Diels-alder Siklo Katılma Reaksiyonları İle Sentetik Poliesterlerin Ana Zincirinin Fonksiyonlandırılması

Abstract

Polimer kimyası genellikle yüksek verim ve yüksek oranda spesifik kimyasal reaksiyonlar gerektirir [1]. Bu bağlamda, "click" tipindeki [2] modüler reaksiyonların polimer biliminde son zamanlarda popülerlik kazanması sürpriz olmadı. 2001 yılında Sharpless ve çalışma arkadaşları "click" kimyası başlığı altında organik sentezler için neredeyse mükemmel kimyasal reaksiyonlar derlemesi içeren yayınlarını yayınlamışlardır. Sharpless, farklı reaksiyonların "click" reaksiyonları olarak tanımlanabilmesi için bu reaksiyonların yerine getirmesi gereken bir takım kriterler de sıralamıştır. Bu reaksiyonların arasında Cu (I) katalizörlüğünde azid-alkin siklokatılma reaksiyonu (CuAAC), Diels-Alder (DA) reaksiyonu bulunmaktadır ve bir çok makalede de bahsedilmişlerdir. Diels-Alder (DA) reaksiyonu organik bileşiklerde en yaygın reaksiyonlardan biridir. 1950' de Otto Diels ve Kurt Alder bu keşifleri sayesinde Nobel Ödülü kazanmışlardır. Diels-Alder reaksiyonu, 6 üyeli bir halka oluşturmak üzere bir konjüge dien ve bir dienofilin uyumu sonucu gerçekleşen [4π + 2π] sikloadisyon reaksiyonudur. Bu reaksiyon, önemli organik moleküllerin yüksek verimde sentezinde kullanılan en güçlü araçlardan biridir. Retro-Diels-Alder reaksiyonu (rDA) Diels-Alder reaksiyonunun mikroskobik olarak tersidir ve bir sikloheksenden bir dien ve dienofil oluşturur. Isıl, asit veya baz arabuluculuğu ile spontan olarak gerçekleştirilebilir [3]. Bir Diels-Alder ürünü, bir Diels-Alder reaksiyonunda oluştuğu sıcaklıktan daha yüksek bir sıcaklıkta ısıtılırsa, dien ve dienofili vermek üzere parçalanır. Retro Diels-Alder reaksiyonu perisiklik bir reaksiyondur. Geçen yüzyılın ortaları, fiziksel organik kimya için altın çağıydı.Yapının ve reaktivitenin temel ilişkisini anlamanın amacı, başka hiçbir algılanan faydası olmayan bileşiklerin geniş bir yelpazesini sentezlemek için yeterli gerekçeydi. Kimyadaki eğilimler değiştikçe, uygulama temelli hedeflere odaklanıldığından, Huisgen ve Krebs gibi kimyagerlerin bulgularının çoğunun, çoğunlukla bakır katalizli azid-alkin siklo eklenmesi biçiminde bir rönesans yaşayana kadar, çoğunlukla akademik öğretme araçları oldukları söyleniyordu. Bu, malzeme bilimlerinden biyokimyaya, daha eski literatüre dağılmış reaksiyonların hazine sandığına uzanan araştırmacılar ile kimyasal topluma enerji sağlamıştır. 'Click' kimyası tanıtılmadan önce, dietil asetilenkarboksilat ve fenil azid ile gerçekleştirilen ilk triazol sentezi, Arthur Michael tarafından 1893'te geliştirildi. Daha sonra, 1,3-Dipolar sikloadilasyon reaksiyon mekanizması ve sentetik uygulama, Rolf Huisgen tarafından 1960 yılında ortaya çıktı. Bu reaksiyonun bir dezavantajı, nispeten yavaş olması ve kabul edilebilir verim vermesi için yüksek sıcaklıklara ihtiyaç duymasıdır. Bununla birlikte, katalitik miktarda Cu (I) varlığında, reaksiyon oldukça verimli, regioselective ve yumuşak koşullar altında ilerlemektedir. 2002'de, bakır katalizli azid-alkin sikloadksiyonu (CuAAC), Sharpless ve iş arkadaşları tarafından bağımsız olarak geliştirildi [4]. Bu versiyon sadece 1,4-izomer verirken, Huisgen'in katalize edilmemiş 1,3-dipolar sikloadizasyonu hem 1,4 hem de 1,5 izomerleri verir, yavaştır ve bahsedilen yüksek sıcaklık gerektirir [5]. 