Arbeitsgruppe Kubik

Lehre - Supramolekulare Chemie - Selbstaggregation - Wasserstoffbrücken

Der Prototyp eines natürlichen selbstaggregierenden Systems, das u.a. durch Wasserstoffbrücken stabilisiert wird, ist die DNA Doppelhelix.

Nucleobasenpaarung

Zu einer wirksamen Wechselwirkung kommt es, wenn sich ein Wasserstoffbrückendonor (z.B. N–H) und ein Wasserstoffbrückenakzeptor (z.B. N oder O) gegenüberliegen. Dabei hängt die Stabilität der Aggregate von der Anzahl der Wasserstoffbrücken ab. Darüber hinaus spielen sekundäre Wechselwirkungen eine Rolle. Diese führen z.B. dazu, dass erheblich stabilere Aggregate zwischen Verbindungen gebildet werden, in denen ein Bindungspartner nur Wasserstoffbrückenakzeptoren enthält und der andere nur Wasserstoffbrückendonoren als zwischen Verbindungen, die sowohl Wasserstoffbrückenakzeptoren als auch -donoren enthalten.

Wasserstoffbrückenmuster

[Quelle: Djurdjevic, S.; Leigh, D: A.; McNab, H.; Parsons, S.; Teobaldi, G.; Zerbetto, F. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 476-477: <doi>.]

Die einfachsten heterocyclischen Systeme, die durch Bildung eines definierten Musters von Wasserstoffbrücken selbstaggregieren, sind Cyanursäure und Melamin.

Cyanursäure-Melamin

Vereinfacht man die beiden Verbindungen strukturell und verhindert dadurch die Bildung dreidimensionaler Netzwerke, so kann man niedermolekulare Aggregate erhalten.

Modi

Es hängt von Lösungsmittel und von anderen Faktoren ab, welche Struktur bevorzugt wird. Bei Verwendung von Heterocyclen der unten dargestellten Struktur ist nur eine lineare Anordnung möglich.

Lineare

U.a. sind im Arbeitskreis um J.-M. Lehn weitere heterocyclische Verbindungen synthetisiert worden, die über Wasserstoffbrücken aggregieren. Lehn nennt diese Moleküle Janus-Moleküle (vom griechischen Gott Janus, der zwei Gesichter hat), da sie an beiden Seiten des Moleküls Wasserstoffbrückenakzeptoren und -donoren besitzen.

Janus

Die cyclische Anordnung der Barbitursäure und Pyrimidinringe wird auch als Rosette bezeichnet. Mit der gezielten Darstellung solcher Aggregate haben sich vor allem die Gruppen um G. M. Whitesides und D. N. Reinhoudt beschäftigt.

Rosette

Ein rosettenförmiges Aggregat aus Barbitursäure und Pyrimidin besteht aus sechs Molekülen und wird über 18 Wasserstoffbrücken stabilisiert. Aus entropischen Gründen ist die Selbstaggregation ungünstig. Durch Anwendung von zwei grundlegenden Prinzipien kann man aber die Bildung einer Rosette erreichen.

Präorganisation: Drei identische Komponenten der Rosette werden kovalent verknüpft, was bei geeigneter Wahl der Spacer zu einer Präorganisation führt. Außerdem wird der entropische Term bei der Selbstaggregation günstiger, da nur noch 1+3 Moleküle aggregieren.

Gruppenhäufung: Durch Einführung großer Substituenten in der Peripherie der Rosette wird die Bildung linearer Aggregate benachteiligt.

Rosettenbildung

Auf diese Weise konnten verschiedene Rosettenarchitekturen realisiert werden.

Monorosetten

Monorosetten

Bis(rosetten)

Bis(rosetten)

In der Gruppe um D. N. Reinhoudt wurden Bis(rosetten) entwickelt, die durch Selbstaggregation von Calix[4]arenen mit Melaminsubstituenten und Barbitursäurederivaten entstehen.

Calixarenrosette

Bei diesem System lagern sich drei Calixarene und sechs Barbiturate zusammen, sodass ein Aggregat aus insgesamt neun Komponenten, stabilisiert durch 36 Wasserstoffbrücken entsteht.

Kristallstruktur der Bis(rosette)

Kristallstruktur

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[Quelle: Timmerman, P.; Vreekamp, R. H.; Hulst, R.; Verboom, W.; Reinhoudt, D. N.; Rissanen, K.; Udachin, K. A.; Ripmeester, J. Chem. Eur. J. 1997, 3, 1823-1832: <doi>.]

