Effetti della tenuta del nodo a livello molecolare

• nodi molecolari
• chimica supramolecolare
• topologia chimica

I nodi si trovano in alcune proteine (1), DNA lineare e circolare (2) e polimeri di lunghezza e flessibilità sufficienti (3). Gli intrecci del filo influenzano la dimensione molecolare (4), la stabilità (5) e varie proprietà meccaniche (6–8), anche se gran parte della comprensione di come e perché rimane poco chiara. Ad oggi l’influenza di vari tratti strutturali, come il numero di incroci di nodi (9), contorcersi (10), il rapporto di attraversamento della spina dorsale (BCR) (11) e il raggio di curvatura globale (12), sulle proprietà è stata studiata principalmente da simulazioni (13 ⇓ ⇓ -16) piuttosto che da esperimenti (17, 18). La tenuta del nodo (19⇓-21) è una caratteristica particolarmente facile da apprezzare, familiare dalla nostra esperienza quotidiana nel mondo macroscopico, che può anche avere effetti significativi a livello molecolare (4, 22⇓⇓⇓⇓-27). Si prevede che i polimeri lunghi abbiano regioni annodate che sono sia frequenti che strette (25). La tenuta dell’annodatura è implicata nelle variazioni nella termostabilità delle proteine impigliate (26) e si pensa che abbia conseguenze sulla resistenza alla trazione (27). Tuttavia, è difficile valutare gli effetti intrinseci dell’annodatura confrontando le strutture con composizioni chimiche piuttosto diverse. I nodi molecolari sintetici monodispersi sono modelli ideali attraverso i quali valutare l’influenza del serraggio dei nodi sulle proprietà fisiche e chimiche (17, 18). Qui riportiamo differenze di proprietà determinate sperimentalmente in un insieme di tre molecole annodate che differiscono solo nella lunghezza delle regioni flessibili (catene alchiliche) che separano sezioni più rigide (composte da anelli aromatici) del filo. Utilizzando una strategia di intrecciatura precedentemente utilizzata per assemblare (28) un nodo 819 ad anello a 192 atomi estremamente stretto (1) (29), le catene terminate con alchene utilizzate per chiudere la struttura annodata sono state estese senza alterare altrimenti il risultato della sintesi del nodo (Fig. 1). Ciò ha provocato un insieme di tre 819 nodi molecolari che differiscono soltanto nella lunghezza delle catene alchiliche nel ciclo (1 è 192 atomi lunghi, 2 è 216 atomi lunghi e 3 è 240 atomi lunghi, una variazione di 25% nella lunghezza del filo che coinvolge soltanto le regioni flessibili). Abbiamo sondato le proprietà dei nodi di diverse dimensioni mediante spettrometria NMR 1H, spettrometria di massa, spettroscopia UV e dicroismo circolare e abbiamo utilizzato studi computazionali per aiutare a spiegare il ruolo che la crescente tenuta dell’annodatura gioca nell’alterare il comportamento fisico e chimico.

