Synthese molekularer Container unter dem Einfluss von anionischen Templaten
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Molekulare Container sind käfigartige Wirtmoleküle, die ihr Substrat in einem allseitig von der Umgebung abgeschirmten Hohlraum binden. In den letzten Jahren wurden effiziente Methoden entwickelt, solche Strukturen darzustellen. Darüber hinaus wurden interessante Anwendungen für Containermoleküle gefunden, die von der Verkapselung empfindlicher Substrate und deren gezielter Freisetzung bis zum Einsatz in der Nanotechnologie reichen. Es fällt aber auf, dass die Bindungseigenschaften vieler bekannter Containermoleküle auf kinetischen Effekten beruhen, d.h. der Gastaustausch ist stark verlangsamt, da sich hierfür enge Portale auf der Containeroberfläche zunächst aufweiten müssen. Wegen des Fehlens geeigneter Bindungsstellen für das Substrat im Inneren vieler Containermoleküle, sind die entsprechenden Komplexe thermodynamisch meist nicht besonders stabil. Eine Kombination aus kinetischer und thermodynamischer Stabilisierung würde das Anwendungspotenzial von Containermolekülen deutlich erweitern, weswegen im Rahmen dieses Forschungsvorhabens molekulare Container entwickelt werden sollten, die eine funktionalisierte innere Oberfläche besitzen. Die durchgeführten Arbeiten basierten aus Voruntersuchungen in meiner Gruppe, die ergaben, dass ein cyclisches Hexapeptid aus L-Prolin und 6-Aminopicolinsäureuntereinheiten anorganische Anionen, wie Halogenide und Sulfat, in Form von 2:1 Komplexen bindet. In diesen Komplexen befindet sich das Anion in einem Hohlraum zwischen zwei Cyclopeptidringen und bildet Wasserstoffbrücken mit sechs konvergierenden Peptid NH Gruppen aus. Die kovalente Verbrückung zweier Cyclopeptidringe mit mindestens drei Linkern sollte dementsprechend zu den gewünschten Containermolekülen führen. Aufgrund der nach innen gerichteten NH Gruppen ist für solche Verbindung eine effiziente Wechselwirkung mit Anionen zu erwarten. Im Verlaufe der Arbeiten wurden verschiedene synthetische Strategien evaluiert, die sich für den Aufbau der Zielverbindungen eignen. Alle Strategien nutzten Templateffekte von Anionen, wobei das Anion entweder die Aktivierungsenergie senken kann, die zum gewünschten Produkt führt (kinetischer Templateffekt) oder das im Gleichgewicht gebildete gewünschte Produkt stabilisieren kann (thermodynamischer Templateffekt). Keine Erfolge konnten bisher bei Versuchen erzielt werden, Cyclopeptid-basierte Container mittels Alken-Metathese, Iminbildung oder Metallkoordination darzustellen. Demgegenüber wurden Containermoleküle mit zwei Cyclopeptiduntereinheiten erhalten, wenn für die Verknüpfung der beiden Untereinheiten die 1,3-dipolare Cycloaddition oder der Disulfidaustausch verwendet wurde. Bindungsstudien zeigten, dass beide Verbindungen effiziente synthetische Anionenrezeptoren insbesondere für Sulfatanionen in wässrigen Lösungsmittelgemischen darstellen. Eine exakte thermodynamische Charakterisierung der Sulfataffinität des durch 1,3-dipolare Cycloaddition dargestellten Rezeptors lieferte wichtige Informationen zu dem Einfluss der Linkeranzahl und -struktur auf die Bindungseigenschaften. Für den mittels Disulfidaustausch dargestellten Rezeptor existieren bislang nur qualitative Informationen über die Anionenaffinität. Diese zeigen allerdings ganz klar, dass dieser Rezeptor eine enorm hohe Affinität für Sulfatanionen besitzt, die vermutlich von keinem anderen bisher bekannten neutralem Sulfatrezeptor in wässriger Umgebung übertroffen wird. Die Tatsache, dass diese Verbindung unter bestimmten Bedingungen Bariumsulfat aufzulösen vermag, lässt eine Stabilitätskonstante für den Sulfatkomplex im subnanomolaren Bereich erwarten. Untersuchungen, ob dieser Rezeptor die Sulfataffinität des Sulfat-bindenden Proteins übertriflt sind derzeit im Gange. Damit konnte im Rahmen dieses Forschungsvorhabens eindeutig gezeigt werden, dass molekulare Container mit funktionalisierten inneren Oberflächen außerordentiich ungewöhnliche und interessante Eigenschaften besitzen können. Die Arbeiten werden mit dem Ziel fortgesetzt, höhermolekulare Containermoleküle mit mehr als zwei Cyclopeptideinheiten zu generieren.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- "Amino acid containing anion receptors" Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 585-605
S. Kubik
- "A cyclopeptide-derived molecular cage for sulfate ions that closes with a click" Chem. Eur J. 2010, 16, 7241-7255
T. Fiehn, R. Goddard, R. W. Seidel, S. Kubik
- "Anion recognition in water" Chem. Soc. Rev. 2010, 39, 3648-3663
S. Kubik
