Klik Reaksi dan Klik Alat Kimia

Kimia In-Situ untuk Mendukung Reaksi Klik

Apa itu Kimia Klik?

Kimia klik adalah istilah yang menggambarkan keluarga reaksi kimia yang dirancang agar efisien, selektif, dan sederhana. Reaksi kimia ini dirancang untuk bersifat modular, cakupan yang luas, dan menghasilkan produk sampingan minimal. Reaksi kimia klik banyak digunakan di banyak bidang kimia, termasuk penemuan obat, ilmu material, dan biokonjugasi.

Konsep "kimia klik" diperkenalkan pada tahun 2001 oleh pemenang Hadiah Nobel, K. Barry Sharpless. Istilah "kimia klik" dan "reaksi klik" sering digunakan secara bergantian, tetapi ada perbedaan halus di antara keduanya.

Apa itu reaksi klik?

Reaksi klik mengacu pada reaksi kimia yang memenuhi kriteria kimia klik. Reaksi ini melibatkan penyatuan dua molekul melalui ikatan kimia tertentu, seringkali melibatkan azida, alkuna, atau siklooktyne. Reaksi klik biasanya cepat, menghasilkan tinggi, dan terjadi dalam kondisi ringan, menjadikannya ideal untuk berbagai aplikasi. 

Dalam reaksi klik, para ilmuwan menggunakan molekul khusus yang dapat dengan mudah disatukan, seperti sabuk pengaman yang tertekuk dengan sempurna. Mereka sangat penting mengingat konsep ini dapat diterapkan terlepas dari skalanya. Dalam beberapa dekade terakhir, reaksi klik telah banyak digunakan dalam aplikasi kimia khusus, farmasi, biomolekuler, biomedis, dan polimer. 

Kimia klik telah merevolusi cara ahli kimia mendekati sintesis molekul kompleks dan mengarah pada pengembangan bahan, obat-obatan, dan produk lain baru yang memiliki aplikasi penting di berbagai bidang.

Klik Kriteria Reaksi

Tujuannya adalah untuk mengembangkan satu set "blok" yang kuat, selektif, dan modular yang berkembang yang bekerja dengan andal dalam aplikasi skala kecil dan besar. Kami telah menyebut dasar pendekatan ini "kimia klik", dan telah mendefinisikan serangkaian kriteria ketat yang harus dipenuhi suatu proses agar berguna dalam konteks ini. Reaksi harus modular, cakupan luas, memberikan hasil yang sangat tinggi, hanya menghasilkan produk sampingan yang tidak menyinggung yang dapat dihilangkan dengan metode nonkromatografi, dan stereospesifik (tetapi tidak harus enantioselektif). Karakteristik proses yang diperlukan termasuk (Kolb et al. 2.1): 

  1. Kondisi reaksi sederhana dan lebih disukai, prosesnya tidak boleh terpengaruh oleh keberadaan oksigen dan air
  2. Bahan awal dan reagen yang mudah diakses
  3. Reaksi bebas pelarut, atau menggunakan pelarut jinak atau mudah dihilangkan
  4. Isolasi produk sederhana

Reaksi klik memiliki properti kunci tertentu yang membuatnya efektif. Mereka mengandalkan kekuatan penggerak termodinamika yang kuat, biasanya lebih dari 20 kkal mol-1, yang berarti mereka dapat terjadi dengan cepat dan hanya menghasilkan satu produk yang diinginkan. Kita dapat menganggap reaksi klik sebagai siap untuk pergi ke satu arah, seperti pegas yang dimuat. Penting untuk memahami properti ini untuk menggunakan reaksi klik secara efektif.

Panduan Kimia Hijau dan Rekayasa Berkelanjutan

Reaksi CuAAC (Sikloadisi Azida-Alkuna Katalisis Tembaga)

Sikloaddition azida-alkuna yang dikatalisis tembaga adalah reaksi klik pertama yang dikembangkan secara independen oleh pemenang Hadiah Nobel, Sharpless dan Meldal. Reaksi ini, yang diciptakan sebagai "permata mahkota kimia klik," menggunakan katalis tembaga untuk membentuk ikatan baru antara gugus fungsional azida dan alkuna. Hasilnya adalah cincin triazol yang bertindak seperti blok Lego atau gesper sabuk pengaman untuk "mengklik" satu molekul ke molekul lainnya. 

Reaksi CuAAC dapat dilakukan dalam prosedur satu pot, artinya semua reaktan dapat digabungkan pada awal reaksi, menyederhanakan proses dan membuatnya lebih efisien. Produk reaksi CuAAC adalah polimer dengan berat molekul tinggi yang murni secara struktural. 

