Visualizza il nostro elenco completo di risorse per la chimica verde e sostenibile, inclusi casi di studio ed esempi di settore. Questo libro bianco dimostra come le informazioni fornite dalla tecnologia avanzata di METTLER TOLEDO contribuiscano a supportare la chimica verde e sostenibile nella ricerca, nello sviluppo e nella produzione di molecole e prodotti farmaceutici, chimici e polimerici
Che cos'è la chimica dei clic?
La chimica dei clic è un termine che descrive una famiglia di reazioni chimiche progettate per essere efficienti, selettive e semplici. Queste reazioni chimiche sono progettate per essere modulari, di ampia portata e generare sottoprodotti minimi. Le reazioni di chimica a scatto sono ampiamente utilizzate in molte aree della chimica, tra cui la scoperta di farmaci, la scienza dei materiali e la bioconiugazione.
Il concetto di "click chemistry" è stato introdotto nel 2001 dal premio Nobel K. Barry Sharpless. I termini "chimica del clic" e "reazione al clic" sono spesso usati in modo intercambiabile, ma c'è una sottile differenza tra i due.
Che cos'è una reazione al clic?
Le reazioni di clic si riferiscono a reazioni chimiche che soddisfano i criteri della chimica dei clic. Queste reazioni comportano l'unione di due molecole attraverso uno specifico legame chimico, spesso coinvolgendo azidi, alchini o cicloottini. Le reazioni di clic sono in genere rapide, ad alto rendimento e si verificano in condizioni miti, il che le rende ideali per una varietà di applicazioni.
Nelle reazioni a clic, gli scienziati utilizzano molecole speciali che possono facilmente incastrarsi tra loro, come una cintura di sicurezza che si piega perfettamente. Sono particolarmente importanti considerando che il concetto è applicabile indipendentemente dalla scala. Negli ultimi decenni, le reazioni a clic sono diventate ampiamente utilizzate in applicazioni chimiche, farmaceutiche, biomolecolari, biomediche e polimeriche.
La click chemistry ha rivoluzionato il modo in cui i chimici si approcciano alla sintesi di molecole complesse e ha portato allo sviluppo di nuovi materiali, farmaci e altri prodotti che hanno importanti applicazioni in vari campi.
Fare clic su Criteri di reazione
L'obiettivo è quello di sviluppare un insieme in espansione di "blocchi" potenti, selettivi e modulari che funzionino in modo affidabile sia in applicazioni su piccola che su larga scala. Abbiamo definito il fondamento di questo approccio "click chemistry" e abbiamo definito una serie di criteri rigorosi che un processo deve soddisfare per essere utile in questo contesto. La reazione deve essere modulare, di ampia portata, dare rese molto elevate, generare solo sottoprodotti inoffensivi che possono essere rimossi con metodi non cromatografici ed essere stereospecifica (ma non necessariamente enantioselettiva). Le caratteristiche di processo richieste includono (Kolb et al. 2.1):
- Condizioni di reazione semplici e, preferibilmente, il processo non dovrebbe essere influenzato dalla presenza di ossigeno e acqua
- Materiali di partenza e reagenti facilmente accessibili
- Le reazioni sono prive di solventi o utilizzano solventi benigni o facilmente eliminabili
- Semplice isolamento del prodotto
Le reazioni ai clic hanno alcune proprietà chiave che le rendono efficaci. Si basano su una forte forza motrice termodinamica, solitamente superiore a 20 kcal mol-1, il che significa che possono verificarsi rapidamente e produrre un solo prodotto desiderato. Possiamo pensare alle reazioni di clic come se fossero pronte ad andare in un'unica direzione, come una molla carica. È importante comprendere queste proprietà per utilizzare le reazioni ai clic in modo efficace.
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Tipi di reazioni ai clic
Reazione CuAAC (cicloaddizione azide-alchino catalizzata da rame)
La cicloaddizione azide-alchino catalizzata dal rame è stata la prima reazione a scatto sviluppata indipendentemente dai premi Nobel Sharpless e Meldal. Questa reazione, definita "il gioiello della corona della chimica dei clic", utilizza un catalizzatore di rame per formare un nuovo legame tra i gruppi funzionali azide e alchino. Il risultato è un anello triazolico che agisce come un blocco Lego o una fibbia della cintura di sicurezza per "agganciare" una molecola all'altra.
Le reazioni CuAAC possono essere eseguite in una procedura one-pot, il che significa che tutti i reagenti possono essere combinati all'inizio della reazione, semplificando il processo e rendendolo più efficiente. I prodotti delle reazioni CuAAC sono polimeri strutturalmente puri ad alto peso molecolare.