Per valutare l’effetto della tenuta del nodo sulle forze del legame covalente, sono stati condotti esperimenti di spettrometria di massa tandem (MS-MS) sul picco 2+ (Fig. 4 A, C ed E) di nodi 1-3 attivati dalla dissociazione indotta da collisione (CID). Ciò ha provocato ioni carichi moltiplicati con una perdita di massa coerente con la scissione del legame covalente e il successivo disfacimento del filo annodato (Fig. 4 B, D e F). Aumentando l’energia di collisione normalizzata in passi 1-eV fino alla scissione del legame, i nodi più sciolti (2 e 3) richiedevano energie significativamente più elevate (35 e 55 eV, rispettivamente) per frammentare 1 (28 eV). Per ogni nodo scissione avviene sempre al legame carbonio-ossigeno tra le unità bipiridina centrale e fenil-bipiridina, ma i nodi hanno mostrato due tipi distinti di modello di frammentazione (tipo I, Fig. 4G e tipo II, Fig. 4H). Per il nodo più stretto 1, la frammentazione (perdita di una molecola d’acqua; m/z = 1,681.75) è seguita dalla perdita di un’unità bipiridina centrale adiacente (m/z = 1,582.67; Fig. 4B, tipo I). Al contrario, il nodo più sciolto 3 richiede un minimo di 55 eV per frammentare e forma direttamente due prodotti di rottura che contengono ciascuno metà del nodo (m / z = 2,008.36 e 1,810.45; Fig. 4F, tipo II). Entrambi i tipi di modello di frammentazione sono osservati con il nodo 2 a 35 eV (Fig. 4D, m/z = 1.849, 75 e 1.750, 83 per il tipo I e m / z = 1.840, 75 e 1.642, 83 per il tipo II). Chiaramente la tenuta del nodo influisce in modo significativo sulla forza del legame covalente; più stretto è il nodo, più facilmente alcuni legami possono essere rotti. I risultati sperimentali sono coerenti con le simulazioni che suggeriscono che l’annodatura stretta costringe all’adozione di conformazioni con lunghezze e angoli di legame tesi.

Wiberg indici obbligazionari analisi, come è implementato in Gaussian09 suite di programmi (35) è stato condotto con il Minnesota 2006 ibrido meta di scambio-correlazione funzionale (M06-2X) (36) e Persone del set base con polarizzazione di funzioni, 6-31G(d), il minimo globale di energia strutture di doppiamente addebitato 1 e 3 per calcolare il legame ordine del carbonio–ossigeno legame tra la centrale bipiridina e fenil–bipiridina unità (Ce–O–Cd, Fig. 1). I calcoli sul nodo più stretto, 1, mostrano che uno di questi legami carbonio–ossigeno è significativamente più debole di altri ed è più probabile che si rompa negli esperimenti CID-MS (Appendice SI, Fig. S38). Dopo la scissione, l’atomo di ossigeno terminale risultante può riorganizzare la sua struttura elettronica per consentire la perdita di una molecola d’acqua (Fig. 4G). Nel nodo più sciolto, 3, i legami carbonio-ossigeno hanno tutti ordini di legame simili che sono superiori al legame C-O debole in 1. Ciò può provocare una scissione quasi simultanea di due legami C – O ad energia più elevata (Appendice SI, Fig. S38), per produrre le due metà di 3 osservate sperimentalmente (Fig. 4H).

È stato anche studiato l’effetto della tenuta del nodo sulle proprietà spettrali di 1-3. Gli spettri UV-vis dei nodi 1 e 2 sono simili, con una leggera diminuzione dell’assorbimento a λmax = 306 nm per 2. Tuttavia, l’assorbimento del nodo più sciolto, 3, diminuisce significativamente ed è associato a uno spostamento rosso di 10 nm (Appendice SI, Fig. S25). Gli spettri simulati, generati da calcoli teorici funzionali a densità dipendente dal tempo (37) al livello di teoria M06-2X/6–31G(d), mostrano che gli spettri elettronici dei nodi sono altamente sensibili ai due angoli di torsione, θ1 e θ2, all’interno dei gruppi fenil–bipiridinici (Fig. 3D e SI Appendice, Fichi. S35–S37). Lo spostamento rosso osservato del nodo 3 è dovuto alla variazione di θ1 e θ2 in quanto la maggiore flessibilità del nodo sciolto consente ai cromofori di popolare conformazioni più coniugate, più piatte.

