Auswirkungen der Knotendichtheit auf molekularer Ebene

• molekulare Knoten
• supramolekulare Chemie
• chemische Topologie

Knoten finden sich in einigen Proteinen (1), linearer und zirkulärer DNA (2) und Polymeren mit ausreichender Länge und Flexibilität (3). Die Strangverwicklungen beeinflussen die Molekülgröße (4), die Stabilität (5) und verschiedene mechanische Eigenschaften (6⇓-8), obwohl ein Großteil des Verständnisses darüber, wie und warum unklar bleibt. Bis heute wurde der Einfluss verschiedener Strukturmerkmale, wie die Anzahl der Knotenkreuzungen (9), Writhe (10), Backbone Crossing Ratio (BCR) (11) und der globale Krümmungsradius (12), auf Eigenschaften hauptsächlich durch Simulationen (13⇓⇓-16) und nicht durch Experimente (17, 18) untersucht. Knotendichtheit (19⇓-21) ist eine besonders leicht zu erkennende Eigenschaft, die aus unserer täglichen Erfahrung in der makroskopischen Welt bekannt ist und auch auf molekularer Ebene signifikante Auswirkungen haben kann (4, 22⇓⇓⇓⇓-27). Es wird vorhergesagt, dass lange Polymere verknotete Regionen haben, die sowohl häufig als auch eng sind (25). Die Enge der Verknotung ist mit Variationen der Thermostabilität von verschränkten Proteinen verbunden (26) und hat vermutlich Auswirkungen auf die Zugfestigkeit (27). Es ist jedoch schwierig, die intrinsischen Auswirkungen der Verknotung durch den Vergleich von Strukturen mit ziemlich unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen zu beurteilen. Monodisperse synthetische Molekülknoten sind ideale Modelle, um den Einfluss der Knotenspannung auf physikalische und chemische Eigenschaften zu bewerten (17, 18). Hier berichten wir über experimentell ermittelte Eigenschaftsunterschiede in einem Satz von drei verknoteten Molekülen, die sich nur in der Länge flexibler Regionen (Alkylketten) unterscheiden, die steifere Abschnitte (bestehend aus aromatischen Ringen) des Strangs trennen. Unter Verwendung einer Flechtstrategie, die zuvor verwendet wurde, um (28) einen extrem eng verknoteten 192-Atom-Loop-819-Knoten (1) (29) zusammenzusetzen, wurden die alkenterminierten Ketten, die zum Schließen der verknoteten Struktur verwendet wurden, verlängert, ohne das Ergebnis der Knotensynthese anderweitig zu verändern (Fig. 1). Dies führte zu einem Satz von drei 819 molekularen Knoten, die sich nur in der Länge der Alkylketten in der Schleife unterscheiden (1 ist 192 Atome lang, 2 ist 216 Atome lang und 3 ist 240 Atome lang, eine 25% ige Variation in der Stranglänge, die nur die flexiblen Regionen betrifft). Wir untersuchten die Eigenschaften der unterschiedlich großen Knoten durch 1H-NMR-Spektrometrie, Massenspektrometrie, UV-Spektroskopie und Zirkulardichroismus und verwendeten Computerstudien, um die Rolle zu erklären, die die zunehmende Dichtheit der Verknotung bei der Veränderung des physikalischen und chemischen Verhaltens spielt.