A causa delle notevoli proprietà dei catalizzatori di rame, come la sua stabilità in molte condizioni di reazione, ad esempio idrolisi, ossidazione e riduzione, c'è stata una notevole ricerca nello sviluppo di vari catalizzatori di rame (e altri metalli, ad esempio rutenio) per la sintesi azide-alchino di polimeri politriazolici e la post-funzionalizzazione di polimeri.
Reazione tiolo-ene
In una reazione tiolo-ene, un tiolo reagisce con un alchene per formare un legame carbonio-zolfo e nel processo si forma un nuovo doppio legame carbonio-carbonio. Le reazioni tiolo-ene presentano diversi vantaggi rispetto alle reazioni tradizionali, tra cui la capacità di:
- Procedere in condizioni blande
- Tollera un'ampia gamma di gruppi funzionali
- Essere eseguito in una procedura one-pot, semplificando il processo e aumentando l'efficienza
Le reazioni tiolo-ene sono simili alle reazioni tiolo-ene, ma coinvolgono la reazione di un tiolo con un alchino per formare un legame carbonio-zolfo, con un nuovo triplo legame carbonio-carbonio formato nel processo. Queste reazioni possono essere utilizzate per la costruzione di dendrimeri, idrogel e nanoparticelle, nonché per la post-funzionalizzazione di catene polimeriche. I gruppi alchene terminale e tiolico possono essere facilmente introdotti e le reazioni possono essere eseguite prive di catalizzatori tossici tramite fotochimica.
Reazione di Diels-Alder
Le reazioni di cicloaddizione di Diels-Alder sono una classe di reazioni chimiche che coinvolgono la formazione di composti ciclici da un diene coniugato (una molecola contenente due doppi legami alternati) e un dienofilo (una molecola contenente un doppio legame). Il diene e il dienofilo subiscono una reazione concertata in cui si forma un nuovo legame tra il diene e il dienofilo per produrre un nuovo composto ciclico.
Sebbene la reazione di Diels-Alder sia un potente strumento sintetico e possa essere altamente selettiva, non è sempre veloce o ad alto rendimento. In alcuni casi, le condizioni di reazione devono essere attentamente controllate per ottenere il prodotto desiderato. Inoltre, alcune reazioni di Diels-Alder possono provocare reazioni collaterali o la formazione di sottoprodotti indesiderati.
Reazione SPAAC (cicloaddizione azide-alchino promossa da deformazione)
Cicloaddizione azide-alchino promossa da deformazione (SPAAC) è un tipo di reazione a clic che non richiede un catalizzatore metallico. Invece, la reazione è guidata dall'energia di deformazione intrinseca dei cicloottini e dei loro derivati, che reagiscono con gli azidi per formare un prodotto triazolico stabile.
La reazione è stata pubblicata nel 2004 dal premio Nobel Carolyn Bertozzi, che ha vinto il premio Nobel per la chimica con Sharpless e Meldal. Bertozzi sapeva che il rame è tossico per gli esseri viventi, quindi ha cercato in letteratura un'alternativa alle reazioni di clic di cicloaddizione azide-alchino catalizzata dal rame (CuAAC). Ha scoperto che gli azidi e gli alchini possono reagire insieme se l'alchino è forzato in una struttura chimica a forma di anello.
La reazione SPAAC ha funzionato bene nelle cellule, quindi Bertozzi ha dimostrato che può essere utilizzata per tracciare i glicani, carboidrati speciali situati sulla superficie delle cellule. Questo perché la SPAAC è altamente selettiva e bioortogonale, il che significa che può verificarsi nei sistemi biologici senza interferire con altri processi biologici.
SPAAC è ampiamente utilizzato nella biologia chimica e nella bioconiugazione, consentendo l'etichettatura e l'imaging di biomolecole come i glicani, nonché lo sviluppo di terapie mirate. SPAAC è un'utile alternativa alle reazioni CuAAC in alcune applicazioni grazie alle sue condizioni di reazione lievi e alla mancanza di catalizzatore. Ad esempio, la reazione ha anche permesso a Bertozzi e agli scienziati di studiare i processi patologici.
Tetrazina Click Chimica
La chimica del clic della tetrazina è un tipo di reazione a clic che coinvolge la reazione delle tetrazine con alcheni tesi, come i transcicloocteni, per formare un prodotto stabile. La reazione è bioortogonale, il che significa che può avvenire nei sistemi biologici senza interferire con altri processi biologici.
