Открытие хоста - Чжэцзянская группа нативного циклодекстрина

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 8169 (2022) Цитировать эту статью

949 Доступов

8 цитат

Подробности о метриках

Мы предлагаем новую схему исследования взаимодействий хозяин-гость-растворитель в растворах по их газофазным структурам. Приняв нековалентный комплекс перметилированный β-циклодекстрин (perm β-CD)-протонированный L-лизин в качестве прототипной системы, мы представляем спектр инфракрасной многофотонной диссоциации (IRMPD) газофазного комплекса, полученного методом ионизации электрораспылением. Чтобы выяснить структуру перманентного комплекса β-ЦД)/LysH+ в газовой фазе, мы провели квантово-химические расчеты, чтобы определить два сильных пика при 3340 и 3560 см-1 в спектре IRMPD, обнаружив, что карбоксильные формы образуют рыхлые формы. водородная связь с пермским β-ЦД, тогда как аммониевая группа L-лизина находится вдали от пермского звена β-ЦД. Моделируя структуры пермского комплекса β-ЦД/H+/L-лизин в растворе с использованием модели супрамолекулы/континуума, мы обнаружили, что крайне нестабильная структура газовой фазы соответствует наиболее стабильному конформеру в растворе.

Взаимодействия хозяин-гость имеют фундаментальное значение как принцип молекулярного распознавания и самосборки1,2,3. Создание супрамолекулярных функциональных материалов «снизу вверх»4,5,6,7 на основе взаимодействий «хозяин-гость» нашло широкое применение для катализаторов (искусственных ферментов)8,9, зондирования10, доставки лекарств11,12, доставки генов13,14, биовизуализации15, 16, стимул-чувствительные материалы17 и фотодинамическая терапия18,19. Изучение конфигураций хозяин-гость было в центре внимания многих интенсивных исследований20,21,22, однако их тщательное изучение в фазе раствора на молекулярном уровне обычно является трудной задачей. Два компонента комплексов хозяин-гость удерживаются вместе высокоспецифичным связыванием нековалентными силами, чаще всего за счет водородных связей. Компонентами-хозяевами обычно являются большие молекулы, такие как циклодекстрины23,24, каликс[n]арены25,26 или кукурбит[n]урилы27. Гидрофобная полость макроциклической молекулы-хозяина обычно инкапсулирует некоторую часть гостя, тогда как внешние края хозяина имеют тенденцию быть гидрофильными. Детали взаимодействий и связываний между функциональными группами хозяина и гостя представляют особый интерес в отношении молекулярного распознавания. Один из наиболее интригующих вопросов, касающихся комплексов хозяин-гость, заключается в том, могут ли их структуры, наблюдаемые в газовой фазе, отражать взаимодействия хозяин-гость-растворитель в растворе или нет. Если существует тесная связь между структурами комплексов хозяин-гость в двух фазах, то определение их конфигурации в газовой фазе, которая может быть более однозначной, чем структуры фазы раствора (по крайней мере, за счет отсутствия растворителя в среде), может дают бесценную информацию о детальном взаимодействии между хозяином и гостем (а также молекулами растворителя). Решая этот весьма важный вопрос, мы описываем здесь новый протокол для изучения взаимодействий хозяин-гость-растворитель в растворе путем выяснения структуры газофазных комплексов хозяин-гость. Мы используем пермский комплекс β-CD/LysH+ в качестве прототипа системы хозяин-гость для продвижения схемы.

Сначала мы получаем спектры IRMPD газофазного перманентного комплекса β-CD/H+/L-Lys, полученного методом ESI/MS. Мы определяем газофазную структуру пермского β-CD/H+/L-Lys путем сравнения расчетных ИК-спектров с экспериментально наблюдаемыми IRMPD28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39 спектр комплекса перм-ЦД/L-LysH+. Мы провели квантово-химические расчеты для двух интенсивных полос при 3340 и 3560 см-1, отнеся их к модам растяжения боковой цепи аммония и карбоксильной группы соответственно. Во-вторых, мы показываем, что свободная энергия Гиббса экспериментально наблюдаемого газофазного комплекса (Комплекс I), полученного методом ESI/масс-спектрометрии (ESI/MS) из фазы раствора, значительно выше (на ~ 30 ккал/моль), чем у низшего гиббсовского комплекса. структура свободной энергии (Комплекс II), демонстрирующая, что газофазный комплекс крайне нестабилен в термодинамическом смысле (что также наблюдалось для газофазной перманентной среды β-CD/H+/G, G = аланин40, изолейцин41, H2O42). В-третьих, приняв супрамолекулярный/континуальный подход, мы моделируем структуры перманентного комплекса β-ЦД/H+/L-Lys в растворе, тем самым обнаруживая, что относительная термодинамическая стабильность перманентного комплекса β-ЦД/H+/L-Lys в растворе представляет собой полную противоположность тому, что происходит в газовой фазе: структура газовой фазы с чрезвычайно высокой свободной энергией Гиббса (Комплекс I) соответствует наиболее стабильному конформеру (Комплекс А) в растворе, а наиболее стабильный конформер газовой фазы (Комплекс II) становится менее устойчивый (Комплекс Б) в растворе. Это ясно указывает на то, что источником газофазной структуры с высокой свободной энергией Гиббса (Комплекс I) является конфигурация (Комплекс А) перманентного β-CD/H+/L-Lys в растворе, что позволяет предположить, что структура газовой фазы хозяин-гость Комплексы, полученные с помощью метода ESI/MS/IRMPD43, могут использоваться в качестве очень полезного и точного ориентира для исследования взаимодействия хозяин-гость-растворитель в растворе.

