Dinamik kovalent kimya

Dinamik Kovalent Kimya (DKvK), kimyagerlerin ayrık moleküler yapı taşlarından karmaşık moleküler ve supramoleküler yapılar elde etmek için kullandığı bir sentetik stratejidir. DKvK, kovalent organik iskeletler, moleküler düğümler, polimerler ve özgün makrosiklik bileşikler gibi karmaşık yapılara erişim sağlamıştır. Ancak, DKvK, dinamik kombinatoriyal kimya ile karıştırılmamalıdır; çünkü DKvK yalnızca kovalent bağlarla ilgilidir ve bu açıdan supramoleküler kimyanın sadece bir alt kümesini kapsar.

Bu yaklaşımın temeli, birçok farklı kimyasal türün hızlı bir şekilde dengeye ulaşabilmesidir. Bu tür sistemlerde, istenilen kimyasal, farmasötik veya biyolojik özelliklere sahip moleküller seçilebilir. Örneğin, uygun bir şablon eklenerek, daha kararlı bir kompleks oluşturan bileşene doğru denge kaydırılabilir (termodinamik şablon etkisi). Yeni denge sağlandıktan sonra reaksiyon koşulları değiştirilerek sistemin dinamik yapısı durdurulur. Ardından, şablon için en uygun bağlayıcı bileşen, standart laboratuvar yöntemleriyle karışımdan izole edilir. DKvK’yı supramoleküler kimyada değerli kılan şey, kendiliğinden birleşim ve hata düzeltme özellikleridir, bu özellikler dinamik yapıdan kaynaklanır.

Termodinamik ve Kinetik Kontrol

Dinamik sistemler, ayrık moleküler bileşenlerin geri dönüşümlü olarak bir araya gelip ayrılabildiği topluluklardır. Bu sistemler, birden fazla etkileşen tür içerebilir ve bu durum, rekabet hâlindeki reaksiyonlara yol açabilir.

Termodinamik Kontrol

Dinamik reaksiyon karışımlarında, birden fazla ürün denge hâlinde birlikte bulunur. Moleküllerin geri dönüşümlü olarak bir araya gelmesi, ürünlerin ve yarı kararlı ara maddelerin oluşmasına yol açar. Reaksiyonlar, kinetik veya termodinamik yollarla ilerleyebilir. Kinetik ara ürünlerin başlangıçtaki derişimi, termodinamik ürünlere kıyasla daha yüksektir, çünkü kinetik yolun aktivasyon enerjisi (ΔG‡), termodinamik yoldan daha düşüktür, bu yüzden reaksiyon daha hızlı gerçekleşir. Zamanla, bu ara türler daha kararlı olan ürünlere yönelir ve en düşük Gibbs serbest enerjisine (ΔG°) ulaşır. Bu dengeye ulaşma süreci termodinamik kontrol olarak adlandırılır. Ürünlerin oranı, serbest enerji farklarına bağlıdır ve bu ilişki Maxwell-Boltzmann dağılımıyla açıklanır.

Termodinamik Şablon Etkisi

Termodinamik şablon kavramı, bir ürünün formunu diğerlerine göre daha kararlı hâle getirerek onun Gibbs serbest enerjisini düşüren bir reaktandır. Bu durum, şablonun daha kararlı hâle gelmesine yol açar. Örneğin, bir diol ile klorobromometan arasındaki reaksiyonla oluşan dimerin, gümüş triflat katalizörüyle yapılan bir transasetalizasyon yoluyla dengelenmesi sağlanabilir. Bu durumda, gümüş iyonunun C2 türüyle bağlanması, şablonun termodinamik olarak daha kararlı hâle gelmesine yol açar.

Makrosikl sentezinde termodinamik şablon

Sentetik Yöntemler

DKvK’da kullanılan reaksiyonlar, kendi kendine birleşmenin (self-assembly) entropik maliyetini dengeleyebilmek için termodinamik olarak kararlı ürünler üretmelidir. Bu reaksiyonlar, moleküller arasında kovalent bağlar oluşturmalı ve molekülün diğer bölgelerinde bulunan fonksiyonel gruplara karşı toleranslı koşullar altında yürütülmelidir. Ayrıca, oluşabilecek tüm ara ürünler geri dönüşümlü olmalı ve reaksiyon dengeye ulaşabilmelidir.

