Huisgen Reaksiyonu ve CuAAC'na Geçiş

Huisgen reaksiyonu, bir azit ile bir alkin molekülü arasında ısı aracılığı ile 1,3-dipolar halkalanma sonucu oluşan 1,2,3-triazol sentezidir (Huisgen, 1963).

Şekil 1.6. 1,3-dipolar siklokatılma (Huisgen) reaksiyonu ve oluşan ürünler

Reaksiyon denkleminden de görülebileceği üzere (Şekil 1.6) Huisgen’in 1,3-dipolar halkalanması, katalizörsüz ortamda gerçekleştiği durumda yavaş gerçekleşen ve 1,4- ve 1,5-disübstitüe ürünlerin eşit oranlarda oluştuğu bir mekanizmaya sahip ve seçimli olmayan bir reaksiyon olması nedeni ile temelde klik kimyası içerisinde sınıflandırılamamaktadır (Kushwaha et al, 2013). Reaksiyon ısı katalizörlüğünde gerçekleştiğinde, reaksiyonu tetikleyen azit grubunun saldırı olasılığı, alkin grubunun iki ucuna da gidecek şekilde artmakta ve sonuçta 1,4-disübstitüe ve 1,5-1,4-disübstitüe olmak üzere iki ürün (1:1 oranında) oluşması verimi düşürmektedir (Şekil 1.7).

Şekil 1.7. Huisgen reaksiyonu mekanizması

Sharpless ve arkadaşlarının 2001 yılında yayınladığı ve klik kimyasının temellerinin atıldığı çalışmada, reaksiyonun atılım yaparak klik reaksiyonu sınıflandırmasına dahil olması, prosesin çeşitli metal katalizörleri {Ru, Ni, Pd, Pt, Cu(I)} ile hızlandırılması ve yer seçimliliğinin (regioselektivitesinin) arttırılarak veriminin önemli ölçüde iyileştirilmesi sonucunda mümkün kılınmıştır. İlgili çalışmada, Huisgen prosesinin bakır katalizörlüğünde gerçekleştiği durumda sadece 1,4-disübstitüe ürünün oluştuğu ve reaksiyon seçimliliği, verimi ve hızında kayıtsız kalınamayacak ölçüde bir artışın olduğu rapor edilmiş ve bu tür reaksiyonlar "bakır katalizli azit-alkin siklokatılma reaksiyonu" (ing. Copper-Catalyzed Azide-Alkyne Cycloaddition, CuAAC) olarak tanımlanmıştır (Şekil 1.8). Bu amaçla kullanılan en yaygın katalizör Cu(I) tuzları olmakla beraber söz konusu katalitik ortam ya Cu(I) tuzlarının direkt kullanılması ya da Cu(II) tuzlarının sodyum askorbat veya metalik bakır gibi bir indirgeyici vasıtası ile Cu(I)'e indirgenmesi sonucu sağlanmaktadır (Kolb et al, 2001).

Yukarıda belirtildiği gibi, 1,3-dipolar siklokatılma reaksiyonlarında çeşitli Cu(I) ve Cu(II) tuzları {CuI, CuBr, CuSO4.5H2O, Cu(OAc)2} katalizör olarak kullanılmakla birlikte, maddi olarak temini en kolay olan CuSO4.5H2O tercih edilmektedir. Bu durumda Cu(II)'nin Cu(I)'e dönüşümünü sağlamak için de indirgeyici reaktif olarak metalik bakır ya da sodyum askorbat kullanılmaktadır. Söz konusu katalizörler ile birlikte t-BuOH, H2O, THF gibi çözücülerin çeşitli karışımları kullanılmakta ve bu durumda bakır asetilenür kompleksinin oluşması için baz kullanmak gibi bir ihtiyaç doğmamaktadır. Sulu çözeltiler kullanılamadığı durumda ise, stokiyometrik oranda CuI, Cu(CH3CN)4PF6, CuBr(PPh3)4, CuIP(OEt)3 ve CuOTf.C6H6 gibi katalizörler ve aşırı miktarda tersiyer bir baz (TEA, DIPEA, 2,6-lutidin) varlığında organik çözücüler (THF, toluen, CH2Cl2, asetonitril) kullanılabilmektedir (Meldal and Tornoe, 2008; Tron et al, 2008) (Çizelge 1.1).

Çizelge 1.1.1. CuAAC reaksiyonlarında kullanılan katalizör ve çözücüler Cu kaynağı İndirgeyici/ Yükseltgeyici Reaktif Baz Çözücü

CuI - ^{DIPEA, Et3N,}

DBU, piridin

THF, piridin, DMSO, DMF, Toluen, CH3CN/H2O/t-BuOH,

DMSO/H2O CuI/Pd(PPh3)2Cl2 NaAsc ^{DIPEA, Et}3N,

piperidin,

DMF, CH₃CN, THF, CH3CN/H2O/DMSO

PS-NMe₂:CuI - _{DIPEA, Et3N} ^{CH2Cl2, CH3CN, DMF/THF,}

DMSO/H2O, CH3CN/H2O

CuSO4 NaAsc, TCEP

DIPEA, TBAF, Na2CO3, Et3NH⁺, -OAc H2O/t-BuOH, CH2Cl2/H2O/MeOH, DMF, Aseton/H2O, H2O/THF, H2O/DMF, CHCl3/H2O/EtOH

