Thermodynamische Analyse von Supramolekülen durch isothermale Titrationskalorimetrie

Abstract

Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der thermodynamischen Analyse von Supramolekülen durch isothermale Titrationskalorimetrie. Im Vordergrund steht die Untersuchung von mono-, di- und trivalenten Tetralactam Makrozyklus/Dicarbonyl- und Kronenether/Ammonium-Pseudorotaxanen. Ausgehend von ausführlichen Basisstudien mit supramolekularen 1:1- und metallorganischen 2:1-Komplexen zur Einführung in die Methode der isothermalen Titrationskalorimetrie wurden komplexe Systeme wie 3:1-Assemblies thermodynamisch untersucht. Der Einfluss von Multivalenzeffekten auf die Bildung von di- und trivalenten Pseudorotaxanen wurde durch die Kombination von isothermaler Titrationskalorimetrie und der sogenannten double mutant cycle-Analyse von verschiedenen Tetralactam-Makrozyklus/Dicarbonyl- und Kronenether/Ammonium-Pseudorotaxanen untersucht. Die Bestimmung der allosterischen und chelatartigen Kooperativität der einzelnen Bindungsschritte gab Einblick in die Bildung von multivalenten Bindungen. Die thermodynamischen Daten und die daraus resultierenden Kooperativitätsfaktoren wurden genutzt, um eine hervorragende Kombination aus konvergierenden Wirten und Gästen zu konzipieren, zu synthetisieren und positiv kooperativ zu den entsprechenden Pseudorotaxanen zu verschmelzen. Darüber hinaus wurden die Ergebnisse für eine optimierte Rotaxansynthese genutzt. So konnten auf dieser Basis in einem der Teilprojekte erfolgreich mono-, di- und trivalente Tetralactam-Makrozyklus /Dicarbonyl-Rotaxane synthetisiert werden. Neben der Synthese von Rotaxanen konnten die gewonnenen Erkenntnisse genutzt werden, um bestimmte Schaltprozesse gezielt zu unterdrücken. Die Konzipierung eines extrem stark bindenden positiv kooperativen divalenten Kronenether/Ammonium Pseudorotaxans ermöglichte die Inhibierung der Photoisomerisierung eines Azoschalters. Die isothermale Titrationskalorimetrie konnte innerhalb der Arbeitsgruppe etabliert werden und ist zu einem essentiellen Bestandteil der täglichen Forschungsarbeit geworden. Dies führte zu einer Vielzahl von Veröffentlichungen in hochkarätigen internationalen Zeitschriften.

The present thesis is focused on the thermodynamic analysis of supramolecules using isothermal titration calorimetry (ITC). The main assemblies used for this purpose are mono-, di- and trivalent tetralactam macrocycle/dicarbonyl and crownether/ammonium pseudorotaxanes. Initially, fundamental investigations on supramolecular 1:1 and metallo supramolecular 2:1 assemblies using ITC were carried out. During the course of the PhD studies the complexity of the assemblies was increased and assemblies such as 3:1 complexes were thermodynamically investigated. Furthermore, the influence of multivalency on the formation of di- and trivalent pseudorotaxanes has been investigated taking advantage of the double mutant cycle analysis of several tetralactam- macrocycle/dicarbonyl and crownether/ammonium pseudorotaxanes. Insights to the nature of multivalent bond formation was obtained by determining the allosteric and chelate cooperativity of individual binding events. The resulting thermodynamic data were used to design, synthesize and investigate very well converging host/guest combinations which have been merged to the corresponding pseudorotaxanes with a positive cooperativity. The results were used to optimize the route to multivalent rotaxanes which enabled us to successfully synthesize mono-, di- und trivalent tetralactam macrocycle/dicarbonyl rotaxanes. Additionally, the obtained results have been used to successfully inhibit the switching process in divalent pseudorotaxanes as well as for the design of an extremely strong binding, positive cooperative divalent crownether/ammonium pseudorotaxane which was used to inhibit the photoisomerization of an azo switch. Isothermal titration calorimetry is meanwhile settled as one of the most important tools for the investigation of (metallo-) supramolecular assemblies in the working group and has become a routine analytical method. The success of my work can easily be monitored by the numerous contributions to this topic published in international journals.