Effets de l’étanchéité des nœuds au niveau moléculaire

• Noeuds moléculaires
• chimie supramoléculaire
• topologie chimique

Des noeuds se trouvent dans certaines protéines (1), de l’ADN linéaire et circulaire (2) et des polymères de longueur et de flexibilité suffisantes (3). Les enchevêtrements de brins affectent la taille moléculaire (4), la stabilité (5) et diverses propriétés mécaniques (6⇓-8), bien qu’une grande partie de la compréhension quant au comment et au pourquoi reste floue. À ce jour, l’influence de divers traits structurels, tels que le nombre de croisements de nœuds (9), la torsion (10), le rapport de croisement de l’épine dorsale (BCR) (11) et le rayon de courbure global (12), sur les propriétés a principalement été étudiée par des simulations (13⇓⇓ -16) plutôt que par des expériences (17, 18). L’étanchéité des nœuds (19⇓ -21) est une caractéristique particulièrement facile à apprécier, familière de notre expérience quotidienne dans le monde macroscopique, qui peut également avoir des effets significatifs au niveau moléculaire (4, 22⇓⇓⇓⇓-27). On prévoit que les polymères longs présentent des régions nouées à la fois fréquentes et serrées (25). L’étanchéité du nouage est impliquée dans les variations de la thermostabilité des protéines enchevêtrées (26) et aurait des conséquences sur la résistance à la traction (27). Cependant, il est difficile d’évaluer les effets intrinsèques du nouage en comparant des structures avec des compositions chimiques assez différentes. Les nœuds moléculaires synthétiques monodispersés sont des modèles idéaux pour évaluer l’influence du serrage des nœuds sur les propriétés physiques et chimiques (17, 18). Nous rapportons ici des différences de propriétés déterminées expérimentalement dans un ensemble de trois molécules nouées qui ne diffèrent que par la longueur des régions flexibles (chaînes alkyles) qui séparent les sections plus rigides (composées de cycles aromatiques) du brin. En utilisant une stratégie de tressage précédemment utilisée pour assembler (28) un nœud de boucle 819 à 192 atomes extrêmement étroitement noué (1) (29), les chaînes terminées par des alcènes utilisées pour fermer la structure nouée ont été étendues sans altérer autrement le résultat de la synthèse du nœud (Fig. 1). Il en résulte un ensemble de trois nœuds moléculaires de 819 qui ne diffèrent que par la longueur des chaînes alkyles dans la boucle (1 est long de 192 atomes, 2 est long de 216 atomes et 3 est long de 240 atomes, une variation de 25% de la longueur des brins impliquant uniquement les régions flexibles). Nous avons sondé les propriétés des nœuds de différentes tailles par spectrométrie RMN 1H, spectrométrie de masse, spectroscopie UV et dichroïsme circulaire, et avons utilisé des études informatiques pour expliquer le rôle de l’étanchéité croissante du nouage dans la modification du comportement physique et chimique.

