Efectos de la estanqueidad de los nudos a nivel molecular

• nudos moleculares
• química supramolecular
• topología química

Los nudos se encuentran en algunas proteínas(1), ADN lineal y circular (2) y polímeros de longitud y flexibilidad suficientes (3). Los enredos de las hebras afectan el tamaño molecular (4), la estabilidad (5) y varias propiedades mecánicas (6⇓-8), aunque gran parte de la comprensión de cómo y por qué no está clara. Hasta la fecha, la influencia de varios rasgos estructurales, como el número de cruces de nudos (9), retorcimiento (10), razón de cruce de columna vertebral (BCR) (11) y el radio de curvatura global (12), en las propiedades se ha estudiado principalmente mediante simulaciones (13 ⇓ ⇓ -16) en lugar de experimentos (17, 18). La estanqueidad de nudos (19⇓-21) es una característica particularmente fácil de apreciar, familiar de nuestra experiencia cotidiana en el mundo macroscópico, que también puede tener efectos significativos a nivel molecular (4, 22⇓⇓⇓⇓-27). Se predice que los polímeros largos tienen regiones anudadas que son frecuentes y apretadas (25). La estanqueidad del anudado está implicada en las variaciones en la termoestabilidad de las proteínas enredadas (26) y se cree que tiene consecuencias para la resistencia a la tracción (27). Sin embargo, es difícil evaluar los efectos intrínsecos del anudado comparando estructuras con composiciones químicas bastante diferentes. Los nudos moleculares sintéticos monodispersados son modelos ideales a través de los cuales evaluar la influencia del apriete de nudos en las propiedades físicas y químicas (17, 18). Aquí reportamos diferencias de propiedades determinadas experimentalmente en un conjunto de tres moléculas anudadas que difieren solo en la longitud de regiones flexibles (cadenas alquilo) que separan secciones más rígidas (compuestas de anillos aromáticos) de la hebra. Usando una estrategia de trenzado utilizada anteriormente para ensamblar (28) un nudo de lazo de 192 átomos extremadamente apretado 819 (1) (29), las cadenas terminadas en alqueno utilizadas para cerrar la estructura anudada se extendieron sin alterar de otro modo el resultado de la síntesis de nudos (Fig. 1). Esto resultó en un conjunto de tres nudos moleculares de 819 que difieren solo en la longitud de las cadenas alquilas en el bucle (1 es 192 átomos de largo, 2 es 216 átomos de largo y 3 es 240 átomos de largo, una variación del 25% en la longitud de la cadena que involucra solo las regiones flexibles). Probamos las propiedades de los nudos de diferentes tamaños mediante espectrometría de RMN de 1 H, espectrometría de masas, espectroscopia UV y dicroísmo circular, y utilizamos estudios computacionales para ayudar a explicar el papel que juega la creciente estanqueidad de los nudos en la alteración del comportamiento físico y químico.

Para evaluar el efecto de la estanqueidad de los nudos en las fuerzas de unión covalentes, se realizaron experimentos de espectrometría de masas en tándem (MS-MS) en el pico 2+ (Fig. 4 A, C y E) de nudos 1-3 activados por disociación inducida por colisión (CID). Esto resultó en iones cargados multiplicados con una pérdida de masa consistente con la escisión del enlace covalente y el posterior desenredamiento de la hebra anudada (Fig. 4 B, D y F). Al aumentar la energía de colisión normalizada en pasos de 1 eV hasta que se produjo la ruptura del enlace, los nudos más sueltos (2 y 3) requirieron energías significativamente más altas (35 y 55 eV, respectivamente) para fragmentarse que 1 (28 eV). Para cada nudo, la escisión siempre ocurre en el enlace carbono-oxígeno entre las unidades centrales de bipiridina y fenil–bipiridina, pero los nudos mostraron dos tipos distintos de patrón de fragmentación (tipo I, Fig. 4G y tipo II, Fig. 4 H). Para el nudo 1 más apretado, la fragmentación (pérdida de una molécula de agua; m/z = 1,681.75) es seguida por la pérdida de una unidad bipiridínica central adyacente (m/z = 1,582.67; Fig. 4B, tipo I). En contraste, el nudo más suelto 3 requiere un mínimo de 55 eV para fragmentarse y forma directamente dos productos de descomposición que contienen cada uno la mitad del nudo (m/z = 2,008.36 y 1,810.45; Fig. 4F, tipo II). Ambos tipos de patrón de fragmentación se observan con el nudo 2 a 35 eV (Fig. 4D, m/z = 1,849.75 y 1.750.83 para el tipo I y m/z = 1,840.75 y 1,642.83 para el tipo II). Claramente, la estanqueidad de los nudos afecta significativamente la resistencia de los enlaces covalentes; cuanto más apretado sea el nudo, más fácilmente se pueden romper algunos enlaces. Los resultados experimentales son consistentes con las simulaciones que sugieren que el anudado apretado fuerza la adopción de conformaciones con longitudes y ángulos de unión tensos.

El análisis de los índices de enlace de Wiberg, tal como se implementó en el conjunto de programas Gaussian09 (35), se llevó a cabo con el funcional de metacorrelación de intercambio híbrido Minnesota 2006 (M06-2X) (36) y el conjunto base de Pople con funciones de polarización, 6-31G(d), en las estructuras globales de energía mínima de 1 y 3 doblemente cargadas para calcular el orden de enlace del enlace carbono-oxígeno entre las unidades centrales de bipiridina y fenil–bipiridina (Ce–O–Cd, Fig. 1). Los cálculos en el nudo más apretado, 1, muestran que uno de estos enlaces carbono–oxígeno es significativamente más débil que otros y es más probable que se rompa en los experimentos CID-MS (Apéndice SI, Fig. S38). Después de la escisión, el átomo de oxígeno terminal resultante puede reorganizar su estructura electrónica para permitir la pérdida de una molécula de agua (Fig. 4G). En el nudo más suelto, 3, los enlaces carbono–oxígeno tienen órdenes de enlace similares que son más altos que el enlace C–O débil en 1. Esto puede resultar en una escisión casi simultánea de dos enlaces C-O a una energía más alta (Apéndice SI, Fig. S38), para producir las dos mitades de 3 observadas experimentalmente (Fig. 4 H).

