A csomó szorosságának hatása molekuláris szinten

• molekuláris csomók
• szupramolekuláris kémia
• kémiai topológia

csomók találhatók egyes fehérjékben (1), lineáris és körkörös DNS-ben (2), valamint megfelelő hosszúságú és rugalmasságú polimerekben (3). A szálak összefonódása befolyásolja a molekulaméretet (4), a stabilitást (5) és a különböző mechanikai tulajdonságokat (6 6 -8), bár a megértés nagy része, hogy hogyan és miért, továbbra sem világos. A különböző szerkezeti tulajdonságok, mint például a csomókeresztezések száma (9), a vonaglás (10), a gerincátlépési Arány (BCR) (11) és a globális görbületi sugár (12), a tulajdonságokra gyakorolt hatását a mai napig elsősorban szimulációkkal (13-16) tanulmányozták, nem pedig kísérletekkel (17, 18). A csomószorosság (19 db -21) különösen könnyen értékelhető jellemző, amely a makroszkopikus világban szerzett mindennapi tapasztalatainkból ismert, és molekuláris szinten is jelentős hatással lehet(4, 22⇓⇓⇓⇓-27). Az előrejelzések szerint a hosszú polimereknek csomózott régiói vannak, amelyek mind gyakoriak, mind szorosak (25). A csomózás szorossága összefügg az összefonódott fehérjék (26) termosztabilitásának változásaival, és úgy gondolják, hogy következményei vannak a szakítószilárdságra (27). Nehéz azonban felmérni a csomózás belső hatásait a meglehetősen eltérő kémiai összetételű struktúrák összehasonlításával. A monodiszperzált szintetikus molekuláris csomók ideális modellek a csomózásnak a fizikai és kémiai tulajdonságokra gyakorolt hatásának értékelésére (17, 18). Itt kísérletileg meghatározott tulajdonságkülönbségeket számolunk be három csomózott molekula halmazában, amelyek csak a szál merevebb szakaszait (aromás gyűrűkből álló) elválasztó rugalmas régiók (alkilláncok) hosszában különböznek egymástól. A (28) rendkívül szorosan csomózott 192 atomos hurok 819 csomó (1) (29) összeállításához korábban használt fonási stratégia alkalmazásával a csomózott szerkezet bezárásához használt alkénvégű láncokat meghosszabbítottuk anélkül, hogy a csomószintézis eredményét másképp megváltoztattuk volna (ábra. 1). Ez három 819 molekuláris csomó halmazát eredményezte, amelyek csak a hurok alkilláncainak hosszában különböznek egymástól (1 192 Atom hosszú, 2 216 Atom hosszú, 3 pedig 240 Atom hosszú, a szálhossz 25% – os változása csak a rugalmas régiókat érinti). Megvizsgáltuk a különböző méretű csomók tulajdonságait 1H NMR spektrometriával, tömegspektrometriával, UV spektroszkópiával és körkörös dikroizmussal, és számítási tanulmányokat használtunk annak magyarázatára, hogy a csomózás növekvő szorossága milyen szerepet játszik a fizikai és kémiai viselkedés megváltoztatásában.

