaró oxigén és vízmolekuláival), így miután a zsilipet kinyitottuk kívülről, betetettük pl. az inert reakcióhoz szükséges kihevített eszközöket, bezártuk, vákuum alá helyezzük, nitrogénnel feltöltöttük, vákuum alá helyezzük, nitrogénnel feltöltöttük, vákuum alá helyezzük, nitrogénnel feltöltöttük, az belülről nyitható anélkül, hogy jelentős mennyiségű gonosz molekula kerülne be (közben az üvegeszközeink mellesleg pont lehűltek vákuum/inert gáz alatt, tehát vízmentesek maradtak). Ha a reakciónk kész van, és ki akarjuk zsilipelni, akkor csak be kell tenni belülről, bezárni a zsilipajtót, és kívülről nyitható a vákuum-inert gáz ciklusok nélkül, hiszen attól nem kell félni, hogy a kinti levegőt beszennyezzük a tiszta nitrogénnel. ;) Ami ilyenkor veszélyes, hogy ha közben más (mert szép a csapatmunka :D ) kívülről nyitotta a zsilipajtót, akkor az „tele van” oxigénnel és vízzel (a box ppm-es koncentrációihoz képest), tehát inertizálni kell a már ismertetett háromszori vákuum-nitrogén ciklussal.

           Az inert térben enyhe túlnyomás uralkodik – ezt mutatja a kesztyűk nyugalmi állapotban kifelé dudorodása – ami azért előnyös, hogy az esetleges tömítetlenségeken keresztül az inert gáz jöjjön kifelé, és ne a levegő befelé (meg kell jegyezzem azonban, ilyen alacsony oxigén és vízkoncentrációnál bármilyen tömítetlenség, lyuk a kesztyűn az oxigén- és vízszint azonnali emelkedését okozza. Gondolj bele! A levegőben minden ötödik molekula oxigén (21 térfogat (mol) %), a boxban minden egymilliomodik (pl. 1 ppm-es oxigénkoncentrációnál)).

A box érintőképernyős (menő ;)) panelja folyamatosan mutatja a benti oxigén és vízkoncentrációt. Azzal kapcsolatban, hogy mi a jó/elfogadható érték, különböző szokásjog uralkodik, a mi laborunkban (ahogy egy kolleganőm megfogalmazta) „10 ppm-es értékeknél már mindenki úgy rohangál, mint a mérgezett egér”.

Ami ezt a folyamatos inert légkört biztosítja, az – a gondos zsilipelés és az enyhe túlnyomás mellett – a „katalizátor”, és az azt tartalmazó „reaktor”. Kezd izgin hangzani… A box folyamatosan keresztülvezeti a benne levő levegőt inert gázt a reaktoron, ami csökkenti annak oxigén és víztartalmát egy rézalapú, illetve egy polimer alapú „katalizátor” segítségével. Azonban (majdnem) minden jó dolog véget ér egyszer, a katalizátorok élettartama is véges (és óvatlan levegőbeengedésekkel jelentősen meg is rövidíthető, akárcsak a boxhasználó élettartama J), ekkor két válaszási lehetőség van: vagy kicseréljük a box árának jelentős részét kitevő katalizátort (nem jó választás), vagy REGENERÁLJUK a katalizátort. Ennek keretében lassan felfűtjük 300°C-ra a katalizátort tartalmazó reaktort, és formálógázt vezetünk át rajta, ami az oxidálódótt rezet redukálja. A formálógáz (általában 5%) hidrogéntartalmú nitrogén.

Kesztyűs dobozban (na ezért nem fordítottam magyarra) szokás végezni pl. a metatézis katalizátorok szintézisét. És hogy ők kik? Vissza kell jönni máskor is olvasni. :D De léteznek más célú glove boxok is: előfordulhat, hogy nem a belső miliőt kell megvédeni a környezettől, hanem éppen fordítva, ekkor nem túlnyomást, hanem vákuumot alkalmaznak. Vannak robbanásbiztos, hordozható, ipari méretű stb. boxok is speciális célokra. A lényeg azonban minden esetben a belső tér izolációja a külsőtől.

                Nagyon sok szó esett a vízmentesítésről ebben és az előző bejegyzésben. De mit ér minden vízmentesítő technika, ha nem tudjuk megmérni a hatékonyságát?! Egy jó mérőmódszer lehet egy vízre érzékeny reakció: annak konverziója annál nagyobb, minél kisebb a víztartalma az adott szubsztrátnak/oldószernek. Egy másik a Karl-Fischer titrálás, amiről legközelebb bővebben írok…:D

                És a szemfüleseknek bizonyára feltűnt, hogy itt az ideje a tézisünk kiterjesztésének: A víz és az oxigén azok az anyagok, amelyek a legtöbb földi életformát lehetővé teszik, a preparatív szerves kémikusét azonban ellehetetlenítik/megkeserítik/nyomorba döntik.

