Entwicklung von katalytisch aktiven Dendrizymen (= Polyoxometallate in dendritisch verzweigten Amphiphilhüllen) mit enzymanalogem Struktur-Wirkungsprofil
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Theorieteil dieses Gemeinschafts-Forschungsprojekts wurden Methoden der Theoretischen Chemie zur Untersuchung von Polyoxometallaten des Molybdäns (Mo) und des Wolframs (W) in dendritisch (baumartig) verzweigten Amphiphilhüllen eingesetzt. Mit dem Polyoxometallat-Kern und der Amphiphilhülle besitzen diese lonencluster eine gewisse strukturelle Ähnlichkeit zu Enzymen mit Metallatomen im aktiven Zentrum. Da zahlreiche Polyoxometallate zudem als redoxaktive homogene Katalysatoren gut bekannt sind, wurde für die hier zu untersuchenden Systeme der Name Dendrizyme vorgeschlagen. Im Rahmen dieses Gemeinschafts-Forschungsprojekts wurde die Entwicklung katalytisch aktiver Dendrizyme mit enzymanalogem Struktur-Wirkungs-Profil versucht. Aufgabe des Theorieteils war die Gewinnung eines detaillierten, atomar aufgelösten Bildes der Struktur und Dynamik dieser lonencluster in chloroformischer Lösung, insbesondere hinsichtlich der Permeabilität der Dendrimer-Hülle für kleinere Moleküle. Diese Aufgabe wurde in drei Phasen bearbeitet. In der ersten Phase wurden mit Hilfe quantenchemischer Methoden (Kohn-Sham-Dichtefunktionaltheorie) Polyoxometallate (M = Mo oder W; X = P oder Zn) des Lindqvist-Typs, [(O)M6O18]2-, des α-Keggin-Typs, [(XO4)M12O36]q-, des α-Wells-Dawson-Typs, [(XO4)2M18O54]6-, und des Preyssler-Typs, [(XO4)5M30O90]15-, untersucht, um Gleichgewichtsstrukturen, Normalschwingungsfrequenzen und das molekulare elektrostatische Potential zu erhalten. Überraschenderweise fanden sich dabei für die isolierten kleineren Polyoxomolybdate verzerrte Gleichgewichtsstrukturen, in Übereinstimmung mit.experimentellen Befunden, aber im Gegensatz zur Literatur. Für zwei Reihen von Dendrimeren, jeweils drei Verbindungen auf der Basis quartärer Ammonium- und Pyridinium-Ionen, wurden Konformationsstudien durchgeführt und ebenfalls Gleichgewichtsstrukturen und das molekulare elektrostatische Potentiale bestimmt. Die zweite Projektphase umfasste die Justierung von Kraftfeldparametern für die Polyoxometallate und die Dendrimeren. Das zu entwickelnde Kraftfeld sollte in der nachfolgenden Phase in Molekulardynamik-Simulationen an Dendrizym-Modellsystemen mit dem Programmpaket AMBER genutzt werden. Wegen der symmetrieerniedrigenden Verzerrung der Polyoxomolybdate wurde für diese kein Kraftfeld parametrisiert, sondern nur für die hochsymmetrischen Polyoxowoiframate, mit Schwerpunkt auf dem Keggin-Typ. Dabei wurden die molekularen Strukturparameter und das molekulare elektrostatische Potential aus der vorangegangenen Phase verwendet. Durch eine Kombination verschiedener Methoden gelang die Justierung eines Kraftfeldes, welches für den Keggin-Typ gute, für die Lindqvist- und Wells-Dawson-Typen akzeptable Übereinstimmung mit den quantenchemischen Referenzdaten liefert. Schließlich wurden in der letzten Phase Molekulardynamik-Simulationen an insgesamt acht Dendrizym-Modellsystemen durchgeführt, für chloroformische Lösung im NVE- Ensemble unter periodischen Randbedingungen, und für Standardbedingungen von Temperatur und Druck. Die Datenanalyse mit Hilfe sowohl radialer als auch ortsabhängiger Paarverteilungsfunktionen lieferte Hinweise auf einen deutlichen Größenausschlußeffekt der Dendrimerhülle. Spezifischere Informationen lassen sich erst bei Mitberücksichtigung einzelner potentieller Substrate in der Molekulardynamik-Simulation erhalten, und erforderten auch eine größere Variation der Dendrimeren. Die dafür notwendigen Grundlagen liegen hiermit vor.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Kohn-Sham-Dichtefunktionaltheorie-Untersuchung ausgewählter Polyoxometallate (M = Mo, W) und Molekulardynamik-Simulation dendrimer-eingekapselter Keggin-Ionen. Dissertation, Fakultät für Chemie, Universität Bielefeld, Nov. 2006
R. Brodbeck
