Non-covalent binding: Rotaxane-based molecular machines, molecular motion and ion sensing

Abstract

Non-covalent interactions play a key role in nature as their reversible formation and dynamic nature allows the control of almost all biological processes. This thesis deals with several projects about the exploration of the potential of non-covalent interactions for the creation and analysis of ion receptors, the templation of the self-assembly of supramolecular encapsulation complexes, and the construction and control of molecular machines. The detailed achievements can be summarized as follows: • The well- known Hunter/Vögtle-type tetralactam macrocycle could be modified accordingly so that a change of the solution’s acidity from neutral to strongly basic induces a conformational switch of the macrocycle’s conformation causing it to contract and also to turn one of the four amide protons outwards the macrocyclic cavity. This effect was used to control the shuttling rate in bistationary [2]rotaxane-based molecular shuttles prepared from this switchable macrocycle. Depending on the central spacer separating the two ethylene diamide stations in the axle, the shuttling rate is influenced either by the shrinking of the macrocycle’s inner cavity or the weakening of the hydrogen bonding interactions between macrocycle and axle. Furthermore, it was found that the 4,6-dialkoxy functionalization of the isophthaloyl moiety used in the design of the switchable tetralactam macrocycle, works as an integrated template to direct Hunter/Vögtle-type macrocyclization reactions towards the selective formation of octalactam macrocycles. This class of larger macrocycles accommodating two instead of just one recognition sites for hydrogen-bond acceptor guest molecules has been only observed as a side product of the corresponding tetralactam macrocycle so far. • Gas-phase H/D exchange experiments were employed to track the highly dynamic motion of 18-crown-6 along oligolysine peptide chains and over the periphery of POPAM dendrimers in what could be called a “spacewalk” on the molecular level. Furthermore, mechanistic studies with suitable model compounds showed the crown ethers to move together with a proton from an ammonium to an amino group. Finally, the zwitterionic structure of crown complexes of acid- terminated oligolysine peptides is expressed by the isotope exchange behaviour. Only the unique environment-free conditions of the highly diluted gas phase inside a mass spectrometer provide the ideal means required to investigate the dynamics within non-covalent complexes, as intermolecular dissociation/reassociation processes that may likely occur in solution can be ruled out completely here. Consequently, gas-phase chemistry provides insight into a completely new reactivity of weakly bound supramolecular complexes and suggests many non-covalent complexes to exhibit a more pronounced dynamic behaviour than commonly recognized. • It was shown that mass spectrometry and gas-phase experiments are perfectly suited for the analysis of the binding of anions to different receptor molecules through hydrogen bonding and anion- interactions, respectively. Not only do these experiments complement results from experiments in solution (e.g. from NMR), but rather extend the view on recognition phenomena. For the first time, it was possible to observe anion- interactions at work under the environment-free conditions in the highly diluted gas phase. Furthermore, working in the gas phase allows the exclusive study of the intrinsic properties of a receptor without any solvation effects: Tandem MS experiments allowed the determination of the influence of the substitution pattern of monomeric naphthalene diimide systems (NDIs) on the anion binding behavior through anion- interactions, whereby -acidification and active-site decrowding increased the binding strenghth. • The investigation of the formation of resorcinarene hexamers by complementary gas- phase and solution NMR studies revealed that the hexamers encapsulating pseudooctahedral transition metal complexes (e.g. Ru(bpy)32+ as well as singly charged and neutral Ir-based analoga, each with differently strongly coordinating anions) are only formed under special conditions: In solution, larger aggregates are only formed with the doubly charged Ru(bpy)32+ complex in combination with the extremely weakly coordinating [Al(OC(CF3)3)4]- anion. However, even this does not lead to the exclusive formation of 6:1 complexes, but rather to a mixture of different ones. In marked contrast, the ESI-FTICR- MS experiments show a strong preference for exactly these 6:1 complexes indicating a stepwise clipping of resorcinarene monomers to the Ru(bpy)32+ complex as the mechanistic pathway, which can only be concluded by the comparison of gas-phase and solution results. • In the last project, the binding of tetramethylammonium (TMA) to upper-rim substituted resorcinarenes was examined. Whereas gas-phase tandem-MS experiments exposed the pure intrinsic properties of the different receptors based on the substituents electronic effects, NMR titrations unraveled a significant influence of the counteranion on the binding situation in a competitive solvent. It was found that halogen substituents on the resorcinarene’s upper rim render the adjacent OH groups more acidic, which allows the halogenated resorcinarenes to from stronger Ar-OH•••anion hydrogen bonds than the other non-halogenated analoga. Consequently, the additional binding of the anion increases the binding constant of the TMA cation, as it is bound together with its anion to the resorcinarene. These results clearly point out the importance of considering more than just one analytical method for the investigation of supramolecular recognition and complexation events. The comparison results from different methods initially appearing contradictory may open an entirely new view on the basic interactions affecting the binding.