Un nodo 819 è intrinsecamente chirale in virtù della sua topologia. Gli enantiomeri di 1-3 sono stati isolati mediante cromatografia liquida chirale ad alte prestazioni (HPLC) e analizzati mediante spettroscopia CD (Fig. 5 e SI Appendice, Fichi. S23 e S24). Ogni coppia di enantiomeri del nodo fornisce spettri CD di forma e segno uguali ma opposti (38, 39). Man mano che i nodi si allentano da 1 a 3, il cambiamento nell’ambiente intorno ai cromofori provoca uno spostamento rosso del segnale CD negli spettri delle rispettive molecole. Le simulazioni e gli esperimenti 1H NMR suggeriscono che la bipiridina e gli eteri fenolici sono bloccati in una conformazione chirale nel nodo più stretto, 1, che presenta forti interazioni π–π. Tuttavia, i nodi più sciolti hanno una varietà di conformazioni che mediamente danno una risposta CD più debole. Lo spostamento rosso è una conseguenza delle conformazioni più coniugate, piatte, dei cromofori nei nodi più sciolti. La dinamica e la conformazione delle strutture annodate sono chiaramente influenzate in modo significativo dalla tenuta, con l’espressione della chiralità sintonizzabile stringendo o allentando l’entanglement.

L’analisi delle simulazioni di dinamica molecolare suggerisce che le tendenze di proprietà osservate per 819 nodi 1-3 non sono una conseguenza specifica delle particolari dorsali a base di anelli aromatici delle loro strutture. Le fluttuazioni atomiche misurano la flessibilità dei (grandi) sistemi molecolari. Sono collegati al fattore di temperatura B (40) che può essere misurato sperimentalmente e di solito è riportato insieme a una struttura proteica nella Banca dati proteica. Nelle simulazioni di dinamica molecolare, la dimensione delle fluttuazioni atomiche degli anelli aromatici, delle catene alifatiche e dell’intero nodo è risultata essere una funzione di tenuta (Tabella 1): più stretto è il nodo, più piccole sono le fluttuazioni. Le tendenze sono sostanzialmente simili per ciascuno dei tre elementi strutturali monitorati (aromatici, alifatici e l’intera molecola).

Le strutture di istantanee della dinamica molecolare che simulato con successo i dati sperimentali sono stati utilizzati per indagare le interazioni tra le aromatiche frammenti e il ceppo energie delle catene alchiliche in tre nodi (Tabella 1). I calcoli sono stati eseguiti a livello teorico M06-2X/6-31G(d). Per le interazioni tra anelli aromatici, la correzione dell’errore di sovrapposizione base-set è stata determinata utilizzando il metodo di contrapposizione (41). In ordine decrescente di tenuta del nodo (da 1 a 2 a 3), l’energia media di interazione tra frammenti aromatici si riduce da -48,3 a -40,1 a -23,6 kcal/mol (Tabella 1). La variazione riflette la maggiore dinamica del filo quando i nodi diventano più sciolti. Nella stessa serie le energie medie di deformazione delle catene alchiliche aumentano da 53,8, 160,0 e 260.1 kcal / mol, poiché più gruppi di metilene vengono aggiunti a ciascuna catena, costretti dalla topologia del nodo ad adottare angoli diedri tesi e scontri sterici CH–CH. Le interazioni di impilamento aromatiche non generano conformazioni favorite nei nodi più flessibili, ma piuttosto formano per alleviare la tensione quando la tenuta dell’annodatura costringe la molecola a diventare più compatta. L’impilamento degli anelli aromatici è una conseguenza della tenuta del nodo piuttosto che della forza motrice dietro la sua conformazione/struttura. Gli anelli aromatici nei fili del legante Tris(2,2′-bipiridina) sono necessari per la sintesi del nodo e, in alcuni casi (1H NMR, spettri CD), forniscono sonde utili per la rilevazione sperimentale del comportamento. Se π-stacking fosse l’interazione dominante che ha determinato la loro conformazione, i nodi non sarebbero i sistemi altamente dinamici che gli esperimenti e le simulazioni mostrano essere. Sembra quindi probabile che le tendenze osservate per 1-3 non siano direttamente correlate al loro particolare trucco molecolare, ma rifletteranno più in generale aspetti del comportamento riguardo alla tenuta del nodo su scala nanometrica.