3100 cm−1. Two intense bands at 3340 and 3560 cm−1 are noticeable. The band at 3560 cm−1 is very similar to carboxyl stretch band (~ 3570 cm−1) of the “free” gas phase amino acids44, indicating that it may be assigned a –OH stretch mode of nearly isolated carbonyl group. The theoretical spectrum (calculated at wB97X-D/6-31G* level of theory, using a scale factor of 0.940868 to correct for the DFT errors and anharmonic effects) of Complex I, which fully accounts for the IRMPD spectrum, is also depicted in Fig. 1a along with the normal modes of the absorption bands in Fig. 1b, and the corresponding gas phase perm β-CD/H+/L-Lys structure. The calculated infrared (IR) spectrum for Complex I exhibits two strong bands at 3348 and 3552 cm−1, which is the characteristic feature of the experimental spectrum in Fig. 1a. The two intense bands at 3226 and 3319 cm−1 in the IR spectrum are assigned as the asymmetric stretch of the ammonium and the carboxyl –OH stretch mode, respectively (Fig. 2a). Very weak absorptions at 3393 and at 3323 cm−1 are asymmetric and symmetric –NH2 stretch modes, respectively, but they seem to be so weak that they are almost indistinguishable from background noise in the experimental spectrum./p> 9.9 kcal/mol). This seems to result from the differences in the structural features of Complex A vs. Complex B/C: In all three complexes the carboxyl interacts both with a water molecule and the perm β-CD unit, but the strength of interactions decreases from A to B to C, the H2O–perm β-CD distance increasing from 1.601 to 2.075 and to 2.432 Å. Moreover, two water molecules directly interact with the side chain –NH3+, and are in close contact with other H2O molecules in a chain-like form in Complex A. In contrast, only a more or less isolated H2O molecule binds to the latter functional group inside the cavity of the perm β-CD unit in Complex B/C. Therefore, we conclude that the most stable Complex A in solution is effused by the ESI method into the gas phase, and that the resulting Complex I is observed in gas phase without thermal relaxation to the lower free energy gas phase structures. From the structure of Complex A in Fig. 3, we may now visualize the host–guest–solvent interactions between the perm β-CD, L-LysH+ and solvent molecules in solution: The L-LysH+ guest situates at the rim of the perm-CD host, not encapsulated inside it. The ammonium forms weak hydrogen bonding with the perm β-CD unit, being surrounded by two water molecules. The amino group is enveloped by 3 H2O molecules off the host perm β-CD. The carboxyl weakly interacts with the perm β-CD bridged by a water molecule, also binding to 3 H2O molecules away from the host. These solvating water molecules are linked by a number of other interconnecting water molecules, together forming the first shell around the perm β-CD/L-LysH+ complex. (Details of interactions between the perm β-CD host, the L-LysH+ guest and solvent molecules in solution are described in Figure S3–S5). It would also be worth noticing that the structural features (locations of the guest functional groups relative to the host) of the host–guest complex in solution phase (Complex A) are more or less retained in gas phase (Complex I), although some bond distances seem to relax closer to the host when the solvent molecules are removed from Complex A to form the gas phase Complex I by the ESI procedure: For example, the distance between an ammonium H atom and a perm β-CD O atom in Complex A becomes shorter (from 2.537 to 1.813 Å), and that between the carboxyl H atom and a perm β-CD O atom relaxes from 3.041 to 2.313 Å (Fig. 4)./p>

3.0.CO;2-1" data-track-action="article reference" href="https://doi.org/10.1002%2F%28SICI%291097-0231%2819981230%2912%3A24%3C2016%3A%3AAID-RCM430%3E3.0.CO%3B2-1" aria-label="Article reference 21" data-doi="10.1002/(SICI)1097-0231(19981230)12:243.0.CO;2-1"Article ADS CAS Google Scholar /p>