Wpływ szczelności węzłów na poziomie molekularnym

• węzły molekularne
• Chemia supramolekularna
• topologia chemiczna

węzły znajdują się w niektórych białkach (1), liniowym i kołowym DNA (2) oraz polimerach o wystarczającej długości i elastyczności (3). Splątania nici wpływają na rozmiar cząsteczkowy (4), stabilność (5) i różne właściwości mechaniczne (6⇓-8), chociaż wiele ze zrozumienia, w jaki sposób i dlaczego pozostaje niejasne. Do tej pory wpływ różnych cech strukturalnych, takich jak liczba skrzyżowań węzłów (9), wić (10), stosunek krzyżowania szkieletu (BCR) (11) i globalny promień krzywizny (12), na właściwości był głównie badany przez symulacje (13 ⇓ ⇓ -16), a nie eksperyment (17, 18). Szczelność węzłów (19⇓-21) jest szczególnie łatwą do docenienia cechą, znaną z naszych codziennych doświadczeń w makroskopowym świecie, która może mieć również znaczący wpływ na poziomie molekularnym (4, 22⇓⇓⇓⇓-27). Przewiduje się, że długie polimery mają obszary wiązane, które są zarówno częste, jak i ciasne (25). Szczelność wiązania jest związana z różnicami w termostabilności splątanych białek (26) i uważa się, że ma to wpływ na wytrzymałość na rozciąganie (27). Trudno jednak ocenić wewnętrzne efekty wiązania, porównując struktury o raczej odmiennym składzie chemicznym. Syntetyczne węzły molekularne monodyzowane są idealnymi modelami, za pomocą których można ocenić wpływ dokręcania węzłów na właściwości fizyczne i chemiczne (17, 18). Tutaj zgłaszamy doświadczalnie określone różnice własności w zestawie trzech wiązanych cząsteczek, które różnią się tylko długością elastycznych regionów (łańcuchów alkilowych), które oddzielają bardziej sztywne sekcje (złożone z pierścieni aromatycznych) nici. Stosując strategię oplatania wcześniej używaną do złożenia (28) niezwykle ciasno zawiązanego węzła pętli 819 z 192 atomami (1) (29), łańcuchy zakończone alkenami użyte do zamknięcia wiązanej struktury zostały przedłużone bez zmiany w inny sposób wyniku syntezy węzła (Fig. 1). W wyniku tego powstał zestaw trzech 819 węzłów molekularnych, które różnią się jedynie długością łańcuchów alkilowych w pętli (1 ma długość 192 atomów, 2 ma długość 216 atomów, a 3 ma długość 240 atomów, co stanowi 25% różnicy w długości nici obejmującej tylko regiony elastyczne). Zbadaliśmy właściwości węzłów różnej wielkości za pomocą spektrometrii 1H NMR, spektrometrii masowej, spektroskopii UV i dichroizmu kołowego i wykorzystaliśmy badania obliczeniowe, aby wyjaśnić rolę rosnącej szczelności wiązania W zmianie zachowania fizycznego i chemicznego.

