Effekter af knude tæthed på molekylært niveau

• molekylære knuder
• supramolekylær Kemi
• kemisk topologi

knuder findes i nogle proteiner (1), lineært og cirkulært DNA (2) og polymerer med tilstrækkelig længde og fleksibilitet (3). Strengindfiltringerne påvirker molekylær størrelse (4), stabilitet (5) og forskellige mekaniske egenskaber (6 liter -8), skønt meget af forståelsen for, hvordan og hvorfor forbliver uklar. Til dato er indflydelsen af forskellige strukturelle træk, såsom antallet af knudeovergange (9), vrid (10), rygradskrydsningsforhold (BCR) (11) og den globale krumningsradius (12), på egenskaber hovedsageligt blevet undersøgt ved simuleringer (13 liter -16) snarere end eksperiment (17, 18). Knot stramhed (19 liter -21) er en særlig let at sætte pris på karakteristisk, kendt fra vores daglige oplevelse i den makroskopiske verden, der også kan have betydelige effekter på molekylært niveau (4, 22⇓⇓⇓⇓-27). Lange polymerer forventes at have knyttede områder, der er både hyppige og stramme (25). Tætheden ved knude er impliceret i variationer i termostabiliteten af sammenfiltrede proteiner (26) og menes at have konsekvenser for trækstyrke (27). Det er imidlertid vanskeligt at vurdere de indre virkninger af knude ved at sammenligne strukturer med temmelig forskellige kemiske sammensætninger. Monodisperserede syntetiske molekylære knuder er ideelle modeller, hvorigennem man kan evaluere indflydelsen af knudestramning på fysiske og kemiske egenskaber (17, 18). Her rapporterer vi eksperimentelt bestemte ejendomsforskelle i et sæt af tre knyttede molekyler, der kun adskiller sig i længden af fleksible regioner (alkylkæder), der adskiller mere stive sektioner (sammensat af aromatiske ringe) af strengen. Ved hjælp af en fletningsstrategi, der tidligere blev brugt til at samle (28) en ekstremt tæt knyttet 192-atomsløjfe 819 knude (1) (29), blev de Alken-terminerede kæder, der blev brugt til at lukke den knyttede struktur, forlænget uden på anden måde at ændre resultatet af knudesyntesen (Fig. 1). Dette resulterede i et sæt på tre 819 molekylære knuder, der kun adskiller sig i længden af alkylkæderne i løkken (1 er 192 atomer lange, 2 er 216 atomer lange og 3 er 240 atomer lange, en 25% variation i strenglængde, der kun involverer de fleksible regioner). Vi undersøgte egenskaberne for de forskellige knuder med 1H NMR-spektrometri, massespektrometri, UV-spektroskopi, og cirkulær dikroisme, og brugte beregningsundersøgelser til at hjælpe med at forklare den rolle, den stigende tæthed ved knude spiller i at ændre fysisk og kemisk adfærd.

for at evaluere effekten af knudetæthed på kovalente bindingsstyrker blev tandemmassespektrometri (MS-MS) eksperimenter udført på 2+ – toppen (Fig. 4 A, C og E) af knob 1-3 aktiveret ved kollisionsinduceret dissociation (CID). Dette resulterede i multipliceret ladede ioner med et tab af masse i overensstemmelse med kovalent bindingssnit og efterfølgende unraveling af den knyttede streng (Fig. 4 B, D og F). Efter forøgelse af den normaliserede kollisionsenergi i 1-eV-trin, indtil bindingsspaltning fandt sted, krævede de løsere knuder (2 og 3) signifikant højere energier (henholdsvis 35 og 55 eV) for at fragmentere end 1 (28 eV). For hver knude forekommer der altid spaltning ved kulstof–iltbindingen mellem de centrale bipyridin–og phenyl-bipyridin-enheder, men knuderne viste to forskellige typer fragmenteringsmønster (type i, Fig. 4G og type II, Fig. 4H). For den strammeste knude 1 efterfølges fragmentering (tab af et vandmolekyle; m/å = 1.681, 75) af tab af en tilstødende central bipyridinenhed (m/å = 1.582, 67; Fig. 4B, type I). I modsætning hertil kræver den løseste knude 3 mindst 55 eV for at fragmentere og danner direkte to nedbrydningsprodukter, der hver indeholder halvdelen af knuden (m/å = 2.008, 36 og 1.810, 45; Fig. 4F, type II). Begge typer fragmenteringsmønster observeres med knude 2 ved 35 eV (Fig. 4D, m/å = 1.849, 75 og 1.750, 83 for type I og m / å = 1.840, 75 og 1.642, 83 for type II). Det er klart, at knudetæthed påvirker kovalent bindingsstyrke betydeligt; jo strammere knuden er, jo lettere kan nogle bindinger brydes. De eksperimentelle resultater er i overensstemmelse med simuleringerne, der antyder, at stram knude tvinger vedtagelsen af konformationer med anstrengte bindingslængder og vinkler.

gaussian09 suite af programmer (35) blev udført med Minnesota 2006 hybrid meta udveksling-korrelation funktionel (M06-2h) (36) og poples basis indstillet med polarisationsfunktioner, 6-31g(d), på de globale minimumsenergistrukturer af dobbelt ladet 1 og 3 for at beregne bindingsrækkefølgen for kulstof–iltbindingen mellem de centrale bipyridin–og phenyl–bipyridin–enheder (Ce-o-Cd, Fig. 1). Beregningerne på den strammeste knude, 1, viser, at en af disse kulstof–iltbindinger er signifikant svagere end andre og er mere tilbøjelige til at bryde i CID-MS-eksperimenterne (si-tillæg, Fig. S38). Efter spaltning kan det resulterende terminale iltatom omorganisere sin elektroniske struktur for at tillade tab af et vandmolekyle (Fig. 4G). I den løseste knude, 3, kulstof–iltbindingerne har alle lignende obligationsordrer, der er højere end den svage C–O-binding i 1. Dette kan resultere i næsten samtidig spaltning af to C–O-bindinger ved højere energi (si-tillæg, Fig. S38), til fremstilling af de to halvdele af 3 observeret eksperimentelt (Fig. 4H).

