Click reaction in the presence of acetic acid:A DFT study
Asetik asit varlığında gerçekleşen klik reaksiyonları:Bir DFT çalışması
- Tez No: 389444
- Danışmanlar: DOÇ. DR. NURCAN TÜZÜN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2014
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 84
Özet
Her geçen gün gelişen kimyasal sentez yöntemleri endüstri ve bilime katkıları da beraberinde getirmektedir. Metal katalizörlerin kimyasal sentezde bir çok avantajları vardır. Bunlar, tepkime sürelerini kısaltabilmeleri, istenilen ürüne yönelik sentezi olası kılmaları ve çevre dostu proseslerin gerçekleştirilebilmesi olarak sayılabilir. Bu bağlamda metal katalizörler modern kimyasal sentez alanının en önemli konularının başında gelmektedir. 20. yy'ın ortalarında geliştirilen Huisgen Reaksiyon'unda azit ve alkin tepkimeye girerek triazol türevlerini meydana getirmektedir. Bu reaksiyonun seçiciliği olmadığı için tepkime sonunda 1,4 ve 1,5-disübstitüye triazol ürünlerinin bir karışımı elde edilebilmektedir. 2002 yılında Fokin, Sharpless ve ekipleri tarafından geliştirilen, bakır katalizörlü azit-alkin siklokatılma reaksiyonu (CuAAC), modern kimyasal sentez yöntemlerinde çok önemli bir gelişme olarak literatürde yerini almış ve bu tepkime klik tepkimesi olarak adlandırılmıştır. Klik kimyası yönteminde uç alkinden bakır katalizörlüğünde 1,2,3-triazol türevleri elde edilmektedir. Bu yöntem, düşük sıcaklıklarda gerçekleşmesi, yüksek ürün verimiyle sonlanması ve regioselektif olması sebebiyle bir çok çalışmaya konu olmuş ve endüstrinin birçok alanında kendine yer bulmuştur. Reaksiyonun ilk adımında bakır atomu alkin molekülünün π elektronlarına koordine olup, üçlü bağın asitliğinden faydalanarak hızlıca deprotone olur ve bakır asetiliti meydana getirir. Daha sonraki aşamada azitteki nitrojen bakır ile van der Waals yapısı oluşturur. Bu aşamadan sonra azit grubunun uç nitrojeni karbona yaklaşarak 6'lı bir halka yapısını oluşturur. Reaksiyonun son aşamasında bakır-triazolit yapısı protonasyona uğrayarak triazol ürününü meydana getirir. Bu tezde endüstrinin birçok alanında kullanılan 1,2,3-triazol türevlerinin sentez yöntemi olan bakır katalizörlüğünde gerçekleşen azit-alkin siklokatılma tepkimelerinin protonasyon ve siklokatılma basamakları çalışılmış ve detaylandırılmıştır. Literatürde yer alan güncel bir çalışmada, CuAAC reaksiyon mekanizmasının son aşaması olan protonasyon basamağının zayıf bir asit varlığında, asitsiz ortama göre daha hızlı olacağı belirtilmiştir. Benzer sonuçlar yine bir başka çalışma grubu tarafından da, asidik bir ortamda gerçekleşen CuAAC reaksiyonu protonasyon aşamasının, reaksiyon hızında ciddi bir artış sağladığı ve reaksiyon zamanını kısalttığı şeklinde rapor edilmiştir. Ayrıca grubumuzda yapılan henüz yayınlanmamış bir çalışmada, protonasyon basamağı asetik asit varlığında modellenmiş ve yapılar arası geçiş bariyerlerinin asetik asitsiz protonasyona göre daha düşük olduğu saptanmıştır. Bu tez kapsamında CuAAC reaksiyonunun protonasyon aşaması asetik asit varlığında modellenmiş, tepkime patikasında bulunan yapıların asetik asit varlığında ne tür yapısal ve termodinamik değişimler gösterdiği incelenmiştir. Ayrıca asetik asitin CuAAC reaksiyon mekanizmasının siklokatılma basamağını da hızlandırabileceği düşünülmüştür. Bu yüzden asetik asit varlığında siklokatılma basamağının modellenmesi de tez kapsamına alınmıştır. Tezin ilk bölümünde CuAAC tepkimesine asetik asidin etkisi 2 ayrı kısımda incelenmiştir. 