'Click'reaksiyonları, seçici olma, yüksek verime sahip olma ve iyi reaksiyon kinetiğine sahip olmak gibi avantajlara sahiptir. Bileşenleri çevreleyen biyolojik ortama inert olan 'Click' reaksiyonlarının bir alt sınıfı, biyo-ortogol'dir. Bu reaksiyon biyolojik uyumluluğun eklenen komplikasyonları nedeniyle 'Click' reaksiyonunun tipik tanımının ötesinde onu bir adım daha ilerletmiştir. Son yıllarda, Sharpless ve arkadaşları azidler ve alkin ya da nitriller arasındaki Huisgen 1,3-dipolar siklokatılmalarda ([3 + 2] sistemi) Cu(I)'i baz ile birleştirip kataliz olarak kullandılar ve bu reaksiyonu click reaksiyonu olarak adlandırdılar. Siklo katılma reaksiyonları, çevrimsel yükler, ayarlanabilir elektronik ve özünde seçicilikleri nedeniyle ideal reaksiyonlar olarak görülüyordu. Huisgen, azid ve asiklik bir alkin arasında [3 + 2] sikloadizasyonu geliştirdi ancak bu reaksiyon, Triazolü oluşturmak için alkin bağ açısı deformasyonun aktivasyon bariyerini aşmak için ısıya ihtiyaç duydu. Sharpless ve iş arkadaşları, bu reaksiyonun substrat olarak terminal alkinler kullanılarak Cu ile katalize edilmiş halini geliştirdiler ancak metalin sitotoksisitesi, canlı sistemlerdeki kullanımını sınırladığı için canlı sistem üzerinde kullanımı ve sürekliliği açısından tam olarak yeterli olmamıştı. Click kimyası blok kopolimerlerden karmaşık makromoleküler yapılara kadar değişen birçok polimerik malzemenin yapılmasına kadar makromolekül kimyasında başarılı bir şekilde uygulandı. Click reaksiyonları, yan reaksiyonlara sebebiyet vermeyecek ve ilave saflaştırma işlemlerine gereksinim duyulmayacak bir şekilde kantitatif verimle C–C (veya C–N) bağ oluşumuna izin vermektedir. Bu gelişmelerin ardından, Biyo-ortogonal reaksiyon Carolyn R. Bertozzi tarafından 2003 yılında geliştirildi. Bu reaksiyon, Huisgen reaksiyon türünün aktive edilmiş varyantı olarak tanımlanakla birlikte Sharpless ve iş arkadaşlarının eserine dayalıdır. Bakır içermeyen 'click' kimyası, sitotoksik bakır katalizörünü ortadan kaldırarak biyo- ortogonal olacak şekilde modifiye edilmiş ve reaksiyonun hızlı bir şekilde canlı hücre toksisitesi olmadan gerçekleştirilmesine izin verilmiştir [6]. Bakırın yerine reaksiyon, halka gerilmesine dayanan azid-alkin siklo katılma reaksiyonudur (SPAAC). Bu reaksiyon, bir metal katalizöre ihtiyaç duymadan 1,3-dipolar sikloadizasyonun hızlı bir şekilde ilerlemesini sağlamak için üçlü bağın geometrik deformasyonunun bir sonucu olarak bir siklooksit grubunun halka gerilme enerjisinin serbest bırakılmasını kullanır [5]. Bu reaksiyon, canlı sistemlerdeki glikanlar, proteinler [8] ve lipidler [9] gibi biyomoleküllerin gerçek zamanlı olarak incelenmesini sağlamıştır. Azid, en yaygın Biyo-ortogonal fonksiyon gruplarından biridir. Küçük yapısı ve endojenik özelliğine ek olarak fosfinler ve alkinler ile çok rahat bir şekilde biyo-ortogonal olarak uyum sağlaması sebebiyle önem kazanmıştır. Poliesterler, özellikle de alifatik poliesterler, çıkış bileşiklerinin zenginliği, sentetik anlamda daha kolay ve daha fazla alternatifi olmasından dolayı daha düşük maliyetli, ayrıca sahip oldukları ester yapısından dolayı (biyo)bozunurluluk ve biyouyumluluk özellikleri gösterdiği için de son derece çevre dostu yapılardır. Bu üstün özellikleri poliesterleri, kontrollü ilaç salınımı ve gen mühendisliği gibi birçok biyomedikal uygulamadan, yeni nesil çevre dostu tekstil ve ev