Nghiên cứu phản ứng Click và hóa học Click

Phản ứng Click có tính ứng dụng rất cao trong nhiều lĩnh vực như vật liệu polymer (tổng hợp các dendrimer – loại polymer giống như nhánh cây), trong sinh học (tổng hợp ghép các mạch polymer lên các đại phân tử như enzyme hay protein tạo thành các loại vật liệu lai có chức năng ứng dụng mạnh), hay trong y học (tổng hợp các polymer chức năng thay đổi hình dạng theo điều kiện môi trường như pH hay nhiệt độ…) bằng các phương pháp “ghép from” hay “ghép onto” lên các giá mang, công nghệ nano (quá trình biến tính bề mặt clay, silica, graphene).

Mục tiêu của khoa học polymer là tạo được những polymer có những đặc tính phù hợp cho những yêu cầu ứng dụng đặc biệt. Để tạo được những polymer đặc biệt này thì cách hữu hiệu nhất là gắn từng phần nhỏ thành những phần lớn hơn và một trong những phương pháp tiện lợi nhất là sử dụng phản ứng click.

Bài viết này tóm lược hai nghiên cứu trong rất nhiều các nghiên cứu trong nhiều lĩnh vực tổng hợp mà trong đó phản ứng click được sử dụng.

Các ứng dụng của phản ứng Click

Phản ứng giữa nhóm azide và alkyne được Arthur Michael tìm ra cách đây 116 năm. Đến những năm 1960, Rolf Huisgen tiến hành nghiên cứu một cách hệ thống từng phần của phản ứng này và những phản ứng phản ứng đóng vòng 1,3 lượng cực khác. Đến năm 2001, Sharpless và các cộng sự ở viện nghiên cứu Scripps đã tìm ra được xúc tác hiệu quả cho phản ứng giữa azide (nhóm –N3 ) và alkyne (nhóm C nối ba với C) là xúc tác đồng (I)phản ứng này gọi là phản ứng “Click”.

Trường phái nghiên cứu về phản ứng Click gọi là “Click chemistry”, miêu tả các quá trình kết nối những cấu trúc nhỏ lại với nhau thành những cấu trúc lớn hơn bằng phản ứng hóa học. Giống như các chu trình tổng hợp trong tự nhiên, các phân tử lớn đều được hình thành từ những phần nhỏ hơn, đây chính là ý tưởng hình thành nên trường phái Click.

Yêu cầu để một phản ứng được gọi là Click:

– Được ứng dụng linh được trong phạm vi rộng

– Cho hiệu suất phản ứng cao

– Chỉ sinh ra sản phẩm phụ không độc hại và dễ tách loại.

– Phản ứng có tính chọn lọc lập thể.

Ưu điểm rất lớn của phản ứng Click:

– Điều kiện phản ứng đơn giản (không nhạy với oxy hay nước)

– Phản ứng không dung môi hay dung môi ôn dịu (nước, methanol) hay dung môi dễ tách loại sau phản ứng.

– Cô lập sản phẩm dễ dàng bằng kết tinh hay lọc.

– Phản ứng bền trong điều kiện sinh lý.

Các nhà khoa học và thời gian tìm ra phản ứng Click

Phản ứng quan trọng nhất của Click chemistry đó là phản ứng đóng vòng 1,3 lượng cực Huisgen. Đây là phản ứng giữa hai phân tử: một có gắn nhóm cuối mạch là azide và phân tử còn lại có gắn nhóm cuối mạch là alkyne. Sản phẩm của phản ứng là hai phân tử nối với nhau thông qua cầu nối là nhóm triazole.

Phản ứng tạo ra 2 sản phẩm là 1,4 triazole và 1,5 triazol; dòng thứ 2 là cách đóng vòng

Trường hợp có xúc tác đồng (I) thì chỉ tạo ra duy nhất sản phẩm là 1,4 triazole, trong khi đó nếu không xúc tác mà chỉ đun nóng thì tạo ra hai sản phẩm 1,4 và 1,5 triazole với tỷ lệ là 1.6:1.

Điều khiển tính chọn lọc của phản ứng Click

Các nghiên cứu về Click

Tổng Hợp Dendrimer

Tổng hợp dendrimer gồm có hai phương pháp phân kỳ và hội tụ. Phương pháp phân kỳ là từ một nhân phát triển ra thành các nhánh bao quanh nhân. Phương pháp hội tụ là phát triển các nhánh trước sau đó gắn vào nhân.

