Refine
Document Type
- Doctoral Thesis (3)
- Article (1)
Has Fulltext
- yes (4)
Keywords
- supramolecular chemistry (4) (remove)
Faculty / Organisational entity
Work on the use of cyclic peptides or pseudopeptides as synthetic receptors started even before the field of supramolecular chemistry was firmly established. Research initially focused on the development of synthetic ionophores and involved the use of macrocycles with a repeating sequence of subunits along the ring to facilitate the correlation between structure, conformation, and binding properties. Later, nonnatural amino acids as building blocks were also considered. With growing research in this area, cyclopeptides and related macrocycles developed into an important and structurally diverse receptor family. This review provides an overview of these developments, starting from the early years. The presented systems are classified according to characteristic structural elements present along the ring. Wherever possible, structural aspects are correlated with binding properties to illustrate how natural or nonnatural amino acids affect binding properties.
The research presented in this PhD thesis is a contribution to the field of anion recognition in competitive aqueous solvent mixtures. Neutral anion receptors having a cage-type architecture have been developed on the basis of triply-linked bis(cyclopeptides) and their binding properties toward various inorganic anions have been studied.
The synthetic approaches chosen to assemble the targeted container molecules rely on dynamic chemistry under the template effects of anions such as sulfate and halides. As reversible reactions metal-ligand exchange and thiol-disulfide exchange were used. Disulfide exchange has previously provided singly- and doubly-linked bis(cyclopeptide) receptors whose anion affinities in 2:1 acetonitrile/water mixtures approached the nanomolar range. Metal-ligand interactions have so far not been used to assemble bis(cyclopeptides) in our group. The cyclopeptide building blocks required for both approaches, namely cyclic hexapeptides containing alternating 6-aminopicolinic acid and either (2S,4S)-4-cyanoproline or (2S,4S)-4-thioproline subunits could be synthesized successfully.
Self-assembly of the bis(cyclopeptide) held together by coordinative interactions has been attempted by treating the cyclopeptide trinitrile with square-planar palladium (II) complexes. The reaction was followed with different NMR spectroscopic techniques. Unfortunately, none of the experiments provides conclusive evidence that the targeted triply-linked cage was indeed formed.
Bis(cyclopeptides) containing three dithiol derived linkers between the cyclopeptide rings could be synthesizes successfully. Two complexes were isolated, albeit in small amounts, one containing linkers derived from 1,2-ethanedithiol and the other one from 1,3-benzenedithiol that contain a sulfate anion incorporated in the cavity between the cyclopeptide rings. Formation of triply-linked bis(cyclopeptides) containing different types of linkers could be achieved by performing the synthesis in the presence of different dithiols. Unfortunately, the two C3 symmetrical bis(cyclopeptides) containing a single linker type could not be isolated in analytically pure form so that only qualitative binding studies could be performed. Investigations in this context indicate extraordinary sulfate affinity for these bis(cyclopeptides). In particular, affinity of the receptor containing the 1,2-ethanedithiol linkers for sulfate anions is so high that is even able to dissolve barium sulfate under appropriate conditions and presumably exceeds the sulfate affinity of the doubly-linked bis(cyclopeptides). The sulfate anion present in the cavity of this bis(cyclopeptide) can be replaced by a large number of other anions, i.e. by selenate, perrhenate, nitrate, tetrafluoroborate, hexafluorophosphate and halides. None of these complexes proved to be as stable as the corresponding sulfate complex. In addition, 1H-NMR spectroscopic investigations provided information about the solution structure of the bis(cyclopeptide) anion complexes. Sulfate release from the cavity of the receptor is a slow process while exchange of other anions is significantly faster. Another interesting feature that has been observed for sulfate and selenate complexes of the 1,2-ethanedithiol-containing bis(cyclopeptide) is the very slow H/D rate with which protons on amide groups located inside the cavity of the cage are replaced by deuterium atoms in protic deuterated solvents. This effect in combination with the observation that the different deuterated bis(cyclopeptide) species exhibit individual amide NH signals in the 1H-NMR spectrum are indicative for well defined complex geometries with strong hydrogen-bonding interactions between the anion and the amide NH groups of the receptor. Following the H/D exchange rate in the presence of various salts indicated that anion exchange proceeds via the dissociated complex and not by direct replacement of one anion by another one.