Karena sifat-sifat katalis tembaga yang luar biasa, seperti stabilitasnya dalam banyak kondisi reaksi, misalnya hidrolisis, oksidasi, dan reduksi, telah ada penelitian yang cukup besar tentang pengembangan berbagai katalis tembaga (dan logam lain, misalnya, rutenium) untuk sintesis azida-alkuna polimer polimer serta pasca fungsionalisasi polimer.

Diagram reaksi CuAAC

Reaksi Tiol-Ene

Dalam reaksi tiol-ene, tiol bereaksi dengan alkena untuk membentuk ikatan karbon-belerang, dan ikatan rangkap karbon-karbon baru terbentuk dalam prosesnya. Reaksi tiol-ena memiliki beberapa keunggulan dibandingkan reaksi tradisional, termasuk kemampuan untuk:

  • Lanjutkan dalam kondisi ringan
  • Mentolerir berbagai kelompok fungsional
  • Dilakukan dalam prosedur satu pot, menyederhanakan proses dan meningkatkan efisiensi  

Reaksi tiol-yne mirip dengan reaksi tiol-ene, tetapi melibatkan reaksi tiol dengan alkuna untuk membentuk ikatan karbon-belerang, dengan ikatan rangkap ganda karbon-karbon baru yang terbentuk dalam prosesnya. Reaksi ini dapat digunakan untuk membangun dendrimer, hidrogel, dan nanopartikel, serta rantai polimer pasca-fungsional. Gugus alkena dan tiol terminal dapat dengan mudah diperkenalkan, dan reaksi dapat dilakukan bebas dari katalis toksik melalui fotokimia.

Reaksi Diels-Alder

Reaksi sikloadimen Diels-Alder adalah kelas reaksi kimia yang melibatkan pembentukan senyawa siklik dari diena terkonjugasi (molekul yang mengandung dua ikatan rangkap bolak-balik) dan dienofil (molekul yang mengandung ikatan rangkap). Diena dan dienofil mengalami reaksi terpadu di mana ikatan baru terbentuk antara diena dan dienofil untuk menghasilkan senyawa siklik baru.  

Meskipun reaksi Diels-Alder adalah alat sintetis yang kuat dan bisa sangat selektif, reaksi ini tidak selalu cepat atau menghasilkan tinggi. Dalam beberapa kasus, kondisi reaksi perlu dikontrol dengan hati-hati untuk mendapatkan produk yang diinginkan. Selain itu, beberapa reaksi Diels-Alder dapat mengakibatkan reaksi samping atau pembentukan produk sampingan yang tidak diinginkan.

Diagram Reaksi Diels-Adler

Reaksi SPAAC (Sikloadisi Azide-Alkuna yang Dipromosikan oleh Strain)

Sikloadisi azida-alkuna yang dipromosikan oleh strain (SPAAC) adalah jenis reaksi klik yang tidak memerlukan katalis logam. Sebaliknya, reaksi didorong oleh energi regangan yang melekat pada siklooktyne dan turunannya, yang bereaksi dengan azida untuk membentuk produk triazol yang stabil. 

Reaksi itu diterbitkan pada tahun 2004 oleh pemenang Hadiah Nobel Carolyn Bertozzi, yang memenangkan Hadiah Nobel Kimia dengan Sharpless dan Meldal. Bertozzi tahu bahwa tembaga beracun bagi makhluk hidup, jadi dia mencari literatur untuk alternatif untuk reaksi klik azida-alkuna sikloadisi (CuAAC) yang dikatalisis tembaga. Dia menemukan bahwa azida dan alkuna dapat bereaksi bersama jika alkuna dipaksa menjadi struktur kimia berbentuk cincin. 

Reaksi SPAAC bekerja dengan baik dalam sel, jadi Bertozzi menunjukkan bahwa itu dapat digunakan untuk melacak glikan, karbohidrat khusus yang terletak di permukaan sel. Ini karena SPAAC sangat selektif dan bioortogonal, artinya dapat terjadi dalam sistem biologis tanpa mengganggu proses biologis lainnya. 

SPAAC banyak digunakan dalam biologi kimia dan biokonjugasi, memungkinkan pelabelan dan pencitraan biomolekul seperti glikan, serta pengembangan terapi yang ditargetkan. SPAAC adalah alternatif yang berguna untuk reaksi CuAAC dalam beberapa aplikasi karena kondisi reaksinya yang ringan dan kurangnya katalis. Misalnya, reaksi tersebut juga memungkinkan Bertozzi dan para ilmuwan untuk mempelajari proses penyakit. 

