Effecten van knoopdichtheid op moleculair niveau

• moleculaire knopen
• supramoleculaire chemie
• chemische topologie

knopen worden aangetroffen in sommige eiwitten (1), lineair en cirkelvormig DNA (2) en polymeren van voldoende lengte en flexibiliteit (3). De strengenverstrengelingen beïnvloeden moleculaire grootte (4), stabiliteit (5), en diverse mechanische eigenschappen (6⇓-8), hoewel veel van het begrip over hoe en waarom onduidelijk blijft. Tot op heden is de invloed van verschillende structurele eigenschappen, zoals het aantal knoopkruisingen (9), writhe (10), backbone crossing ratio (BCR) (11), en de Globale kromtestraal (12), op Eigenschappen voornamelijk bestudeerd door simulaties (13 ⇓ ⇓ -16) in plaats van experiment (17, 18). Knoopdichtheid (19⇓-21) is een bijzonder gemakkelijk te waarderen kenmerk, bekend uit onze dagelijkse ervaring in de macroscopische wereld, dat ook significante effecten kan hebben op moleculair niveau (4, 22⇓⇓⇓⇓-27). Lange polymeren worden voorspeld te hebben Geknoopte gebieden die zowel frequent en strak (25). De dichtheid van het knopen is betrokken bij variaties in de thermostabiliteit van verstrengelde proteã nen (26) en wordt verondersteld gevolgen te hebben voor de treksterkte (27). Het is echter moeilijk om de intrinsieke effecten van knopen te beoordelen door structuren met vrij verschillende chemische samenstellingen te vergelijken. Monodispersed synthetische moleculaire knopen zijn ideale modellen om de invloed van knoopverstrakking op fysische en chemische eigenschappen te evalueren (17, 18). Hier rapporteren we experimenteel bepaalde eigenschapsverschillen in een set van drie Geknoopte moleculen die alleen verschillen in de lengte van flexibele gebieden (alkylketens) die meer stijve secties (samengesteld uit aromatische ringen) van de streng scheiden. Met behulp van een vlechtstrategie die voorheen werd gebruikt om een zeer strak Geknoopte 192-atoom lus 819 knoop (1) (29) te monteren, werden de alkeen-eindketens die werden gebruikt om de geknoopte structuur te sluiten, verlengd zonder dat de uitkomst van de knoopsynthese anders werd gewijzigd (Fig. 1). Dit resulteerde in een set van drie 819 moleculaire knopen die alleen verschillen in de lengte van de alkylketens in de lus (1 is 192 atomen lang, 2 is 216 atomen lang, en 3 is 240 atomen lang, een 25% variatie in lengte van de streng waarbij alleen de flexibele gebieden betrokken zijn). We hebben de eigenschappen van de knopen van verschillende grootte onderzocht door middel van 1h NMR-spectrometrie, massaspectrometrie, UV-spectroscopie en cirkeldichroïsme, en hebben computationele studies gebruikt om de rol te verklaren die de toenemende dichtheid van knopen speelt bij het veranderen van fysisch en chemisch gedrag.

