Efeitos da aperto do nó a nível molecular

• molecular nós
• química supramolecular
• química topologia

Nós são encontrados em algumas proteínas (1), linear e circular de DNA (2), e polímeros de suficiente comprimento e flexibilidade (3). Os envolvimentos da cadeia afetam o tamanho molecular (4), estabilidade (5) e várias propriedades mecânicas (6⇓ – 8), embora muito do entendimento sobre como e por que permanece incerto. Até o momento, a influência de vários traços estruturais, como o número de cruzamentos de nós (9), writhe (10), backbone crossing ratio (BCR) (11), e o raio global de curvatura (12), em Propriedades tem sido estudada principalmente por simulações (13 ⇓ ⇓ – 16) ao invés de experimentos (17, 18). Aperto de nó (19⇓ – 21) é uma característica particularmente fácil de apreciar, familiar da nossa experiência diária no mundo macroscópico, que também pode ter efeitos significativos a nível molecular(4, 22⇓⇓⇓⇓-27). Prevê-se que os polímeros longos tenham regiões pontilhadas que sejam frequentes e apertadas (25). A estanquidade da knotting está implicada em variações na termostabilidade das proteínas enredadas (26) e acredita-se que tenha consequências para a resistência à tracção (27). No entanto, é difícil avaliar os efeitos intrínsecos da knotting comparando estruturas com composições químicas bastante diferentes. Os nós moleculares sintéticos monodisterizados são modelos ideais para avaliar a influência da aperto de nós nas propriedades físicas e químicas (17, 18). Aqui relatamos diferenças de propriedade determinadas experimentalmente em um conjunto de três moléculas pontilhadas que diferem apenas no comprimento das regiões flexíveis (cadeias de alquila) que separam seções mais rígidas (compostas de anéis aromáticos) da cadeia. Usando uma estratégia de trança anteriormente usada para montar (28) um laço de 192 átomos extremamente apertado de 819 nós (1) (29), as cadeias terminadas com alceno usadas para fechar a estrutura pontilhada foram estendidas sem alterar de outra forma o resultado da síntese de nós (Fig. 1). Isto resultou em um conjunto de três 819 molecular nós, que diferem apenas no comprimento das cadeias alquílicas no loop (1 192 átomos de comprimento, 2 é 216 átomos de comprimento, e 3 é de 240 átomos de comprimento, 25% de variação na vertente de comprimento, envolvendo apenas o flexível regiões). Nós sondamos as propriedades dos diferentes nós de tamanho por espectrometria de 1H NMR, espectrometria de massa, espectroscopia UV, e dicroismo circular, e usamos estudos computacionais para ajudar a explicar o papel que a aperto crescente de knotting desempenha na Alteração do comportamento físico e químico.

para avaliar o efeito da aperto dos nós nas forças de ligação covalentes, experimentos de espectrometria de massa tandem (MS-MS) foram realizados no pico 2+ (Fig. 4 A, C E e) de nós 1-3 activados por dissociação induzida por colisão (CID). Isto resultou em íons multiplicados carregados com uma perda de massa consistente com a cisão covalente de bond e subsequente desvendamento da cadeia pontilhada (Fig. 4 B, D E F). Ao aumentar a energia de colisão normalizada em etapas 1-eV até que a clivagem de ligação ocorreu, os nós mais largos (2 e 3) exigiram energias significativamente mais elevadas (35 e 55 eV, respectivamente) para fragmentar que 1 (28 eV). Para cada nó, a cisão sempre ocorre na ligação carbono-oxigênio entre a bipiridina central e as unidades fenil-bipiridina, mas os nós mostraram dois tipos distintos de padrão de fragmentação(tipo I, Fig. 4G e tipo II, Fig. 4H). Para o nó mais apertado 1, a fragmentação (perda de uma molécula de água; m/z = 1,681.75) é seguida pela perda de uma unidade bipiridina Central adjacente (m/z = 1,582.67; Fig. 4B, tipo I). Em contraste, o nó 3 mais solto requer um mínimo de 55 eV para fragmentar e diretamente forma dois produtos de decomposição que cada um contém metade do nó (m/z = 2.008.36 e 1.810.45; Fig. 4F, tipo II). Ambos os tipos de padrão de fragmentação são observados com nó 2 a 35 eV(Fig. 4D, m / z = 1,849, 75 e 1,750, 83 para os tipos I E m/z = 1,840, 75 e 1,642, 83 para os tipos II). Claramente aperto de nó afeta significativamente a força de ligação covalente; quanto mais apertado o nó, mais facilmente algumas ligações podem ser quebradas. The experimental results are consistent with the simulations that suggest that tight knotting forces the adoption of conformations with strained bond lengths and angles.

