Effekter av knuttäthet på molekylär nivå

• molekylära knutar
• supramolekylär Kemi
• kemisk topologi

knutar finns i vissa proteiner (1), linjärt och cirkulärt DNA (2) och polymerer med tillräcklig längd och flexibilitet (3). Strängförvirringarna påverkar molekylstorlek (4), stabilitet (5) och olika mekaniska egenskaper (6 2CG -8), även om mycket av förståelsen för hur och varför fortfarande är oklart. Hittills påverkan av olika strukturella egenskaper, såsom antalet knut korsningar (9), writhe (10), backbone crossing ratio (BCR) (11), och den globala krökningsradie (12), på egenskaper har huvudsakligen studerats genom simuleringar (13-16) snarare än experiment (17, 18). Knot tightness (19 msk -21) är en särskilt lätt att uppskatta egenskap, bekant från vår vardagliga erfarenhet i den makroskopiska världen, som också kan ha betydande effekter på molekylär nivå (4, 22⇓⇓⇓⇓-27). Långa polymerer förutses ha knutna regioner som är både frekventa och täta (25). Tätheten av knutning är inblandad i variationer i termostabiliteten hos intrasslade proteiner (26) och tros ha konsekvenser för draghållfasthet (27). Det är emellertid svårt att bedöma inneboende effekter av knutning genom att jämföra strukturer med ganska olika kemiska kompositioner. Monodispersed syntetiska molekylära knutar är idealiska modeller för att utvärdera påverkan av knutstramning på fysikaliska och kemiska egenskaper (17, 18). Här rapporterar vi experimentellt bestämda egenskapsskillnader i en uppsättning av tre knutna molekyler som endast skiljer sig åt i längden av flexibla regioner (alkylkedjor) som separerar mer styva sektioner (bestående av aromatiska ringar) av strängen. Med hjälp av en flätningsstrategi som tidigare använts för att montera (28) en extremt tätt knuten 192-atomslinga 819 Knut (1) (29) förlängdes de alkenterminerade kedjorna som användes för att stänga den knutna strukturen utan att på annat sätt ändra resultatet av knutsyntesen (Fig. 1). Detta resulterade i en uppsättning av tre 819 molekylära knutar som endast skiljer sig i längden på alkylkedjorna i slingan (1 är 192 atomer Långa, 2 är 216 atomer långa och 3 är 240 atomer Långa, en 25% variation i stränglängd som endast involverar de flexibla regionerna). Vi undersökte egenskaperna hos de olika storlekarna av 1H NMR-spektrometri, masspektrometri, UV-spektroskopi och cirkulär dikroism och använde beräkningsstudier för att förklara rollen som den ökande tätheten av knutning spelar för att förändra fysiskt och kemiskt beteende.

för att utvärdera effekten av knuttäthet på kovalenta bindningsstyrkor utfördes tandemmasspektrometri (MS-MS) experiment på 2+ – toppen (Fig. 4 A, C och E) av knutar 1-3 aktiveras genom kollisionsinducerad dissociation (CID). Detta resulterade i multiplicera laddade joner med en förlust av massa som överensstämmer med kovalent bindningsskission och efterföljande upplösning av den knutna strängen (Fig. 4 B, D och F). Vid ökning av normaliserad kollisionsenergi i 1-eV-steg tills bindningsklyvning inträffade krävde de lösare knutarna (2 och 3) betydligt högre energier (35 respektive 55 eV) för att fragmentera än 1 (28 eV). För varje knut sker alltid vid kol-syrebindningen mellan de centrala bipyridin–och fenyl-bipyridinenheterna, men knutarna visade två distinkta typer av fragmenteringsmönster (typ i, Fig. 4G och typ II, Fig. 4H). För den tätaste knuten 1 följs fragmentering (förlust av en vattenmolekyl; m/z = 1,681.75) av förlust av en intilliggande central bipyridinenhet (m/z = 1,582.67; Fig. 4B, typ I). Däremot kräver den lösaste knuten 3 minst 55 eV för att fragmentera och bildar direkt två nedbrytningsprodukter som vardera innehåller hälften av knuten (m/z = 2,008.36 och 1,810.45; Fig. 4F, typ II). Båda typerna av fragmenteringsmönster observeras med Knut 2 vid 35 eV (Fig. 4D, m/z = 1 849,75 och 1 750,83 för typ I och m / z = 1 840,75 och 1 642,83 för typ II). Tydligt knuttäthet påverkar signifikant kovalent bindningsstyrka; ju hårdare knuten är, desto lättare kan vissa bindningar brytas. De experimentella resultaten överensstämmer med simuleringarna som tyder på att tät knutning tvingar antagandet av konformationer med ansträngda bindningslängder och vinklar.

