Schwache Bindungen Molekulare Erkennung und Supramolekulare Chemie

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1 Schwache Bindungen Molekulare Erkennung und Supramolekulare Chemie Burkhard König Universität egensburg

2 Intermolekulare Wechselwirkungen bestimmen unser Leben Grundlegende physikalische Eigenschaften z. B. Siedepunkte Wasser o C (18) Methanol + 65 o C C 3 (32) Methan o C C 3 (16)

3 Intermolekulare Wechselwirkungen bestimmen unser Leben Alltagsgegenstände n z. B. Teflonpfanne C 3 n n F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F F n

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11 Chemische Bindungen [KJ/mol] C covalent, metallic, ionic ( ) C C C C C C F 486 B reversible bonds F 565 C 465 C 415 C C I Si 301 I Al Cu F 3 CS 3 - kinetically labile complexes (C 2 ) 4 (C 2 ) 4 (C 2 ) 4 (C 2 ) 4 2 Zn 2+ 2 Cl 4 - Lewis acids 21 hydrogen bonds 8-40 dipole-dipole 4-25 inclusion in hydrophobic cavity 30 CT complexes 5-50 Van-der-Waals Cl- 3-5 (calcd.) Cl C Cl

12 6

13 Et Et + Bu Et Et Bu Et Et Bu Bu Et Et

14 Bu Et Et + Bu Et Et Bu Et Et Bu Et Et

15 It is not the strongest of the species that survive, nor the most intelligent, but the one most responsive to change Charles Darwin

16 6096 KJ/mol 6056 KJ/mol Energie = 0.64 %

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18 ! Selektive Bindung von Ionen! Exkurs: Bestimmung von Bindungskonstanten! Enzymmodelle! Peptiderkennung! Chemie der Endiine

19 ! Selektive Bindung von Ionen (-Brücken)! Exkurs: Bestimmung von Bindungskonstanten! Enzymmodelle (koordinative Bindungen)! Peptiderkennung (-Brücken)! Chemie der Endiine (reversible kovalente Bdg.)

20 Das Antibiotikum Valinomycin

21 Das Antibiotikum Valinomycin

22 a + (95 pm) K + (133 pm) P 4 3- S 4 2- SC - Ca 2+ (97 pm) Zn 2+ (74 pm) Cl - (181 pm) ofmeister Serie: Cl 4 - > SC - > I - > 3 - > Br - > Cl - > C 3 - ~ C 3 C 2 - ~ S 4 2- ~ P 4 2-

23 atürliches Vorbild und einfaches Modell Zink-Finger Proteindomäne Synthetischer Ionophor S Bu S S

24 crystal structure (neutron diffraction) calculated structures (DFT-method)

25 - 140 pm

26 - 140 pm

27 Schön, aber leider unlöslich

28 - 140 pm

29 Synthese S S Boc 2 Cl Cl Boc 70 % 80-90% CS 2 X X Br X = Boc SC CS X = 2 85 % S S Verdünnung % S S SC CS

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31 Exkurs: Bestimmung von Bindungskonstanten + G C C = -G Voraussetzung für die Bestimmung der Bindungskonstante: Durch die Aggregatbildung ändert sich eine physikalische Eigenschaft, z.b. chemische Verschiebung im M, UV- Absorption, Emission, edox-potential usw. (Sonde). Zwei Fälle möglich: Gleichgewichtseinstellung ist schneller als das Messverfahren (meistens) oder langsamer (selten, nur M).

32 M-Titration + δ = 6.85 K a K d CDCl 3, 25 o C δ = 8.80 C 2 Me C 2 Me S (C 2 ) 4 S G (C 2 ) 4 Biotinmethylester C + G C

33 M-Titration δ obs - δ 0 = δ δ C = δ inf δ G = δ 0 ppm δ obs ppm 7.35

34 M-Titration K a = [C] [] [G] = [C] ([] 0 - [C]) ([G] 0 - [C]) Change in chemical shift (fast exchange on M time scale): δ obs = with x = [C] [G] 0 - [C] [G] 0 δ 0 + [C] [G] 0 δ inf δ [G] 0 obs = (δ - : x inf δ ) 0 +δ 0 Concentration of the aggregate: [C] = 1/2 ([G] 0 + [] 0 + 1/K a ) - 1/4 ([G] 0 + [] 0 + 1/K a ) 2 - [G] 0 [] 0

35 M-Titration 3 [guest] = 2 mmol/l 2 δ 1 0! L/mol " 5000 L/mol # 500 L/mol $ 50 L/mol host [mmol/l]

36 M-Titration / δ /[host] Benesi-ildebrand Auftragung: Achtung: Gilt nur wenn [G] 0 >> [] 0 oder [] 0 >>[G] 0 so das [G] 0 [G] or [] 0 [].