Gegenstand der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung neuartiger molekularer Kapseln auf Basis von verbrückten Bis(cyclopeptiden) und die Untersuchung ihrer Anionenaffinität in wässrigen Lösungsmittelgemischen. Als Reaktionen zur Verbrückung der Cyclopeptidringe wurden die Olefinmetathese und die 1,3-dipolare Cycloaddition von Alkinen und Aziden (Click-Reaktion) verwendet, die unter thermodynamischer bzw. kinetischer Kontrolle verlaufen. Neben den dreifach verbrückten Kapseln wurden ebenso die analogen Bis(cyclopeptide) mit nur einem Linker synthetisiert und untersucht. Die Charakterisierung der Bindungseigenschaften dieser Verbindungen hinsichtlich der Komplexierung verschiedener anorganischer Anionen erfolgte mittels Massenspektrometrie, NMR-Spektroskopie und isothermer Titrationskalorimetrie. Alle untersuchten Verbindungen bilden 1:1 Komplexe mit den Anionen, indem sie diese in ihrem Hohlraum über Wasserstoffbrücken binden. Allerdings hat die Anzahl der Linker einen bedeutenden Einfluss auf das Bindungsverhalten der Bis(cyclopeptide). Im Gegensatz zu den neuen, sowie bereits bekannten, einfach verbrückten Bis(cyclopeptiden), verläuft die Komplexierung von Sulfat durch die molekulare Kapsel mit drei Triazollinkern endotherm. Der ungünstige enthalpische Beitrag zur Bindung wird von einem sehr günstigen entropischen Beitrag überkompensiert, was zu einer im Vergleich höheren Sulfataffinität führt. Die Ursache dieses unerwarteten Bindungsverhaltens liegt vor allem an einer schlechten Vororganisation der Kapsel. Ein weiterer großer Unterschied zwischen den einfach und dreifach verbrückten Bis(cyclopeptiden) liegt in der unterschiedlichen Kinetik bei der Sulfatkomplexierung. Durch die Erhöhung der Anzahl der Linker reduziert sich die Geschwindigkeit von Komplexierung und Dekomplexierung deutlich. Diese Untersuchungen lieferten neue Erkenntnisse, wie sich strukturelle Veränderungen auf das Rezeptorverhalten derartiger Systeme auswirken.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Anionenrezeptoren aus einfach und zweifach verbrückten Bis(cyclopeptiden). Die Cyclohexapeptiduntereinheiten bestehen dabei aus einer alternierenden Sequenz aus L-Prolin und 6-Aminopicolinsäure. Im ersten Teil dieser Arbeit wurden eine Reihe neuer einfach verbrückter Bis(cyclopeptide) synthetisiert und mit dem bis jetzt einzigen bekannten verbrückten Bis(cyclopeptid) dieser Art verglichen. Bei diesen Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass die neu dargestellten Bis(cyclopeptide) anorganische Anionen auf die gleiche Art wie das bereits bekannte binden. Dabei wird das Anion kooperativ durch die Cyclopeptiduntereinheiten über sechs Wasserstoffbrücken koordiniert. Mittels isothermer Titrationskalorimetrie (ITC) wurden die thermodynamischen Parameter der Komplexbildung der Anionen mit den Bis(cyclopeptiden) bestimmt. Es stellte sich heraus, dass die Linkerstruktur einen großen Einfluss auf die thermodynamischen Parameter der Komplexbildung besitzt, wenn auch die resultierenden Bindungskonstanten der Rezeptoren für ein Anion in einer ähnlichen Größenordung liegen. Mit einem log Ka von etwa 6,0 konnte in dieser Untersuchung einer der besten neutralen Sulfatrezeptoren in wässrigen Lösungsmitteln identifiziert werden. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde eine Strategie erarbeitet, die den Zugang zu zweifach verbrückten Bis(cyclopeptiden) ermöglicht. Dabei wurde die dynamische kovalente Chemie (DCC) bei der Synthese verwendet. Als reversible Reaktion wurde der Disulfidaustausch eingesetzt. Bei der Synthese wurde ein entsprechend dithiofunktionalisiertes Bis(cyclopeptid) in Anwesenheit verschiedener Dithiole als Linker und eines Templats umgesetzt. Dabei bildete sich die thermodynamisch stabilste Bis(cyclopeptid)-Linker Struktur aus. Es konnten im Laufe dieser Untersuchungen bereits erste Strukturen identifiziert werden, die selektiv für Anionen der Größe und Geometrie von Sulfat und Iodid waren. Dabei wurden nur Bis(cyclopeptide) gebildet, die einen Linker pro Brücke besaßen und es kam nicht zum Einbau verschiedener Linker in ein Bis(cyclopeptid). Im letzten Teil dieser Arbeit wurde überprüft, ob die Entwicklung eines Sensors auf Basis von einfach verbrückten Bis(cycloeptiden) möglich ist. Es konnte gezeigt werden, dass der Einsatz von Bis(cyclopeptiden) als Ionophore in ionenselektiven Elektroden (ISEs) kein viel versprechender Weg zur Erzeugung eines Sensors ist. Durch die Einführung eines fluoreszenzaktiven Linker konnte aber Bis(cyclopeptid) synthetisiert werden, dass in wässrigen Lösungen einen hochselektiven Fluoreszenzsensor für Sulfat darstellt. Dabei kommt es in Anwesenheit von Sulfat, selbst in Anwesenheit von 100 Äquivalenten Natriumchlorid, zu einer Löschung der Fluoreszenz. Keins der anderen acht untersuchten Anionen hatte einen ähnlichen Effekt auf das Fluoreszenzspektrum. Durch theoretische DFT Rechnungen konnte die Löschung der Fluoreszenz rationalisiert werden. Damit eröffnen sich erste praktische Anwendungen für die Bis(cyclopetide).