Effekter av knute tetthet på molekylært nivå

• molekylære knuter
• supramolekylær kjemi
• kjemisk topologi

Knuter finnes i noen proteiner (1), lineært OG sirkulært DNA (2) og polymerer av tilstrekkelig lengde og fleksibilitet (3). Trådens forviklinger påvirker molekylær størrelse (4), stabilitet (5) og ulike mekaniske egenskaper (6⇓-8), selv om mye av forståelsen for hvordan og hvorfor fortsatt er uklar. Hittil påvirkning av ulike strukturelle trekk, slik som antall knute kryssinger (9), writhe (10), backbone crossing ratio (BCR) (11), og den globale krumningsradius (12), på egenskaper har i hovedsak blitt studert ved simuleringer (13 ⇓ ⇓ -16) i stedet for eksperiment (17, 18). Knutetetthet (19⇓-21) er en særdeles lett å sette pris på, kjent fra vår hverdag i makroskopisk verden, som også kan ha betydelige effekter på molekylært nivå (4, 22⇓⇓⇓⇓-27). Lange polymerer forventes å ha knyttede regioner som er både hyppige og stramme (25). Tetthet av knotting er implisert i variasjoner i termostabiliteten til innfestede proteiner (26) og antas å ha konsekvenser for strekkfasthet (27). Det er imidlertid vanskelig å vurdere iboende effekter av knotting ved å sammenligne strukturer med ganske forskjellige kjemiske sammensetninger. Monodispersed syntetiske molekylære knuter er ideelle modeller for å evaluere påvirkning av knutestramming på fysiske og kjemiske egenskaper (17, 18). Her rapporterer vi eksperimentelt bestemte egenskapsforskjeller i et sett med tre knyttede molekyler som bare varierer i lengden av fleksible regioner (alkylkjeder) som adskiller mer stive seksjoner (sammensatt av aromatiske ringer) av strengen. Ved hjelp av en flettestrategi som tidligere ble brukt til å montere (28) en ekstremt tett knutet 192-atom sløyfe 819 knute (1) (29), ble de alken-terminerte kjedene som ble brukt til å lukke knutestrukturen utvidet uten å endre utfallet av knutesyntesen (Fig. 1). Dette resulterte i et sett med tre 819 molekylære knuter som bare varierer i lengden av alkylkjedene i løkken (1 er 192 atomer lang, 2 er 216 atomer lang og 3 er 240 atomer lang, en 25% variasjon i strenglengde som bare involverer de fleksible områdene). Vi undersøkte egenskapene TIL de forskjellige knutene med 1H NMR-spektrometri, massespektrometri, UV-spektroskopi og sirkulær dikroisme, og brukte beregningsstudier for å forklare hvilken rolle den økende tettheten av knotting spiller i å endre fysisk og kjemisk oppførsel.

for å evaluere effekten av knute tetthet på kovalente bindingsstyrker, tandem massespektrometri (MS-MS) eksperimenter ble utført på 2+ peak (Fig. 4 A, C Og E) av knop 1-3 aktivert av kollisjonsindusert dissosiasjon (CID). Dette resulterte i multipliser ladede ioner med et tap av masse i samsvar med kovalent bindingsspisjon og påfølgende opprulling av den knyttede tråd (Fig. 4 B, D Og F). Ved å øke den normaliserte kollisjonsenergien i 1-ev trinn til bindingsspaltningen oppstod, krevde de løsere knutene (2 og 3) signifikant høyere energier (henholdsvis 35 og 55 ev) for å fragmentere enn 1 (28 eV). For hver knute scission oppstår alltid på karbon-oksygen bindingen mellom de sentrale bipyridin og fenyl–bipyridin enheter, men knop viste to forskjellige typer fragmentering mønster (type i, Fig. 4G og type II, Fig. 4H). For den tetteste knuten 1 blir fragmentering (tap av et vannmolekyl; m/z = 1,681.75) etterfulgt av tap av en tilstøtende sentral bipyridinenhet (m / z = 1,582. 67; Fig. 4B, type I). I motsetning til dette krever den løseste knuten 3 minimum 55 eV for å fragmentere og danner direkte to nedbrytningsprodukter som hver inneholder halvparten av knuten (m/z = 2,008. 36 og 1,810.45; Fig. 4F, TYPE II). Begge typer fragmenteringsmønster observeres med knute 2 ved 35 eV (Fig. 4D, m/z = 1 849,75 og 1 750,83 for type i og m/z = 1 840,75 og 1 642,83 for TYPE II). Tydelig knute tetthet betydelig påvirker kovalent bindestyrke; jo strammere knuten, jo lettere noen obligasjoner kan brytes. De eksperimentelle resultatene er i samsvar med simuleringene som tyder på at tett knotting tvinger vedtaket av konformasjoner med anstrengte bindingslengder og vinkler.

wiberg bond indekser analyse, som implementert I Gaussian09 pakke med programmer (35) ble gjennomført Med Minnesota 2006 hybrid meta exchange-korrelasjon funksjonell (M06-2x) (36) Og Pople basis sett med polarisering funksjoner, 6-31g (d), på den globale minimum energi strukturer av dobbelt ladet 1 og 3 for å beregne bindingen rekkefølgen av karbon–oksygen bindingen mellom de sentrale bipyridin og fenyl–bipyridin enheter (Ce–O–Cd, Fig. 1). Beregningene på den strammeste knuten, 1, viser at en av disse karbon-oksygenbindingene er betydelig svakere enn andre og er mer sannsynlig å bryte I cid-MS-forsøkene (Si Vedlegg, Fig. S38). Etter spaltning kan det resulterende terminale oksygenatomet omorganisere sin elektroniske struktur for å tillate tap av et vannmolekyl (Fig. 4G). I den løseste knuten, 3, har karbon-oksygenbindingene alle lignende bindingsordrer som er høyere enn den svake C–o-bindingen i 1. Dette kan resultere i nesten samtidig spaltning av to C – o-bindinger ved høyere energi (Si Vedlegg, Fig. S38), for å produsere de to halvdelene av 3 observert eksperimentelt(Fig. 4H).