Kimia Klik Tetrazine

Kimia klik tetrazine adalah jenis reaksi klik yang melibatkan reaksi tetrazin dengan alkena tegang, seperti trans-siklookten, untuk membentuk produk yang stabil. Reaksinya bersifat bioortogonal, artinya dapat terjadi dalam sistem biologis tanpa mengganggu proses biologis lainnya. 

Kimia klik tetrazine sangat berguna untuk pencitraan in vivo dan aplikasi pengiriman obat, karena memungkinkan pelabelan selektif dan penargetan molekul biologis. Selain itu, kimia klik tetrazine cepat dan efisien, terjadi dalam hitungan detik pada suhu kamar. Selektivitas yang tinggi dan kinetika reaksi cepat menjadikan kimia klik tetrazine alat yang ampuh untuk penelitian biologi kimia dan pengembangan obat.

Klik Polimerisasi

Polimerisasi klik adalah jenis reaksi klik yang digunakan untuk mensintesis polimer. Pendekatan ini melibatkan kopling monomer yang cepat dan efisien menggunakan reaksi kimia klik, seperti CuAAC atau kimia tiol-ene. 

Polimerisasi klik memiliki beberapa keunggulan dibandingkan metode polimerisasi tradisional, termasuk efisiensi tinggi, selektivitas tinggi, dan kondisi reaksi ringan. Selain itu, polimerisasi klik memungkinkan kontrol struktur dan komposisi polimer yang tepat, memungkinkan penciptaan bahan multifungsi yang kompleks. 

Polimerisasi klik telah menemukan banyak aplikasi dalam ilmu material, termasuk pengembangan pelapis, perekat, dan komposit canggih. Kemudahan penggunaan dan keserbagunaan menjadikan polimerisasi klik sebagai alat yang berharga untuk sintesis polimer fungsional dengan sifat yang disesuaikan.

Klik untuk Melepaskan

Click-to-release adalah jenis reaksi klik yang memicu pelepasan molekul bioaktif dari molekul pembawa atau perancah. Pendekatan ini melibatkan penggunaan molekul penghubung yang dapat dibelah oleh reaksi klik, seperti CuAAC atau SPAAC, untuk melepaskan molekul kargo. 

Click-to-release sangat selektif dan dapat disesuaikan untuk melepaskan molekul kargo dalam kondisi tertentu, seperti sebagai respons terhadap enzim atau tingkat pH tertentu. Pendekatan ini telah digunakan untuk pengiriman obat yang ditargetkan, di mana molekul kargo dilepaskan di lokasi penyakit atau cedera, meminimalkan efek samping dan meningkatkan kemanjuran terapeutik. 

Click-to-release juga telah digunakan dalam ilmu material, di mana ia memungkinkan pelepasan molekul fungsional yang terkontrol dari pelapis, perekat, dan bahan lainnya. Selektivitas tinggi dan sifat pelepasan yang dapat dikontrol menjadikan klik-untuk-rilis alat yang ampuh untuk pengiriman obat yang ditargetkan dan aplikasi lainnya.

Keuntungan dari Reaksi Klik

  • Efisiensi tinggi
  • Selektivitas tinggi
  • Reaktivitas bioortogonal
  • Kondisi reaksi ringan

Batasan Reaksi Klik

  • Persyaratan katalis beracun
  • Kebutuhan akan toleransi kelompok fungsional
  • Ketidakcocokan dengan beberapa kondisi reaksi
  • Ruang lingkup penerapan terbatas

Masa Depan Reaksi Klik

Klik Kimia Terintegrasi dengan Teknologi Baru

Kimia klik memiliki masa depan yang menjanjikan dengan pengembangan berkelanjutan dan penyempurnaan reaksi klik yang ada, serta penemuan reaksi klik baru dengan efisiensi, selektivitas, dan keserbagunaan yang lebih besar. Teknologi analitik proses (PAT) siap untuk memainkan peran kunci di masa depan ini, dengan memungkinkan pemantauan dan kontrol reaksi klik secara real-time selama proses sintesis dan manufaktur. PAT memungkinkan pengukuran parameter proses utama yang cepat dan berkelanjutan, seperti kinetika reaksi, suhu, dan konsentrasi, memberikan umpan balik yang berharga untuk pengoptimalan dan kontrol proses.

