La química covalente dinámica ( DCvC ) es una estrategia sintética empleada por los químicos para hacer conjuntos supramoleculares complejos a partir de bloques de construcción moleculares discretos. [1] DCvC ha permitido el acceso a ensamblajes complejos como estructuras orgánicas covalentes, nudos moleculares, polímeros y macrociclos novedosos. [2] No debe confundirse con la química combinatoria dinámica, DCvC se refiere únicamente a las interacciones de enlace covalente. Como tal, solo abarca un subconjunto de químicas supramoleculares.
La idea subyacente es que el equilibrio rápido permite la coexistencia de una variedad de especies diferentes entre las que se pueden seleccionar moléculas con las propiedades químicas , farmacéuticas y biológicas deseadas . Por ejemplo, la adición de una plantilla adecuada desplazará el equilibrio hacia el componente que forma el complejo de mayor estabilidad ( efecto de plantilla termodinámica ). Una vez establecido el nuevo equilibrio , las condiciones de reacción se modifican para detener el equilibrio. A continuación, el laboratorio habitual extrae el aglutinante óptimo para la plantilla de la mezcla de reacción.procedimientos. La propiedad de autoensamblaje y corrección de errores que permiten que DCvC sea útil en química supramolecular se basa en la propiedad dinámica
Sistemas dinámicos
Los sistemas dinámicos son colecciones de componentes moleculares discretos que se pueden ensamblar y desensamblar de manera reversible. Los sistemas pueden incluir múltiples especies que interactúan dando lugar a reacciones competitivas.
Control termodinámico
En las mezclas de reacción dinámica, existen múltiples productos en equilibrio. El ensamblaje reversible de componentes moleculares genera productos e intermedios semiestables. Las reacciones pueden avanzar por vías cinéticas o termodinámicas. Las concentraciones iniciales de intermedios cinéticos son mayores que los productos termodinámicos porque la barrera de activación más baja (ΔG ‡), en comparación con la vía termodinámica, da una tasa de formación más rápida. Una vía cinética se representa en la figura 1 como un diagrama de energía violeta. Con el tiempo, los intermedios se equilibran hacia el mínimo global, correspondiente a la energía libre de Gibb total más baja (ΔG °), que se muestra en rojo en el diagrama de reacción de la figura 1. La fuerza impulsora para que los productos se reequilibren hacia los productos más estables es denominado control termodinámico. La relación de productos a cualquier estado de equilibrio está determinada por las magnitudes relativas de energía libre de los productos. Esta relación entre la población y las energías relativas se denomina distribución de Maxwell-Boltzmann.
Efecto de plantilla termodinámica
El concepto de plantilla termodinámica se demuestra en el esquema 1. Una plantilla termodinámica es un reactivo que puede estabilizar la forma de un producto sobre otros reduciendo su energía libre de Gibb (ΔG °) en relación con otros productos. El ciclofano C2 se puede preparar mediante la reacción irreversible altamente diluida de un diol con clorobromometano en presencia de hidruro de sodio . El dímero sin embargo, es parte de la serie de equilibrios entre macrociclos de poliacetal de diferente tamaño provocados por catalizada ácido ( ácido tríflico ) transacetalización . [4] Independientemente del material de partida, C2 , C4 o un producto de alta masa molar , el equilibrio eventualmente producirá una distribución del producto a través de muchos macrociclos y oligómeros. En este sistema es posible amplificar la presencia de C2 en la mezcla cuando el catalizador de transacetalización es triflato de plata porque el ión de plata encaja ideal e irreversiblemente en la cavidad C2 .
Métodos sintéticos
Las reacciones utilizadas en DCvC deben generar productos termodinámicamente estables para superar el costo entrópico del autoensamblaje. Las reacciones deben formar enlaces covalentes entre los componentes básicos. Finalmente, todos los posibles intermedios deben ser reversibles, y la reacción procede idealmente en condiciones que son tolerantes a grupos funcionales en otras partes de la molécula.