om het effect van knoopdichtheid op covalente bindingssterkten te evalueren, werden tandem massaspectrometrie (MS-MS) experimenten uitgevoerd op de 2+ piek (Fig. 4 A, C en E) van knopen 1-3 geactiveerd door botsing-geïnduceerde dissociatie (CID). Dit resulteerde in vermenigvuldiging van geladen ionen met een verlies van massa in overeenstemming met covalente binding scission en vervolgens het ontrafelen van de geknoopte streng (Fig. 4 B, D en F). Bij het verhogen van de genormaliseerde botsingsenergie in stappen van 1-eV tot de splitsing van de binding plaatsvond, hadden de lossere knopen (2 en 3) aanzienlijk hogere energieën (respectievelijk 35 en 55 eV) nodig om te fragmenteren dan 1 (28 eV). Voor elke knoop vindt de verdeling altijd plaats bij de koolstof-zuurstofbinding tussen de centrale bipyridine–en phenyl-bipyridine-eenheden, maar de knopen vertoonden twee verschillende soorten fragmentatiepatroon (Type I, Fig. 4G en type II, Fig. 4H). Voor de nauwste knoop 1 wordt fragmentatie (verlies van een watermolecuul; m/z = 1.681, 75) gevolgd door verlies van een aangrenzende centrale bipyridineeenheid (M/z = 1.582, 67; Fig. 4B, type I). De meest losse knoop 3 daarentegen vereist een minimum van 55 eV om te fragmenteren en vormt direct twee afbraakproducten die elk de helft van de knoop bevatten (M / z = 2.008, 36 en 1.810, 45; Fig. 4F, type II). Beide soorten fragmentatiepatroon worden waargenomen met knoop 2 bij 35 eV (Fig. 4D, m / z = 1.849, 75 en 1.750, 83 voor type I en m / z = 1.840, 75 en 1.642, 83 voor type II). Het is duidelijk dat de knoopdichtheid een belangrijke invloed heeft op de covalente bindingssterkte; hoe strakker de knoop, hoe gemakkelijker sommige bindingen kunnen worden verbroken. De experimentele resultaten zijn consistent met de simulaties die suggereren dat het strakke knopen de goedkeuring van conformaties met gespannen Bindingslengten en hoeken dwingt.

Wiberg bond indices analyse, zoals geïmplementeerd in de Gaussian09 suite van programma ‘ s (35) werd uitgevoerd met de Minnesota 2006 hybride meta exchange-correlatie functionele (M06-2X) (36) en de Inrichters van de basis set met polarisatie functies, 6-31G(d), op de global minimum energie structuren van dubbel aangerekend 1 en 3 voor het berekenen van de bond om van de koolstof–zuurstof band tussen de centrale bipyridine en fenyl–bipyridine eenheden (Ce–O–Cd, Afb. 1). De berekeningen van de nauwste knoop, 1, tonen aan dat een van deze koolstof-zuurstofbindingen aanzienlijk zwakker is dan andere en meer kans heeft om te breken in de CID-MS experimenten (SI Appendix, Fig. S38). Na splitsing, kan het resulterende eindzuurstofatoom zijn elektronische structuur reorganiseren om verlies van een watermolecuul toe te staan (Fig. 4G). In de losste knoop, 3, hebben de koolstof–zuurstofbindingen allemaal vergelijkbare bindingsorden die hoger zijn dan de zwakke C-O-binding in 1. Dit kan resulteren in bijna-gelijktijdige splitsing van twee c-O bindingen bij hogere energie (SI Appendix, Fig. S38), om de twee helften van 3 experimenteel waargenomen (Fig. 4H).

het effect van knoopdichtheid op de spectrale eigenschappen van 1-3 werd ook onderzocht. De UV-vis spectra van knopen 1 en 2 zijn vergelijkbaar, met een lichte afname van de absorptie bij λmax = 306 nm voor 2. Echter, de absorptie van de losste knoop, 3, neemt aanzienlijk af en wordt geassocieerd met een 10-nm rode verschuiving (SI Appendix, Fig. S25). Gesimuleerde spectra, gegenereerd uit tijdsafhankelijke densiteit functionele theoretische(37) berekeningen op het M06-2X/6–31G (d) niveau van de theorie, tonen aan dat de elektronische spectra van de knopen zeer gevoelig zijn voor de twee torsiehoeken, θ1 en θ2, binnen de fenyl–bipyridinedelen (Fig. 3D en SI Appendix, Fig. S35–S37). De waargenomen rode verschuiving van knoop 3 is toe te schrijven aan de variatie van θ1 en θ2 aangezien de verhoogde flexibiliteit van de losse knoop de chromophores toestaat om meer geconjugeerde, vlakkere, conformaties te bevolken.