Wiberg bond Index analys, som genomförs i Gaussian09 svit av program (35) genomfördes med Minnesota 2006 hybrid meta exchange-korrelation funktionell (M06-2x) (36) och Pople bas set med polarisering funktioner, 6-31g (d), på den globala minsta energistrukturer av dubbelt laddade 1 och 3 för att beräkna bindningsordningen av kol–syrebindningen mellan de centrala bipyridin och fenyl–bipyridin enheter (Ce–o–Cd, Fig. 1). Beräkningarna på den tätaste knuten, 1, visar att en av dessa kol–syrebindningar är signifikant svagare än andra och är mer benägna att bryta i CID-MS-experimenten (si bilaga, Fig. S38). Efter klyvning kan den resulterande terminala syreatomen omorganisera sin elektroniska struktur för att tillåta förlust av en vattenmolekyl (Fig. 4G). I den lösaste knuten, 3, kol–syrebindningarna har alla liknande bindningsordningar som är högre än den svaga C-O-bindningen i 1. Detta kan resultera i nästan samtidig klyvning av två C–o-bindningar vid högre energi (si Appendix, Fig. S38), för att producera de två halvorna av 3 observerade experimentellt (Fig. 4H).

effekten av knuttäthet på spektralegenskaperna hos 1-3 undersöktes också. UV-vis-spektra för knutar 1 och 2 är likartade, med en liten minskning av absorptionen vid kazakmax = 306 nm för 2. Absorptionen av den lösaste knuten, 3, minskar emellertid signifikant och är associerad med en 10 nm röd Skift (SI Appendix, Fig. S25). Simulerade spektra, genererade från tidsberoende densitetsfunktionella teoretiska(37) Beräkningar vid M06-2x/6–31g (d) teorinivå, visar att knutarnas elektroniska spektra är mycket känsliga för de två vridningsvinklarna, XX1 och X2, inom fenyl–bipyridindelarna (Fig. 3D och Si bilaga, fikon. S35-S37). Den observerade röda förskjutningen av Knut 3 beror på variationen av XX1 och X2, eftersom den ökade flexibiliteten hos den lösa knuten gör att kromoforerna kan fylla mer konjugerade, plattare konformationer.

en 819 knut är inneboende kiral på grund av dess topologi. Enantiomererna av 1-3 isolerades genom kiral högpresterande vätskekromatografi (HPLC) och analyserades med CD-spektroskopi (Fig. 5 och Si Appendix, fikon. S23 och S24). Varje par knut enantiomerer ger CD-spektra av lika men motsatt form och tecken (38, 39). När knutarna blir lösare från 1 till 3 resulterar förändringen i miljön runt kromoforerna i en röd förskjutning av CD-signalen i spektra för respektive molekyler. Simuleringarna och 1H NMR–experimenten tyder på att bipyridin-och fenoliska etrar är låsta i en kiral konformation i den tätaste knuten, 1, som har starka interaktioner mellan två och två. De lösare knutarna har emellertid en mängd konformationer som i genomsnitt ger ett svagare CD-svar. Det röda skiftet är en följd av de mer konjugerade, platta konformationerna av kromoforerna i de lösare knutarna. Dynamiken och konformationen hos de knutna strukturerna påverkas tydligt avsevärt av täthet, med uttrycket av chiralitet som kan justeras genom att dra åt eller lossa entanglementet.

analys av molekyldynamiksimuleringarna antyder att egenskapstrenderna observerade för 819 knop 1-3 inte är en specifik följd av de speciella aromatiska ringbaserade ryggraden i deras strukturer. Atomfluktuationer mäter flexibiliteten hos (stora) molekylära system. De är kopplade till temperatur B-faktorn (40) som kan mätas experimentellt och rapporteras vanligtvis tillsammans med en proteinstruktur i Proteindatabanken. I molekyldynamiksimuleringarna befanns storleken på atomfluktuationerna hos de aromatiska ringarna, de alifatiska kedjorna och hela knuten vara en funktion av täthet (Tabell 1): ju hårdare knuten är, desto mindre är fluktuationerna. Trenderna är i stort sett lika för var och en av de tre strukturella elementen som övervakas (aromater, alifatik och hela molekylen).

strukturerna för ögonblicksbilder av molekyldynamiken som framgångsrikt simulerade experimentella data användes för att undersöka interaktionerna mellan de aromatiska fragmenten och alkylkedjans spänningsenergier i de tre knutarna (Tabell 1). Beräkningarna utfördes på teorin M06-2x / 6-31g(d). För interaktionerna mellan aromatiska ringar bestämdes korrigeringen för basuppsättningsfel med hjälp av motpunktsmetoden (41). För att minska knuttätheten (1 till 2 till 3) minskar den genomsnittliga interaktionsenergin mellan aromatiska fragment från -48,3 till -40,1 till -23,6 kcal/mol (Tabell 1). Variationen återspeglar den större stranddynamiken när knutarna blir lösare. I samma serie ökar de genomsnittliga belastningsenergierna hos alkylkedjorna från 53,8, 160,0 och 260.1 kcal / mol, eftersom fler metylengrupper läggs till varje kedja, tvingas av knuttopologin att anta ansträngda dihedrala vinklar och CH–CH steriska sammandrabbningar. Aromatiska staplingsinteraktioner genererar inte gynnade konformationer i de mer flexibla knutarna, utan bildar snarare för att lindra belastningen när tätheten av knutning tvingar molekylen att bli mer kompakt. Stapling av aromatiska ringar är en följd av knuttäthet snarare än drivkraften bakom dess konformation/struktur. De aromatiska ringarna i Tris (2,2 ’ – bipyridin) ligandsträngar är nödvändiga för knutsyntesen och i vissa fall (1H NMR, CD-spektra) ger användbara sonder för experimentell detektering av beteende. Om det var den dominerande interaktionen som bestämde deras konformation, skulle knutarna inte vara de mycket dynamiska system som experiment och simuleringar visar att de är. Det verkar därför troligt att trenderna som observerats för 1-3 inte är direkt relaterade till deras speciella molekylära smink men kommer mer generellt att återspegla aspekter av beteende när det gäller knutstramhet vid nanoskalan.