6. VAZBA NEUTRÁLNÍCH LÁTEK

6. VAZBA NEUTRÁLNÍCH LÁTEK Ivan Stibor Ústav organické chemie, VŠCHT, Praha, [email protected] Obsah: 6.1. Úvod 6.2. Receptory plynů 6.3. Interakce aromatických struktur v chemickém a biologickém rozpoznání 6.4. Speciální interakce aromátů 6.5. Molekulární nádobky 6.6. Statistické zatemnění 6.7. Závěr 6.8. Literatura 6.1. ÚVOD Vazba neutrálních látek se dotýká mimo jiné i některých „velkých aplikací“ supramolekulární chemie. Jednou z nich je tvorba a vlastnosti klathrátů, druhou jsou zeolity, další náležejí calixarenům, cyklodextrinům a fullerenům. Klathráty spadají do technologie zpracování ropy – petrochemie, zeolity souvisejí úzce s oblastí katalyzátorů a katalytických reakcí. Calixarenům, cyklodextrinům i fullerenům jsou věnovány samostatné kapitoly. Bude tedy obsah této kapitoly „ctít svůj název“ jen částečně, přičemž vůdčí snahou bude poukázat na obecné souvislosti i závěry. Klathráty byly prvními nadmolekulárními útvary, které pozoroval již H.Davy – objevitel hydrátu chloru. Největšího významu nabyly klathráty vody s uhlovodíky. Odhaduje se, že prevence jejich vzniku při těžbě a zpracování ropy a zemního plynu stojí 500 milionů dolarů ročně. Tato obrovská suma peněz je nezbytná pro zabránění usazování pevných hydrátů běžných uhlovodíků, které právě za extrémních teplot a tlaků snadno vznikají. Dá se shrnout, že hydráty tvoří uhlovodíky, ale i další plyny, které se „vejdou“ do molekulárních rozměrů 3,8 – 6,8 Å. Sem patří například: Ar, Kr, N2, O2, CH4, Xe, H2S, CO2, C2H6, cyklopropan, C3H8, (CH2)3O, iso-C4H10 (seřazeno podle velikosti), přičemž poslední tři tvoří klathráty s přibližně 17 molekulami vody. Vlastní hydráty mají často formu dále uvedených klecových struktur, přičemž kyslíky molekul vody tvořící vrcholy a hrany jsou tvořeny vodíkovými vazbami.

512

512 62

512 64

Nelze se divit, že tento jev byl také podkladem pro návrh technologie na odsolení mořské vody, která však zatím nebyla realizována. O zeolitech bylo napsáno mnoho knih i referátů. V této kapitole je zmíníme v jediném příkladu z poslední doby, který bude uveden v závěru. V další části se zaměříme na novou oblast supramolekulární chemie – design receptorů plynů. 155

6.2. RECEPTORY PLYNŮ Plyny jsou nejmenší molekuly (typicky 2 – 4 Å) a překvapivě dlouho unikaly pozornosti supramolekulárních chemiků. Bylo publikováno hodně o senzorech plynů, ale obvykle šlo o technologicky nebo konstrukčně orientované práce. Teprve v posledních letech se pozornost soustřeďuje i na tuto oblast. Tato část je zpracována podle nedávno vyšlého referátu z pera nejpovolanějšího (D.M.Rudkevich). Základní síly, uplatňující se při molekulárním rozpoznávání plynů, jsou opět vodíkové vazby, interakce Lewisova báze-Lewisova kyselina a enkapsulace – inkluze plynu do molekulární kavity – více či méně uzavřené. Jako vždy i zde se ihned ukazuje, že příroda disponuje velmi pokročilými receptory plynů, které jsou schopny nejen plyny reversibilně vázat, ale i vykonávat životně důležité funkce, jejichž mechanismus je v některých případech detailně prostudován (dýchání), v jiných připomíná stále více černou krabici než popsanou strukturu s předpokládaným mechanismem ( např. převedení dusíku na amoniak). Dýchání je v podstatě velmi jemně laděné diferenční rozpoznání dvou plynů O2/CO2 receptorem – hemoglobinem. Jde o velmi širokou paletu struktur, ve kterých bílkovinná i porfyrinová část spolupracují při dosažení optimálního efektu. Krystalové struktury komplexů některých z nich nám dovolují nahlédnout do „strukturní kuchyně“ přírody a pokusit se pochopit a napodobit její zákonitosti. V závěru této kapitoly uvidíme, že to vůbec není jednoduchý úkol. Tak vedle interakce železnatý ion-kyslík se vazby účastní i vzdáleně umístěný histidin tvořící vodíkovou vazbu, což platí stejně v hemoglobinu i myoglobinu (Obr.6.1a). Existují i jiné možnosti, které ilustruje na kyslík „dychtivý“ hemoglobin druhu Ascaris (např. škrkavka dětská), kde se na vazbě podílejí společně glutamin a tyrosin (Obr.6.1b). Způsob vazby a vytvoření cyklického systému vodíkových vazeb se všeobecně považuje za důvod, proč tento hemoglobin váže kyslík 104 x silněji.