Um den Effekt der Knotendichtigkeit auf die kovalenten Bindungsfestigkeiten zu bewerten, wurden Tandem-Massenspektrometrie (MS-MS) -Experimente am 2 + -Peak durchgeführt (Abb. 4A, C und E) der Knoten 1-3, die durch kollisionsinduzierte Dissoziation (CID) aktiviert werden. Dies führte zu mehrfach geladenen Ionen mit einem Masseverlust, der mit der Spaltung kovalenter Bindungen und dem anschließenden Entwirren des verknoteten Strangs übereinstimmt (Abb. 4B, D und F). Beim Erhöhen der normalisierten Kollisionsenergie in 1-eV-Schritten bis zur Bindungsspaltung benötigten die lockereren Knoten (2 und 3) signifikant höhere Energien (35 bzw. 55 eV), um als 1 (28 eV) zu fragmentieren. Für jeden Knoten tritt die Spaltung immer an der Kohlenstoff–Sauerstoff–Bindung zwischen den zentralen Bipyridin- und Phenyl-Bipyridin-Einheiten auf, aber die Knoten zeigten zwei verschiedene Arten von Fragmentierungsmustern (Typ I, Abb. 4G und Typ II, Fig. 4H). Für den engsten Knoten 1 folgt auf die Fragmentierung (Verlust eines Wassermoleküls; m/z = 1681,75) der Verlust einer benachbarten zentralen Bipyridineinheit (m/z = 1582,67; Fig. 4B, Typ I). Der lockerste Knoten 3 benötigt dagegen mindestens 55 eV zum Fragmentieren und bildet direkt zwei Abbauprodukte, die jeweils die Hälfte des Knotens enthalten (m/z = 2.008,36 und 1.810,45; Fig. 4F, Typ II). Beide Arten von Fragmentierungsmustern werden mit Knoten 2 bei 35 eV beobachtet (Abb. 4D, m/z = 1.849,75 und 1.750,83 für Typ I und m/z = 1.840,75 und 1.642,83 für Typ II). Die Knotendichtheit beeinflusst die kovalente Bindungsstärke erheblich; Je fester der Knoten, desto leichter können einige Bindungen gebrochen werden. Die experimentellen Ergebnisse stimmen mit den Simulationen überein, die darauf hindeuten, dass eine enge Verknotung die Annahme von Konformationen mit angespannten Bindungslängen und -winkeln erzwingt.

Die Analyse der Wiberg-Bindungsindizes, wie sie in der Gaussian09-Programmsuite (35) implementiert ist, wurde mit dem Minnesota 2006 Hybrid Meta Exchange-correlation Functional (M06-2X) (36) und Poples Basissatz mit Polarisationsfunktionen, 6–31G (d), an den globalen minimalen Energiestrukturen von doppelt geladenen 1 und 3 durchgeführt, um die Bindungsreihenfolge der Kohlenstoff–Sauerstoff–Bindung zwischen den zentralen Bipyridin– und Phenyl-Bipyridin-Einheiten (Ce-O-Cd, Abb. 1). Die Berechnungen am engsten Knoten 1 zeigen, dass eine dieser Kohlenstoff-Sauerstoff-Bindungen deutlich schwächer ist als andere und in den CID-MS-Experimenten eher bricht (SI-Anhang, Abb. S38). Nach der Spaltung kann das resultierende terminale Sauerstoffatom seine elektronische Struktur reorganisieren, um den Verlust eines Wassermoleküls zu ermöglichen (Abb. 4G). Im lockersten Knoten 3 haben die Kohlenstoff-Sauerstoff-Bindungen alle ähnliche Bindungsordnungen, die höher sind als die schwache C–O-Bindung in 1. Dies kann zu einer nahezu gleichzeitigen Spaltung von zwei C-O-Bindungen bei höherer Energie führen (SI-Anhang, Abb. S38), um die beiden experimentell beobachteten Hälften von 3 (Fig. 4H).

Der Effekt der Knotendichtigkeit auf die spektralen Eigenschaften von 1-3 wurde ebenfalls untersucht. Die UV-vis-Spektren der Knoten 1 und 2 sind ähnlich, mit einer leichten Abnahme der Absorption bei λ max = 306 nm für 2. Die Absorption des lockersten Knotens 3 nimmt jedoch signifikant ab und ist mit einer 10-nm-Rotverschiebung verbunden (SI-Anhang, Fig. S25). Simulierte Spektren, die aus zeitabhängigen dichtefunktionellen theoretischen (37) Berechnungen auf der theoretischen Ebene M06-2X / 6-31G (d) generiert wurden, zeigen, dass die elektronischen Spektren der Knoten für die beiden Torsionswinkel θ1 und θ2 innerhalb der Phenyl–Bipyridin–Einheiten hochempfindlich sind (Abb. 3D und SI Anhang, Fig. S35-S37). Die beobachtete Rotverschiebung von Knoten 3 ist auf die Variation von θ1 und θ2 zurückzuführen, da die erhöhte Flexibilität des losen Knotens es den Chromophoren ermöglicht, mehr konjugierte, flachere Konformationen zu bevölkern.