Boldog feltámadást mindenkinek: Chemical „Absz.” John(n)y

A Schlenk-technikáról készült képekért köszönet Mátravölgyi Bélának! 

A víz az az anyag, ami az átlagember életét lehetővé teszi, a preparatív szerves kémikusét ellehetetleníti/megkeseríti/nyomorba dönti.

Az előző blogbejegyzés végén szó esett arról, hogy kalixarént lehet peralkilezni NaH bázis jelenlétében. Valamikor ezeknek a kísérleteknek a során jöttem rá, hogy:

A víz az az anyag, ami az átlagember életét lehetővé teszi, a preparatív szerves kémikusét ellehetetleníti/megkeseríti/nyomorba dönti. 

Hogy miért? Ha nem tudod, adj hálát! :) Hogy szegény megboldogult középiskolai kémiatanáromat idézzem: azért, mert az olyan rossz lányra hasonlít, aki mindenkivel elmegy… (finomítottam a megfogalmazáson).

Tehát sok esetben a víztől meg kell szabadulni, mert jelenlétében nem a megtervezett reakciónk fog végbemenni. A víz mindenhol ott van: az oldószerben/szubsztrátokban/levegőben/eszközökön. Emiatt, a vízzel való reakció előtérbe kerülhet, esetleg egy olyan új anyag keletkezik víz jelenlétében, ami tönkreteszi a reakciónkat.

Ez a blogbejegyzés tehát néhány oldószer vízmenetesítéséről (abszolutizálásáról) szól kicsit lexikon jelleggel, (stílusosan) szárazon. Ez a munka a preparatív szerves kémikus napi rutinjához tartozik. Aztán a következő részben néhány vízmentes technikáról lesz szó, úgy mint a glove box és a Schlenk-technika használatáról. Kedvcsinálónak a következő gloveboxos bejegyzéshez, íme egy kép a drágaszágról <3 :

Az oldószerek abszolutizálására, vízmenetesítésére általános módszerek a desztilláció, ill. valamilyen kémiai vagy fizikai szárítószer használata. Előbbire a fémek, hidridek, foszfor-pentoxid stb. jó példa, utóbbira a molekulaszitával (röviden molszita), szilikagéllel (röviden szilika) vagy alumínium-oxiddal (röviden alumina vagy alox) való kezelés.

THF

A THF higroszkópos, előszárítása KOH-n lehetséges. Ledesztillálható Na/benzofenonról. Hatékony vízmentesítésére a szilika. 3Å molszitán tárolás illetve aluminán való átcsurgatás a leghatékonyabb, utóbbi gyorsabb, előbbi lehetővé teszi a folyamatos vízmentesen tartást. Nem szabad elfelejteni, hogy drasztikus módszereknél a polimerizáció veszélye fennállhat. Ugyancsak figyelni kell a peroxidtartalomra.

Toluol

Előszárításra kalcium-klorid, -hidrid vagy -szulfát használatos, melyet Na/benzofenonról való desztilláció követ általában. Vagy a kereskedelmi oldószert 3Å molszitán tárolva vagy szilikaoszlopon átcsurgatva szuperszáraz toluol állítható elő (1 ppm körüli víztartalom).

A videon a toluol fémkáliumos forralása látható mint alternatív abszolutizálási megoldás. A kálium olvadáspontja 63°C, így a toluol forráspontján (111°C) már olvadt állapotban van jelen.

A toluolhoz sok tekintetben hasonló oldószer a benzol, amivel karcinogenitása miatt nem foglalkozunk. Azonban ha foglalkoznánk, és vízmentes körülmények között foglalkoznánk, és történetesen éppen Na/benzofenonnal vízmentestenénk, akkor az valószínűleg valahogy így nézne ki :) :

Diklórmetán

Nincs nagy affinitása a vízhez, a kereskedelmi diklórmetán is viszonylag száraz, ledesztillálható kalcium-hidridről. A szilikán való átengedés vagy a 3Å molszitán való tárolás szuperszáraz oldószert biztosít.

Acetonitril

Higroszkópos, szokványos eljárás a foszfor-pentoxidról való desztilláció. A foszfor-pentoxidon való tárolás is jó, míg – a THF-hez hasonlóan – a 3Å molekulaszitán való tárolás ill. alumina oszlopon való átcsurgatás kiváló minőségű (alacsony víztartalmú) oldószert ad.

