Investigating mechanical reversibility of azide-alkyne cycloaddition reactions

Mechanophores are defined as force-sensitive chemical species with a predefined response to mechanical stimuli. They find application as building blocks for mechanoresponsive materials that translate mechanical force into chemical phenomena. When inserted into polymeric materials, mechanophores may show selective breaking of bonds, undergo a chromogenic or fluorogenic reaction or release active species to ultimately allow self-healing. Recently, mechanically induced cycloreversion has been of increased interest as it offers a promising method for the release of reactive species with high selectivity. The release of these species upon mechanical damage would facilitate the development of materials with self-healing and self-reporting properties. Recently, it has been suggested that mechanical stimuli may trigger the cycloreversion of triazole rings into azide and alkyne starting components. Triazoles would thus not only facilitate materials synthesis but further act as building blocks with mechanoresponsive properties. Using density functional theory (DFT) calculations, it has been predicted that the mechanically induced cycloreversion of triazoles formed via strain-promoted azide-alkyne cycloaddition reactions may be possible. In these simulations, triazoles formed in the reaction of azides with the strained alkyne DBCO (Dibenzocyclooctyne) have emerged as the most promising candidates to undergo cycloreversion under experimental conditions; however, experimental proof is still lacking. The aim of this work was to experimentally investigate the possibility of triazole cycloreversion and to determine the force required for this process, using atomic force microscope (AFM)-based single-molecule force spectroscopy (SMFS). Towards this goal, I functionalized the AFM cantilever with azide-terminated polyethylene glycol (PEG) and the cantilever was brought into contact with a surface containing DBCO-terminated PEG to allow the ‘real-time’ formation of the triazole. In the first experiment, rupture forces in the range of 540 ± 80 pN were observed at a loading rate of 7200-7300 pN/s. In order to verify that this rupture force indeed corresponds to triazole cycloreversion, various control experiments were performed to test for the rupture of other covalent bonds in the molecular chain as well as for non-specific interactions. The results show overlap between the rupture force distributions of the control experiments and the triazole experiment, so that no clear assignment of the rupture forces to cycloreversion is possible. Although, the current results did not provide sufficient proof for cycloreversion, SMFS is still a promising experimental strategy and optimized experimental setups are currently being developed to eventually observe mechanically induced cycloreversion.

I meccanofori sono definiti come specie chimiche sensibili alla forza con una risposta predefinita agli stimoli meccanici. Essi trovano applicazione come blocchi di costruzione per materiali meccanoreattivi che traducono la forza meccanica in fenomeni chimici. Quando vengono inseriti in materiali polimerici, i meccanofori possono mostrare una rottura selettiva dei legami, subire una reazione cromogenica o fluorogenica o rilasciare specie attive per consentire, in ultima analisi, l'autoguarigione. Recentemente, la ciclorversione indotta meccanicamente è stata di maggiore interesse in quanto offre un metodo promettente per il rilascio di specie reattive con elevata selettività. Il rilascio di queste specie in seguito a danni meccanici faciliterebbe lo sviluppo di materiali con proprietà di auto-guarigione e di auto-rappresentazione. Recentemente, è stato suggerito che gli stimoli meccanici possono innescare la ciclorversione di anelli di triazolo in azoturo e componenti di partenza di alcheni. I triazoli non solo faciliterebbero la sintesi dei materiali, ma fungerebbero anche da mattoni con proprietà meccanoresponsive. Utilizzando i calcoli della teoria funzionale della densità (DFT), è stato previsto che la ciclorversione indotta meccanicamente dei triazoli formatasi tramite reazioni di ciclocarico di azoturo-alchina stimolate dalla deformazione può essere possibile. In queste simulazioni, i triazoli formatisi nella reazione degli azidi con l'alchina tesa DBCO (Dibenzocicloottyne) sono emersi come i candidati più promettenti a sottoporsi alla ciclorversione in condizioni sperimentali; tuttavia, mancano ancora prove sperimentali. Lo scopo di questo lavoro è stato quello di indagare sperimentalmente la possibilità della ciclorversione del triazolo e di determinare la forza necessaria per questo processo, utilizzando il microscopio a forza atomica (AFM) basato sulla spettroscopia a forza singola molecola (SMFS). Verso questo obiettivo, ho funzionalizzato il cantilever AFM con polietilenglicole terminato azotato (PEG) e il cantilever è stato portato a contatto con una superficie contenente PEG terminato con DBCO per consentire la formazione 'in tempo reale' del triazolo. Nel primo esperimento, sono state osservate forze di rottura nell'intervallo di 540 ± 80 pN ad un tasso di carico di 7200-7300 pN/s. Al fine di verificare che questa forza di rottura corrisponde effettivamente alla ciclorversione del triazolo, sono stati effettuati vari esperimenti di controllo per testare la rottura di altri legami covalenti nella catena molecolare, nonché per interazioni non specifiche. I risultati mostrano una sovrapposizione tra le distribuzioni delle forze di rottura degli esperimenti di controllo e l'esperimento del triazolo, in modo che non è possibile una chiara assegnazione delle forze di rottura alla ciclorversione. Anche se i risultati attuali non hanno fornito prove sufficienti per la ciclorversione, SMFS è ancora una strategia sperimentale promettente e sono attualmente in fase di sviluppo configurazioni sperimentali ottimizzate per osservare eventualmente la ciclorversione indotta meccanicamente.