Arbeitsgruppe Kubik

Lehre - Supramolekulare Chemie - Wirt-Gast-Systeme - Clefts

Unter den Begriffen "Molecular Clefts" und "Pinzettenmolekülen" fasst man synthetische Rezeptoren zusammen, die nicht-cyclisch sind, aufgrund einer starren Struktur jedoch konvergierende funktionelle Gruppen besitzen, zwischen denen ein Gast eingelagert werden kann. Der Begriff "Molecular Cleft" wurde ursprünglich von J. Rebek Jr. geprägt. Man versteht darunter Verbindungen, bei denen die Bindung des Substrats in einer Spalte oder Vertiefung des Rezeptors erfolgt.

Während der Begriff "Molecular Cleft" heute selten für nicht-cyclische Rezeptoren verwendet wird, hat sich der Begriff Pinzettenmolekül ("Molecular Tweezer") durchgesetzt. Er wird aber weiter gefasst und man versteht darunter jede Art von nicht-cyclischen Rezeptoren mit konvergierenden funktionellen Gruppen.

Die von Rebek entwickelten Clefts basieren auf der Kemp'sche Säure. Die Methylgruppen am Cyclohexanring nehmen in dieser Verbindung äquatoriale Stellungen ein, sodass die drei Carboxylgruppen konvergieren.

Clefts

Durch Kondensation der Kemp'schen Säure mit einem aromatischen Amin erhält man ein Imid, in dem die verbleibende Carboxylgruppe parallel zum Substituenten des Imids angeordnet ist. Die Rotation um die C–N Bindung kann durch eine Methylgruppe in ortho-Position verhindert werden. Die Reaktion mit aromatischen Diaminen liefert entsprechend nicht-cyclische Rezeptoren, in denen die beiden Carboxylgruppen für die Substratbindung vororientiert sind.

Small CleftSmall Cleft
Medium cleftMedium Cleft
Large CleftLarge Cleft

[Für interaktive Versionen der berechneten Strukturen auf die jeweilige Abbildung klicken]

Der Abstand der beiden Carboxylgruppen wird durch Variation der Struktur des Linkers kontrolliert.

Solche Clefts können mit verschiedenen Substraten wechselwirken:

  • Der kleinste Rezeptor bindet in Form des Dicarboxylats zweiwertige Metallkationen wie Ca2+ oder Mg2+.
  • Der größte Rezeptor bindet in Chloroform Diamine wie Pyrazin oder DABCO.
  • Bei der Bindung von Aminosäuren bindet eine Carboxylgruppe des Rezeptors an die Carboxylgruppe des Substrats. Zusätzlich erfolgt Salzbildung zwischen der anderen Carboxylgruppe des Rezeptors und der Aminogruppe des Gastes.
  • Dicarbonsäuren werden über Wasserstoffbrücken gebunden, die denen ähneln, welche man in Carbonsäuredimeren findet.
  • Neutrale Substrate wie Diketopiperazine können ebenfalls über Wasserstoffbrücken mit dem größten Rezeptor wechselwirken.

Bindungsmodi

Derivate der Rezeptoren ohne die Methylgruppen an den aromatischen Linkern sind konformativ flexibel und können eine C-förmige und eine S-förmige Anordnung einnehmen. Bei Anwesenheit geeigneter Gastmoleküle wird der Rezeptor aber in einer C-förmigen Anordnung fixiert, da nur in dieser eine gleichzeitige Bindung beider Carboxylatgruppen an das eingelagerte Gastmolekül möglich ist. Dieser Mechanismus der Komplexbildung kann als "induced-fit" bezeichnet werden.

Induced-Fit

Die Komplexierung von Nucleobasen, z.B. Adenin, erlauben Derivate der Clefts, in denen zwei Carboxylgruppen der Kemp‘schen Säure in ein unsubstituiertes Imid überführt wurden. Die verbleibende Carboxylgruppe wurde mit aromatischen Aminen gekuppelt. Diese Verbindungen binden Thymin durch Watson-Crick-Basenpaarung mit dem Imid. Eine zusätzliche Stabilisierung des Komplexes erfolgt durch π-π-Wechselwirkungen zwischen dem Substrat und dem parallel angeordneten aromatischen Substituenten des Rezeptors.

Bindung

Die Wechselwirkung solcher Imide mit Amiden wurde in der licht-getriebenen enantioselektiven Organokatalyse für eine intramolekulare [2+2]-Cycloaddition ausgenutzt.

Cycloaddition

[Quelle: Müller, C.; Bauer, A.; Bach, T. Angew. Chem. 2009, 121, 6767-6769: <doi>.]

Eine Cleft zur Bindung von Ethyladenin stellt folgender Rezeptor dar. Er bindet den Gast mit einer Affinität von ca. 105 M-1 in Chloroform.

Ethyladeninrezeptor

[Quelle: Benzing, T.; Tjivikua, T.; Wolfe, J.; Rebek Jr., J. Science 1988, 242, 266-268: <doi>.]

Literatur

  • Rebek Jr., J. "Recent Progress in Molecular Recognition" Top. Curr. Chem. 1988, 149, 189-210: <doi>.
  • Rebek, Jr., J. "Molekulare Erkennung mit konkaven Modellverbindungen" Angew. Chem. 1990, 102, 261-272: <doi>.

Letzte Änderung: 19-05-05. Email

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