Hình ảnh minh họa cho 2 phương pháp

Một ví dụ về tổng hợp một dendrimer được minh họa ở hình bên dưới. Đầu tiên, một phân tử có nhóm cuối mạch là nhóm azide (-N3) cho phản ứng với phân tử có hai nhóm alkyne và một nhóm chloride (-Cl), với xúc tác là hỗn hợp đồng (II) và muối natri của acid ascorbic (vitamin C), phản ứng oxid hóa khử của đồng (II) và Natri ascorbat tạo thành đồng (I), tham gia xúc tác cho phản ứng tạo thành sản phẩm 1,4 triazole. Sản phẩm tạo thành là Dendrimer bậc I, nhóm chloride được hoạt hóa chuyển thành nhóm azide. Sau đó lấy dendrimer bậc I cho phản ứng với phân tử có chứa 2 nhóm alkyne và 1 nhóm chloride. Quá trình cứ diễn ra lặp lại và liên tục tạo thành cấu trúc Dendrimer nhánh. Giai đoạn cuối cùng là gắn vào nhân tạo thành cấu trúc nhánh cây.

Hình minh họa các giai đoạn phản ứng tạo Dendrimer

Dendrimer được nghiên cứu ứng dụng nhiều trong y học, có vai trò như là những phần tử tải thuốc có chức năng tiết chậm, giúp hạn chế lượng thuốc thừa gây ảnh hưởng xấu đến sức khỏe người bệnh.

Nhiệt khâu mạch PVC bằng nhóm chức benzoxazine

Mục tiêu của việc biến tính PVC này là nhằm tăng khả năng chịu nhiệt của PVC.
Đầu tiên PVC được biến tính để chuyển một phần nhóm Chloride thành nhóm azide và thực hiện quá trình tổng hợp propargyl benzoxazine. Hai quá trình biến tính và tổng hợp không liên quan đến nhau.

Cho propargyl benzoxazine phản ứng với PVC được biến tính.

Thực hiện quá trình khâu mạng PVC-benzoxazine bằng cách đun nóng

Phân tích sản phẩm PVC trước và sau khi khâu mạng bằng phương pháp phân tích nhiệt vi sai DSC và nhiệt trọng lượng TGA. Kết quả cho thấy rằng:

Ở giản đồ nhiệt vi sai DSC, đường cong (a) tương ứng với kết quả thực hiện quá trình nhiệt khâu mạch ở các PVC – benzoxazine. Quá trình gia nhiệt đã tạo ra mũi tỏa nhiệt ở 218oC tương ứng với phản ứng mở vòng benzoxazine nối mạch các PVC – benzoxazine. Mũi tỏa nhiệt ở 160oC có thể do quá trình tạo vòng 1,2,3-triazole. Kết quả còn cho thấy không xảy ra sự phân hủy vòng triazole do quá trình này là thu nhiệt và không thấy mũi lõm xuống trên đường cong (a) này. Lần chạy thứ hai cũng được thực hiện chính ngay trên mẫu này cho kết quả đường cong (b). Đường cong kết quả này không cho thấy có bất kỳ mũi tỏa nhiệt hay thu nhiệt chứng tỏ rằng phản ứng khâu mạch đã hoàn tất.

Ở giản đồ nhiệt trọng lượng TGA, các đường cong thể hiện sự suy giảm trọng lượng của các mẫu đo theo chiều gia tăng nhiệt độ. Đường màu đen tương ứng cho PVC-benzoxazine đã khâu mạng cho thấy trọng lượng của nó có độ suy giảm trọng lượng ở 300 oC là thấp nhất. Điều này chứng tỏ độ bền nhiệt của nó cao hơn so với PVC nguyên chất và polybenzoxazine.

Trên đây chỉ là hai ứng dụng trong rất nhiều ứng dụng khác của phản ứng Click, Click đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong y học, khoa học vật liệu, đặc biệt là trong tổng hợp và biến tính các polymer, copolymer có cấu trúc đặc biệt như dendrimer, smart polymer…Click chemistry hứa hẹn tạo ra nhiều sản phẩm phong phú về số lượng, chất lượng cũng như tầm quan trọng của nó.

Hoahocngaynay.com

Nguồn: Trần Thanh Nhân-Cyberchemvn.com