클릭반응을 이용한 다양한 유기화학

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Cu(I)-catalyzed Huisgen 1,3-dipolar cycloaddition reaction of azide and terminal alkynes, referred to as ‘click chemistry or click reaction’, is thought to be the most efficient method to readily create diverse compounds having various chemical properties due to benign reaction conditions. For several years, click reaction has been employed in many versatile research areas. This thesis contains three research results associated with click reaction.
Firstly, a novel radiolabeling method was developed using click reaction for a mild preparation of F-18 labeled biomolecules. Optimal reaction condition was achieved by varying solvent systems and Cu(I) catalyst. Thereby, various F-18 labeled small biomolecules were regioselectively synthesized in excellent radiochemical yields using click reaction of F-18 labeled prosthetic compounds and small biomoleculs.
Secondly, polymer supported CuI was studied as a recyclable polymeric catalyst. For this study, several polystyrene-based quaternary ammonium salts were prepared and used to immobilize CuI. A polymer catalyst containing 0.25 mmol/g of Cu exhibited good catalytic activity in various click reaction in the absence of any base, and was reused up to 10 cycles without any loss of activity and yield. In addition, the leaching level of Cu was determined by ICP and XRF analysis, resulting in very negligible leaching observed after 10 reuses.
Thirdly, quaternary ammonium polystyrene resins having azide or acetylene group were prepared for the fast purification after solution phase click reaction. These resins showed excellent swelling properties in polar solvent systems and were used to scavenge the excess azide or alkyne compound by solid phase click reaction. In addition, copper metal and the scavenger resins used were successfully removed by simple filtration with silica/Na₂SO₄ short column, giving excellent yield and purity without further purification.
Lastly, copper-free and solvent-free click reaction at ambient temperature was studied on the basis of an accidental finding. After optimization and understanding the reaction, various alkynes and azides were ligated in the combinatorial manner. As a result, only propiolate alkynes conjugated with electron-withdrawing carbonyl group were found to react with azide under such mild and benign conditions.

국문 초록 (Abstract)

클릭화학/반응으로 일컬어지는 구리 1가로 촉매되는 아자이드와 말단 알킨과의 Huisgen 1,3-쌍극자 고리화첨가반응은 온화한 반응조건들 때문에 여러가지 화학적 성질을 갖는 다양한 화합물을 손쉽게 만들 수 있는 가장 효율적인 방법이라 여겨지고 있으며, 수년간 다양한 연구분야에 사용 되어지고 있다. 이 논문은 클릭화학에 관련된 세가지 연구결과를 담고있다.
첫번째로, 클릭반응을 이용하여 저분자의 생체화합물에 플루오린-18을 표지하는 새로운 방사성동위원소 표지법을 개발하였다. 여러 가지 용매와 구리 1가 촉매들을 달리하여 최상의 반응조건을 찾아내었고, 플루오린-18이 표지된 화합물과 저분자 생체화합물을 클릭반응을 이용하여 다양한 플루오린-18을 표지한 저분자 생체화합물을 위치선택적으로 매우 우수한 방사화학적 수율로 합성하였다.
둘째로, 재활용 가능한 고분자 촉매로서 고분자에 지지된 CuI를 연구하였다. 몇 가지 폴리스티렌 구조의 4가 암모늄 염을 제조하였고, CuI를 고정화시켰다. 0.25 mmol/g의 구리를 함유한 고분자 촉매는 추가적인 염기 없이도 다양한 클릭반응에서 우수한 촉매활성을 나타내었고, 촉매활성 및 수율의 손실없이 10번까지 재사용되었다. 추가적으로, 구리의 리칭되는 정도는 ICP와 XRF 분석법을 통해 관찰되었고, 그 결과 10번의 재사용 후에 무시할 정도의 양만 리칭되는 것을 확인 할 수 있었다.
셋째로, 용액상 클릭반응 후에 빠른 정제를 위해 아자이드나 아세틸렌기를 갖는 4가 암모늄 폴리스티렌 레진을 제조하였다. 이들 레진은 극성 용매에서 우수한 스웰링을 나타내었고, 고체상 클릭반응으로 남아있는 아자이드나 알킨 화합물을 제거하는데 사용되었다. 추가적으로, 사용된 구리금속과 레진은 silica/Na₂SO₄ 컬럼을 통한 간단한 여과로 제거되었으며, 더 이상의 정제과정 없이 우수한 수율과 순도의 화합물을 얻을 수 있었다.
마지막으로, 우연히 발견된 반응으로부터 구리촉매와 용매없이 상온에서 진행되는 클릭화학을 연구하였다. 최적화 연구를 수행한 다음 여러가지 알킨과 아자이드 화합물을 서로 반응시켰다. 그 결과, 전자끄는 작용기인 카보닐기를 갖는 propiolate 알킨만이 여러가지 아자이드와 반응하는 것을 알 수 있었다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract (English) = 6
• Abstract (Korean) = 8
• Chapter 1 Introduction. = 10
• 1.1. Click Chemistry = 11
• 1.2. Mechanism & Regioselectivity = 12
• 1.3. Copper(I) species = 15
• 1.4. Application toward various research fields = 16
• 1.5. Research plans/purposes = 20
• Chapter 2 An efficient F-18 labeling method for PET study: Huisgen 1,3-dipolar cycloaddition of bioactive substances and F-18 lableled compounds = 21
• 2.1. Introduction = 22
• 2.2. Results and Discussion = 23
• 2.3. Conclusion = 32
• 2.4. Experimental Section = 33
• 2.5. Supporting Data = 38
• Chapter 3 Ionic polymer-supported Cu^(I): A reusable catalyst for Huisgen’s 1,3-dipolar cycloaddition = 47
• 3.1. Introduction = 48
• 3.2. Results and Discussion = 49
• 3.3. Conclusion = 56
• 3.4. Experimental Section = 56
• 3.5. Supporting Data = 61
• Chapter 4 Azide/Acetylene Ammonium Resins for Quick Preparation of 1,4-Disubstituted 1,2,3-Triazoles = 67
• 4.1. Introduction = 68
• 4.2. Results and Discussion = 69
• 4.3. Conclusion = 74
• 4.4. Experimental Section = 74
• 4.5. Supporting Data = 80
• Chapter 5 Copper-free and solvent-free click chemistry at ambient temperature = 90
• 5.1. Introduction = 91
• 5.2. Results and Discussion = 94
• 5.3. Conclusion = 99
• 5.4. Experimental Section = 99
• 5.5. Supporting Data = 101
• References = 110