Efectele etanșeității nodurilor la nivel molecular

• noduri moleculare
• chimie supramoleculară
• topologie chimică

nodurile se găsesc în unele proteine (1), ADN liniar și circular (2) și polimeri de lungime și flexibilitate suficiente (3). Entanglementele catenei afectează dimensiunea moleculară (4), stabilitatea (5) și diverse proprietăți mecanice (6-8), deși o mare parte din înțelegerea cum și de ce rămâne neclară. Până în prezent, influența diferitelor trăsături structurale, cum ar fi numărul de treceri de noduri (9), zvârcolirea (10), raportul de traversare a coloanei vertebrale (BCR) (11) și raza globală de curbură (12), asupra proprietăților a fost studiată în principal prin simulări (13 -16), mai degrabă decât prin experiment (17, 18). Etanșeitatea nodului (19 -21) este o caracteristică deosebit de ușor de apreciat, familiară din experiența noastră de zi cu zi în lumea macroscopică, care poate avea și efecte semnificative la nivel molecular (4, 22⇓⇓⇓⇓-27). Se estimează că polimerii lungi au regiuni înnodate care sunt atât frecvente, cât și strânse (25). Etanșeitatea înnodării este implicată în variațiile termostabilității proteinelor încurcate (26) și se crede că are consecințe asupra rezistenței la tracțiune (27). Cu toate acestea, este dificil să se evalueze efectele intrinseci ale înnodării prin compararea structurilor cu compoziții chimice destul de diferite. Nodurile moleculare sintetice monodispersate sunt modele ideale prin care să se evalueze influența strângerii nodurilor asupra proprietăților fizice și chimice (17, 18). Aici raportăm diferențe de proprietate determinate experimental într-un set de trei molecule înnodate care diferă doar în lungimea regiunilor flexibile (lanțuri alchilice) care separă secțiuni mai rigide (compuse din inele aromatice) ale firului. Folosind o strategie de împletire utilizată anterior pentru asamblarea (28) a unei bucle de 192 atomi extrem de strâns înnodate 819 nod (1) (29), lanțurile terminate cu alchenă utilizate pentru închiderea structurii înnodate au fost extinse fără a modifica altfel rezultatul sintezei nodului (Fig. 1). Acest lucru a dus la un set de trei 819 noduri moleculare care diferă doar prin lungimea lanțurilor alchilice din buclă (1 are 192 de atomi lungime, 2 are 216 atomi lungime și 3 are 240 de atomi Lungime, o variație de 25% a lungimii firului care implică doar regiunile flexibile). Am cercetat proprietățile nodurilor de dimensiuni diferite prin spectrometrie 1H RMN, spectrometrie de masă, spectroscopie UV și dicroism circular și am folosit studii computaționale pentru a explica rolul pe care îl joacă etanșeitatea crescândă a nodului în modificarea comportamentului fizic și chimic.