effekten af knudetæthed på spektralegenskaberne 1-3 blev også undersøgt. UV-vis-spektre af knob 1 og 2 er ens, med et lille fald i absorption ved larsmaks = 306 nm for 2. Imidlertid falder absorptionen af den løseste knude, 3, signifikant og er forbundet med et 10-nm rødt skift (SI-tillæg, Fig. S25). Simulerede spektre, genereret fra tidsafhængig densitet funktionel teoretisk(37) beregninger på M06-2h/6–31g (d) niveau af teori, viser, at de elektroniske spektre af knuderne er meget følsomme over for de to vridningsvinkler, lus1 og lus2, inden for phenyl–bipyridindelen (Fig. 3D og Si bilag, Fig. S35-S37). Det observerede røde skift af knude 3 skyldes variationen af prist1 og prist2, da den øgede fleksibilitet i den løse knude gør det muligt for kromoforerne at befolke mere konjugerede, fladere, konformationer.

en 819 knude er iboende chiral i kraft af dens topologi. Enantiomererne på 1-3 blev isoleret ved chiral højtydende væskekromatografi (HPLC) og analyseret ved CD-spektroskopi (Fig. 5 og Si tillæg, Fig. S23 og S24). Hvert par knude enantiomerer giver CD-spektre af lige men modsat form og tegn (38, 39). Når knuderne bliver løsere fra 1 til 3, resulterer ændringen i miljøet omkring chromophorerne i et rødt skift af CD-signalet i spektre af de respektive molekyler. Simuleringerne og 1H NMR–eksperimenterne antyder, at bipyridin-og phenolethere er låst i en chiral konformation i den strammeste knude, 1, som har stærke LYR-LYR-interaktioner. Imidlertid har de løsere knuder en række konformationer, der gennemsnitligt giver et svagere CD-respons. Det røde skift er en konsekvens af de mere konjugerede, flade, konformationer af kromoforerne i de løsere knuder. Dynamikken og konformationen af de knyttede strukturer påvirkes tydeligt markant af tæthed, hvor udtrykket af chiralitet kan indstilles ved at stramme eller løsne sammenfiltringen.

analyse af molekylære dynamiksimuleringer antyder, at egenskabstendenser observeret for 819 knob 1-3 ikke er en specifik konsekvens af de særlige aromatiske ringbaserede rygrad i deres strukturer. Atomfluktuationer måler fleksibiliteten af (store) molekylære systemer. De er forbundet med temperaturen B-faktor (40), der kan måles eksperimentelt og rapporteres normalt sammen med en proteinstruktur i Proteindatabanken. I molekylær-dynamik simuleringer, størrelsen af de atomare udsving i de aromatiske ringe, de alifatiske kæder, og hele knude viste sig at være en funktion af tæthed (tabel 1): jo strammere knude, jo mindre udsving. Tendenserne er stort set ens for hvert af de tre overvågede strukturelle elementer (aromater, alifatikog hele molekylet).

strukturerne af snapshots af den molekylære dynamik, der med succes simulerede de eksperimentelle data, blev brugt til at undersøge interaktionerne mellem de aromatiske fragmenter og belastningsenergierne i alkylkæderne i de tre knuder (tabel 1). Beregningerne blev udført på M06-2H/6-31g(d) niveau af teori. For interaktionerne mellem aromatiske ringe blev korrektionen for basis-sæt superpositionsfejl bestemt ved hjælp af counterpoise-metoden (41). I rækkefølge efter faldende knudetæthed (1 til 2 til 3) reduceres den gennemsnitlige interaktionsenergi mellem aromatiske fragmenter fra -48,3 til -40,1 til -23,6 kcal/mol (tabel 1). Variationen afspejler den større strengdynamik, når knuderne bliver løsere. I samme serie stiger de gennemsnitlige belastningsenergier i alkylkæderne fra 53,8, 160,0 og 260.1 kcal / mol, da flere methylengrupper tilsættes til hver kæde, tvunget af knudetopologien til at vedtage anstrengte dihedrale vinkler og CH–CH steriske sammenstød. Aromatiske stablingsinteraktioner genererer ikke foretrukne konformationer i de mere fleksible knuder, men dannes snarere for at lindre belastning, når tætheden ved knude tvinger molekylet til at blive mere kompakt. Stabling af aromatiske ringe er en konsekvens af knudetæthed snarere end drivkraften bag dens konformation/struktur. De aromatiske ringe i Tris(2,2′-bipyridin) ligandstrenge er nødvendige for knudesyntesen og giver i nogle tilfælde (1H NMR, CD-spektre) nyttige sonder til eksperimentel påvisning af adfærd. Hvis det var den dominerende interaktion, der bestemte deres konformation, ville knuderne ikke være de meget dynamiske systemer, som eksperimenter og simuleringer viser, at de var. Det forekommer derfor sandsynligt, at de observerede tendenser for 1-3 ikke er direkte relateret til deres særlige molekylære sammensætning, men vil mere generelt afspejle aspekter af adfærd med hensyn til knudetæthed i nanoskalaen.