1) Ligant olarak 1 asetat içeren bakır asetilit yapısı ile başlayan CuAAC tepkimesinin siklokatılma aşamasında enerji geçiş bariyerleri hesaplanmış ve elde edile veriler asetik asitin ligand olarak bulunmadığı siklokatılma mekanizması enerji geçiş bariyerleri ile kıyaslanması yapılmıştır Çalışmaya ligant olarak 1 asetat bulunduran bakır asetilit yapılarının modellenmesi ile başlanmıştır. Bu aşamada ligant iki oksijenden ve tek oksijenden olmak üzere iki farklı şekilde bağlanabilmektedir. Her iki olasılık için mekanizmalar ayrı ayrı modellenmiş ve sonuçları birbirleriyle karşılaştırılmıştır. En düşük enerjili, ligant olarak 1 asetat içeren bakır asetilit yapısından başlanarak siklokatılma mekanizması modellenmiş ve sonuçlar grubumuzda yapılan asetatsız çalışma ile kıyaslanmıştır. Çalışmanın siklokatılma aşamasında tepkimenin literatüre uygun olarak, azit nitrojeninin bakır ile van der Waals yapısı oluşturması ile başladığı gözlemlenmiştir. Bu aşamadan sonra uç nitrojen alkin karbonu ile 6 üyeli bakır-triazolit halkasını oluşturmuştur. Asetik asit varlığında siklokatılma basamağı enerji bariyeri, asetik asit bulunmayan siklokatılma reaksiyonuna göre yaklaşık 2 kcal/mol daha düşük bulunmuştur. 2) Ligant olarak bir asetat içeren bakır triazolit yapısı ile başlatılan CuAAC reaksiyonunun protonasyon basamağında, a) Asetik asitin H donörü olduğu durumdaki enerji geçiş bariyerlerinin hesaplanması b) Alkinin H donörü olduğu durumdaki enerji geçiş bariyerlerinin hesaplanması ve sonuçların birbirleri ile ve önceki çalışmalarla karşılaştırılması amaçlanmıştır. Reaksiyonun son kısmı olan protonasyon basamağı, asetik asitin H donörü olduğu ve alkinin H donörü olduğu iki farklı durum için modelleneceğinden 2 ayrı protonasyon model mekanizması oluşturulmuştur. Elde edilen sonuçlar asetik asitin H donörü olduğu durumda, alkin ile gerçekleşen protonasyona göre daha düşük bariyerle gerçekleştiğini göstermiştir. Veriler önceki çalışmalar ile kıyaslanmış ve asetatın ligant olarak var olduğu bakır triazolit yapısının, asetik asitle protonasyon bariyerlerinin asetatı ligand olarak bulundurmayan bakır triazolit yapısının asetik asitle protonasyon bariyerlerine göre anlamlı farklılıkların olmadığı tespit edilmiştir. Bu sonuçlara göre, asetik asit ile gerçekleşen protonasyon aşaması için bakır-triazolitte asetat bulunması yada bulunmamasının enerji bariyerlerinde herhangi bir değişiklik yapmayacağı söylenebilir. Diğer taraftan da tezin ikinci bölümünde, CuAAC reaksiyonları için literatürde önerilmiş güncel reaksiyon mekanizması için modelleme yapılması amaçlanmıştır. İlk çalışmalar CuAAC mekanizmasının tek bakır üzerinden yürüdüğünü belirtse de, sonrasında yapılan birçok çalışmada tepkimenin hız sabitinin bakıra göre 2. mertebeden olduğunu göstermiştir. Bu durumda çeşitli bakır-asetilit yapıları arasında dinamik bir denge olduğu söylenebilir. Ancak son yıllarda literatürde deneysel ve teorik çok sayıda yayında, CuAAC reaksiyonlarının 4 bakır üzerinden yürüdüğü belirtilmiştir. Aynı zamanda grubumuz tarafından yapılan bir tez çalışmasında CuAAC mekanizması 2,3 ve 4 bakırlı olarak modellenmiş ve sonuçlar literatürle uyumlu olarak 4 bakırlı asetilit yapılarının en düşük enerjili olduğu saptanmıştır. Ancak konuyla ilgili literatürde yayınlanmış, güncel bir yayında bakır katalizörlü azit-alkin siklokatılma reaksiyonlarında mekanizmanın 2 bakır üzerinden yürüdüğünün deneysel olarak gösterilmesi üzerine, tez çalışması genişletilmek istenmiş ve yapılan son deneysel yayın referans alınarak CuAAC reaksiyon mekanizması 2 bakır üzerinden modellenmek istenmiştir. CuAAC reaksiyon mekanizmasını aydınlatmak amacıyla 2 farklı bakır izotopu kullanılarak yapılan ve tarafımızca referans alınan deneysel çalışmada, CuAAC reaksiyon mekanizmasının 2 bakır üzerinden yürüdüğü belirtilmiştir. Çalışmada N-heterosiklikkarben (NHC) bağlı, doğal izotopik orana sahip olan bakır içeren bakır asetilit yapısı, yalnızca bakır 63 izotopuna sahip Tetrakisbakır(I)asetonitrilhekzaflorofosfat varlığında benzilazit ile tepkimeye sokulmuştur. Reaksiyon sonunda izole edilen bakır triazolit yapısının analizi sonucunda 63Cu : 65Cu oranı 85:15 olarak bulunmuştur. Bu sonuçlara göre, reaksiyon sırasında bakırlar arası ligand değişiminin gerçekleştiği, izotop oranlarındaki değişmenin nedeninin NHC ve MeCN arası göç olduğu söylenmiştir. Tüm bu bilgilerin ışığında tez çalışmasında CuAAC mekanizmasına farklı bir bakış getiren çalışmanın önerdiği mekanizmanın modellenmesi amaçlanmıştır. Öncelikle önerilen