También se investigó el efecto de la estanqueidad de los nudos en las propiedades espectrales de 1-3. Los espectros UV-vis de los nudos 1 y 2 son similares, con una ligera disminución en la absorción a λmax = 306 nm para 2. Sin embargo, la absorción del nudo más suelto, 3, disminuye significativamente y se asocia con un desplazamiento al rojo de 10 nm (Apéndice SI, Fig. S25). Espectros simulados, generados a partir de cálculos teóricos funcionales de densidad dependiente del tiempo (37) en el nivel de teoría M06-2X/6–31G(d), muestran que los espectros electrónicos de los nudos son altamente sensibles a los dos ángulos de torsión, θ1 y θ2, dentro de las mitades de fenil–bipiridina (Fig. Apéndice 3D y SI, Figs. S35 a S37). El desplazamiento al rojo observado del nudo 3 se debe a la variación de θ1 y θ2, ya que la mayor flexibilidad del nudo suelto permite que los cromóforos poblen conformaciones más conjugadas y planas.

Un nudo 819 es intrínsecamente quiral en virtud de su topología. Los enantiómeros de 1-3 se aislaron mediante cromatografía de líquidos quirales de alto rendimiento (HPLC) y se analizaron mediante espectroscopia de CD (Fig. Apéndice 5 y SI, Figs. S23 y S24). Cada par de enantiómeros de nudo da espectros CD de forma y signo iguales pero opuestos (38, 39). A medida que los nudos se aflojan de 1 a 3, el cambio en el entorno alrededor de los cromóforos resulta en un desplazamiento al rojo de la señal CD en los espectros de las moléculas respectivas. Las simulaciones y los experimentos de RMN de 1H sugieren que los éteres bipiridínicos y fenólicos están encerrados en una conformación quiral en el nudo más apretado, 1, que presenta interacciones π–π fuertes. Sin embargo, los nudos más sueltos tienen una variedad de conformaciones que promedian para dar una respuesta de CD más débil. El desplazamiento al rojo es una consecuencia de las conformaciones más conjugadas y planas de los cromóforos en los nudos más sueltos. La dinámica y conformación de las estructuras anudadas se ven claramente afectadas significativamente por la estanqueidad, con la expresión de quiralidad sintonizable al apretar o aflojar el enredo.

El análisis de las simulaciones de dinámica molecular sugiere que las tendencias de propiedades observadas para 819 nudos 1-3 no son una consecuencia específica de las espinas dorsales particulares basadas en anillos aromáticos de sus estructuras. Las fluctuaciones atómicas miden la flexibilidad de los sistemas moleculares (grandes). Están conectados al factor de temperatura B (40) que se puede medir experimentalmente y generalmente se informa junto con una estructura de proteína en el Banco de Datos de Proteínas. En las simulaciones de dinámica molecular, se encontró que el tamaño de las fluctuaciones atómicas de los anillos aromáticos, las cadenas alifáticas y el nudo completo era una función de la estanqueidad (Tabla 1): cuanto más apretado es el nudo, más pequeñas son las fluctuaciones. Las tendencias son en general similares para cada uno de los tres elementos estructurales monitoreados (aromáticos, alifáticos y toda la molécula).

Las estructuras de instantáneas de la dinámica molecular que simularon con éxito los datos experimentales se utilizaron para investigar las interacciones entre los fragmentos aromáticos y las energías de deformación de las cadenas alquilas en los tres nudos (Tabla 1). Los cálculos se realizaron al nivel teórico M06-2X/6-31G(d). Para las interacciones entre anillos aromáticos, la corrección del error de superposición del conjunto de bases se determinó utilizando el método de contrapeso (41). En orden decreciente de la estanqueidad de los nudos (1 a 2 a 3), la energía media de interacción entre fragmentos aromáticos se reduce de -48,3 a -40,1 a -23,6 kcal/mol (Tabla 1). La variación refleja la dinámica de la cadena mayor a medida que los nudos se vuelven más sueltos. En la misma serie, las energías de deformación promedio de las cadenas alquilas aumentan de 53,8, 160,0 y 260.1 kcal / mol, a medida que se agregan más grupos de metileno a cada cadena, forzados por la topología de nudo a adoptar ángulos diédricos tensos y choques estéricos CH–CH. Las interacciones de apilamiento aromático no generan conformaciones preferidas en los nudos más flexibles, sino que se forman para aliviar la tensión cuando la tirantez del anudado obliga a la molécula a volverse más compacta. El apilamiento de anillos aromáticos es una consecuencia de la estanqueidad de los nudos en lugar de la fuerza impulsora detrás de su conformación/estructura. Los anillos aromáticos de los ligandos Tris(2,2′-bipiridina) son necesarios para la síntesis de nudos y, en algunos casos (RMN de 1H, espectros CD), proporcionan sondas útiles para la detección experimental del comportamiento. Si el apilamiento π fuera la interacción dominante que determinara su conformación, los nudos no serían los sistemas altamente dinámicos que los experimentos y simulaciones muestran que son. Por lo tanto, parece probable que las tendencias observadas para 1-3 no estén directamente relacionadas con su composición molecular particular, sino que reflejen de manera más general aspectos del comportamiento con respecto a la estanqueidad de los nudos a nanoescala.