La chimica click della tetrazina è particolarmente utile per le applicazioni di imaging in vivo e di somministrazione di farmaci, in quanto consente l'etichettatura selettiva e il targeting di molecole biologiche. Inoltre, la chimica a clic della tetrazina è veloce ed efficiente, si verifica in pochi secondi a temperatura ambiente. La sua elevata selettività e la cinetica di reazione rapida rendono la tetrazina click chemistry un potente strumento per la ricerca sulla biologia chimica e lo sviluppo di farmaci.
Fare clic su Polimerizzazione
La polimerizzazione a clic è un tipo di reazione a clic che viene utilizzata per sintetizzare i polimeri. Questo approccio prevede l'accoppiamento rapido ed efficiente di monomeri utilizzando reazioni chimiche a clic, come la chimica CuAAC o tiolo-ene.
La polimerizzazione a clic presenta diversi vantaggi rispetto al metodo di polimerizzazione tradizionale, tra cui alta efficienza, elevata selettività e condizioni di reazione lievi. Inoltre, la polimerizzazione a scatto consente il controllo preciso della struttura e della composizione del polimero, consentendo la creazione di materiali complessi e multifunzionali.
La polimerizzazione a scatto ha trovato numerose applicazioni nella scienza dei materiali, tra cui lo sviluppo di rivestimenti, adesivi e compositi avanzati. La facilità d'uso e la versatilità rendono la polimerizzazione a scatto uno strumento prezioso per la sintesi di polimeri funzionali con proprietà su misura.
Clicca per rilasciare
Il click-to-release è un tipo di reazione a clic che innesca il rilascio di molecole bioattive da una molecola di trasporto o da un'impalcatura. Questo approccio prevede l'uso di una molecola linker che può essere scissa da una reazione di clic, come CuAAC o SPAAC, per rilasciare la molecola di carico.
Il click-to-release è altamente selettivo e può essere personalizzato per rilasciare la molecola di carico in condizioni specifiche, ad esempio in risposta a un particolare enzima o livello di pH. Questo approccio è stato utilizzato per la somministrazione mirata di farmaci, in cui la molecola di carico viene rilasciata nel sito della malattia o della lesione, riducendo al minimo gli effetti collaterali e migliorando l'efficacia terapeutica.
Il click-to-release è stato utilizzato anche nella scienza dei materiali, dove consente il rilascio controllato di molecole funzionali da rivestimenti, adesivi e altri materiali. L'elevata selettività e le proprietà di rilascio controllabili rendono il click-to-release uno strumento potente per la somministrazione mirata di farmaci e altre applicazioni.
Vantaggi delle reazioni ai clic
- Alta efficienza
- Elevata selettività
- Reattività bioortogonale
- Condizioni di reazione lievi
Limitazioni delle reazioni ai clic
- Requisiti di catalizzatori tossici
- Necessità di tolleranza del gruppo funzionale
- Incompatibilità con alcune condizioni di reazione
- Ambito di applicazione limitato
Il futuro delle reazioni ai clic
Click Chemistry integrato con le tecnologie emergenti
La chimica dei clic ha un futuro promettente con il continuo sviluppo e perfezionamento delle reazioni ai clic esistenti, nonché la scoperta di nuove reazioni ai clic con efficienza, selettività e versatilità ancora maggiori. La tecnologia analitica di processo (PAT) è pronta a svolgere un ruolo chiave in questo futuro, consentendo il monitoraggio e il controllo in tempo reale delle reazioni dei clic durante i processi di sintesi e produzione. PAT consente la misurazione rapida e continua dei parametri chiave del processo, come la cinetica di reazione, la temperatura e la concentrazione, fornendo un prezioso feedback per l'ottimizzazione e il controllo del processo.
Nel contesto della chimica dei clic, la PAT può essere utilizzata per monitorare l'andamento delle reazioni di clic in tempo reale, assicurando che la reazione proceda in modo efficiente e produca il prodotto desiderato. Inoltre, la PAT può aiutare a identificare potenziali fonti di variabilità o impurità, consentendo un intervento precoce e la correzione di eventuali problemi che potrebbero sorgere. Poiché la click chemistry continua a svolgere un ruolo sempre più importante nella sintesi chimica, nella scienza dei materiali e nello sviluppo di farmaci, è probabile che l'uso del PAT diventi più diffuso, contribuendo a garantire la produzione coerente ed efficiente di prodotti di alta qualità.
FTIR in situ per la profilazione della reazione al clic
La spettroscopia FTIR in situ consente di ottenere un'analisi accurata e in tempo reale della profilazione della reazione al clic. Lo spettrometro FTIR ReactIR™ offre un'elevata sensibilità, risoluzione e rapida acquisizione dei dati, che possono aiutarti a identificare il meccanismo e la cinetica della profilazione della reazione di clic. ReactIR può essere utilizzato anche per analizzare i percorsi di reazione, monitorare la purezza del prodotto e rilevare le impurità. ReactIR utilizza la tecnologia di raffreddamento a stato solido per offrire le migliori prestazioni della categoria, senza la necessità di azoto liquido, fornendo un metodo efficiente, affidabile e non distruttivo per la profilazione della reazione a clic, che è fondamentale per il controllo qualità e l'ottimizzazione del processo.