Alkoholok

A kis szénatomszámú (metil- és etil-) alkoholok szokásos szárítási módja a jóddal aktivált magnéziumról való desztilláció. Néhány egyéb szárítószer, mely alkoholok szárítására alkalmas a kálium-hidroxid, bárium-oxid, illetve kalcium-oxid. A 3Å molszita csak nagyobb mennyiségben és hosszabb idő alatt csökkentette le a víztartalmat a korábbiakhoz hasonló alacsony szintre, a legjobb eredmény 20% szitával való 5 napon át tartó szárítással volt elérhető.

Közhely, hogy a kísértés elkerülésének legjobb módja, ha nem állunk ellen neki tovább. Valahogy így jártunk mi is egyszer, amikor kalixarén-származékot szerettünk volna perfunkcionalizálni az alsó karimáján (l. előző bejegyzés) klóracetamidokkal. A szokásos megoldás ebben az esetben NaH THF-DMF elegyben való használata 50-70°C-on. A rendszer víztartalma azonban problematikus lehet a hidrolízisre érzékeny amidfunkció jelenléte miatt. Az oldószerek maradék víztartalma nekünk is problémát jelentett, azonban ahelyett, hogy tovább szárítottuk volna oldószereinket, vizet adtunk hozzá: toluol-vizes lúg rendszert választottunk reakciónkhoz (fázistranszfer katalizátor (PTC) jelenlétében), mely magasabb hőmérsékleten elhidrolizálta ugyan az amidfunkciót, azonban szobahőmérsékleten a kívánt terméket szolgáltatta (a Schotten-Baumann-acilezés analógiájára).

On water reakciók: Van a víz jelenlétének egy másik nagyon izgalmas aspektusa is. Ez egy olyan furcsa jelenség, melyet negatív aktiválási térfogattal jellemezhető reakciók (pl. Diels-Alder reakciók) esetében figyeltek meg. Lényege, hogy bár a reagensek nem oldódnak vízben, a víz hozzáadása mégis sokszorosára növeli a reakciósebességet a szerves oldószerben, homogén fázisban tapasztalthoz képest. A jelenség oka nagyrészt még feltáratlan, egy másik alkalommal ezekről az „on water” reakciókról is szólok majd bővebben… 

Összefoglalva: Van hogy vízre szállni (navigare), van hogy éppen szárazra "szállni" szükséges.

Navigare necesse est!

     Mondta Pompeius, amikor a viharos tengeren kellett gabonát szállítania embereinek. Egyszer ezzel a címmel írtam egy esszét a világ (talán) legnagyobb hajójáról. És hogy mindez hogy jön ide? Azon gondolkoztam, hogy miről írhatnám az első bejegyzésemet a kutatói blogomban. És hát mi másról, mint a kalixarének alkilezéséről, hiszen „kalixarént alkilezni szükséges”. És mi más pecsételte/jellemezte/keserítette meg jobban elmúlt pár évemet, mint éppen a kalixarének alkilezése.

     A kalixarének közkedveltek a szupramolekuláris kémikusok, szenzormolekulákat szintetizáló kutatók körében. Mert egy lipofil, merev, előrendezett, 3D-s váz(á)ról (a calix szó vázát jelent, ez a név etimológiája is egyben, a molekula alakjára utal az elnevezés) van szó, mely sokoldalóan módosítható mindkét karimáján. És az eredmény jó esetben egy minden eddiginél szuperebb (érzékenyebb, szelektívebb) szenzormolekula. Na, ha ezt nem is sikerült felfedezni, de a kalix[4]arén alsó karimáján való szubsztitúcióban szert tettem némi tapasztalatra. Ezeknek megosztása következik most.

     A kalix[4]arén alsó karimáján négy fenolos OH csoport található, ezek közül helyettesíthetünk (logikusan) egyet, kettőt, hármat vagy négyet (néhány reakcióban a "nullaszoros" helyettesítést is sikerült megvalósítani, erről azonban most nem írnék:) ). A szelektív helyettesítések alapja - amikor szelektíven egy vagy kettő vagy három OH csoportot viszünk reakcióba - az egyes hidroxilcsoportok eltérő savassága. Ennek oka pedig az egyes OH csoportok deprotonálásával keletkező fenolátok eltérő stabilitása, ami a megmaradt OH csoportok H-kötésen keresztüli stabilizáló hatásától függ.

     A kalix[4]arén első két pK-ja valamivel nagyobb, mint a következő kettő, ez az alapja, hogy kétszeresen és négyszeresen helyettesített kalix[4]arén származékot könnyű csinálni, egyszeresen és háromszorosan helyettesített pedig nem. Általában nagyon nem.