pentru a evalua efectul etanșeității nodului asupra rezistenței legăturii covalente, s-au efectuat experimente de spectrometrie de masă tandem (MS-MS) pe vârful 2+ (Fig. 4 A, C și E) de noduri 1-3 activate prin disociere indusă de coliziune (CID). Acest lucru a dus la multiplicarea ionilor încărcați cu o pierdere de masă în concordanță cu sciziunea legăturii covalente și destrămarea ulterioară a catenei înnodate (Fig. 4 B, D și F). La creșterea energiei de coliziune normalizate în pași de 1-eV până la scindarea legăturii, nodurile mai libere (2 și 3) au necesitat energii semnificativ mai mari (35 și, respectiv, 55 eV) pentru a fragmenta decât 1 (28 eV). Pentru fiecare nod, fisiunea are loc întotdeauna la legătura carbon–oxigen dintre unitățile centrale bipiridină și fenil–bipiridină, dar nodurile au prezentat două tipuri distincte de model de fragmentare (tip I, Fig. 4G și tipul II, Fig. 4H). Pentru cel mai strâns nod 1, fragmentarea (pierderea unei molecule de apă; m/z = 1.681, 75) este urmată de pierderea unei unități centrale bipiridinice adiacente (m/z = 1.582, 67; Fig. 4B, tipul I). În schimb, cel mai slab nod 3 necesită un minim de 55 eV pentru a se fragmenta și formează direct două produse de descompunere care conțin fiecare jumătate din nod (m/z = 2.008, 36 și 1.810, 45; Fig. 4F, tipul II). Ambele tipuri de model de fragmentare sunt observate cu nodul 2 la 35 eV (Fig. 4D, m / z = 1.849, 75 și 1.750, 83 pentru tipul I și m/z = 1.840, 75 și 1.642, 83 pentru tipul II). În mod clar, etanșeitatea nodului afectează în mod semnificativ rezistența legăturii covalente; cu cât nodul este mai strâns, cu atât mai ușor pot fi rupte unele legături. Rezultatele experimentale sunt în concordanță cu simulările care sugerează că înnodarea strânsă forțează adoptarea conformațiilor cu lungimile și unghiurile de legătură tensionate.

analiza indicilor de obligațiuni Wiberg, implementată în suita de programe Gaussian09 (35), a fost realizată cu funcția de corelare meta-schimb hibrid Minnesota 2006 (M06-2x) (36) și setul de bază al lui Pople cu funcții de polarizare, 6-31g(d), pe structurile energetice minime globale ale 1 și 3 încărcate dublu pentru a calcula ordinea legăturii carbon–oxigen între unitățile centrale bipiridină și fenil–bipiridină (Ce–o–Cd, Fig. 1). Calculele privind cel mai strâns nod, 1, arată că una dintre aceste legături carbon–oxigen este semnificativ mai slabă decât altele și este mai probabil să se rupă în experimentele CID-MS (Anexa SI, Fig. S38). După scindare, atomul terminal de oxigen rezultat își poate reorganiza structura electronică pentru a permite pierderea unei molecule de apă (Fig. 4G). În cel mai slab nod, 3, legăturile carbon–oxigen au toate ordine de legătură similare care sunt mai mari decât legătura C–o slabă din 1. Acest lucru poate duce la scindarea aproape simultană a două legături C-O la energie mai mare (apendicele SI, Fig. S38), pentru a produce cele două jumătăți de 3 observate experimental (Fig. 4H).

a fost investigat și efectul etanșeității nodului asupra proprietăților spectrale ale 1-3. Spectrele UV-vis ale nodurilor 1 și 2 sunt similare, cu o ușoară scădere a absorbției la centimax = 306 nm pentru 2. Cu toate acestea, absorbția celui mai slab nod, 3, scade semnificativ și este asociată cu o schimbare roșie de 10 nm (apendicele SI, Fig. S25). Spectrele simulate, generate din calculele teoretice funcționale (37) ale densității dependente de timp la nivelul teoriei M06-2x/6-31g(d), arată că spectrele electronice ale nodurilor sunt extrem de sensibile la cele două unghiuri de torsiune, respectiv la cele de la 01 și 2, în cadrul fragmentelor fenil–bipiridinice (Fig. Apendicele 3D și SI, fig. S35–S37). Schimbarea roșie observată a nodului 3 se datorează variației de la 0 la 1 și 2, deoarece flexibilitatea crescută a nodului liber permite cromoforilor să populeze conformații mai conjugate, mai plate.