Nichtkovalente Wechselwirkungen spielen eine Schlüsselrolle in der Natur, da ihre reversible Bildung und dynamische Natur die Kontrolle fast aller biologischer Prozesse erlauben. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit mehreren Projekten bezüglich der Erforschung des Potentials nichtkovalenter Wechselwirkungen für die Gestaltung und Analyse von Ionenrezeptoren, die templatgesteuerte Selbstorganisation von supramolekularen Einkapselungskomplexen sowie für die Konstruktion und kontrollierte Steuerung von molekularen Maschinen. Die detaillierten Erfolge können wie folgt zusammengefasst werden: • Der wohlbekannte Hunter/Vögtle- Tetralactammakrozyklus konnte derart modifiziert werden, dass die Änderung der Azidität der Lösung von neutral in Richtung stark basisch eine Konformationsänderung im Makrozyklus induziert, die diesen dazu veranlasst, zu kontrahieren und außerdem eines der vier Amidprotonen aus der makrozyklischen Kavität nach außen zu drehen. Dieser Effekt wurde dafür genutzt, die Pendelrate in [2]Rotaxan-basierten molekularen Shuttles – bestehend aus diesem schaltbaren Makrozyklus und verschiedenen Achsen mit jeweils zwei identischen Bindungsstationen – zu kontrollieren. Abhängig von der zentralen Spacereinheit zwischen den beiden Diamidstationen in der Achse wird die Pendelrate entweder durch die Kontraktion der inneren Kavität des Makrozyklus oder aber durch die Schwächung der wasserstoffbrückenbasierten Wechselwirkungen zwischen Makrozyklus und Achse beeinflusst. Weiterhin wurde entdeckt, dass die 4,6 -Dialkoxy-Funktionalisierung der Isophthalsäureeinheit, die für das Design des schaltbaren Tetralactammakozyklus verwendet wurde, als integriertes Templat fungiert, welches Makrozyklisierungsreaktionen des Hunter/Vögtle-Typs in Richtung der selektiven Bildung der entsprechenden Octalactammakrozyklen dirigiert. Diese Klasse von größeren Makrozyklen, die zwei Bindungsstellen für Wasserstoffbrückenakzeptoren aufweisen statt nur einer, wurde bisher nur als Nebenprodukt der Synthese der entsprechenden Tetralactammakozyklen beobachtet. • Gasphasen-H/D-Austausch-Experimente wurden angewendet, um die hochdynamische Bewegung von 18-Krone-6 entlang von Oligolysin-Peptidketten sowie über die Peripherie von POPAM-Dendrimeren zu verfolgen, was man als „Weltraumspaziergang“ auf molekularer Ebene bezeichnen könnte. Weiterhin konnte durch mechanistische Studien mit adäquaten Modellverbindungen gezeigt werden, dass die Kronenether zusammen mit einem Proton von einer Ammonium- zu einer benachbarten Aminogruppe wandern. Schließlich wurde die zwitterionische Struktur von Kronenetherkomplexen von säureterminierten Oligolysinpeptiden durch ihr Isotopenaustauschverhalten nachgewiesen. Nur die einzigartigen umgebungsfreien Bedingungen in der hochverdünnten Gasphase innerhalb eines Massenspektrometers bieten die idealen Voraussetzungen, um die Dynamik innerhalb nichtkovalenter Komplexe zu untersuchen, da intermolekulare Dissoziation/Reassoziationsprozesse im Gegensatz zur Untersuchung in Lösung hier vollständig ausgeschlossen werden können. Folglich bietet die Gasphasenchemie einen Einblick in eine komplett neue Reaktivität von schwach gebundenen supramolekularen Komplexen und legt nahe, dass viele nichtkovalente Komplexe ein stärker ausgeprägtes dynamisches Verhalten aufweisen könnten als gemeinhin bekannt. • Es konnte gezeigt werden, dass