La cicloadición de azida-alquino es una reacción entre azidas y alquinos para formar 1,2,3- triazoles .
La reacción fue descrita por primera vez por Michael en 1893, quien descubrió que calentar una solución etérea de fenilazida y éster dimetílico del ácido acetilendicarboxílico en una ampolla sellada (8 h a 100 °C) da como resultado la formación de un triazol sustituido [1] . La variante no catalítica de la reacción fue investigada por Huisgen a principios de la década de 1960 como parte del estudio de las reacciones de adición dipolar 1,3 [2] [3] . En la literatura se le ha llamado reacción de Huisgen .
En la versión clásica, la reacción procede de acuerdo con el mecanismo de adición 1,3-dipolar que conduce a la formación de una mezcla de 1,2,3-triazoles isoméricos 1,4- y 1,5-disustituidos:
La reacción fue ampliamente desarrollada tras el descubrimiento de la catálisis del cobre(I) en los laboratorios de Meldal [4] y Sharpless [5] en 2002, convirtiéndose en la reacción más importante dentro del concepto de química click [6] . Una versión mejorada, acelerada por el voltaje del fragmento de ciclooctino, es una dirección prometedora en el estudio de esta reacción. Gracias a las modificaciones abiertas, la reacción se convirtió en una de las reacciones de clic .
La catálisis cuprosa fue reportada por primera vez en publicaciones independientes por Morten Meldahl [4] y Barry Sharpless [5] . La versión catalítica de la reacción no procede sincrónicamente, sino que tiene un mecanismo paso a paso, por lo que no puede llamarse reacción de Huisgen, aunque a veces se encuentra tal nombre en la literatura. A través de la introducción de un catalizador, la reacción obtuvo varias ventajas que permitieron su uso en diversas aplicaciones biotecnológicas, y se conoció con el acrónimo CuAAC (Cu-catalyzed azide-alkyne cycloaddition).
El mecanismo por etapas de la reacción catalizada por cobre procede a través de la formación intermedia de acetilenuros de cobre. Por esta razón, solo los alquinos terminales muestran una alta reactividad en esta reacción. Al mismo tiempo, el átomo de cobre tiene un efecto activador sobre la azida a través de su coordinación, lo que también determina la regioselectividad de la reacción. Además, se produce la formación de un metalaciclo de seis miembros, que sufre una eliminación reductiva con la formación de un derivado de triazolil-cobre. Como resultado de la hidrólisis de este último, se forma 1,2,3-triazol disustituido en 1,4. [ocho]
La reacción procede en presencia de varias fuentes de Cu(I). Siempre que los reactivos estén en solución, o incluso en una mezcla agregada, y que el cobre cuproso no haya desaparecido por desproporción u oxidación con el oxígeno atmosférico, los productos se obtienen normalmente con un alto rendimiento. Para mantener constantemente una concentración suficiente de Cu(I), los compuestos de Cu(II) se utilizan en presencia de un exceso de un agente reductor, que no solo genera Cu(I), sino que también hace que la reacción sea menos receptiva al oxígeno.
Para las reacciones que ocurren en un medio acuoso, el sistema CuSO 4 - ascorbato de sodio se usa con mayor frecuencia. Otra fuente de cobre monovalente son sus sales (CuBr, CuI). En este caso, los disolventes orgánicos (tetrahidrofurano, piridina, DMSO, acetonitrilo, etc.) actúan como medio. Para aumentar la solubilidad de estas sales se utilizan complejos como [Cu(CH 3 CN) 4 ]PF 6 , (EtO) 3 P·CuI. Si el cobre se utiliza directamente en estado monovalente, se deben tomar medidas para aislar la reacción del oxígeno del aire, por ejemplo, realizando la reacción en una atmósfera inerte o con la adición de un agente reductor.
Menos comúnmente, las cantidades catalíticas de cobre monovalente son introducidas por la reacción de fraccionamiento de Cu (0) y Cu (II), mientras que los alambres de cobre, polvos, nanopartículas , etc. sirven como fuente de cobre de valencia cero. [9]
El triazol ( TBTA ) [10] y algunos otros ligandos [9] se utilizan para acelerar la reacción y estabilizar la partícula catalítica .
La aceleración de la reacción se puede lograr no solo usando un catalizador, sino también aumentando la reactividad del alquino. Este enfoque se ha aplicado para crear una cicloadición de azida-alquino promovida por deformación, SPAAC [11 ] . La introducción de ciclooctino tenso en la reacción con azidas mejora la cinética de la reacción y permite realizar la cicloadición en ausencia de un catalizador de cobre citotóxico.