Esempi di reazioni a clic nell'industria
PAT per la reazione di clic di cicloaddizione
Zhang, Y., Lai, W., Xie, S. Q., Zhou, H., & Lu, X. (2021b). Facile sintesi, struttura e proprietà di poli(tioetere-co-carbonato) di origine CO2 contenenti pendenti acetilici tramite polimerizzazione a scatto di tio-ene. Chimica dei polimeri, 13(2), 201–208. https://doi.org/10.1039/d1py01477c
I policarbonati alifatici si stanno dimostrando significativi nelle applicazioni biomediche e la sintesi di nuove APC è attivamente ricercata. In questo lavoro, i poli(tioetere-co-carbonato) sono sintetizzati con gruppi acetilici attaccati a gruppi vinilici bis- e tris-β-osso-carbonati funzionalizzati. I policarbonati alifatici con legami tiogenici nella catena principale e pendenti acetilici in ciascuna unità ripetitiva sono stati preparati mediante polimerizzazione a scatto tiolo-ene indotta fotochimicamente dei bis- e tris-vinil-β-osso-carbonati con bistioli primari. Questi policarbonati sono facilmente depolimerizzati in condizioni blande utilizzando il perossido di t-butile, producendo carbonati ciclici e polioli sostituiti con perossi. Questa degradazione è stata dimostrata utilizzando la FTIR in situ.
Sono state identificate bande di allungamento C=O nel polimero derivanti dal carbonato (1746 cm-1) e dal gruppo acetilico attaccato (1723 cm-1). Queste bande di assorbimento C=O sono diminuite nel tempo dopo che l'1,5,7-triazabiciclo[4.4.0]dec-5-ene (TBD) e il terz-butilico idroperossido (TBHP) sono stati aggiunti al sistema di reazione. La presenza di un nuovo top a 1809 cm−1 derivante dalla banda di allungamento C=O di un carbonato ciclico è stata associata alla formazione di carbonati biciclici perossi-funzionalizzati e riflettente la degradazione del polimero.
FTIR in situ per elastomeri termoplastici
Bretzler, V., Grübel, M., Meister, S., & Rieger, B. (2014b). Copolimeri alternati contenenti PDMS ottenuti mediante polimerizzazione a clic. Chimica e fisica macromolecolare, 215(14), 1396–1406. https://doi.org/10.1002/macp.201400178
Questa ricerca evidenzia i vantaggi degli elastomeri termoplastici (TPE) rispetto ai polimeri elastomerici reticolati chimicamente che richiedono catalizzatori costosi e richiedono ulteriori considerazioni. Il TPE offre vantaggi nel trattamento termico, rendendolo una scelta preziosa per applicazioni come la stampa 3D e lo stampaggio a iniezione. In particolare, questo studio dimostra che il poli(dimetilsilossano) può essere utilizzato come segmenti nel TPE e che le reazioni di clic CuAAC possono costruire polimeri lineari basati su PDMS.
Gli autori estendono questa ricerca mostrando l'incorporazione di varie funzionalità in un copolimero alternato contenente PDMS tramite la reazione CuAAC, che si traduce nella formazione di TPE con diverse proprietà. Gli autori esplorano le relazioni struttura-proprietà, che dipendono dai diversi segmenti di oligosilossano funzionalizzati con azido, nonché le geometrie dei vari comonomeri dialchinici utilizzati nelle polimerizzazioni.
Lo spettrometro FTIR in situ ReactIR ha fornito informazioni sulla cinetica di polimerizzazione monitorando il decadimento della funzionalità dell'azide durante la reazione. Inoltre, le misure FTIR in situ hanno dimostrato un significativo aumento della velocità di reazione di polimerizzazione con l'aggiunta di un equivalente del ligando triazolico tris((1-benzil-1H-1,2,3-triazol-4-il)metil)ammina (TBTA) alla reazione CuAAC. Inoltre, il rapporto ottimale tra ligando/metallo per ottenere l'effetto accelerante è stato determinato tra 0,5 e 1,0 eq, risultando nella più alta velocità di reazione. Questo studio fa luce sul potenziale del TPE e fornisce una comprensione completa delle loro proprietà e capacità.
Citazioni e riferimenti
Fare clic su Chimica nelle pubblicazioni su rivista
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Indagini FTIR sulle polimerizzazioni a clic
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