Solmujen tiiviyden vaikutukset molekyylitasolla

• molekyylisolmuja
• supramolekulaarista kemiaa
• kemiallista topologiaa

solmuja esiintyy eräissä proteiineissa (1), lineaarisessa ja pyöreässä DNA: ssa (2) sekä riittävän pitkissä ja joustavissa polymeereissä (3). Rihman kiinnittyminen vaikuttaa molekyylikokoon (4), stabiiliuteen (5) ja erilaisiin mekaanisiin ominaisuuksiin (6⇓-8), vaikka suuri osa ymmärryksestä siitä, miten ja miksi, jää epäselväksi. Tähän mennessä erilaisten rakenteellisten ominaisuuksien, kuten solmujen risteysten määrän (9), kiemurtelun (10), selkärangan ylityssuhteen (BCR) (11) ja maailmanlaajuisen kaarevuussäteen (12) vaikutusta ominaisuuksiin on tutkittu lähinnä simulaatioilla (13 ⇓ ⇓ -16) eikä kokeella (17, 18). Solmutiiveys (19⇓-21) on erityisen helposti arvostettava ominaisuus, joka on tuttu arkikokemuksestamme makroskooppisessa maailmassa, jolla voi olla merkittäviä vaikutuksia myös molekyylitasolla (4, 22⇓⇓⇓⇓-27). Pitkillä polymeereillä ennustetaan olevan solmitut alueet, jotka ovat sekä tiheitä että tiiviitä (25). Solmun tiiviys liittyy sekoittuneiden proteiinien termostaattivaihteluihin (26), ja sillä arvellaan olevan vaikutuksia vetolujuuteen (27). Solmimisen luontaisia vaikutuksia on kuitenkin vaikea arvioida vertaamalla rakenteita melko erilaisilla kemiallisilla koostumuksilla. Monodispersoidut synteettiset molekyylisolmut ovat ihanteellisia malleja, joiden avulla voidaan arvioida solmujen kiristämisen vaikutusta fysikaalisiin ja kemiallisiin ominaisuuksiin (17, 18). Tässä raportoimme kokeellisesti määritetyt ominaisuuserot kolmen solmitun molekyylin joukossa, jotka eroavat toisistaan vain joustavien alueiden pituudessa (alkyyliketjut), jotka erottavat jäykemmät osat (jotka koostuvat aromaattisista renkaista) säikeestä. Käyttämällä palmikointistrategiaa, jota aiemmin käytettiin erittäin tiukasti solmitun 192-atomisen silmukan 819 solmun kokoamiseen (1) (29), solmitun rakenteen sulkemiseen käytettyjä alkeenipäätteisiä ketjuja jatkettiin muuttamatta muuten solmusynteesin tulosta (kuva. 1). Tämä johti kolmen 819 molekyylisolmun joukkoon, jotka eroavat toisistaan vain silmukan alkyyliketjujen pituudessa (1 on 192 atomia pitkä, 2 on 216 atomia pitkä ja 3 on 240 atomia pitkä, 25% vaihtelu juosteen pituudessa, jossa on mukana vain joustavat alueet). Tutkimme erikokoisten solmujen ominaisuuksia 1h NMR-spektrometrialla, massaspektrometrialla, UV-spektroskopialla ja pyöreällä dikroismilla ja käytimme laskennallisia tutkimuksia, jotka auttoivat selittämään, mikä rooli solmun kiristymisellä on fysikaalisen ja kemiallisen käyttäytymisen muuttamisessa.