aby ocenić wpływ szczelności węzłów na siłę wiązania kowalencyjnego, przeprowadzono eksperymenty z tandemową spektrometrią mas (MS-MS) na piku 2+ (Fig. 4 A, C i E) węzłów 1-3 aktywowanych przez dysocjację wywołaną kolizją (Cid). Spowodowało to mnożenie naładowanych jonów z utratą masy zgodną z nacięciem wiązania kowalencyjnego i późniejszym rozwinięciem wiązania wiązanego (Fig. 4 B, D i F). Po zwiększeniu znormalizowanej energii zderzenia w krokach 1-eV do momentu zerwania wiązania, luźniejsze węzły (2 i 3) wymagały znacznie większych energii (odpowiednio 35 I 55 eV) do rozpadu niż 1 (28 EV). Dla każdego rozcięcia węzła zawsze występuje w wiązaniu węgiel-tlen między centralnymi jednostkami bipirydyny i fenylo-bipirydyny, ale węzły wykazywały dwa różne typy wzoru fragmentacji (typ I, Fig. 4G i typ II, rys. 4H). W przypadku najciaśniejszego węzła 1, po fragmentacji (utracie cząsteczki wody; m / z = 1,681.75) następuje utrata sąsiedniej centralnej jednostki bipirydyny (m/z = 1,582.67; Fig. 4B, typ I). Natomiast najbardziej luźny węzeł 3 wymaga co najmniej 55 eV do fragmentacji i bezpośrednio tworzy dwa produkty rozpadu, z których każdy zawiera połowę węzła (m/z = 2,008.36 i 1,810.45; Fig. 4F, typ II). Oba rodzaje wzoru fragmentacji obserwuje się z węzłem 2 przy 35 eV (rys. 4D, m/z = 1 849,75 i 1 750,83 dla typu I oraz m / z = 1 840,75 i 1 642,83 dla typu II). Wyraźnie szczelność węzłów znacząco wpływa na siłę wiązania kowalencyjnego; im mocniej węzeł, tym łatwiej można złamać niektóre wiązania. Wyniki eksperymentów są zgodne z symulacjami, które sugerują, że ciasne wiązanie wymusza przyjęcie konformacji o napiętych długościach i kątach wiązania.

Analiza indeksów wiązań Wiberga, zaimplementowana w pakiecie programów Gaussian09 (35) została przeprowadzona za pomocą funkcji Meta-korelacji hybrydowej Minnesota 2006 (M06-2X) (36) i zestawu baz Pople ’ A Z FUNKCJAMI polaryzacyjnymi, 6-31g(d), na globalnych minimalnych strukturach energetycznych podwójnie naładowanych 1 i 3 w celu obliczenia kolejności wiązania wiązania węgiel–tlen między centralnymi jednostkami bipirydyny i fenylo–bipirydyny (Ce–O–Cd, Fig. 1). Obliczenia dotyczące najciaśniejszego węzła, 1, pokazują, że jedno z tych wiązań węgiel–tlen jest znacznie słabsze od innych i jest bardziej prawdopodobne, że pęknie w eksperymentach CID-MS (dodatek SI, Fig. S38). Po odcięciu powstały końcowy atom tlenu może zreorganizować swoją strukturę elektroniczną, aby umożliwić utratę cząsteczki wody (rys. 4G). W najbardziej luźnym węźle, 3, wszystkie wiązania węgiel-tlen mają podobne rozkazy wiązania, które są wyższe niż słabe Wiązanie C-O W 1. Może to skutkować niemal równoczesnym rozszczepianiem się dwóch wiązań C-O przy wyższej energii (dodatek SI, rys. S38), w celu wytworzenia dwóch połówek 3 zaobserwowanych doświadczalnie (rys. 4H).

badano również wpływ szczelności węzłów na właściwości widmowe 1-3. Widma UV-vis węzłów 1 i 2 są podobne, z niewielkim zmniejszeniem absorpcji przy λmax = 306 nm dla 2. Jednak absorpcja najbardziej luźnego węzła, 3, znacznie się zmniejsza i wiąże się z przesunięciem ku czerwieni o 10 nm (dodatek SI, Fig. S25). Symulowane widma, wygenerowane na podstawie teoretycznych obliczeń funkcjonalnych gęstości zależnej od czasu (37) na poziomie teorii M06-2x/6–31g(d), pokazują, że elektroniczne widma węzłów są bardzo wrażliwe na dwa kąty skrętne, θ1 i θ2, w obrębie ugrupowań fenylo–bipirydynowych (Fig. Dodatek 3D i SI, Fig. S35-S37). Obserwowane przesunięcie ku czerwieni węzła 3 jest spowodowane zmiennością θ1 i θ2, ponieważ zwiększona elastyczność luźnego węzła pozwala chromoforom zaludniać bardziej sprzężone, spłaszczone konformacje.