a csomószorosság kovalens kötéserősségre gyakorolt hatásának értékelésére tandem tömegspektrometriás (MS-MS) kísérleteket végeztünk a 2+ csúcson (ábra. 4 A, C és E) csomók 1-3 által aktivált ütközés okozta disszociáció (CID). Ez azt eredményezte, hogy a többszörösen töltött ionok tömegveszteséggel összhangban kovalens kötés hasadás, majd kibontakozása a csomózott szál (ábra. 4 B, D és F). Miután a normalizált ütközési energiát 1-eV lépésekben növelték, amíg a kötés hasítása meg nem történt, a lazább csomók (2 és 3) szignifikánsan nagyobb energiákat (35, illetve 55 eV) igényeltek, mint az 1 (28 eV). Minden csomónál a hasadás mindig a központi bipiridin és fenil–bipiridin egységek közötti szén–oxigén kötésnél történik, de a csomók két különböző típusú fragmentációs mintázatot mutattak (I. típus, ábra. 4G és II típusú, ábra. 4 óra). Az 1. legszűkebb csomó esetében a fragmentációt (vízmolekula elvesztése; m/z = 1681,75) egy szomszédos központi bipiridin egység elvesztése követi (m/z = 1582,67; ábra. 4B, I. típus). Ezzel szemben a 3 leglazább csomónak legalább 55 eV-ra van szüksége a fragmentációhoz, és közvetlenül két bomlásterméket képez, amelyek mindegyike a csomó felét tartalmazza (m/z = 2,008.36 és 1,810.45; ábra. 4F, II. Típus). Mindkét típusú fragmentációs mintázatot megfigyeljük a 2 csomóval 35 eV-nál (ábra. 4D, m / z = 1 849,75 és 1 750,83 az I. típus esetében és m / z = 1 840,75 és 1 642,83 a II.típus esetében). Nyilvánvaló, hogy a csomó szorossága jelentősen befolyásolja a kovalens kötés szilárdságát; minél szorosabb a csomó, annál könnyebben megszakadhatnak egyes kötések. A kísérleti eredmények összhangban vannak a szimulációkkal, amelyek arra utalnak, hogy a szoros csomózás kényszeríti a feszült kötéshosszúságú és szögű konformációk elfogadását.

a Gaussian09 programcsomagban (35) megvalósított Wiberg bond indexek elemzését a Minnesota 2006 hibrid meta exchange-correlation functional (M06-2x) (36) és a Pople 6-31g(d) polarizációs függvényekkel ellátott alapkészletével végeztük a kettős töltésű 1 és 3 globális minimális energiastruktúráján a központi bipiridin és fenil–bipiridin egységek közötti szén–oxigén kötés kötési sorrendjének kiszámításához (Ce–O–Cd, Fig. 1). A számítások a legszűkebb csomót, 1, azt mutatják, hogy az egyik ilyen szén–oxigén kötések lényegesen gyengébb, mint mások, és nagyobb valószínűséggel megtörni a CID-MS kísérletek (SI függelék, ábra. S38). Hasítás után a kapott terminális oxigénatom átszervezheti elektronikus szerkezetét, hogy lehetővé tegye a vízmolekula elvesztését (ábra. 4G). A leglazább csomóban, 3, a szén-oxigén kötéseknek hasonló kötési sorrendjük van, amelyek magasabbak, mint a gyenge C–O kötés 1. Ez két C-O kötés közel egyidejű hasítását eredményezheti nagyobb energián (SI függelék, ábra. S38), a kísérletileg megfigyelt 3 két felének előállításához (ábra. 4 óra).

a csomószorosság hatását az 1-3 spektrális tulajdonságaira is megvizsgáltuk. Az 1. és 2. csomó UV-vis spektruma hasonló, az abszorpció enyhe csökkenésével 606 nm-nél 2-nél. A leglazább csomó, a 3 abszorpciója azonban jelentősen csökken, és 10 nm-es vöröseltolódással jár (SI függelék, ábra. S25). Az időfüggő sűrűség-funkcionális elméleti (37) számításokból származó szimulált spektrumok az M06-2x/6–31g(d) elméleti szinten azt mutatják, hogy a csomók elektronikus spektruma nagyon érzékeny a fenil–bipiridin-csoporton belüli két torziós szögre, a 6-1-re és a 2-re (ábra. 3D és SI függelék, füge. S35-S37). A 3 csomó megfigyelt vörös eltolódása a 6-1 és az 2 variációjából adódik, mivel a laza csomó megnövekedett rugalmassága lehetővé teszi a kromoforok számára, hogy konjugáltabb, laposabb konformációkat töltsenek be.

