Von mono- und multivalenten Wirt-Gast-Komplexen zum trivalenten molekularen Fahrstuhl

Abstract

Die vorliegende Promotionsarbeit beschäftigt sich mit der Darstellung und Untersuchung von mono- und multivalenten Wirt-Gast-Komplexen, insbesondere auf der Basis von Amid-Rotaxanen und -Pseudorotaxanen mit Hunter/Vögtle- Tetralactam-Makrozyklen (TLM). Zusätzlich wurden Studien zum Komplexierungsverhalten verschieden substituierter Resorcinarene zu kationischen Gästen durchgeführt. Zunächst wurde das Bindungsverhalten von monovalenten Tetralactam-Makrozyklen hinsichtlich der Einlagerung verschiedener, monovalenter Gäste wie Diketopiperazin- oder Diamid-Achsen untersucht. Die sehr stark bindende Diketopiperazin-Bindungsstation erweist sich dabei als geeignetes Motiv zur effektiven Darstellung monovalenter, schaltbarer Rotaxane mittels „Click“-Chemie mit einem azidfunktionalisierten Stopper-Molekül. Umfassende Untersuchungen mittels NMR-Spektroskopie und Isothermaler Titrationskalorimetrie (ITC) hinsichtlich des Einflusses verschiedener Substituenten an einer Diamid-Bindungsstation zeigen eine deutliche Abhängigkeit der Bindungsstärke vom jeweiligen Substituenten: Während alkylsubstituierte Diamid-Gäste relativ starke Bindungskonstanten zum TLM aufweisen, verringern Aryl-Substituenten die Komplexbildungsstärke um rund eine Größenordnung. Durch elektronenziehende Gruppen am Aromaten kann die Pseudorotaxan-Bildung sogar komplett verhindert werden. Ausgehend von diesen Ergebnissen wurden di- und trivalente Wirt- und Gastmoleküle auf Basis des Diamid-TLM-Bindungsmotivs synthetisiert und eine detaillierte Aufschlüsselung der einzelnen Beiträge zur Komplexbildung durch ITC-Messungen durchgeführt. Die erhaltenen thermodynamischen Bindungsdaten wurden über Double-Mutant- Cycle-Analyse ausgewertet und die effektiven Molaritäten bestimmt. Die auftretende Bindungsverstärkung durch die zweite bzw. dritte Bindungsstelle konnte ausgenutzt werden, um die ersten di- und trivalenten Amid-Rotaxane mit sehr hohen Ausbeuten über „Click“-Chemie zu synthetisieren. Darüber hinaus agiert das trivalente Rotaxan als „molekularer Fahrstuhl“, bei dem sich die Position des Wirtes durch die Zugabe und Entfernung von Chlorid-Ionen reversibel zwischen zwei Zuständen schalten lässt. Zur Untersuchung der Komplexierung von Kationen durch Resorcinarene, wurde das Bindungsverhalten verschieden substituierter Resorcinarene zu unterschiedlichen Salzen in Lösung über NMR-Titrationen und in der Gasphase mittels ESI-MS/MS-Experimenten untersucht. Es zeigt sich dabei, dass der Trend in den Bindungsaffinitäten in Lösung gegensätzlich zu dem in der Gasphase ist, da in Lösung das Gegenion bei halogenierten Resorcinarenen in den Bindungsprozess involviert ist, wodurch die Bindungsstärke maßgeblich beeinflusst wird.

The present thesis focuses on the preparation and analysis of mono- and multivalent host-guest complexes mainly based on amide (pseudo)rotaxanes with Hunter/Vögtle tetralactam macrocycles (TLM). Additionally, the binding behavior of differently substituted resorcinarenes towards cationic guest molecules was examined in a combination of solution and gas-phase studies. First, the binding behavior of different monovalent guests like diamide- or diketopiperazine-axles towards the monovalent tetralactam macrocycles was analyzed. The strong binding of diketopiperazine binding stations allows an effective rotaxane formation through stoppering reaction with an azide- functionalized stopper molecule through “click” chemistry. A detailed study combining NMR spectroscopy and isothermal titration calorimetry (ITC) measurements with X-ray crystallography and DFT calculations was performed to investigate the influence of different substituents on diamide binding stations in terms of the binding affinity towards the TLM. While guests with alkyl or alkenyl chains attached to the diamide carbonyl groups have a significantly higher binding affinity to the macrocycle than guests with benzoyl substituents, nearly no binding could be observed when electron- withdrawing groups were attached to the benzoyl-substituent. Based on these results, di- and trivalent amide pseudorotaxanes were synthesized and a detailed thermdynamic analysis of the threading process was performed with respect to binding constants, binding enthalpies and entropies. Through double mutant cycle analysis, effective molarities and cooperative binding could be determined to provide a profound understanding of the binding situation in mono- and multivalent pseudorotaxanes. The multivalency-enhanced binding makes the syntheses of the first doubly and triply threaded amide rotaxanes through ”click” chemistry much more efficient than expected from the rather low yields of their monovalent counterparts. Furthermore, the trivalent rotaxane turned out to act as a molecular elevator, which can be controlled by the addition or removal of chloride ions. For studying the non-covalent interactions between differently substituted resorcinarenes and cationic guest molecules, a trend of the binding affinities was determined in the gas phase by ESI-MS/MS experiments. The determination of binding constants in solution by NMR titrations shows an opposed trend, which can be explained by a synergetic effect originating from the interaction of the halogenated resorcinarenes with the counter anions through hydrogen bonding.