węzeł 819 jest wewnętrznie chiralny ze względu na swoją topologię. Enancjomery 1-3 izolowano chiralną wysokosprawną chromatografią cieczową (HPLC) i analizowano spektroskopią CD (Fig. 5 i dodatek SI, Fig. S23 i S24). Każda para enancjomerów węzłów daje widmo CD o jednakowym, ale przeciwstawnym kształcie i znaku (38, 39). Gdy węzły stają się luźniejsze od 1 do 3, zmiana środowiska wokół chromoforów powoduje przesunięcie sygnału CD w widmach odpowiednich cząsteczek. Symulacje i eksperymenty 1H NMR sugerują, że bipirydyny i etery fenolowe są zamknięte w chiralnej konformacji w najciaśniejszym węźle, 1, który charakteryzuje się silnymi oddziaływaniami π–π. Jednak luźniejsze węzły mają różne konformacje, które Średnio się dają słabszą odpowiedź CD. Przesunięcie ku czerwieni jest konsekwencją bardziej sprzężonych, płaskich konformacji chromoforów w luźniejszych węzłach. Na dynamikę i konformację splątanych struktur wyraźnie znacząco wpływa szczelność, a ekspresję chiralności można przestrajać przez dokręcenie lub rozluźnienie splątania.

Analiza symulacji dynamiki molekularnej sugeruje, że trendy właściwości obserwowane dla 819 węzłów 1-3 nie są specyficzną konsekwencją specyficznych aromatycznych pierścieni oporowych ich struktur. Fluktuacje atomowe mierzą elastyczność (dużych) układów molekularnych. Są one związane ze współczynnikiem temperatury B (40), który można zmierzyć eksperymentalnie i jest zwykle zgłaszany wraz ze strukturą białka w banku danych o białkach. W symulacjach dynamiki molekularnej wielkość fluktuacji atomowych pierścieni aromatycznych, łańcuchów alifatycznych i całego węzła została uznana za funkcję szczelności( Tabela 1): im mocniej węzeł, tym mniejsze fluktuacje. Trendy są zasadniczo podobne dla każdego z trzech monitorowanych elementów strukturalnych (aromatycznych, alifatycznych i całej cząsteczki).

struktury migawek dynamiki molekularnej, które z powodzeniem symulowały dane eksperymentalne, wykorzystano do zbadania interakcji między fragmentami aromatycznymi a energiami szczepu łańcuchów alkilowych w trzech węzłach (Tabela 1). Obliczenia wykonano na poziomie teorii M06-2x/6-31g(d). Dla oddziaływań między pierścieniami aromatycznymi wyznaczono korektę błędu superpozycji zestawu bazowego za pomocą metody counterpoise (41). W kolejności malejącej szczelności węzłów (1 do 2 do 3) Średnia energia interakcji między fragmentami aromatycznymi zmniejsza się od -48,3 do -40,1 do -23,6 kcal / mol (Tabela 1). Zmienność odzwierciedla większą dynamikę nici, gdy węzły stają się luźniejsze. W tej samej serii średnie Energie szczepów łańcuchów alkilowych zwiększają się z 53,8, 160,0 i 260.1 kcal/mol, ponieważ do każdego łańcucha dodaje się więcej grup metylenowych, zmuszonych przez topologię węzła do przyjęcia napiętych kątów dwuściennych i starć sterycznych CH–CH. Interakcje układania aromatycznego nie generują preferowanych konformacji w bardziej elastycznych węzłach, ale raczej tworzą się w celu złagodzenia napięcia, gdy szczelność wiązania zmusza cząsteczkę do zwiększenia zwartości. Układanie pierścieni aromatycznych jest konsekwencją szczelności węzła, a nie siłą napędową jego konformacji/struktury. Pierścienie aromatyczne w łańcuchach ligandu tris (2,2 ’ – bipirydyny) są niezbędne do syntezy węzłów, a w niektórych przypadkach (1H NMR, widma CD) dostarczają użytecznych sond do eksperymentalnego wykrywania zachowania. Gdyby π-stacking był dominującą interakcją, która determinowała ich konformację, węzły nie byłyby wysoce dynamicznymi układami, które pokazują eksperymenty i symulacje. Dlatego wydaje się prawdopodobne, że trendy obserwowane dla 1-3 nie są bezpośrednio związane z ich szczególnym składem molekularnym, ale ogólnie będą odzwierciedlać aspekty zachowania dotyczące szczelności węzłów w nanoskali.