DKvK’da kullanılan reaksiyonlar oldukça çeşitlidir ve genellikle iki ana kategoriye ayrılabilir:

1. Değişim (Exchange) Reaksiyonları: Bu reaksiyonlar, moleküller arasında bir reaksiyon partnerinin yer değiştirmesini içerir. Örnek olarak ester değişim reaksiyonları ve disülfid değişim reaksiyonları verilebilir.
2. Oluşum (Formation) Reaksiyonları: Bu reaksiyonlar, yeni kovalent bağların oluşmasına dayanır. Örnek olarak Diels–Alder ve aldol reaksiyonları verilebilir.

Bazı reaksiyonlar her iki kategoriye de dâhil edilebilir. Örneğin, bir karbonil grubu ile bir birincil amin arasındaki yeni kovalent bağların oluşumunu içeren Schiff bazları, başlangıçta oluşum reaksiyonu olarak sınıflandırılabilir. Ancak ortamda iki farklı amin bulunduğunda, bu reaksiyon dengeye ulaşan bir değişim reaksiyonuna dönüşebilir.

Bağ Türlerine Göre Alt Kategoriler

Reaksiyonlar, bağ türlerine göre üç alt kategoriye ayrılabilir:

1. Karbon–Karbon Bağları: Karbon atomları arasındaki bağlar genellikle termodinamik açıdan son derece kararlıdır, ancak bu kararlılık, reaksiyonların geri dönüşümlülüğünü zorlaştırabilir, bu yüzden çoğu zaman bir katalizör gerektirir.
2. Karbon–Heteroatom Bağları: Karbon ile heteroatomlar arasındaki bağlar (örneğin karbon–oksijen, karbon–azot) karbon-karbon bağlarından daha az kararlıdır, bu yüzden bu tür reaksiyonlar daha hızlı bir şekilde dengeye ulaşabilir.
3. Heteroatom–Heteroatom Bağları: Bu bağ türleri, örneğin disülfid bağları, dinamik kovalent reaksiyonlarda yaygın olarak kullanılır.

Karbon–Karbon Bağları

Karbon atomları arasındaki bağlar genellikle termodinamik açıdan son derece kararlıdır. Ancak bu tür bağlar, geri dönüşümlülük açısından daha zordur ve bu nedenle bu tür reaksiyonlar çoğu zaman katalizör gerektirir.

Aldol Reaksiyonları: Aldol reaksiyonları, karbon–karbon bağlarının oluşturulmasında yaygın olarak kullanılan reaksiyonlardır. İki karbonil bileşiği arasındaki reaksiyon sonucu β-hidroksi karbonil bileşenleri oluşur. Ancak, reaksiyon kinetiği ile ürün arasındaki aktivasyon enerjisi engeli nedeniyle, bu tür reaksiyonlar dinamik ve geri dönüşümlü şekilde ilerleyemez ve kataliz gereklidir.

Bir keton ve bir alde

hitten aldol oluşumu

Diels–Alder Reaksiyonu: Diels–Alder reaksiyonu, bir diyen ile bir alken arasında gerçekleşen [4+2] sikloekleme reaksiyonudur. Bu reaksiyonlar, özellikle yüksek sıcaklıklarda geri dönüşümlü olma özelliğine sahiptir.

Furan ve maleimid arasında [4+2] sikloadisyon

Metatez Reaksiyonu: Olefin ve alkin metatezi, karbon–karbon bağları oluşturan reaksiyonlardır. Olefin metatezi, iki sp² hibridleşmiş karbon arasında bağ kurar; alkin metatezi ise iki sp hibridleşmiş karbon arasında gerçekleşir.

Grubb katalizörü aracılığıyla Olefin Metatezi

Karbon–Heteroatom Bağları

Karbon ve heteroatomlar arasında bağ oluşumu daha fazla geri dönüşüm sağlar. Bu nedenle, karbon bağlarının oluştuğu dinamik kovalent reaksiyonlara kıyasla daha hızlı bir şekilde dengeye ulaşılır.