Wiberg bond índices de análise, como implementado no Gaussian09 conjunto de programas (35) foi realizado com o Minnesota 2006 híbrido meta de troca-correlação funcional (M06-2X) (36) e Pople de base definido com funções de polarização, 6-31G(d), no mínimo global de energia, estruturas de duplamente cobrado 1 e 3 para calcular a ordem de ligação do carbono–oxigênio vínculo entre a central bipyridine e fenil–bipyridine unidades (Ce–O–Cd, Fig. 1). Os cálculos sobre o nó mais apertado, 1, mostram que uma dessas ligações carbono–oxigênio é significativamente mais fraca do que outras e é mais provável de quebrar nos experimentos CID-MS (Apêndice SI, Fig. S38). Após clivagem, o átomo terminal de oxigênio resultante pode reorganizar sua estrutura eletrônica para permitir a perda de uma molécula de água (Fig. 4G). No nó mais solto, 3, as ligações carbono-oxigênio todos têm ordens de ligação semelhantes que são maiores do que a ligação C–O fraca em 1. Isto pode resultar em clivagem quase simultânea de duas ligações C-O em energia superior (Apêndice SI, Fig. S38), para produzir as duas metades de 3 observadas experimentalmente (Fig. 4H).

the effect of knot tightness on the spectral properties of 1-3 was also investigated. Os espectros UV-vis de nós 1 e 2 são semelhantes, com uma ligeira diminuição na absorção a λmax = 306 nm para 2. No entanto, a absorção do nó mais solto, 3, diminui significativamente e está associada a um desvio vermelho de 10 nm (Apêndice SI, Fig. S25). Espectros simulados, gerados a partir de cálculos teóricos funcionais da densidade dependente do tempo (37) no nível da teoria M06-2X/6–31G(d), mostram que os espectros eletrônicos dos nós são altamente sensíveis aos dois ângulos de torção, θ1 e θ2, dentro dos grupos fenil–bipiridina (Fig. 3D e si Appendix, Figs. S35-S37). The observed red shift of knot 3 is due to the variation of θ1 and θ2 as the increased flexibility of the loose knot allows the chromophores to poplate more conjugated, flatter, conformations.Um nó 819 é intrinsecamente quiral em virtude de sua topologia. Os enantiômeros de 1-3 foram isolados por cromatografia líquida quiral de alta resolução (HPLC) e analisados por espectroscopia CD (Fig. 5 e si Apêndice, figos. S23 e S24). Cada par de enantiômeros de nós dá espectros de CD de forma igual mas oposta e sinal (38, 39). À medida que os nós se afrouxam de 1 a 3, a mudança no ambiente em torno dos cromóforos resulta em uma mudança vermelha do sinal CD no espectro das respectivas moléculas. The simulations and 1H NMR experiments suggest that the bipyridine and phenolic ethers are locked in a chiral conformation in the tightest knot, 1, which features strong π–π interactions. No entanto, os nós mais soltos têm uma variedade de conformações que Média para dar uma resposta CD mais fraca. O desvio vermelho é uma consequência das conformações mais conjugadas, planas, dos cromóforos nos nós mais soltos. A dinâmica e conformação das estruturas pontilhadas são claramente afetadas pela aperto, com a expressão de quirialidade sintonizável por apertar ou afrouxar o entrelaçamento.

a análise das simulações da dinâmica molecular sugere que as tendências de propriedades observadas para 819 nós 1-3 não são uma consequência específica das espigas de anéis aromáticos das suas estruturas. As flutuações atómicas medem a flexibilidade dos sistemas moleculares (grandes). Eles estão conectados ao fator de temperatura B (40) que pode ser medido experimentalmente e é geralmente relatado juntamente com uma estrutura proteica no banco de dados de proteínas. Nas simulações da dinâmica molecular, o tamanho das flutuações atômicas dos anéis aromáticos, as cadeias alifáticas e todo o nó foram encontrados para ser uma função da aperto (Tabela 1): Quanto mais apertado o nó, menor as flutuações. As tendências são amplamente semelhantes para cada um dos três elementos estruturais monitorados (aromáticos, alifáticos e a molécula inteira).

As estruturas de instantâneos de dinâmica molecular que, com sucesso, simulados os dados experimentais foram utilizados para investigar as interações entre os aromáticos fragmentos e a tensão energias das cadeias alquílicas nos três nós (Tabela 1). Os cálculos foram realizados no nível teórico M06-2X / 6-31G (d). Para as interacções entre anéis aromáticos, a correcção do erro de superposição dos conjuntos de base foi determinada utilizando o método de contraposição (41). Por ordem decrescente de aperto dos nós( 1 a 2 a 3), a energia de interação média entre fragmentos aromáticos reduz-se de -48,3 a -40,1 a -23,6 kcal/mol (Tabela 1). A variação reflete a maior dinâmica da cadeia à medida que os nós se tornam mais soltos. Na mesma série, as energias médias das cadeias de alquil aumentam de 53.8, 160.0 e 260.1 kcal/mol, como mais de metileno grupos são adicionados a cada cadeia, forçado pelo nó de topologia para adotar tensas ângulos de diedro e CH–CH estéricos confrontos. As interações aromáticas de empilhamento não geram conformações favorecidas nos nós mais flexíveis, mas sim forma para aliviar a tensão quando a aperto da knotting força a molécula a tornar-se mais compacta. O empilhamento de anéis aromáticos é uma consequência da aperto do nó ao invés da força motriz por trás de sua conformação/estrutura. Os anéis aromáticos nas cadeias de ligando Tris (2,2′-bipiridina) são necessários para a síntese dos nós e, em alguns casos (1H NMR, espectros CD), fornecem sondas úteis para a detecção experimental do comportamento. Se o empilhamento de π fosse a interação dominante que determinava sua conformação, os nós não seriam os sistemas altamente dinâmicos que experimentos e simulações mostram que são. Portanto, parece provável que as tendências observadas para 1-3 não estão diretamente relacionadas com a sua composição molecular particular, mas irá refletir mais geralmente aspectos do comportamento em relação à aperto de nó na nanoscala.