Massenspektrometrie und Gasphasenchemie perfekt für die Analyse der Bindung von Anionen an verschiedene Rezeptoren über Wasserstoffbrückenbindung oder Anion--Wechselwirkungen geeignet sind. Diese Experimente ergänzen nicht nur Ergebnisse von Experimenten in Lösung; vielmehr erweitern sie die Sicht auf Erkennungsphänomene. Erstmals war es möglich, unter den umgebungsfreien Bedingungen in der hochverdünnten Gasphase Anion--Wechselwirkungen „bei der Arbeit“ zu beobachten. Weiterhin erlaubt die Arbeit in der Gasphase die exklusive Untersuchung der intrinsischen Eigenschaften eines Rezeptors ohne jegliche Solvatisierungseffekte. Tandem-MS-Experimente erlauben die Bestimmung des Einflusses des Substitutionsmusters von monomeren Naphthalindiimidsystemen (NDIs) hinsichtlich ihres Anionbindungsverhaltens durch Anion--Wechselwirkungen, wobei -Azidifizierung sowie die Reduzierung des sterischen Anspruchs am aktiven Zentrum in einer Erhöhung der Bindungsstärke resultieren. • Die Untersuchung der Bildung von Resorcinaren-Hexameren durch komplementäre Gasphasen- und Lösungs-NMR-Studien offenbarte, dass die Hexamere mit eingekapselten pseudooktaedrischen Übergangsmetallkomplexen (z.B. Ru(bpy)32+ wie auch einfach geladene und neutrale Ir-basierte Analoga, jeweils mit verschieden stark koordinierenden Anionen) nur unter ganz bestimmen Bedingungen gebildet werden: In Lösung werden größere Aggregaten ausschließlich mit dem doppelt geladenen Ru(bpy)32+-Komplex in Verbindung mit dem extrem schwach koordinierenden Anion [Al(OC(CF3)3)4]- gebildet. Dennoch führt selbst dies nicht zur ausschließlichen Bildung von 6:1-Komplexen, sondern vielmehr zu einer Mischung verschiedener Komplexe. In krassem Gegensatz dazu zeigen die ESI-FTICR-MS-Experimente eine deutlich Präferenz für eben jene 6:1-Komplexe, was darauf hindeutet, dass die Bildung mechanistisch über schrittweises „Anklammern“ von Resorcinaren-Monomeren an den Ru(bpy)32+-Komplex verläuft. Diese Schlussfolgerung kann nur durch die Kombination der Ergebnisse aus Gasphase und Lösung gezogen werden. • Im letzten Projekt dieser Arbeit wurde die Bindung von Tetramethylammonium (TMA) an am oberen Rand substituierte Resorcinarene untersucht. Während Tandem-MS- Experimente die unverfälschten intrinsischen Eigenschaften der verschiedenen Rezeptoren basierend auf den elektronischen Eigenschaften der Substituenten zeigten, offenbarten NMR-Titrationen einen entscheidenden Einfluss des Gegenanions auf die Bindungssituation in einem kompetitiven Lösungsmittel. Es wurde gezeigt, dass Halogensubstituenten am oberen Rand des Resorcinarens die Azidität der benachbarten OH-Gruppen verstärkt, was den halogenierten Resorcinarenen erlaubt, stärkere Ar-OH•••Anion-Wasserstoffbrückenbindungen auszubilden als die anderen nicht-halogenierten Analoga. Infolgedessen erhöht die zusätzliche Bindung des Anions die Bindungskonstante des TMA-Kations, da dieses zusammen mit seinem Anion an das Resorcinaren gebunden wird. Diese Ergebnisse zeigen deutlich die Wichtigkeit auf, mehr als nur eine analytische Methode für die Untersuchung von supramolekularen Erkennungs- und Komplexierungsvorgängen in Betracht zu ziehen. Der Vergleich der Ergebnisse verschiedener Methoden, die anfänglich widersprüchlich erscheinen mögen, kann einen gänzlich neuen Blick auf die grundlegenden Wechselwirkungen, die den Bindungsvorgang beeinflusssen, eröffnen.