     A szelektivitás kulcsa szinte minden esetben a megfelelő erősségű bázis megfelelő mennyiségben való alkalmazása, valamint a megfelelő alkilezőszer-felesleg használata.

     Tudománytörténeti okokból :) elsősorban a propargilcsoportnak a kalix[4]arén alsó karimájára való bevitelével foglalkoztam sokat, így az itt szerzett tapasztalatokról szól a bejegyzés következő része.

     Monopropargil-kalixarént az irodalom állítólag tud csinálni, azonban ezek a módszerek vagy nem reprodukálhatóak, vagy nem szelektívek (magyarán nem működnek). Az előbbi kategóriába sorolható a nátrium-metilát bázis használata, ezzel a módszerrel egyáltalán nem sikerült eredményt elérnünk, míg utóbbiba a bisz(tributil)ón-oxid és tetrabutilammónium-jodid használata, amely ugyan csak kétszeres kromatografálás után, és az irodalminál jóval gyengébb termeléssel, de mégiscsak a terméket adta. Végül a "statisztikus módszer" és a termékelegy kromatográfiás szétválasztása mellett döntöttünk. Ebben az esetben a kiinduló anyag, a szubsztituálatlan kalixarén, a mono- illetve a diszubsztituált termék elegyét kaptuk és kromatografáltuk komponenseire. Erre a célra para-tBu-kalixarén esetén a "fél ekvivalens kálium-karbonát acetonban", míg para-H-kalixarén esetén a cézium-fluorid bázis DMF-ben való reakcióját használtuk, mely módszereket eredetileg a megfelelő monoallil-származékok előállítására írtak le.

     A nehézségek láttán ugyancsak szimpatikussá vált monopropargilszármazék kerülőúton való előállítása: ez ugyan soklépéses, azonban fáratságos kromatográfiás tisztítást nem igényel, és az egyes lépések termelése olyan magas, hogy az eredő termelés eléri az egylépéses módszer termelését. A stratégia alapja, hogy a disztális diszubsztitúció könnyen megy és egy O-akil csoport eltávolítása ugyancsak egyszerű trimetilszilil-halogenidekkel (TMSBr).

     Disztálisan diszubsztituált kalix[4]arént (ebben az esetben a két helyettesítő egymással szembeni fenolos egységeket helyezkedik el) csinálni nem kunszt: nagyjából ész nélkül kell összekeverni alkilezőszert, kálium-karbonátot és kalix[4]arént, forralgatni acetonban úgy egy éjszakát, és ha működik a kémia, reggelre ott a termék készen, egy kristályosítás után tisztán. Legalábbis az egyszerű alkil és pl. propargil csoportra. 

 

     Ha proximális izomert (vagyis ahol a két helyettesítő csoport egymás melletti fenoxi csoportokon foglal helyet) szeretnénk előállítani, már nincs ilyen könnyű dolgunk, nagyon kevés leírás található erre az esetre, orosz kutatók pl. kálium-hidroxiddal DMSO-ban értek el proximális-szelektivitást egyszerű dialkil-kalixérének esetén.

     Ha a kalixarén para-helyzetben hidrogénatomot tartalmaz, akkor a fent részletezett kálium-karbonát-acetonos/acetonitriles módszer már nem vezet egységes termékhez, ehelyett fázistranszfer körülmények között sikerült a terméket megkapnunk kloroform-vizes lúg elegyében (a fázistranszfer katalizátor PEG volt), egy az allilcsoportra leírt módszert adaptálva.

A p-tBu és a p-H-kalix[4]arén szerkezete

     Háromszoros szubsztitúcióra is kevés példa található, ilyenkor általában bárium-oxid - bárium-hidroxid elegyet vagy kalcium-hidridet használnak. Továbbá tribenzoilezhetőek a kalix[4]arének piridinben.

     A négyszeres vagy peralkilezéshez csak egy elegendően erős bázis szükséges a megfelelő alkilezőszer feleslegével. Erre leggyakrabban NaH használatos DMF-THF rendszerben; mi előnyben részesítettük a PTC megoldást: bázisként nátrium-hidroxidot, fázistranszfer katalizátorként tetrabutilammónium-bromidot használtunk toluolban, magasabb hőmérsékleten.

     A fáradtságosan előállított monopropargil-kalix[4]arén pedig kiválóan alkalmas click reakción keresztül ionoforok előállítására, újfajta konformációváltások felismerésére, és... de erről majd egy más alkalommal. Jó éjszakát, gyerekek! :)