La reacción procede como una cicloadición dipolar 1,3 estándar con un desplazamiento de electrones pericíclico emparejado asíncrono. La naturaleza ambivalente del dipolo 1,3 hace que sea imposible determinar el centro electrofílico y nucleófilo en la azida, por lo que la imagen de la dirección de transición de electrones no tiene sentido. Sin embargo, los cálculos muestran que el átomo de nitrógeno interno lleva la mayor carga negativa. [12]
Aunque la reacción produce una mezcla de dos triazoles regioisoméricos, esto no es una desventaja significativa para la mayoría de las aplicaciones actuales. Se puede lograr una alta regioselectividad usando una reacción catalizada por cobre con alquinos terminales.
| ciclooctina | Constante de velocidad de segundo orden (M −1 s −1 ) |
|---|---|
| OCT | 0.0024 |
| ALO | 0.0013 |
| MOFO | 0.0043 |
| DIFO | 0.076 |
| DIBO | 0.057 |
| BARAC | 0.96 |
| DIBAC (ADIBO) | 0.31 |
| DIMAC | 0.0030 |
| bcn | 0,14-0,29 |
OCT fue el primer ciclooctino desarrollado para una cicloadición de azida-alquino libre de cobre. [13] Mientras que los alquinos lineales no son reactivos a temperaturas fisiológicas, OCT reaccionó fácilmente con alquinos en condiciones biológicas sin ser tóxico. Sin embargo, tenía baja solubilidad en agua y la cinética apenas superaba a la ligadura de Staudinger . ALO (octyne sin aril) se desarrolló como una mejora , pero también fue lento en responder. [catorce]
Las ciclooctinas monofluoradas ( MOFO ) [14] y difluoradas ( DIFO ) [15] se crearon para aumentar la velocidad de reacción mediante la introducción de átomos de flúor atrayentes de electrones en la posición de propargilo. El flúor es un grupo aceptor conveniente tanto en términos de disponibilidad sintética como de inercia biológica. En particular, no puede formar un aceptor de Michael, lo que produce reacciones secundarias con nucleófilos biológicos.
DIBO (dibenzociclooctino) recibió dos anillos de benceno fusionados, lo que condujo a un aumento de la tensión angular del fragmento de ciclooctino. Se sugirió que la conjugación de los restos arilo con el triple enlace aumentaría la reactividad del compuesto.
La adición de otro doble enlace al ciclooctino dio como resultado compuestos inestables, por lo que el grupo de Bertozzi propuso BARAC (biarilazaciclooctino) ciclooctino con un enlace amida que tiene un doble enlace parcial debido a la resonancia. Además, la adición de un heteroátomo a la molécula aumenta la solubilidad y mejora la farmacocinética de la molécula. BARAC reacciona con las azidas con bastante rapidez, por lo que no es necesario lavar el exceso de reactivo, lo cual es fundamental en aquellas aplicaciones en las que dichos lavados son imposibles (supervisión en tiempo real de procesos dinámicos, etiquetado de biomoléculas en organismos). Aunque BARAC es extremadamente útil, debido a la inestabilidad debe almacenarse a 0°C en un lugar oscuro, en ausencia de oxígeno. [dieciséis]
Otros cambios estructurales en BARAC dan como resultado DIBAC ( ADIBO ) con menos impedimento estérico para la función alquino. [17] Se encontró que un compuesto que combina la presencia de un anillo de benceno conjugado y dos átomos de flúor en la posición de propargilo ( DIFBO , difluorobenzociclooctino) es inestable. [Dieciocho]
Los problemas con el uso de DIFO en estudios in vivo en ratones pueden ilustrar la dificultad de generar respuestas bioortogonales. Aunque DIFO fue muy reactivo en la modificación celular, tuvo un desempeño deficiente en ratones debido a la unión a la albúmina sérica. La hidrofobicidad de la ciclooctina es la razón de su interacción con las membranas celulares y las proteínas séricas , lo que reduce considerablemente sus concentraciones disponibles. Se ha propuesto DIMAC (dimethoxyazacyclooctyne) como un análogo soluble en agua con mayor polaridad y farmacocinética mejorada.
También se probaron otros métodos para crear estrés adicional en el ciclo de ciclooctino. En particular, la BCN (biciclononina) mostró buenos resultados, en la que este efecto se logró introduciendo un anillo de tres miembros condensado en la molécula. [19]
La reacción de cicloadición de azida-alquino catalizada por complejos de rutenio ( RuAAC ) conduce a la formación de triazoles 1,5-disustituidos [20] . Una diferencia importante con el CuAAC es la posibilidad de sintetizar triazoles totalmente sustituidos, ya que en esta reacción también pueden participar alquinos disustituidos. Cp*RuCl(PPh 3 ) 2 , Cp*Ru(COD) y Cp*[RuCl 4 ] se utilizan comúnmente como catalizadores . También se utilizan catalizadores que contienen ligando ciclopentadienilo (Cp), sin embargo, los mejores resultados se obtienen con la participación del ligando pentametilciclopentadienilo (Cp*).
El mecanismo propuesto incluye la formación de especies catalíticas activas [Cp*RuCl], después de lo cual los ligandos se intercambian por azida y alquino, la adición oxidativa con la formación de un rutenaciclo y la eliminación reductora con la formación de un producto triazol. En este proceso, el átomo de nitrógeno forma un enlace con el átomo de carbono más accesible del alquino, lo que determina la regioselectividad de la reacción [21] .
La reacción de cicloadición de azida-alquino puede ser catalizada por complejos P,O de plata (I) con la formación predominante de triazoles 1,4-disustituidos a temperatura ambiente. Las sales de plata (I) no catalizan esta reacción. [22] [23]