een 819 knoop is intrinsiek chiraal door zijn topologie. De enantiomeren van 1-3 werden geà soleerd door chiral High-performance liquid chromatography (HPLC) en geanalyseerd door CD spectroscopie (Fig. 5 en SI Appendix, Fig. S23 en S24). Elk paar knoopenantiomeren geeft CD spectra van gelijke maar tegenovergestelde vorm en teken (38, 39). Aangezien de knopen van 1 tot 3 losser worden, resulteert de verandering in het milieu rond chromophores in een rode verschuiving van het signaal van CD in de spectra van de respectieve molecules. De simulaties en 1H NMR experimenten suggereren dat de bipyridine en fenol ethers zijn opgesloten in een chiral bouw in de strakste knoop, 1, die sterke π–π interacties kenmerkt. Echter, de lossere knopen hebben een verscheidenheid van conformaties die gemiddeld uit om een zwakkere CD reactie te geven. De rode verschuiving is een gevolg van de meer geconjugeerde, vlakke, conformaties van de chromoforen in de lossere knopen. De dynamiek en de bouw van de geknoopte structuren worden duidelijk aanzienlijk beïnvloed door strakheid, met de uitdrukking van chiraliteit afstembaar door het aandraaien of losmaken van de verstrengeling.

analyse van de moleculaire dynamica simulaties suggereert dat de eigenschappen trends waargenomen voor 819 knopen 1-3 zijn geen specifiek gevolg van de specifieke aromatische-ring-gebaseerde backbones van hun structuren. Atomaire fluctuaties meten de flexibiliteit van (grote) moleculaire systemen. Zij zijn verbonden met de temperatuur B-factor (40) die experimenteel kan worden gemeten en gewoonlijk samen met een eiwitstructuur in de Eiwitdatabank wordt gerapporteerd. In de moleculaire dynamica simulaties werden de grootte van de atomaire fluctuaties van de aromatische ringen, de alifatische ketens en de gehele knoop een functie van dichtheid gevonden (Tabel 1): hoe strakker de knoop, hoe kleiner de fluctuaties. De trends zijn ongeveer gelijk voor elk van de drie gecontroleerde structurele elementen (aromaten, alifatics en het hele molecuul).

de structuren van snapshots van de moleculaire dynamica die met succes de experimentele gegevens simuleerden werden gebruikt om de interacties tussen de aromatische fragmenten en de rekenergieën van de alkylketens in de drie knopen te onderzoeken (Tabel 1). De berekeningen werden uitgevoerd op het M06-2X/6-31G(d) niveau van de theorie. Voor de interacties tussen aromatische ringen werd de correctie voor de basis-set superpositiefout bepaald met behulp van de contrapoise-methode (41). In volgorde van afnemende knoopdichtheid (1 tot 2 tot 3), vermindert de gemiddelde interactieenergie tussen aromatische fragmenten van -48,3 tot -40,1 tot -23,6 kcal/mol (Tabel 1). De variatie weerspiegelt de grotere strengedynamiek naarmate de knopen losser worden. In dezelfde serie nemen de gemiddelde rekenergieën van de alkylketens toe van 53,8, 160,0 en 260.1 kcal / mol, aangezien meer methyleengroepen aan elke ketting worden toegevoegd, gedwongen door de knooptopologie om gespannen dihedrale hoeken en CH–CH sterische botsingen goed te keuren. Het aromatische stapelen interactie genereert geen voorkeursconformaties in de meer flexibele knopen, maar eerder vorm om spanning te verlichten wanneer de strakheid van het knopen de molecule dwingt compacter te worden. Het stapelen van aromatische ringen is een gevolg van knoopdichtheid in plaats van de drijvende kracht achter de bouw/structuur. De aromatische ringen in de Tris (2,2′-bipyridine) ligandstrengen zijn noodzakelijk voor de knoopsynthese en, in sommige gevallen (1H NMR, CD spectra), verstrekken nuttige sondes voor de experimentele opsporing van gedrag. Als π-stapelen de dominerende interactie was die hun bouw bepaalde, zouden de knopen niet de zeer dynamische systemen zijn die experimenten en simulaties hen tonen te zijn. Het lijkt daarom waarschijnlijk dat de trends waargenomen voor 1-3 zijn niet direct gerelateerd aan hun specifieke moleculaire samenstelling, maar meer in het algemeen aspecten van gedrag met betrekking tot knoopdichtheid op nanoschaal zal weerspiegelen.