Las reacciones que se pueden utilizar en DCvC son diversas y se pueden clasificar en dos categorías generales. Las reacciones de intercambio implican la sustitución de un socio de reacción en una reacción intermolecular por otro con un tipo idéntico de enlace. Algunos ejemplos de esto se muestran en los esquemas 5 y 8, en un intercambio de éster y reacciones de intercambio de disulfuro. El segundo tipo, las reacciones de formación, se basan en la formación de nuevos enlaces covalentes. Algunos ejemplos incluyen reacciones de Diels-Alder y Aldol. En algunos casos, una reacción puede pertenecer a ambas categorías. Por ejemplo, la formación de bases de Schiff se puede clasificar como la formación de nuevos enlaces covalentes entre un carbonilo y una amina primaria. Sin embargo, en presencia de dos aminas diferentes, la reacción se convierte en una reacción de intercambio en la que los dos derivados de imina compiten en equilibrio.
Las reacciones de intercambio y formación se pueden dividir en tres categorías:
- Unión entre carbono-carbono
- Enlace entre carbono-heteroátomo
- Vinculación entre heteroátomo-heteroátomo
Formación de enlaces CC
La formación de enlaces entre átomos de carbono forma productos termodinámicamente estables. Por lo tanto, a menudo requieren el uso de un catalizador para mejorar la cinética y asegurar la reversibilidad.
Reacciones aldol
Las reacciones aldólicas se utilizan comúnmente en química orgánica para formar enlaces carbono-carbono. El motivo aldehído-alcohol común al producto de reacción es omnipresente en la química sintética y los productos naturales. La reacción utiliza dos compuestos de carbonilo para generar un β-hidroxicarbonilo. La catálisis siempre es necesaria porque la barrera de activación entre los productos cinéticos y los materiales de partida hace que el proceso dinámico reversible sea demasiado lento. Los catalizadores que se han empleado con éxito incluyen sistemas basados en aldolasa enzimática y Al2O3. [5]
Diels-Alder
[4 + 2] cicloadiciones de un dieno y un alqueno se han utilizado como reacciones DCvC. Estas reacciones suelen ser reversibles a altas temperaturas. En el caso de aductos de furano-maleimida, la retrocicloadición es accesible a temperaturas tan bajas como 40 ° C. [6]
Metátesis
La metátesis de olefinas y alquinos se refiere a una reacción de formación de enlaces carbono-carbono. En el caso de la metátesis de olefinas, el enlace se forma entre dos centros de carbono con hibridación sp2. En la metátesis de alquinos se forma entre dos centros de carbono con hibridación sp. [7] La polimerización por metátesis de apertura de anillo (ROMP) se puede utilizar en la polimerización y síntesis de macrociclo. [1]
Heteroátomo de carbono
Un motivo de construcción covalente dinámico común es la formación de enlaces entre un centro de carbono y un heteroátomo como nitrógeno u oxígeno. Debido a que el enlace formado entre el carbono y un heteroátomo es menos estable que un enlace carbono-carbono, ofrecen más reversibilidad y alcanzan el equilibrio termodinámico más rápido que el enlace de carbono que forma reacciones covalentes dinámicas.
Intercambio de éster
El intercambio de éster tiene lugar entre un éster carbonílico y un alcohol. La esterificación inversa puede tener lugar mediante hidrólisis. Este método se ha utilizado ampliamente en la síntesis de polímeros. [8]
Formación de imina y aminal
Las reacciones de formación de enlaces entre el carbono y el nitrógeno son las más utilizadas en la química covalente dinámica. Se han utilizado más ampliamente en la química de materiales para interruptores moleculares, estructuras orgánicas covalentes y en sistemas de autoclasificación. [1]
La formación de imina tiene lugar entre un aldehído o cetona y una amina primaria. De manera similar, la formación de aminal tiene lugar entre un aldehído o cetona y una amina secundaria vecina. [8] Ambas reacciones se usan comúnmente en DCvC. [1] Si bien ambas reacciones se pueden clasificar inicialmente como reacciones de formación, en presencia de uno o más de cualquiera de los reactivos, el equilibrio dinámico entre el carbonilo y la amina se convierte en una reacción de intercambio.