araç-gereçlerine kadar geniş bir yelpazede vazgeçilmez hale getirmiştir. Diğer yandan, bu önemli özelliklerine rağmen poliesterlerden, daha da üstün özelliklere sahip yeni malzemeler elde edilmesi noktasında fonksiyonlandırılabilmesi her zaman arzu edilmektedir. Literatürde bu amaçla: i) fonksiyonel grup içeren halkalı esterlerin (lakton, laktid, glikolid vb.) halka açılma polimerleşmesi (ROP) ile polimerizasyonu ile yan zincirinde fonksiyonel gruba sahip poliester sentezi, ii) fonksiyonel gruba sahip bir diol ve/veya diasitin yüksek sıcaklıkta ortamdan su uzaklaştırılması olarak bilinen klasik poliesterleşme yöntemleri ilk akla gelenlerdir. Bunun yanında, bahsedilen bu yöntemler fonksiyonel grubun bir amaca dönük olarak önceden monomer üzerinde hazırlanması veya monomer seçiminin hangi amaç hedeflenmişse ona göre belirlenmesi gibi zorunlulukları da içerisinde barındırmaktadır. Polyester, ana zincirinde ester grubu içeren bir polimer türüdür. Polietilen tereftalat (PET), endüstrideki yaygın adıdır. Azidlerin, bir ester ile donatılmış triarilfosfinler ile reaksiyonu - Staudinger bağlanması olarak adlandırılan bir işlem - canlı sistemlerde şimdiye kadar yapılmış ilk biyo-algılama reaksiyonudur. Kimyasal yapısına bağlı olarak, polyester termoplastik veya termoset olabilir. Polyester üretimi çok önemlidir; çünkü giyimden kaplamaya, plastikten biyo-degredilebilir malzemelere kadar geniş bir yelpazede kullanılabilirler. Kondenzasyon polimerizasyonu ya da halka açılma polimerizasyonu ile sentezlenebilirler. Biyouyumlu, biyodegrede olabilen ve çözünebilen polimerler, biyomedikal ve çevre bilimi alanlarındaki yüksek uygulanabilirlikleri ve kullanılabilirlikleri sayesinde medikal implantlarda ve ilaç kimyasında vücuda taşıyı vektörler olarak kullanılması hususunda önemli yer almaktadırlar. Çevreye uyumlu ve zarar vermeyen yeni teknolojilerin keşfedilebilmesi için polimerlerin bir kolu olan poliesterlerin fonksiyonlarının geliştirilmesi çok önemlidir. Poliesterler akademi ve sanayi tarafından çalışılan ve önem arzeden polimerler olduğundan ötürü, bu gelişim, teknolojinin farklı farklı alanlarında (tekstil, otomotiv, medikal, kaplamalar, vb.) kullanılan poliesterlerin insanlığa daha iyi hizmet etmesinde rol oynayacaktır. Bu çalışmada ana zincirde asetilen dikarboksilik asitten türetilen elektronca fakir iç alkin birimleri içeren bir dizi polyester hazırlandı. Dört farklı diol kullanılarak dört farklı poliester elde edildi. Aralarından Butanediol ile elde edilen polyester model polyester olarak seçildi. Ardından, model polyester sırasıyla çeşitli dienlerin varlığında bakır katalizörsüz Diels-Alder siklo katılma reaksiyonları için platform olarak kullanıldı. Diels-Alder siklo katkılama reaksiyonları 1,4-dioksan içinde 16 saat makul verimlilikle (% 45-97) ve yüksek sıcaklıklarda (60 ila 120 oC) gerçekleştirildi. Daha sonra furan-fonksiyonlu poliester, dipolar ile muamele edilerek 1,3-Dipolar Siklo Katılma/Retro-Diels-Alder reaksiyonunu başarıyla gerçekleştirdi. Bu reaksiyon sırasında herhangi bir katalizör kullanılmamış olup oda sıcaklığında gerçekleştirilmişir. Model poliester üzerine Benzil azid eklenerek triazol halkası oluşumu gerçekleşirken furan halkasının yapıdan ayrılarak benzil azid fonksiyonlu poliester zinciri elde edilmiştir. Tüm karakterizasyon işlemleri GPC, 1H NMR, 13C NMR kullanılarak gerçekleştirildi.