Bei diesem System können, in Abhängigkeit der Konformation der Calixarenkomponente vier stereoisomere Aggregate entstehen.

Staggered

Staggered

Eclipsed

Eclipsed

Diethylbarbiturate führen bevorzugt zur Bildung des Racemats der Rosetten mit dem staggered Calix[4]aren Konformer. In anderen Fällen ist die Situation komplizierter.

So wird die Rosette mit einer eclipsed Anordnung der einzelnen Komponenten durch sterische Wechselwirkung von Substituenten an den Barbitursäureuntereinheiten stärker benachteiligt, als die Rosette mit der der staggered Anordnung.

Eine elegante Methode zur Postfunktionalisierung solcher Rosetten beruht auf dem sogenannten covalent capture. Enthalten die Melamineinheiten Reste mit terminalen Doppelbindungen (R' = -(CH2)6CH=CH2), so kann man die einzelnen Einheiten durch Olefin-Metathese miteinander verknüpfen. Aus strukturellen Gründen bildet sich aus Bisrosetten mit der gestaffelten Anordnung der Einzelrosetten nach Abspaltung der verbrückenden Barbitursäureeinheiten ein Makrocyclus mit drei Calixareneinheiten. Die intramolekulare Verknüpfung der Kettenenden, die zu drei isolieren Calixarenderivaten führt, wird nicht beobachtet.

Covalent

Tragen die Melamineinheiten chirale Substituenten R', so kann die Selbstaggregation zur enantioselektiven Bildung einer chiralen Rosette mit P- oder M-Anordnung der Calixarenuntereinheiten führen.

Chirales

Interessanterweise können die chiralen Bausteine in diesen Aggregaten sukzessive gegen nicht-chirale Komponenten ausgetauscht werden, ohne dass die übergeordnete Chiralität der Rosette verloren geht. Dieser Effekt wird als chiral memory bezeichnet.

Auch die Wirt-Gast-Chemie solcher Bis(rosetten) wurde in der Reinhoudt-Gruppe untersucht. So wurde eine Interkalation von Gastmolekülen mit ausgedehnten π-Systemen (Anthracenderivate) zwischen die beiden Rosetten beobachtet.

Zur Synthese von selbstaggregierenden Systemen, die bei der Aggregation einen Hohlraum definierter Größe umgeben, kann man:

  • zwei halbschalenförmige Untereinheiten über Wasserstoffbrücken zu einer Kapsel zusammenfügen,
  • Untereinheiten verwenden, die neben Wasserstoffbrückenakzeptoren und -donoren eine charakteristische konkave Gestalt besitzen. Dadurch ist gewährleistet, dass eine Aggregation unter Ausnutzung der maximal möglichen Anzahl von Wasserstoffbrücken zur Bildung eines mehr oder weniger sphärischen Komplexes führt.

Ausgehend von Glycoluril wurde in der Gruppe von J. Rebek eine molekulare Kapsel entwickelt, die aus zwei miteinander wechselwirkenden Molekülen des Glycolurilderivats besteht. Glycoluril besitzt eine gekrümmte Form. Bei Aggregation zweier identischer Moleküle über Wasserstoffbrücken entsteht eine sphärische Kapsel, an deren Saum, welche der Naht in einem Tennisball folgt, 8 Wasserstoffbrücken für eine Stabilisierung sorgen.

Tennisball

Tennisball

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Das innere Volumen dieser Kapsel beträgt 50-55 Å3. Dadurch können nur kleine Gäste, wie Methan, Xenon oder Lösungsmittelmoleküle, aufgenommen werden. In polaren Lösungsmitteln ist die Kapsel nicht stabil und dissoziiert in die Untereinheiten.

Ausgehend von einem ausgedehnteren Bis(glycoluril) kann eine Kapsel mit vergrößerter Kavität aufgebaut werden. Dieser sogenannte Softball wird durch Wasserstoffbrücken zwischen den Glycourilresten und zwischen den Amid Carbonylgruppen und den OH-Gruppen stabilisiert. Der Hohlraum ist immerhin so groß, dass ein Adamantanmolekül eingelagert werden kann.

Softball

Softball

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Interessanterweise kann der Softball auch als Reaktionskammer eingesetzt werden.

Diels-Alder-Reaktion

Donut

Donut

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Football

Football

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Calix[4]aren Kapsel

Die zweite Strategie zur Synthese von Kapseln basiert auf der Aggregation von geeigneten makrocyclischen Untereinheiten. Dimere und hexamere Aggregate von Resorcinarenen wurden bereits vorgestellt. Diese sind allerdings oft häufig nur im Kristall stabil. Eine stabile Kapsel bildet sich in organischen, nicht-kompetitiven Lösungsmitteln bei Aggregation von zwei Calix[4]arenmolekülen, die an geeigneten Positionen Harnstoffsubstituenten tragen.