Heteroátomo-heteroátomo
La formación de enlaces heteroátomos dinámicos presenta reacciones útiles en la caja de herramientas de la reacción covalente dinámica. La condensación de ácido borónico (BAC) y el intercambio de disulfuro constituyen las dos reacciones principales en esta categoría. [1]
Intercambio de disulfuro
Los disulfuros pueden sufrir reacciones de intercambio dinámico con tioles libres. La reacción está bien documentada en el ámbito de DCvC y es una de las primeras reacciones que se ha demostrado que tiene propiedades dinámicas. [1] [9] La aplicación de la química de los disulfuros tiene la ventaja adicional de ser un motivo biológico. Los residuos de cisteína pueden formar enlaces disulfuro en sistemas naturales. [1]
Ácido borónico
La autocondensación del ácido borónico o la condensación con dioles es una reacción covalente dinámica bien documentada. La condensación del ácido borónico tiene la característica de formar dos enlaces dinámicos con varios sustratos. Esto es ventajoso cuando se diseñan sistemas en los que se desea una alta rigidez, como jaulas 3D y COF. [10]
Esquema 9: Autocondensación del ácido borónico.
Aplicaciones
La química covalente dinámica ha permitido el acceso a una amplia variedad de estructuras supramoleculares. Usando las reacciones anteriores para unir fragmentos moleculares, se han elaborado materiales de orden superior. Estos materiales incluyen macrociclos, COF y nudos moleculares. Las aplicaciones de estos productos se han utilizado en almacenamiento de gas, catálisis y detección biomédica, entre otros. [1]
Cascadas de señalización dinámica
Las reacciones covalentes dinámicas se han utilizado recientemente en la química de sistemas para iniciar cascadas de señalización mediante la liberación reversible de protones. La naturaleza dinámica de las reacciones proporciona una naturaleza similar a un interruptor de "encendido-apagado" adecuado para los sistemas en cascada. [11]
Macrociclos
Existen muchos ejemplos que demuestran la utilidad de DCvC en la síntesis de macrociclos. Este tipo de química es eficaz para la síntesis de macrociclos grandes porque el efecto de plantilla termodinámica es muy adecuado para estabilizar las estructuras del anillo. Además, la capacidad de corrección de errores inherente a DCvC permite realizar grandes estructuras sin defectos. [12] [13]
Marcos orgánicos covalentes
Todos los métodos actuales de síntesis de estructura orgánica covalente (COF) utilizan DCvC. La deshidratación del ácido borónico, como lo demostraron Yaghi et al. es el tipo de reacción más común utilizado. [14] Los COF se han utilizado en almacenamiento de gas, catálisis,. Las posibles morfologías incluyen armazones 3D covalentes infinitos, polímeros 2D o jaulas moleculares discretas.
Nudos moleculares
DCvC se ha utilizado para fabricar moléculas con propiedades topológicas complejas. En el caso de los anillos de Borromeo , DCvC se utiliza para sintetizar un sistema de enclavamiento de tres anillos. Las plantillas termodinámicas se utilizan para estabilizar el crecimiento del macrociclo entrelazado.
Ver también
- Química Orgánica
- Química supramolecular
- Efecto de plantilla
- Ácidos borónicos en química supramolecular: reconocimiento de sacáridos
- Química combinatoria dinámica
- Control termodinámico
Referencias
- ^ a b c d e f g h Jin, Yinghua; Yu, Chao; Denman, Ryan J .; Zhang, Wei (21 de agosto de 2013). "Avances recientes en química covalente dinámica". Reseñas de la Sociedad Química . 42 (16): 6634–6654. doi : 10.1039 / c3cs60044k . ISSN 1460-4744 . PMID 23749182 .
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- ^ Este tipo particular de transacetalización se conoce con el nombre de metátesis formal porque recuerda a la metátesis de olefinas pero luego con formaldehído .
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