Cu(0) CuSO4, NaAsc ^Na2CO3,

Et3N.HCl

DMF, CH3CN/H2O, THF/H2O, t-sBuOH/H2O

CuBr(Ph3P)3 - ^{DIPEA, DBU,}

Et3N

THF, CH2Cl2, CH3CN, toluen, DMF, DMSO

CuBr/Cu(OAc)2 ^{NaAsc, hava,}

N2 ^{Et3N, DBU THF, H2O, CH3CN, DMF, DMSO}

CuBr₂/Pd(OAc)₂ AscH, PPh_{3 PrNH2 DMSO, toluen, NMP}

[Cu(CH3CN)4]PF6 - _{DIPEA, Na2CO3} ^{t-BuOH/H2O, DMF, CH2Cl2,} DMSO, CH2Cl2/ CH3CN

(EtO)3P:CuI - _{DIPEA THF, toluen}

CuCl/Pd2(dba)3 P(OEt)3 _{- dioksan}

CuBF4 Hidrokinon _{- DMSO/H2O}

CuCl - _{- H2O}

CuCl2 NaAsc _{- i-PrOH}

Cu(AcO)2 NaAsc _{- t-BuOH/H2O (CHCl3, THF)}

CuAAC reaksiyonlarının keşfedilmesinden sonra, takip eden yıllarda Ru2+

, Ni²⁺, Pd²⁺, Pt²⁺ metal tuzlarının da katalizör olarak kullanılabileceği rapor edilmiştir (Zhang et al, 2005; Chowdhury et al, 2005; Golas et al, 2006; Partyka et al, 2007). 1,4-disübstitüe ürün oluşumunu sağlayan katalizörler dışında, Sharpless ve arkadaşları 2005 yılında yayımladıkları makalede, rutenyum katalizörlü 1,3-dipolar siklokatılma reaksiyonlarını (ing. Ruthenium-Catalyzed

Azide-Alkyne Cycloaddition, RuAAC) ele almışlar, bu reaksiyonun da yer seçimli olarak 1,5-disübstitüe triazol verdiğini belirtmişlerdir (Şekil 1.9).

Şekil 1.9. Rutenyum katalizli azit-alkin siklokatılma reaksiyonu

CuAAC reaksiyonunun mekanizmasını açıklamak için yapılan çalışmalarda, 1,4- ve 1,5-disübstitüe ürünlerinin oluşumunun yanında katalizörün işlevine de yer verilmiştir (Şekil 1.10). Deneysel bulgular ve Cu(I)'in kendini uç alkinlerin içine sokabileceği (Sonogashira coupling) gerçeğinden hareketle, reaksiyonun ilk basamağında Cu(I) dimerinin alkin ile  kompleksleşmesi yaptığı tespit edilmiştir. Ardından uç protonun alkinden ayrılması ile Cu-asetilen kompleksi oluşmaktadır. Bu aşamada uygulanan reaksiyon koşullarına bağlı olarak pek çok Cu-asetilen kompleksinin oluşma olasılığı bulunmaktadır. Cu(I)'in yaptığı söz konusu kompleks, uç alkinin pKa'sını 9,8 birim kadar indirmekte ve böylelikle sulu çözeltide herhangi bir baz eklemesi yapılmaksızın deprotonasyon gerçekleşmektedir.

Şekil 1.10'de görüldüğü üzere birbirini ard arda takip eden basamaklar dizisinde,

öncelikle azot atomu (N1), Cu-asetilen kompleksinde ikinci bakıra bağlı ligandlardan birinin yerine geçer ve bu da azitin C-5'e yapacağı nükleofilik atağı aktive eder. Yakınlık ve elektronik faktörler vasıtasıyla, alkin C-4'ünün, azit N3'üne saldırısı kolaylaşır ve metallohalka oluşur. N1'deki ortaklanmamış elektronlar, triazol halkasını oluşturmak üzere C-5'e saldırdığında metallohalka daralır. Triazol halkası oluşur oluşmaz Cu dimeri ikinci bir terminal alkin ile kompleksleşir ve bu kompleks uygun olmayan yapısı nedeni ile halkaya dahil olamaz. Son protonlama basamağı ile de Cu(I), başka substratlara (alkin) bağlanmak ve yeni bir katalitik döngüye katılmak üzere 1,2,3-triazol bileşiğinden ayrılır (Hein et al, 2008).

1.2.4. 1,2,3-Triazol Sentezinde Kullanılan Diğer Yöntemler

Klik reaksiyonlarını başarılı kılan hususlar arasında, malzeme bilimi ve biyoteknoloji gibi alanlarda önemli bir parametre olan, başlangıç maddelerinin (azit, terminal alkin) kararlı olması ve geniş bir yelpazede farklılaşan makromoleküller ile etkileşmeleridir. Bu durum klik reaksiyonlarını takip edilen bir ilgi alanı olarak gündemde tutmaktadır.