mekanizmada yer alan izole edilmiş NHC bağlı bakır asetilit yapısı modellenmek istenmiştir. Bu yapı için çeşitli geometriler önerilmiş ve farklı DFT fonksiyonları ile denemeler yapılmıştır. NHC bağlı bakır asetilit yapısı için olası 2 ana yapı tespit edilmiş ve bu yapıların kendi içlerinde nötral dublet ve +1 yüklü singlet yapıları ayrı ayrı modellenmeye çalışılmıştır. Yapıların tespiti sırasında akla gelen ilk soru ana NHC bağlı bakır asetilit yapısı ile bağ yapacak olan bakırın kaç MeCN bulunduracağı idi. Bu anlamda, öncelikle, ligant olarak 1 MeCN taşıyan bakır ve NHC bağlı bakır asetilitin etkileşiminin modellenmesine karar verildi. Daha sonra bu yapının hem nötral dublet hem de +1 yüklü singlet versiyonları için ayrı ayrı modelleme yapıldı. 2. olası yapı olan, ligant olarak 2 MeCN taşıyan bakır ve NHC ligantlı bakır asetilitin etkileşimi de nötral dublet ve +1 yüklü singlet olarak ayrı ayrı modellendi. Bu çalışmalar öncelikle B3LYP fonksiyonu kullanılarak yapıldı. Hesaplar sırasında karşılaşılan sorunlar nedeniyle, tüm olası yapılar, literatürde bakır için iyi sonuçlar verdiği öne sürülen M06L fonksiyonu ile tekrar modellenmeye çalışıldı.
Özet (Çeviri)
The developing chemical synthesis methods make significant contributions to industry and science. Metal catalysts have many advantages such as: shortening the reaction times, increasing efficiency of reactions, being able to design tailor-made products and performing environmentally friendly processes. In this respect, metal-catalyzed reactions are considered as one of the most important leading subjects in the field of modern chemical synthesis. Copper-catalyzed azide-alkyne cycloaddition reaction (CuAAC), which was developed by Fokin, Sharpless and their teams in 2002, gained its place in the literature as a major breakthrough in modern chemical synthesis methods. In this 'click chemistry', a terminal alkyne forms 1,2,3-triazole derivatives in the presence of copper catalyst. This method has been the subject of numerous studies and gained its place in many fields of industry since it takes place at lower temperatures, with a high product yield in a regioselectivite way. In this thesis, the protonation and cycloaddition steps of copper-catalyzed azide-alkyne cycloaddition reaction, a synthesis method of 1,2,3 triazole derivatives used in many fields of industry, have been studied and elaborated. In recent studies, acetic acid was reported to decrease the reaction times dramatically. In this thesis study, the effect of acetic acid on both the cycloaddition and protonation steps of CuAAC reaction mechanism has been modelled by quantum mechanical calculations. As for the methodology, for copper and nitrogen atoms B3LYP/6-31+G* and for the rest B3LYP/6-31G* basis sets have been used. In the presence of acetic acid, it can act as ligand. In modelling, initial copper-acetylide structure containing one acetate group as ligand has been considered. The cycloaddition starting with this structure has not shown a significant decrease in the barriers as compared to the case with no acetic acid as ligand. In this study, the protonation step which is the final part of the reaction has been modelled for two different cases where the acetic acid or the alkyne act as H donors. In the presence of acetic acid, with both ligand and donor, the reaction is much more facile as compared to the case where alkyne is the H-donor. In the absence of acetic acid as ligand, protonation is again much more facile with acetic acid as H-donor as compared to the alkyne. The energy values indicate that in the reaction medium, acetic acid will be the proton donor, which is also in accordance with basic chemical knowledge. More important data is the comparison of protonation paths starting from copper-triazolide structure with or without acetate group as ligand, where acetic acid is the proton donor. Among all the possibilities, the lowest barrier was observed for the case where acetic acid is acting both as ligand