37 M-Titration 0.7 δ x mole fraction X Job s Plot Analyse mole fraction X

38 M-Titration Wasserstoffbrückenbindung oder Deprotonierung? Das 1:1 Verdünnungsexperiment gibt die Antwort. + K a K d CDCl 3, 25 o C δ = 5.6 δ = 6.6 G C + - ~ +

39 UV-Titration rel. absorption wavelength [nm] wavelength [nm] added ligand [mol/l]

40 Titration im M! S Bu DMS, T - + S Bu 4 + S S S S δ [ppm] 7.70 δ. X guest/host ratio molar ratio X

41 Titration im M! 8.0 Cl - δ [ppm] 7.8 Br - S 4 - K 11 = 400 K 11 = K 11 = I - K 11 = molar ratio X

42 Je basischer das Anion, um so fester die Bindung 1000 Br - C - C3C2-100 S4 2 - F - K 11 S Cl - 1 I pka of corresponding acid

43 Perfekter Bromid-Ionen ezeptor

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45 Metallkomplexe als ezeptoren ämoglobin

46 Metallkomplexe als ezeptoren pka = Cl 4 Zn 2+ lg K = Cl 4 Zn 2+ - Cl 4 Zn 2+ 2, Cl 4-, +

47 Kalorimetrische-Titration µcal/sec kcal/mole of injectant Time (min) Molar atio

48 Vitamin-bindende Polymere + Boc Boc Boc 1) p 10 2) TFA 3) Zn(Cl 4 ) 2, 80 o C Zn 2+ 2 Cl - 4 Zn 2+ 2 Cl 4 - p = 7.4 p = 5.4 Cl 4 Cl - 4 Zn 2+ B. König,.-C. Gallmeier,. eichenbach-klinke, Chem. Commun. 2001,

49 Vitamin-bindende Polymere a) b) c)

50 Vitamin-bindende Polymere a) b) c) d)

51 DA-eparatur durch das Enzym Photolyase P P C 2 * e - e - UV-damage Photolyase

52 Ein chemisches Photolyase Model 1. eduction Excitation S Light 4. Back electron transfer 2 Cl Zn 2+ electron transfer BnC BnC CBn UV damage CBn

53 Ein chemisches Photolyase Model PLC assay Conversion (%) C 3 C 2 Cl - 4 Zn mol/l thymine dimere time / min

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55 Das β-faltblattmotiv in Peptidstrukturen a) b) c)

56 Alzheimer, BSE und Creutzfeldt Jacob Erkrankung Scrapie BSE CJD

57 Alzheimer, BSE und Creutzfeldt Jacob Erkrankung 3 C C3 A D A D 2.7 D D A D A A Me

58 Modulare Synthese an Polymerträgern P

59 Modulare Synthese an Polymerträgern P

60 Modulare Synthese an Polymerträgern P

61 Modulare Synthese an Polymerträgern P

62 Modulare Synthese an Polymerträgern Peptid, Protein

63 Die Bausteine: eteroaromatische Aminosäuren PG PG 1 PG Me PG PG 2 1 PG PG

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65 aturstoffe: Endiin Antibiotika T cyc S S S Me C 2 Me ucleophil Calicheamicin γ I 1 Me Et Me Me Me S Me I Me Me

66 Ein Molekül mit Auslösemechanismus? E " " reactive, but kinetically locked reactive chemical signal B. König, Eur. J. rg. Chem. 2000,

67 Synthese TP + n-buli, DMS, TF, 45 C, 1 h 82 % and, isomer TP TP (C 3 ) 2 C(C 3 ) 2, Säure 80 % DMS, (CCl) 2, Et(i-Pr) 2, DCM VCl 3, Zn 82 % 75 % TP = W. Pitsch, M. Klein, M. Zabel, B. König, J. rg. Chem. 2002, 67, 6805.

68 Struktur W. Pitsch, M. Klein, M. Zabel, B. König, J. rg. Chem. 2002, 67, 6805.

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70 Pull the trigger! stabil B Zucker -B() 2 reaktiv