jotta voitaisiin arvioida solmutiiviyden vaikutusta kovalenttisiin sidosvahvuuksiin, tehtiin tandem-massaspektrometria (MS-MS) – kokeita 2+ – piikillä (Fig. 4 A, C ja E) solmuja 1-3, jotka aktivoidaan törmäyksen aiheuttamalla dissosiaatiolla (CID). Tämä johti moninkertaistuneisiin varautuneisiin ioneihin, joiden massan menetys oli yhdenmukainen kovalenttisen sidoksen skission kanssa ja myöhemmin solmitun juosteen purkautuminen (Fig. 4 B, D ja F). Kun normalisoitua törmäysenergiaa lisättiin 1-eV: n portaissa, kunnes sidos katkesi, löysemmät solmut (2 ja 3) vaativat huomattavasti suurempia energioita (35 ja 55 eV, vastaavasti) katketakseen kuin 1 (28 eV). Jokaisen solmun kohdalla skissio tapahtuu aina Keski–bipyridiini–ja fenyyli-bipyridiiniyksiköiden välisessä hiili-happi-sidoksessa, mutta solmuissa näkyi kaksi eri fragmentaatiokaavaa (tyyppi I, Fig. 4G ja tyyppi II, Kuva. 4H). Tiukimmassa solmussa 1 fragmentaatiota (vesimolekyylin menetys; m/z = 1,681.75) seuraa viereisen keskusbipyridiiniyksikön menetys (m/z = 1,582.67; Kuva. 4B, tyyppi I). Sen sijaan löyhin solmu 3 vaatii vähintään 55 eV: n pirstoutumisen ja muodostaa suoraan kaksi hajoamistuotetta, jotka kumpikin sisältävät puolet solmusta (m/z = 2,008.36 ja 1,810.45; Kuva. 4F, tyyppi II). Molemmat fragmentaatiokuviot havaitaan solmulla 2 35 eV (Kuva. 4D, m/z = 1,849.75 ja 1,750.83 tyypin I osalta ja m/z = 1,840.75 ja 1,642.83 tyypin II osalta). Selvästi solmujen kireys vaikuttaa merkittävästi kovalenttisen sidoksen lujuuteen; mitä tiukempi solmu, sitä helpommin jotkut sidokset voivat murtua. Kokeelliset tulokset ovat yhdenmukaisia simulaatioiden kanssa, jotka viittaavat siihen, että tiukka solmiminen pakottaa hyväksymään konformaatioita, joilla on kireät sidoksen pituudet ja kulmat.

Wiberg bond indices analysis, sellaisena kuin se on toteutettu gaussian09-ohjelmasarjassa (35), suoritettiin Minnesota 2006 hybrid meta exchange-correlation functional (M06-2x) (36) ja Pople ’ s basis set with polarisaatiofunktiot, 6–31G(d), kaksinkertaisesti varattujen 1: n ja 3: n maailmanlaajuisilla vähimmäisenergiarakenteilla Keski–bipyridiinin ja fenyyli–Bipyridiinin yksiköiden välisen hiili–happi-sidoksen sidosjärjestyksen laskemiseksi (Ce-O-Cd, Fig. 1). Tiukimman solmun, 1, laskelmat osoittavat, että yksi näistä hiili–happi-sidoksista on huomattavasti heikompi kuin muut ja murtuu todennäköisemmin CID-MS-kokeissa (SI-liite, Kuva. S38). Pilkkoutumisen jälkeen syntyvä terminaalinen happiatomi voi järjestää elektronisen rakenteensa uudelleen niin, että vesimolekyyli häviää (Fig. 4G). Löyhimmässä solmussa, 3, hiili–happi-sidoksilla on kaikilla samanlaiset sidosjärjestykset, jotka ovat korkeammat kuin heikolla C-O-sidoksella 1. Tämä voi johtaa kahden C–O-sidoksen lähes samanaikaiseen pilkkoutumiseen suuremmalla energialla (SI-lisäys, Kuva. S38), tuottaa kaksi puolikasta 3 havaittu kokeellisesti (Kuva. 4H).

tutkittiin myös solmutiiviyden vaikutusta 1-3: n spektriominaisuuksiin. Solmujen 1 ja 2 UV-vis spektrit ovat samanlaisia, ja absorptio vähenee hieman aallonpituudella λmax = 306 nm 2: lle. Löysimmän solmun, 3, imeytyminen kuitenkin vähenee merkittävästi ja siihen liittyy 10 nm: n punasiirtymä (SI-lisäys, Kuva. S25). Simuloidut spektrit, jotka on tuotettu ajasta riippuvaisesta tiheysfunktionaalisesta teoreettisesta (37) laskelmasta teorian tasolla M06-2x/6–31G(d), osoittavat, että solmujen elektroniset spektrit ovat erittäin herkkiä kahdelle vääntökulmalle, θ1 ja θ2, fenyyli–bipyridiiniosuuksien sisällä (kuva. 3D-ja SI-liite, viikunat. S35-S37). Solmun 3 havaittu punasiirtymä johtuu θ1: n ja θ2: n vaihtelusta, koska löysän solmun lisääntynyt joustavuus mahdollistaa kromoforien kansoittamisen konjugoituneemmilla, tasaisemmilla konformaatioilla.