and as H-donor. Thus, it can be concluded that acetic acid is facilitating the reaction not only as an easy proton donor, but also acting as ligand and accelerating the reaction. Cycloaddition reaction in the presence of acetate as ligand decreases the barrier by approximately 2 kcal/mol. Without acetate ligand, considering the overal reaction, H abstraction step is highly energy requiring and can be the rate determining step of the reaction. However, in the presence of acetate both as ligand and donor, protonation is facile and cannot be rate determining step. Depending on the reaction conditions, protonation could be faster or slower. Similar results were reported in the literature where facilitating an acidic environment has decreased the reaction times to a great extent. In this respect, our results show that protonation step has a crucial role on the kinetics of the CuAAC reactions and they are in accordance with the experiments. Although the early studies have indicated that the CuAAC mechanism works through a single copper, several studies performed afterwards suggested that the reaction rate constant was second order with respect to copper. In recent years, it has been reported in a great number of experimental and theoretical publications in literature that the CuAAC reactions worked through multi-nuclear copper complexes. Özen et al have performed DFT calculations on a number of copper-alkyne complexes including mono to four copper centers and have concluded that 4-centered copper-complex is more prone to be formed, based on thermodynamic data. Two-copper centered complexes have not been excluded since both structures have revealed almost the same barrier for cycloaddition step of the click reaction. On the other hand, upon the experimental demonstration in a current release on the number of copper metals involved in copper complexes in CuAAC reactions a mechanism involving ligand has been suggested to take place via two copper atoms. In this study, isotopic labelling on Cu atoms has been utilized. Based on the suggested structures from the mentioned study, dissertation study was broadened and the recent experimental publication has been taken as reference. The two-copper species from this study were modelled as a part of this thesis. The energies of various copper acetylide structures, created according to the experimental publication was modelled by considering the structures at two different level of studies.
Benzer Tezler
- Pektinazın amberlit XAD-4 reçinelerine klik reaksiyonlarla immobilizasyonu
Immobilization of pectinase via click reaction on amberlite XAD-4 resins
DİNÇER HOCAOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
BiyokimyaMarmara ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SERAP DEMİR
DOÇ. DR. EMRAH ÇAKMAKÇI
- 'Click' kimyası ile yeni ftalosiyanin türevlerinin sentezi
Synthesize of novel phthalocyanine derivatives with click chemistry
YUSUF YILMAZ
- Klik kimyası ile ftalosiyanIn fonksiyonlu fotokürlenebilir kopolimer sentezi ve polimer dağılmış sıvı kristal film hazırlanması
The synthesis of phthalocyanine functional photocurable copolymer and the prepation of polymer dispersed liquid crystal
EMEL ÇALIŞKAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Polimer Bilim ve TeknolojisiHitit ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. HÜMEYRA MERT BALABAN
- Imide-yne click polymerization: A new and versatile tool for the toolbox of X-yne click polymerization
İmid-in klik polimerizasyonu: X-in klik polimerizasyonları için yeni ve çok yönlü bir araç
OĞUZHAN ASLANTÜRK
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. UFUK SAİM GÜNAY
- Bromination of polyoxanorbornene backbone and subsequent post-functionalization via atom transfer nitroxide radical coupling reaction
Polioksanorbornen ana zincirinin bromlanması ve atom transfer nitroksit radikal birleşmesi reaksiyonu ile fonksiyonlandırılması
LALE NUR ATICI
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜRKAN HIZAL