effekten av knutetetthet på spektralegenskapene til 1-3 ble også undersøkt. UV-vis-spektrene for knop 1 og 2 er like, med en liten reduksjon i absorpsjon ved λ = 306 nm for 2. Imidlertid reduseres absorpsjonen av den løseste knuten, 3, betydelig og er forbundet med et 10 nm rødt skifte (Si Vedlegg, Fig. S25). Simulerte spektra, generert fra tidsavhengig tetthetsfunksjonelle teoretiske (37) beregninger på m06-2x/6–31g(D) nivå av teori, viser at de elektroniske spektrene til knutene er svært følsomme for de to vridningsvinklene, θ 1 og θ 2, innenfor fenyl–bipyridindelene (Fig. 3d Og SI Vedlegg, Fiken. S35-S37). Det observerte røde skiftet av knute 3 skyldes variasjonen av θ 1 og θ 2, da den økte fleksibiliteten til den løse knuten gjør at kromoforene kan fylle mer konjugerte, flatere konformasjoner.

En 819 knute er egentlig kiral i kraft av sin topologi. Enantiomerene av 1-3 ble isolert ved chiral høyytelses væskekromatografi (HPLC) og analysert VED CD-spektroskopi (Fig. 5 Og Vedlegg, Fiken. S23 og S24). Hvert par knute enantiomerer gir CD spektra av lik, men motsatt form og tegn (38, 39). Når knutene blir løsere fra 1 til 3, resulterer endringen i miljøet rundt kromoforene i et rødt skifte AV CD-signalet i spektrene til de respektive molekylene. Simuleringene OG 1H NMR eksperimenter tyder på at bipyridin og fenoliske etere er låst i en kiral konformasjon i den trangeste knuten, 1, som har sterke π-π interaksjoner. De løsere knutene har imidlertid en rekke konformasjoner som gjennomsnittlig gir en svakere CD-respons. Det røde skiftet er en konsekvens av de mer konjugerte, flate konformasjonene av kromoforene i de løsere knutene. Dynamikken og konformasjonen til de knutte strukturer er tydelig signifikant påvirket av tetthet, med uttrykk for kiralitetsstabilitet ved å stramme eller løsne innfestingen.

Analyse av molekylær-dynamikk simuleringer tyder på at egenskapen trender observert for 819 knop 1-3 er ikke en spesifikk konsekvens av de spesielle aromatiske-ring–baserte ryggradene av deres strukturer. Atomsvingninger måler fleksibiliteten til (store) molekylære systemer. De er koblet til temperaturen B-faktor (40) som kan måles eksperimentelt og er vanligvis rapportert sammen med en proteinstruktur I Protein Data Bank. I molekylærdynamikk-simuleringene ble størrelsen på atomfluktuasjonene i de aromatiske ringene, de alifatiske kjedene og hele knuten funnet å være en funksjon av tetthet( Tabell 1): jo strammere knuten, desto mindre er svingningene. Trendene er stort sett like for hver av de tre strukturelle elementene som overvåkes(aromater, aliphatics og hele molekylet).

strukturene til øyeblikksbilder av molekylær dynamikk som vellykket simulerte eksperimentelle data ble brukt til å undersøke samspillet mellom de aromatiske fragmentene og belastningsenergiene til alkylkjedene i de tre knutene (Tabell 1). Beregningene ble utført På m06-2x/6-31g(d) nivå av teori. For samspillet mellom aromatiske ringer ble korreksjonen for basis-set superposisjonsfeil bestemt ved hjelp av motpoisemetoden (41). I rekkefølge av avtagende knutetetthet (1 til 2 til 3) reduseres den gjennomsnittlige interaksjonsenergien mellom aromatiske fragmenter fra -48,3 til -40,1 til -23,6 kcal / mol (Tabell 1). Variasjonen gjenspeiler større tråd dynamikk som knop blir løsere. I samme serie øker de gjennomsnittlige belastningsenergiene til alkylkjedene fra 53,8, 160,0 og 260.1 kcal / mol, ettersom flere metylengrupper legges til hver kjede, tvunget av knutetopologien til å vedta anstrengte dihedrale vinkler og CH–CH steriske sammenstøt. Aromatiske stablingsinteraksjoner genererer ikke favoriserte konformasjoner i de mer fleksible knutene, men danner heller for å lindre belastning når tetthet av knotting tvinger molekylet til å bli mer kompakt. Stabling av aromatiske ringer er en konsekvens av knute tetthet i stedet for drivkraften bak sin konformasjon / struktur. De aromatiske ringene I Tris (2,2 ‘ – bipyridin) ligandstrenger er nødvendige for knutsyntesen, og i noen tilfeller (1H NMR, CD-spektra) gir nyttige prober for eksperimentell påvisning av atferd. Hvis π-stabling var den dominerende interaksjonen som bestemte deres konformasjon, ville knutene ikke være de svært dynamiske systemene som eksperimenter og simuleringer viser dem å være. Det virker derfor sannsynlig at trendene observert for 1-3 ikke er direkte relatert til deres spesielle molekylære sminke, men vil generelt reflektere aspekter av atferd angående knutetetthet på nanoskalaen.