un nod 819 este intrinsec chiral în virtutea topologiei sale. Enantiomerii 1-3 au fost izolați prin cromatografie lichidă chirală de înaltă performanță (HPLC) și analizați prin spectroscopie CD (Fig. 5 și apendicele SI, fig. S23 și S24). Fiecare pereche de enantiomeri de noduri oferă Spectre CD de formă și semn egal, dar opus (38, 39). Pe măsură ce nodurile devin mai libere de la 1 la 3, schimbarea mediului în jurul cromoforilor are ca rezultat o schimbare roșie a semnalului CD în spectrele moleculelor respective. Simulările și experimentele 1H RMN sugerează că eterii bipiridinici și fenolici sunt blocați într–o conformație chirală în cel mai strâns nod, 1, care prezintă interacțiuni puternice între orele 1 și 1. Cu toate acestea, nodurile mai libere au o varietate de conformații care în medie pentru a da un răspuns CD mai slab. Schimbarea roșie este o consecință a conformațiilor mai conjugate, plate, ale cromoforilor din nodurile mai libere. Dinamica și conformația structurilor înnodate sunt în mod clar afectate în mod semnificativ de etanșeitate, cu expresia chiralității reglabilă prin strângerea sau slăbirea entanglementului.

analiza simulărilor dinamicii moleculare sugerează că tendințele de proprietate observate pentru 819 noduri 1-3 nu sunt o consecință specifică a coloanei vertebrale pe bază de inele aromatice ale structurilor lor. Fluctuațiile atomice măsoară flexibilitatea sistemelor moleculare (mari). Acestea sunt conectate la factorul de temperatură B (40) care poate fi măsurat experimental și este de obicei raportat împreună cu o structură proteică în Banca de date a proteinelor. În simulările dinamicii moleculare, dimensiunea fluctuațiilor atomice ale inelelor aromatice, ale lanțurilor alifatice și ale întregului Nod s-au dovedit a fi o funcție de etanșeitate (Tabelul 1): cu cât nodul este mai strâns, cu atât fluctuațiile sunt mai mici. Tendințele sunt în general similare pentru fiecare dintre cele trei elemente structurale monitorizate (aromatice, alifatice și întreaga moleculă).

structurile de instantanee ale dinamicii moleculare care au simulat cu succes datele experimentale au fost utilizate pentru a investiga interacțiunile dintre fragmentele aromatice și energiile de tulpină ale lanțurilor alchilice din cele trei noduri (Tabelul 1). Calculele au fost efectuate la nivelul teoriei M06-2x / 6-31g(d). Pentru interacțiunile dintre inelele aromatice, corecția pentru eroarea de suprapunere a setului de bază a fost determinată folosind metoda contrapoziției (41). În ordinea descrescătoare a etanșeității nodului (1 până la 2 până la 3), energia medie de interacțiune dintre fragmentele aromatice se reduce de la -48,3 la -40,1 la -23,6 kcal/mol (Tabelul 1). Variația reflectă dinamica mai mare a firelor pe măsură ce nodurile devin mai libere. În aceeași serie, energiile medii de tulpină ale lanțurilor alchil cresc de la 53,8, 160,0 și 260.1 kcal / mol, deoarece la fiecare lanț se adaugă mai multe grupări de metilen, forțate de topologia nodului să adopte unghiuri Diedre tensionate și ciocniri sterice CH–CH. Interacțiunile de stivuire aromatică nu generează conformații favorizate în nodurile mai flexibile, ci mai degrabă se formează pentru a atenua tensiunea atunci când etanșeitatea înnodării forțează molecula să devină mai compactă. Stivuirea inelelor aromatice este o consecință a etanșeității nodului, mai degrabă decât forța motrice din spatele conformației/structurii sale. Inelele aromatice din firele de ligand Tris (2,2 ‘ – bipiridină) sunt necesare pentru sinteza nodului și, în unele cazuri (1H RMN, spectrele CD), oferă sonde utile pentru detectarea experimentală a comportamentului. Dacă stivuirea în funcție de ecuație ar fi interacțiunea dominantă care le-a determinat conformația, nodurile nu ar fi sistemele extrem de dinamice pe care experimentele și simulările le arată a fi. Prin urmare, se pare că tendințele observate pentru 1-3 nu sunt direct legate de compoziția lor moleculară particulară, ci vor reflecta mai general aspecte ale comportamentului în ceea ce privește etanșeitatea nodurilor la scară nanometrică.