Dalam konteks kimia klik, PAT dapat digunakan untuk memantau kemajuan reaksi klik secara real time, memastikan bahwa reaksi berlangsung secara efisien dan menghasilkan produk yang diinginkan. Selain itu, PAT dapat membantu mengidentifikasi sumber potensial variabilitas atau kotoran, memungkinkan intervensi dini dan koreksi masalah apa pun yang mungkin timbul. Karena kimia klik terus memainkan peran yang semakin penting dalam sintesis kimia, ilmu material, dan pengembangan obat, penggunaan PAT kemungkinan akan menjadi lebih luas, membantu memastikan produksi produk berkualitas tinggi yang konsisten dan efisien.

Spektroskopi FTIR In-Situ untuk Profil Reaksi Klik

Contoh Reaksi Klik di Industri

PAT untuk Reaksi Klik Cycloaddition

Zhang, Y., Lai, W., Xie, S. Q., Zhou, H., & Lu, X. (2021b). Sintesis yang mudah, struktur, dan sifat poli (thioether-co-carbonate) yang bersumber CO2 yang mengandung liontin asetil melalui polimerisasi klik thio-ene. Kimia Polimer, 13(2), 201–208. https://doi.org/10.1039/d1py01477c

Polikarbonat alifatik terbukti signifikan dalam aplikasi biomedis dan sintesis APC baru diteliti secara aktif. Dalam karya ini, poli (thioether-co-carbonate) disintesis dengan gugus asetil yang melekat pada kelompok vinil yang difungsikan bis- dan tris-β-oxo-carbonates. Polikarbonat alifatik dengan tio-linkage dalam rantai utama dan liontin asetil di setiap unit berulang disiapkan melalui polimerisasi klik tiol-ene yang diinduksi fotokimia dari bis- dan tris-vinil-β-oxo-karbonat dengan bisthiol primer. Polikarbonat ini mudah didepolimerisasi dalam kondisi ringan menggunakan t-butil peroksida, menghasilkan karbonat siklik dan poliol yang disubstitusi peroksi. Degradasi ini ditunjukkan menggunakan FTIR in-situ.  

Pita peregangan C=O dalam polimer diidentifikasi timbul dari karbonat (1746 cm−1) dan dari gugus asetil yang melekat (1723 cm−1). Pita penyerapan C=O ini berkurang dari waktu ke waktu setelah 1,5,7-triazabicyclo[4.4.0]dec-5-ene (TBD) dan tert-butyl hydroperoxide (TBHP) ditambahkan ke sistem reaksi. Kehadiran bagian atas baru pada 1809 cm−1 yang timbul dari pita peregangan C=O dari karbonat siklik dikaitkan dengan pembentukan karbonat bissiklik yang difungsikan peroksi, dan mencerminkan degradasi polimer. 

FTIR In-Situ untuk Elastomer Termoplastik

Bretzler, V., Grübel, M., Meister, S., & Rieger, B. (2014b). Kopolimer bolak-balik yang mengandung PDMS diperoleh dengan polimerisasi klik. Kimia dan Fisika Makromolekul,215(14), 1396–1406. https://doi.org/10.1002/macp.201400178

Penelitian ini menyoroti keunggulan elastomer termoplastik (TPE) dibandingkan polimer elastomer ikatan silang secara kimiawi yang membutuhkan katalis mahal dan memerlukan pertimbangan tambahan. TPE menawarkan manfaat dalam pemrosesan termal, menjadikannya pilihan yang berharga untuk aplikasi seperti pencetakan 3D dan cetakan injeksi. Khususnya, penelitian ini menunjukkan bahwa poli(dimethylsiloxane) dapat digunakan sebagai segmen dalam TPE, dan reaksi klik CuAAC dapat membangun polimer linier berdasarkan PDMS. 

Penulis memperluas penelitian ini dengan menampilkan penggabungan berbagai fungsi dalam kopolimer bolak-balik yang mengandung PDMS melalui reaksi CuAAC, yang menghasilkan pembentukan TPE dengan sifat yang beragam. Penulis mengeksplorasi hubungan struktur-properti, yang bergantung pada segmen oligosiloxane yang difungsionalisasi azido yang berbeda, serta geometri dari berbagai komonomer dialkyne yang digunakan dalam polimerisasi

Spektrometer FTIR in-situ ReactIR memberikan wawasan tentang kinetika polimerisasi dengan melacak peluruhan fungsionalitas azida selama reaksi.  Selanjutnya, pengukuran FTIR in-situ menunjukkan peningkatan yang signifikan dalam laju reaksi polimerisasi dengan penambahan satu ekuivalen tridentate triazol ligan tris ((1-benzyl-1H-1,2,3-triazol-4-yl) methyl) amine (TBTA) ke reaksi CuAAC. Selain itu, rasio optimal ligan-ke-logam untuk mencapai efek akselerasi ditentukan antara 0,5 hingga 1,0 eq, menghasilkan laju reaksi tertinggi. Studi ini menjelaskan potensi TPE dan memberikan pemahaman yang komprehensif tentang sifat dan kemampuannya.