Calixarenkapsel

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Der Hohlraum zwischen den beiden Calixarenmolekülen ist groß genug für den Einschluss einfacher alicyclischer oder aromatischer Moleküle bzw. von bi- oder tricyclischen Verbindungen.

Von der Gruppe um V. Böhmer konnte auf Basis dieser Kapseln eine Synthese von Bis[2]catenanen realisiert werden. Ähnlich wie bei den Rosetten von Reinhoudt basiert diese Synthese ebenfalls auf der intermolekularen Verknüpfung der beiden Calixareneinheiten einer Kapsel durch Olefin-Metathese.

Calixaren-basiertes

[Quelle: Vysotsky, M. O.; Bolte, M.; Thondorf, I.; Böhmer, V. Chem. Eur. J. 2003, 9, 3375-3382: <doi>.]

Aus dieser ersten statistischen Bis[2]catenansynthese wurde in der Folge eine gezielte Variante entwickelt.

Gezielte

Gezielte

Ausbeute des Bis[2]catenans bis zu 50% wenn beide Ringschlüsse gleich wahrscheinlich sind. Experimentell: 49%.

(Beachte, dass in diesem Fall eine Decylkette gebildet wird aber bei dem statistischen Verfahren aufgrund des anderen Substituenten eine Tetradecylkette. Unter den für die statistische Synthese verwendeten Bedingungen wird aus dem tetrafunktionalisieren Calixaren mit den kürzeren Ketten kein Bis[2]catenan gebildet.)

Gezielte

Ausbeute des Bis[2]catenans bis zu 100%, da nur ein Ringschluss möglich. Experimentell: 65%.

(Die Verknüpfung der jeweils anderen möglichen Paare von Olefinen führt zu dem enantiomeren Bis[2]catenan.)

[Quelle: Bogdan, A.; Vysotsky, M. O.; Ikai, T.; Okamoto, Y.; Böhmer, V. Chem. Eur. J. 2004, 10, 3324-3330: <doi>.]

Die größte dimere Kapsel, die in Lösung stabil ist, wurde wiederum von der Gruppe um J. Rebek Jr. beschrieben. Sie basiert auf den in derselben Gruppe entwickelten vertieften Cavitanden. Diese Verbindungen aggregieren unter Bildung einer vasenförmigen Kapsel, die durch 16 Wasserstoffbrücken stabilisiert wird.

Cavitandkapsel

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Diese Kapsel hat einen so großen Hohlraum, dass zwei Aromaten eingelagert werden können. Optimal wird der Hohlraum z.B. von einem Molekül Benzol und einem Molekül p- Xylol ausgefüllt. Auch zwei Picolinmoleküle können in den Hohlraum eingelagert werden.

Komplexstruktur

Die chemischen Verschiebungen der Signale der Methylgruppe von α-, β- und γ-Picolin in einer Kapsel mit zwei identischen Gastmolekülen zeigt, dass die Gäste bevorzugt mit dem Ringstickstoff in der Nähe des Kapseläquators angeordnet sind. Sie können entlang der Moleküllängsachse rotieren. Ein Platztausch ist aber nicht möglich. In Anwesenheit verschiedener Picolinisomere in Lösung beobachtet man auch die Bildung von Kapseln mit zwei unterschiedlichen Gastmolekülen.

Picolinkomplexe

Diese Kapsel bindet darüber hinaus Alkane. Dabei beobachtet man, dass Undecan (C11H24) in der thermodynamisch günstigsten zick-zack Konformation am besten in den Hohlraum der Kapsel passt und dementsprechend den stabilsten Komplex bildet. Kürzere Alkane bilden aufgrund verringerter hydrophober Kontakte mit der inneren Kapseloberfläche (Dispersionswechselwirkungen) weniger stabile Komplexe. Bis zu Tetradecan werden auch längere Alkane gebunden, welche aber für die Komplexbildung Konformationen mit thermodynamisch ungünstigen gauche Anordnungen annehmen müssen. Der dafür notwendige Energiebetrag verringert die Komplexstabilität, kann aber teilweise durch Wechselwirkung der helikalen Gäste mit der inneren Kapseloberfläche kompensiert werden.