Pour évaluer l’effet de l’étanchéité des nœuds sur les forces de liaison covalente, des expériences de spectrométrie de masse en tandem (MS-MS) ont été menées sur le pic 2+ (Fig. 4 A, C et E) des nœuds 1-3 activés par dissociation induite par collision (CID). Cela a entraîné une multiplication des ions chargés avec une perte de masse compatible avec la rupture de la liaison covalente et le démêlage ultérieur du brin noué (Fig. 4 B, D et F). En augmentant l’énergie de collision normalisée par étapes de 1 eV jusqu’à ce que le clivage de la liaison se produise, les nœuds plus lâches (2 et 3) nécessitaient des énergies significativement plus élevées (35 et 55 eV, respectivement) pour se fragmenter que 1 (28 eV). Pour chaque nœud, la division se produit toujours au niveau de la liaison carbone–oxygène entre les unités bipyridine centrale et phényl–bipyridine, mais les nœuds ont montré deux types distincts de motif de fragmentation (type I, Fig. 4G et type II, Fig. 4H). Pour le nœud 1 le plus serré, la fragmentation (perte d’une molécule d’eau ; m/z = 1 681,75) est suivie de la perte d’une unité bipyridine centrale adjacente (m/z = 1 582,67; Fig. 4B, type I). En revanche, le nœud 3 le plus lâche nécessite un minimum de 55 eV pour se fragmenter et forme directement deux produits de décomposition contenant chacun la moitié du nœud (m/z = 2 008,36 et 1 810,45; Fig. 4F, type II). Les deux types de motif de fragmentation sont observés avec le noeud 2 à 35 eV (Fig. 4D, m/z = 1 849,75 et 1 750,83 pour le type I et m/z = 1 840,75 et 1 642,83 pour le type II). Il est clair que l’étanchéité des nœuds affecte de manière significative la force de liaison covalente; plus le nœud est serré, plus certaines liaisons peuvent être facilement brisées. Les résultats expérimentaux sont cohérents avec les simulations qui suggèrent que le nouage serré force l’adoption de conformations avec des longueurs et des angles de liaison tendus.

L’analyse des indices de liaison de Wiberg, telle qu’implémentée dans la suite de programmes Gaussian09 (35), a été réalisée avec la fonction de méta-corrélation hybride Minnesota 2006 (M06-2X) (36) et l’ensemble de base de Pople avec des fonctions de polarisation, 6-31G(d), sur les structures énergétiques minimales globales de 1 et 3 doublement chargées pour calculer l’ordre de liaison de la liaison carbone–oxygène entre les unités centrales bipyridine et phényl–bipyridine (Ce–O–Cd, Fig. 1). Les calculs sur le nœud le plus serré, 1, montrent qu’une de ces liaisons carbone–oxygène est significativement plus faible que les autres et est plus susceptible de se rompre dans les expériences CID-MS (annexe SI, Fig. S38). Après clivage, l’atome d’oxygène terminal résultant peut réorganiser sa structure électronique pour permettre la perte d’une molécule d’eau (Fig. 4G). Dans le nœud le plus lâche, 3, les liaisons carbone–oxygène ont toutes des ordres de liaison similaires qui sont plus élevés que la liaison C–O faible en 1. Cela peut entraîner un clivage quasi simultané de deux liaisons C-O à énergie plus élevée (Annexe SI, Fig. S38), pour produire les deux moitiés de 3 observées expérimentalement (Fig. 4H).

L’effet de l’étanchéité des nœuds sur les propriétés spectrales de 1-3 a également été étudié. Les spectres UV-vis des noeuds 1 et 2 sont similaires, avec une légère diminution de l’absorption à λmax = 306 nm pour 2. Cependant, l’absorption du nœud le plus lâche, 3, diminue de manière significative et est associée à un décalage vers le rouge de 10 nm (annexe SI, Fig. S25). Les spectres simulés, générés à partir de calculs théoriques fonctionnels de densité dépendants du temps (37) au niveau de la théorie M06-2X/6-31G(d), montrent que les spectres électroniques des nœuds sont très sensibles aux deux angles de torsion, θ1 et θ2, dans les fractions phényl–bipyridine (Fig. Annexe 3D et SI, Fig. S35-S37). Le décalage vers le rouge observé du noeud 3 est dû à la variation de θ1 et θ2 car la flexibilité accrue du noeud lâche permet aux chromophores de peupler des conformations plus conjuguées, plus plates.