Ester Değişim Reaksiyonu: Ester değişim reaksiyonu, bir ester karbonil grubu ile bir alkol arasında gerçekleşir. Bu yöntem polimer sentezinde yaygın olarak kullanılır.

Alkol ile ester değişimi

İmin ve Aminal Oluşumu: Karbon ile azot arasındaki bağ oluşumu, DKvK'da en yaygın şekilde kullanılan reaksiyonlardandır. İmin oluşumu, bir aldehit veya keton ile bir birincil amin arasında, aminal oluşumu ise bir aldehit veya keton ile bir sekonder amin arasında gerçekleşir.

Bir aldehit ve bir amin arasında Schiff bazı oluşumu

Heteroatom–Heteroatom Bağları

Dinamik heteroatom bağ oluşumu, dinamik kovalent reaksiyon araç kutusundaki yararlı reaksiyonları sunar. Borik asit yoğunlaşması (BAC) ve disülfür değişimi bu kategorideki iki ana reaksiyonu oluşturur.

Bir keton ve iki sekonder amin arasındaki aminal oluşum

Disülfid Değişimi: Disülfürler serbest tiyollerle dinamik değişim reaksiyonlarına girebilir . Reaksiyon DCvC alanında iyi belgelenmiştir ve dinamik özelliklere sahip olduğu gösterilen ilk reaksiyonlardan biridir.  Disülfür kimyasının uygulanmasının biyolojik bir motif olma ek avantajı vardır. Sistein kalıntıları doğal sistemlerde disülfür bağları oluşturabilir.

Boronik Asit: Borik asit kendi kendine yoğunlaşması veya diollerle yoğunlaşması iyi belgelenmiş bir dinamik kovalent reaksiyondur. Borik asit yoğunlaşması çeşitli substratlarla iki dinamik bağ oluşturma özelliğine sahiptir. Bu, 3 boyutlu kafesler ve COF'lar gibi yüksek sertliğin istendiği sistemleri tasarlarken avantajlıdır

Borik asit yoğunlaşması

Asimetrik disülfürler arasındaki disülfür değişimi

Araştırma Uygulamaları

Dinamik kovalent kimya, pratikte doğrudan uygulanmasa da, çeşitli supramoleküler yapıların sentezine olanak sağlamıştır. Bu yapıların gaz depolama, kataliz ve biyomedikal sensörler gibi uygulamalarda kullanıldığı bilinmektedir.

Dinamik Sinyal İletim Kaskadları

Son zamanlarda, dinamik kovalent reaksiyonlar, protonları geri dönüşümlü şekilde serbest bırakarak sinyal iletim kaskadlarını başlatmak için kullanılmıştır. Bu özellik, sistemlere açma-kapama anahtarı benzeri bir özellik kazandırır.

Makrosiklik Bileşikler

DKvK, makrosiklik bileşiklerin sentezinde etkili bir yöntemdir. Bu kimya, büyük makrosiklik yapıların stabilizasyonu için termodinamik şablon etkisini kullanır ve hata düzeltme özellikleri sayesinde büyük yapıların hatasız şekilde üretilmesine olanak tanır.

Kovalent Organik İskeletler (COFs)

Kovalent organik iskeletler (COFs), boronik asit dehidratasyonu gibi yöntemlerle sentezlenir. COF'ler, gaz depolama ve kataliz gibi uygulamalarda kullanılır.

Moleküler Düğümler

• Moleküler düğümler, karmaşık topolojik yapılardır. DKvK, bu tür yapıları oluşturmak için kullanılır ve bu süreçlerde termodinamik şablon etkisi, büyüme ve stabilizasyon için kritik bir rol oynar.

Ayrıca bakınız

• Organik kimya
• Supramoleküler kimya
• Şablon etkisi
• Supramoleküler kimyada boronik asitler: Sakarid tanıma
• Dinamik kombinatoriyal kimya
• Termodinamik kontrol