Ein 819-Knoten ist aufgrund seiner Topologie intrinsisch chiral. Die Enantiomeren von 1-3 wurden mittels chiraler Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) isoliert und mittels CD-Spektroskopie analysiert (Fig. 5 und SI Anlage, Fig. S23 und S24). Jedes Paar von Knoten-Enantiomeren ergibt CD-Spektren gleicher, aber entgegengesetzter Form und Vorzeichen (38, 39). Wenn sich die Knoten von 1 auf 3 lockern, führt die Änderung der Umgebung um die Chromophore zu einer Rotverschiebung des CD-Signals in den Spektren der jeweiligen Moleküle. Die Simulationen und 1H-NMR-Experimente legen nahe, dass die Bipyridin– und Phenolether im engsten Knoten in einer chiralen Konformation eingeschlossen sind, 1, die starke π-π-Wechselwirkungen aufweist. Die lockereren Knoten haben jedoch eine Vielzahl von Konformationen, die im Durchschnitt eine schwächere CD-Antwort ergeben. Die Rotverschiebung ist eine Folge der stärker konjugierten, flachen Konformationen der Chromophore in den lockereren Knoten. Die Dynamik und Konformation der verknoteten Strukturen wird eindeutig signifikant durch die Dichtheit beeinflusst, wobei der Ausdruck der Chiralität durch Anziehen oder Lösen der Verschränkung abstimmbar ist.

Die Analyse der molekulardynamischen Simulationen legt nahe, dass die für 819 Knoten 1-3 beobachteten Eigenschaftstrends keine spezifische Folge der besonderen aromatischen ringbasierten Rückgrate ihrer Strukturen sind. Atomare Fluktuationen messen die Flexibilität (großer) molekularer Systeme. Sie sind mit dem experimentell messbaren Temperatur-B-Faktor (40) verbunden, der üblicherweise zusammen mit einer Proteinstruktur in der Proteindatenbank gemeldet wird. In den molekulardynamischen Simulationen erwies sich die Größe der atomaren Fluktuationen der aromatischen Ringe, der aliphatischen Ketten und des gesamten Knotens als Funktion der Dichtigkeit (Tabelle 1): Je enger der Knoten, desto kleiner die Fluktuationen. Die Trends sind für jedes der drei überwachten Strukturelemente (Aromaten, Aliphaten und das gesamte Molekül) weitgehend ähnlich.

Die Strukturen von Momentaufnahmen der Molekulardynamik, die die experimentellen Daten erfolgreich simulierten, wurden verwendet, um die Wechselwirkungen zwischen den aromatischen Fragmenten und den Dehnungsenergien der Alkylketten in den drei Knoten zu untersuchen (Tabelle 1). Die Berechnungen wurden auf der theoretischen Ebene M06-2X / 6-31G (d) durchgeführt. Für die Wechselwirkungen zwischen aromatischen Ringen wurde die Korrektur für den Basissatz-Überlagerungsfehler mit der Gegengewichtsmethode (41) bestimmt. In der Reihenfolge abnehmender Knotendichtigkeit (1 bis 2 bis 3) verringert sich die durchschnittliche Wechselwirkungsenergie zwischen aromatischen Fragmenten von -48,3 auf -40,1 auf -23,6 kcal / mol (Tabelle 1). Die Variation spiegelt die größere Strangdynamik wider, wenn die Knoten lockerer werden. In der gleichen Reihe erhöhen sich die mittleren Dehnungsenergien der Alkylketten von 53,8, 160,0 und 260.1 kcal / mol, da jeder Kette mehr Methylengruppen zugesetzt werden, die durch die Knotentopologie gezwungen werden, gespannte Diederwinkel und CH–CH-sterische Zusammenstöße anzunehmen. Aromatische Stapelwechselwirkungen erzeugen keine bevorzugten Konformationen in den flexibleren Knoten, sondern bilden sich, um die Belastung zu verringern, wenn die Enge der Verknotung das Molekül zwingt, kompakter zu werden. Das Stapeln aromatischer Ringe ist eher eine Folge der Knotendichtigkeit als die treibende Kraft hinter ihrer Konformation / Struktur. Die aromatischen Ringe in den Tris (2,2′-Bipyridin) -Ligandensträngen sind für die Knotensynthese notwendig und liefern in einigen Fällen (1H-NMR, CD-Spektren) nützliche Sonden für den experimentellen Nachweis von Verhalten. Wenn π-Stacking die dominierende Wechselwirkung wäre, die ihre Konformation bestimmt, wären die Knoten nicht die hochdynamischen Systeme, die Experimente und Simulationen zeigen. Es scheint daher wahrscheinlich, dass die für 1-3 beobachteten Trends nicht direkt mit ihrer besonderen molekularen Zusammensetzung zusammenhängen, sondern allgemein Aspekte des Verhaltens in Bezug auf die Knotendichtheit im Nanobereich widerspiegeln.