Un nœud 819 est intrinsèquement chiral de par sa topologie. Les énantiomères de 1-3 ont été isolés par chromatographie liquide chirale à haute performance (CLHP) et analysés par spectroscopie CD (Fig. 5 et Appendice SI, Fig. S23 et S24). Chaque paire d’énantiomères de nœuds donne des spectres CD de forme et de signe égaux mais opposés (38, 39). Lorsque les nœuds deviennent plus lâches de 1 à 3, le changement de l’environnement autour des chromophores entraîne un décalage vers le rouge du signal CD dans les spectres des molécules respectives. Les simulations et les expériences de RMN du 1H suggèrent que la bipyridine et les éthers phénoliques sont enfermés dans une conformation chirale dans le nœud le plus serré, 1, qui présente de fortes interactions π–π. Cependant, les nœuds les plus lâches ont une variété de conformations qui donnent en moyenne une réponse CD plus faible. Le décalage vers le rouge est une conséquence des conformations plus conjuguées et plates des chromophores dans les nœuds les plus lâches. La dynamique et la conformation des structures nouées sont clairement affectées de manière significative par l’étanchéité, l’expression de la chiralité étant accordable en resserrant ou en desserrant l’enchevêtrement.

L’analyse des simulations de dynamique moléculaire suggère que les tendances de propriété observées pour 819 nœuds 1-3 ne sont pas une conséquence spécifique des dorsales particulières à base de cycles aromatiques de leurs structures. Les fluctuations atomiques mesurent la flexibilité des (grands) systèmes moléculaires. Ils sont reliés au facteur B de température (40) qui peut être mesuré expérimentalement et qui est généralement rapporté avec une structure protéique dans la Banque de données protéiques. Dans les simulations de dynamique moléculaire, la taille des fluctuations atomiques des cycles aromatiques, des chaînes aliphatiques et de l’ensemble du nœud s’est avérée fonction de l’étanchéité (tableau 1): plus le nœud est serré, plus les fluctuations sont petites. Les tendances sont globalement similaires pour chacun des trois éléments structuraux suivis (aromatiques, aliphatiques et la molécule entière).

Les structures des instantanés de la dynamique moléculaire qui ont simulé avec succès les données expérimentales ont été utilisées pour étudier les interactions entre les fragments aromatiques et les énergies de déformation des chaînes alkyles dans les trois nœuds (tableau 1). Les calculs ont été effectués au niveau théorique M06-2X/6-31G(d). Pour les interactions entre les cycles aromatiques, la correction de l’erreur de superposition de base a été déterminée à l’aide de la méthode du contrepoids (41). Dans l’ordre d’étanchéité décroissante des nœuds (1 à 2 à 3), l’énergie d’interaction moyenne entre les fragments aromatiques diminue de -48,3 à -40,1 à -23,6 kcal/mol (Tableau 1). La variation reflète la plus grande dynamique des brins à mesure que les nœuds deviennent plus lâches. Dans la même série, les énergies de déformation moyennes des chaînes alkyles augmentent de 53,8, 160,0 et 260.1 kcal / mol, car plus de groupes méthylène sont ajoutés à chaque chaîne, forcés par la topologie du nœud à adopter des angles dièdres tendus et des affrontements stériques CH-CH. Les interactions d’empilement aromatique ne génèrent pas de conformations privilégiées dans les nœuds les plus flexibles, mais se forment plutôt pour atténuer la contrainte lorsque l’étanchéité du nouage force la molécule à devenir plus compacte. L’empilement des cycles aromatiques est une conséquence de l’étanchéité des nœuds plutôt que de la force motrice derrière sa conformation / structure. Les cycles aromatiques des brins de ligand Tris (2,2′-bipyridine) sont nécessaires à la synthèse des nœuds et, dans certains cas (RMN 1H, spectres CD), fournissent des sondes utiles pour la détection expérimentale du comportement. Si l’empilement π était l’interaction dominante qui déterminait leur conformation, les nœuds ne seraient pas les systèmes hautement dynamiques que les expériences et les simulations montrent être. Il semble donc probable que les tendances observées pour 1-3 ne soient pas directement liées à leur composition moléculaire particulière mais refléteront plus généralement des aspects du comportement concernant l’étanchéité des nœuds à l’échelle nanométrique.