819-solmu on topologiansa vuoksi luontaisesti kiraalinen. 1-3: n enantiomeerit eristettiin kiraalisella korkean suorituskyvyn nestekromatografialla (HPLC) ja analysoitiin CD-spektroskopialla (Fig. 5 ja SI liite, viikunat. S23 ja S24). Jokainen solmun enantiomeeripari antaa CD-spektrille yhtä suuren mutta vastakkaisen muodon ja merkin (38, 39). Kun solmut löystyvät 1: stä 3: een, kromoforien ympärillä tapahtuva ympäristön muutos johtaa CD-signaalin punasiirtymään vastaavien molekyylien spektreissä. Simulaatiot ja 1h NMR kokeet viittaavat siihen, että bipyridiini ja fenolieetterit ovat lukittuneet kiraaliseen konformaatioon tiukimmassa solmussa, 1, jossa on voimakkaita π–π-vuorovaikutuksia. Kuitenkin löysempi solmua on erilaisia konformaatioita, jotka keskimäärin ulos antaa heikompi CD vastaus. Punasiirtymä on seurausta kromoforien konjugoituneemmista, tasaisemmista konformaatioista löysemmissä solmuissa. Solmittujen rakenteiden dynamiikkaan ja konformaatioon vaikuttaa selvästi merkittävästi kireys, jossa kiraalisuuden ilmentyminen viritetään kiristämällä tai löysäämällä takertumista.

molekyylidynamiikan simulaatioiden analyysi viittaa siihen, että 819 solmun 1-3 ominaisuustrendit eivät ole erityinen seuraus niiden rakenteiden aromaattisista rengaspohjaisista selkärangoista. Atomin vaihtelut mittaavat (suurten) molekyylijärjestelmien joustavuutta. Ne liittyvät lämpötilan B-tekijään (40), joka voidaan mitata kokeellisesti ja joka ilmoitetaan yleensä yhdessä proteiinirakenteen kanssa Proteiinitietopankissa. Molekyylidynamiikan simulaatioissa havaittiin aromaattisten renkaiden, alifaattisten ketjujen ja koko solmun atomivaihteluiden koko tiiviyden funktiona (Taulukko 1): mitä tiukempi solmu, sitä pienempiä vaihtelut ovat. Kehityssuunnat ovat suurin piirtein samanlaiset kaikilla kolmella seuratulla rakenneosalla (aromaattiset aineet, alifatiikka ja koko molekyyli).

molekyylidynamiikkaa kuvaavien otosten rakenteita, jotka simuloivat kokeellista aineistoa onnistuneesti, käytettiin aromaattisten fragmenttien ja alkyyliketjujen venymisenergioiden välisten vuorovaikutusten tutkimiseen kolmessa solmussa (Taulukko 1). Laskelmat tehtiin teorian tasolla M06-2x / 6-31g(d). Aromaattisten renkaiden välisissä vuorovaikutuksissa perusjoukon superpositiovirheen korjaus määritettiin counterpoise-menetelmällä (41). Solmun tiiviyden vähentymisjärjestyksessä (1-2-3) aromaattisten fragmenttien keskimääräinen vuorovaikutusenergia pienenee -48,3: sta -40,1: stä -23,6 kcal/mol: iin (Taulukko 1). Vaihtelu heijastaa suurempaa säikeiden dynamiikkaa, kun solmut löystyvät. Samassa sarjassa alkyyliketjujen keskimääräiset venymäenergiat kasvavat 53,8: sta, 160,0: sta ja 260: stä.1 kcal / mol, koska kuhunkin ketjuun lisätään enemmän metyleeniryhmiä, jotka solmutopologia pakottaa omaksumaan kireät dihedraalikulmat ja CH–CH-steeriset yhteentörmäykset. Aromaattiset pinoamisvuorovaikutukset eivät synnytä suotuisia konformaatioita joustavammissa solmuissa, vaan ne muodostuvat helpottamaan rasitusta, kun solmun tiiviys pakottaa molekyylin kompaktimmaksi. Aromaattisten renkaiden pinoaminen johtuu pikemminkin solmujen tiiviydestä kuin niiden konformaation/rakenteen liikkeellepanevasta voimasta. Tris(2,2′-bipyridiini) – ligandisäikeiden aromaattiset renkaat ovat välttämättömiä solmusynteesissä ja joissakin tapauksissa (1H NMR, CD-spektri) tarjoavat hyödyllisiä koettimia käyttäytymisen kokeelliseen havaitsemiseen. Jos π-pinoaminen oli dominoiva vuorovaikutus, joka määritti niiden konformaation, solmut eivät olisi niitä erittäin dynaamisia järjestelmiä, jotka kokeet ja simulaatiot osoittavat niiden olevan. Siksi näyttää todennäköiseltä, että 1-3: lle havaitut suuntaukset eivät liity suoraan niiden erityiseen molekyylirakenteeseen, vaan ne heijastavat yleisemmin nanomittakaavan solmujen tiiviyttä koskevia käyttäytymisen näkökohtia.