a 819 csomó topológiája miatt önmagában királis. Az 1-3 enantiomerjeit királis nagy teljesítményű folyadékkromatográfiával (HPLC) izoláltuk és CD spektroszkópiával elemeztük (ábra. 5 és SI függelék, füge. S23 és S24). Minden csomós enantiomer pár azonos, de ellentétes alakú és előjelű CD-spektrumot ad (38, 39). Amint a csomók 1-től 3-ig lazulnak, a kromoforok körüli környezet változása a CD jel vörös eltolódását eredményezi az adott molekulák spektrumában. A szimulációk és az 1H NMR kísérletek azt sugallják, hogy a bipiridin és a fenolos éterek egy királis konformációban vannak rögzítve a legszűkebb csomóban, az 1–ben, amely erős ~ ~ ~ kölcsönhatásokat mutat. A lazább csomók azonban különféle konformációkkal rendelkeznek, amelyek átlagosan gyengébb CD-választ adnak. A vörös eltolódás a lazább csomókban lévő kromoforok konjugáltabb, laposabb konformációinak következménye. A csomózott struktúrák dinamikáját és konformációját egyértelműen jelentősen befolyásolja a feszesség, a kiralitás kifejeződése az összefonódás meghúzásával vagy lazításával hangolható.

a molekuláris dinamikai szimulációk elemzése azt sugallja, hogy a 819 csomó 1-3 esetében megfigyelt tulajdonságtrendek nem sajátos következményei szerkezetük sajátos aromás gyűrű alapú gerincének. Az atomingadozások a (nagy) molekuláris rendszerek rugalmasságát mérik. Ezek kapcsolódnak a kísérletileg mérhető hőmérsékleti B faktorhoz (40), amelyet általában a fehérje adatbankjában egy fehérjeszerkezettel együtt jelentenek. A molekuláris dinamikai szimulációkban az aromás gyűrűk, az alifás láncok és a teljes csomó atomingadozásainak méretét a szorosság függvényének találták (1.táblázat): minél szorosabb a csomó, annál kisebb az ingadozás. A tendenciák nagyjából hasonlóak a három vizsgált szerkezeti elem (aromás anyagok, alifatikumok és az egész molekula) esetében.

a kísérleti adatokat sikeresen szimuláló molekuláris dinamika pillanatfelvételeinek struktúráit felhasználtuk az aromás fragmensek és a három csomóban lévő alkilláncok törzsenergiái közötti kölcsönhatások vizsgálatára (1.táblázat). A számításokat az M06-2x/6-31g(d) elméleti szinten végeztük. Az aromás gyűrűk közötti kölcsönhatásokra az alapkészlet szuperpozíciós hibájának korrekcióját az ellenpozíciós módszerrel határoztuk meg (41). A csomószilárdság csökkenésének sorrendjében (1-2-3) az aromás fragmensek közötti átlagos interakciós energia -48,3-ról -40,1-ről -23,6 kcal/mol-ra csökken (1.táblázat). A variáció tükrözi a nagyobb száldinamikát, amikor a csomók lazábbak lesznek. Ugyanebben a sorozatban az alkilláncok átlagos alakváltozási energiája 53,8-ról, 160,0-ról és 260-ról nő.1 kcal / mol, mivel minden lánchoz több metiléncsoport kerül hozzáadásra, a csomó topológiája arra kényszeríti, hogy feszített dihedrális szögeket és CH–CH szterikus ütközéseket alkalmazzon. Az aromás egymásra rakódó kölcsönhatások nem generálnak kedvelt konformációkat a rugalmasabb csomókban, hanem inkább a törzs enyhítésére szolgálnak, amikor a csomózás szorossága a molekulát kompaktabbá teszi. Az aromás gyűrűk egymásra rakása a csomó szorosságának következménye, nem pedig a konformáció/szerkezet hajtóereje. A trisz(2,2′-bipiridin) ligandum szálak aromás gyűrűi szükségesek a csomószintézishez, és bizonyos esetekben (1H NMR, CD spektrumok) hasznos próbákat biztosítanak a viselkedés kísérleti detektálásához. Ha a konformációjukat meghatározó, domináns interakció, a csomók nem lennének azok a rendkívül dinamikus rendszerek,amelyeket a kísérletek és a szimulációk mutatnak. Ezért valószínűnek tűnik, hogy az 1-3 esetében megfigyelt tendenciák nem kapcsolódnak közvetlenül az adott molekuláris összetételükhöz, hanem általánosabban tükrözik a nanoméretű csomószorosság viselkedésének szempontjait.