Kutipan dan Referensi

Pertanyaan Umum

Apa definisi reaksi klik?

Reaksi klik adalah keluarga reaksi kimia yang cepat, efisien, dan sangat selektif. Mereka pertama kali diperkenalkan oleh K. Barry Sharpless pada tahun 2001, dan sejak itu menjadi alat yang berharga untuk sintesis kimia, ilmu material, dan biokonjugasi. Reaksi klik biasanya melibatkan kopling dua fragmen molekul melalui mekanisme reaksi tertentu, seperti sikloadición, substitusi nukleofilik, atau penambahan Michael. Reaksi ini ditandai dengan hasil tinggi, kondisi reaksi sederhana, dan kemampuan untuk terjadi dalam kondisi biokompatibel. Reaksi klik telah menemukan banyak aplikasi dalam biologi kimia, di mana mereka digunakan untuk pelabelan, pencitraan, dan pengiriman obat, serta dalam ilmu material, di mana mereka digunakan untuk sintesis pelapis, perekat, dan komposit canggih.

Mengapa disebut reaksi klik?

Dalam reaksi klik, para ilmuwan menggunakan molekul khusus yang dapat dengan mudah disatukan. Proses yang saling terkait ini memungkinkan para ilmuwan untuk membangun hal-hal baru, seperti membangun dengan balok Lego.  

Reaksi klik telah mendapatkan namanya karena kesederhanaan, efisiensi, dan selektivitas yang tinggi. Istilah ini diperkenalkan oleh K. Barry Sharpless pada tahun 2001, yang menggambarkan reaksi kimia ideal sebagai "proses yang modular, cakupan yang luas, memberikan hasil yang sangat tinggi, hanya menghasilkan produk sampingan yang tidak menyinggung yang mudah dihilangkan, dan dapat dilakukan dalam kondisi ringan, idealnya dalam larutan berair atau in vivo."

Selain itu, reaksi klik yang ideal juga harus sangat selektif dan terjadi dengan satu langkah, menghilangkan kebutuhan akan langkah pemurnian atau isolasi yang kompleks. Istilah "klik" sekarang telah banyak digunakan untuk menggambarkan keluarga reaksi kimia yang memenuhi kriteria ini.

Apakah kimia klik adalah kimia hijau?

Kimia klik telah diakui sebagai teknologi kimia hijau karena efisiensinya yang tinggi, selektivitas, dan produksi limbahnya yang rendah. Reaksi klik yang ideal harus menghasilkan limbah minimal atau tanpa liar, membutuhkan input energi minimal, dan berlanjut dalam kondisi reaksi ringan (yaitu suhu dan tekanan sekitar), menjadikannya pilihan yang menarik untuk kimia berkelanjutan. 

Reaksi klik juga dapat digunakan dalam pelarut berair atau ramah lingkungan lainnya, yang selanjutnya mengurangi dampak lingkungannya. Selain itu, ahli kimia menggabungkan kimia klik dengan teknik kimia hijau lainnya, seperti kimia aliran, untuk lebih meminimalkan limbah dan konsumsi energi. Kimia klik merupakan jalan yang menjanjikan untuk pengembangan metode sintesis kimia yang lebih berkelanjutan dan ramah lingkungan.

Baca lebih lanjut tentang kimia hijau dan pembangunan berkelanjutan.

Apa perbedaan antara kimia klik dan reaksi klik?

Kimia klik adalah jenis sintesis kimia yang bertujuan untuk menciptakan molekul baru dengan cepat, mudah, dan selektif hanya dengan menggunakan serangkaian kecil reaksi yang sangat andal dan efisien. Reaksi klik, di sisi lain, adalah reaksi kimia spesifik yang menggunakan kimia klik untuk membentuk ikatan kovalen antara dua gugus fungsional.

Dengan kata lain, kimia klik adalah istilah luas yang menggambarkan pendekatan umum untuk sintesis kimia, sedangkan reaksi klik adalah reaksi spesifik yang digunakan dalam pendekatan ini. Reaksi klik ditandai dengan hasil tinggi, spesifisitas tinggi, dan kondisi reaksi ringan, yang membuatnya ideal untuk aplikasi seperti penemuan obat, ilmu material, dan biokonjugasi.

Saya ingin...
Butuh bantuan?
Tim kami siap membantu mencapai tujuan Anda. Diskusilah dengan ahli kami.