Sharpless ve grubu 2005 yılında yayımladıkları çalışmalarında, rutenyum-siklopentadienil komplekslerinin, yer seçimli olarak 1,5-disübstitüe triazol bileşiklerinin oluşumuna yönelik bir katalizleme görevi gördüğünden bahsetmişlerdir. Rutenyum katalizörleri, uç (terminal) alkinler kullanılarak 1,5-disübstitüe ürün oluşumuna yön vermelerinin yanı sıra, iç (internal) alkinler aracılığı ile de 1,4,5-trisübstitüe (full sübstitüe) triazol halkası oluşturabilmeleri olanağı ile de klik kimyasına (özellikle biyokonjuge bileşiklerin sentezi alanında) yeni bir yön vermişlerdir (Şekil 1.11).

Şekil 1.11. İç alkin ile gerçekleşen RuAAC reaksiyonu ve oluşan trisübstitüe ürün

RuAAC reaksiyonları sonucunda oluşan 1,5-disübstitüe ürünlerin esnek bir iskelete sahip olmaları ve bu sayede birçok konformasyona adapte edilebilme imkanlarının bulunması, ilgili reaksiyonları bakır katalizli reaksiyonlar kadar olmasa da ilgi odağı haline getirmiştir. Ancak

yapılan literatür taramaları, RuAAC reaksiyonlarının mevcut pratik uygulamalarının yetersiz olduğu, uygun yapı taşlarının ve sentetik metotların geliştirilmesi için daha fazla çalışmaya ihtiyaç olduğu sonucunu göstermektedir (Johansson et al, 2014; Das et al, 2014; Boz and Tüzün, 2013; Majireck and Weinreb, 2006).

Katalizör ile gerçekleştirilen reaksiyonların dışında, literatürde 1,4- ve 1,5-disübstitüe tirazol oluşturmak için ısı ya da farklı katalizör yardımı ile gerçekleştirilen bir seri molekül içi (intramoleküler) ve moleküller arası (intermoleküler) reaksiyona da yer verilmektedir.

Yanai ve Taguchi (2005) yayımladıkları makalede, çok basamaklı sentez sonrasında elde ettikleri dialkoksialkin molekülü ile TMSN3'i, In(OTf)3 katalizörlüğünde etkileştirerek bisiklik triazol halkaları elde etmişlerdir (Şekil 1.12).

Şekil 1.12. Yanai ve Taguchi'ye ait klik çalışması

Raghavendra ve Lam (2004), polistiren-sülfonil hidrazid molekülü ile diklorometilketon ve trikloroasetaldehit bileşiklerinin reaksiyonları sonucu oluşan hidrazonları çeşitli aminler ile etkileştirerek 1,4-disübstitüe triazol bileşikleri elde etmişlerdir (Şekil 1.13).

Krasinski ve arkadaşları (2005), takrin-azit ve fenilfenantridinyum-asetilen bileşiklerinden yola çıkarak, in situ klik reaksiyonu sentezi gerçekleştirmişler ve hedef odaklı asetilkolinesteraz enzimini inhibe edici özellikte bir seri bileşik ortaya koymuşlardır. Elde ettikleri bileşik kütüphanesi ile yaptıkları karşılaştırmada daha önce yayımladıkları fenilfenantridinyum türevlerinden en az 3 kat daha aktif bileşikler elde ettikleri sonucuna varmışlardır (Şekil 1.14).

Şekil 1.14. Krasinski ve grubuna ait inhibisyon aktivite gösteren klik ürünleri

Krasinski ve arkadaşları (2004) yaptıkları bir diğer çalışmada, bir seri azit bileşiği ile farklı bromomagnezyum asetilenür türevlerinden yola çıkarak magnezyumbromür bağlı bir triazol halkası elde etmişler ve buradan hareketle farklı elektrofiller kullanarak 1,4,5-trisübstitüe triazol bileşiği kütüphanelerini oluşturmuşlardır (Şekil 1.15).

Kamijo ve grubu (2002) yayımladıkları çalışmada, palladyum katalizörlüğünde iç alkin, TMS-N3 ve allilkarbonat olmak üzere üç bileşenli reaksiyon gerçekleştirmişler ve 2-allil-4,5-disübstitüe triazol bileşikleri elde etmişlerdir (Şekil 1.16).

Şekil 1.16. Kamijo ve grubunun sentezlediği 4,5-disübstitüe triazol ürünleri

Baskin ve arkadaşları (2007), biyokimyasal bağlanma reaksiyonlarında, bakırdan gelen toksisiteyi engellemek için bakırsız bir yöntem geliştirmişlerdir. Bunun için siklooktin bileşiğinin halka gerginliği ve flor sübstitüe grubun elektron çekici etkisinden yararlanarak triazol ürününün geçiş hali aktivasyon enerjisini düşürmek suretiyle kullanışlı bir in vivo kimyasal bağlanma yöntemi oluşturarak hücre glikobiyolojisine katkıda bulunmuşlardır (Şekil 1.17).