Polymer chemistry generally requires high-yield and highly specific chemical reactions [1]. In that context, it comes as no surprise that modular reactions of the "click"-type [2] have recently been gaining popularity in polymer science. In 2001, Sharpless and coworkers introduced "click" chemistry, a new approach in organic synthesis that involves a collection of almost perfect chemical reactions. Nowadays there are several processes have been identified under this term in order to meet Sharpless's criteria. Among those selected reactions, copper(I)-catalyzed azidealkyne (CuAAC), active ester substitution reactions and Diels-Alder (DA) cycloaddition reactions are also described in many published articles. Diels-Alder (DA) reaction is one of the most common reactions used in organic chemistry, and invented by Otto Diels and Kurt Alder who received the Nobel Prize in 1950 for their discovery. The Diels-Alder reaction is a concerted [4π+2π] cycloaddition reaction of a conjugated diene and a dienophile to yield a 6-membered ring. This reaction is one of the most powerful tools used in the synthesis of important organic molecules in high yields. The Retro-Diels–Alder reaction (rDA) is the microscopic reverse of the Diels–Alder reaction the formation of a diene and dienophile from a cyclohexene. It can be accomplished spontaneously with heat, or with acid or base mediation [3]. If a Diels-Alder adduct is heated at a much higher temperature than the temperature at which it forms in a Diels-Alder reaction, it breaks down to give the diene and the dienophile. Retro Diels-Alder reaction is a pericyclic reaction. Before the development of click chemistry, the first triazole synthesis, from diethyl acetylenedicarboxylate and phenyl azide, was reported by Arthur Michael in 1893. Later, 1,3-Dipolar cycloaddition reaction mechanism and synthetic application were established by Rolf Huisgen in 1960. A disadvantage of this reaction is that it is relatively slow and requires high temperatures to give acceptable yields. However, in the presence of catalytic amounts of Cu(I), the reaction is highly efficient and regioselective and proceeds under mild conditions. In 2002, the copper-catalyzed azide-alkyne cycloaddition (CuAAC) was independently developed by Sharpless and coworkers [4]. This version gives only the 1,4-isomer, whereas Huisgen's non-catalyzed 1,3-dipolar cycloaddition gives both the 1,4- and 1,5-isomers, is slow, and requires a high temperature as mentioned [5]. Afterwards, Bio-orthogonal reaction was developed by Carolyn R. Bertozzi in 2003. This reaction can be describe as activated varient of Huisgen type of reaction and based on the work by Sharpless and coworkers. Cu-free click chemistry has been modified to be bio-orthogonal by eliminating a cytotoxic copper catalyst, allowing reaction to proceed quickly and without live cell toxicity [6]. Instead of copper, the reaction is a strain-promoted alkyne-azide cycloaddition (SPAAC). This reaction uses the release of ring strain energy of a cyclooctyne group as a consequence of the geometrical deformation of the triple bond, to enable the 1,3-dipolar cycloaddition to proceed rapidly without the need of a metal catalyst [7]. This reaction has enabled the study of biomolecules such as gylcans, proteins[8] and lipids[9] in real time in living systems. Polyester is a type of polymers which is including the ester functional group in their main chain. Polyethylene terephthalate (PET) is the well-known name for the industry. Depending on a chemical structure, polyester can be a thermoplastic or thermoset. Polyester production is very important because it can be used of the wide range of the area from clothing to cover,to plastic and bio-degredable materials. It can be sytnthesis by condensation polymerization or ring opening polymerization. In this study we prepared a series of polyesters containing electron deficient internal alkyne units derived from acetylene dicarboxylic acid in the main backbone. This Next, one of polyesters was employed as a polymeric platform in copper free cycloaddition reactions like Diels-Alder cycloaddition reactions in the presence of various dienes, respectively. The Diels-Alder cycloaddition reactions were carried out at higher temperatures (60 to120 oC) in 1,4-dioxane for 16 h with reasonable efficiencies (45-97%). Moreover, the furan-adduct polyester was successfully used in 1,3-dipolar cycloaddition/retro-Diels-Alder reactions in the presence of dipolar. All characterization processes are made by using GPC, 1H NMR, 13C NMR.