GastKrel in d12-MesitylenAnzahl gauche Anordnungen
n-C9H200,30
n-C10H2216,90
n-C11H241000
n-C12H2624,44
n-C13H281,08
n-C14H300,00811

Alkankomplexe

Länge C14H30 in gestreckter Konformation 20,0 Å

Länge C14H30 in helikaler Konformation 15,5 Å

Helikale Konformationen eigelagerter Alkane wirken wie eine kontrahierte Feder und üben auf die Kapsel einen inneren Druck auf. Dieser Druck kann durch Zugabe von Glycoluril zu Lösungen der entsprechenden Komplexe abgebaut werden, indem sich vier Glycolurileinheiten zwischen zwei Cavitandmoleküle einlagern.

Alkankomplexe

Ein einziger Gürtel von Glycolurileinheiten führt die einer Vergrößerung der Kapselausdehnung, die die Einlagerung von Tetradecan in gestreckter Form in den Hohlraum erlaubt. Längere Alkane nehmen bei Einlagerung teilweise wieder gauche Anordnungen an.

Entsprechend induzieren diese Alkane die Bildung noch höherer Aggregate mit 8 oder sogar 12 Glycolurileinheiten zwischen den Kapselhälften, um in der thermodynamic günstigsten zick- zack Anordnung eingelagert werden zu können.

[Quelle: Ajami, D.; Rebek Jr., J. Angew. Chem. 2007, 119, 9443-9446: <doi>.]

Röhren entstehen, wenn makrocyclische Verbindungen über Wasserstoffbrücken miteinander wechselwirken, welche parallel zur Hauptdrehachse des Makrocyclus orientiert sind. Ein gut untersuchtes Beispiel sind cyclische Peptide, die aus einer geraden Anzahl von Untereinheiten bestehen und in alternierender Sequenz aus D- und L-Aminosäuren aufgebaut sind. Die selbstaggregierenden Eigenschaften dieser Verbindungen wurden maßgeblich im Arbeitskreis um M. R. Ghadiri studiert.

Der Ring dieser Cyclopeptide kann eine planare Konformation annehmen, in der die Peptidgruppen senkrecht zur Ringebene ausgerichtet sind. Dadurch können sich oberhalb und unterhalb eines Ringes weitere Cyclopeptide anlagern, wobei die Wechselwirkung der Cyclopeptide untereinander dem Wasserstoffbrückenmuster in einem antiparallelen β-Faltblatt entspricht.

Cyclopeptidröhren

Solche Röhren besitzen einen nach beiden Seiten geöffneten Hohlraum. Diesen können Gäste passieren und dadurch z.B. durch eine Membran transportiert werden. Der Durchmesser der Röhre aus einem Octapeptid beträgt ca. 7 Å. Ein Dodecapeptid bildet eine Röhre mit einem Durchmesser von 13 Å.

Die Röhre eines cyclisches Peptids mit der Struktur cyclo[(L-Trp-D-Leu)4-L-Glu-D-Leu] wurde in eine Membran eingelagert. Dabei wird die Länge der Röhre durch die Dicke der Doppelschicht kontrolliert. Dieses Peptid ist groß genug, um den Transport von Glucose durch die Membran zu ermöglichen. Mit Peptidröhren, die einen kleineren Innendurchmesser besitzen, wurde kein Transport beobachtet.

In Lösung konnte die Selbstaggregation der Cyclopeptide u.a. nachgewiesen werden, indem man Derivate verwendete, welche an jeder zweiten Aminosäure N-methyliert waren. Auf diese Weise wurde verhindert, dass das Cyclopeptid Wasserstoffbrücken in beide Richtungen bilden kann, wodurch die Selbstaggregation auf die Bildung eines Dimers beschränkt ist.

Cyclopeptiddimer

Dieses Aggregat konnte durch kovalente Verknüpfung der Seitenketten von jeweils gegenüberliegenden Aminosäureuntereinheiten stabilisiert werden (covalent capture).

Peptidnanoröhren können nicht nur auf Basis von Cyclopeptiden mit α-Aminosäuren erhalten werden. Daneben bilden auch Cyclopeptide mit β-Aminosäuren Nanoröhren oder Cyclopeptide mit alternierenden α- und γ-Aminosäuren oder mit cyclischen Harnstoffen.

Röhren aus aggregierenden β-Peptiden besitzen im Gegensatz zu solchen mit α-Aminosäureuntereinheiten ein Dipolmoment entlang der Helixachse. Diese Eigenschaft könnte für gerichtete Transportprozesse besonders interessant sein.

Nanoräöhre

Literatur

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Wasserstoffbrücken

Letzte Änderung: 19-05-05. Email

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