a) b) Obr.6.1. Vazba kyslíku v a) lidském hemoglobinu a myoglobinu b) v hemoglobinu druhu Ascaris Analogicky je vázán NO (viz Obr.6.2), kde se na vazbě podílí vedle komplexovaného kovu i vzdáleně vázaný histidin a celý proces probíhá ve velmi dobře definované lipofilní kavitě, tvořené navíc valinem a leucinem. Podobná, i když z hlediska praktické využitelnosti

156

daleko důležitější, je vazba dusíku s proteinem. Tato fixace dusíku v aktivním místě řady enzymů, zodpovědných za převedení dusíku na amoniak, předchází adici vodíku a podílí se na ní vedle Fe-S klastru i protein řadou vodíkových vazeb. To je schématicky znázorněno ve struktuře 4 (Obr.6.2b) .

a)

b)

Obr.6.2. Vazba a) NO-hem b) fixace dusíku v aktivním místě enzymů převádějících N2 na NH3 Tyto příklady představují velkou inspiraci pro molekulární design receptorů plynů na bázi kooperativního působení vodíkových vazeb, interakcí kov-plyn a efektu kavity. Dále probereme podle typu využitých párových interakcí jednotlivé syntetické receptory plynů. Vodíková vazba v rozpoznání molekul plynů. Tento typ interakce je patrně nejdůležitější v přírodních receptorech plynů. Existují velmi dobře prostudované komplexy plynů s tak jednoduchými látkami, jako jsou halogenovodíkové kyseliny a plyny N2, CO2 , CO, COS. Struktura takových komplexů byla studována jak teoretickými metodami tak aplikací pokročilých spektroskopických technik. Podobné metodiky byly aplikovány i na struktury Ar-OH..plyn klastry, přičemž v obou případech se hodně ví o situaci v plynném, ale málo o analogické situaci v kapalném stavu (roztoku). Velké množství syntetických analog porfyrinu – hemu bylo připraveno a studováno v průběhu posledních desetiletí. Je nutné poznamenat, že tyto sloučeniny jsou mimořádně náročné již z hlediska jejich přípravy. Chemie porfyrinového skeletu není rozhodně jednoduchá a substituce tohoto skeletu přináší řadu syntetických problémů. Přesto bylo připraveno mnoho sloučenin, z nichž některé mají své triviální názvy charakterizující jejich tvar (např. picked-fence-; picknic basket- ; capped- ; strapped- ; hanging base-). Mnohé z těchto látek mají zajímavé komplexační vlastnosti ke kyslíku a zvýšenou oxidačně-redukční stabilitu. Na tomto místě zmíníme nedávno publikovaný dendronizovaný porfyrin (Obr.6.3) význačný svým velmi dobře isolovaným vazebným místem. Má také zvýšenou afinitu ke kyslíku, což se vysvětluje kooperativní vazbou kyslíku k centrálnímu železnatému iontu a amidům dendronů.

157

Obr.6.3. Diederichův dendronizovaný porfyrin Na následujícím obrázku je znázorněn další syntetický porfyrin 6, u kterého byla prokázána kooperativní interakce vodíkovou vazbou k amidickému seskupení. Analogicky, pro fenolický hydroxyl, byla stejná interakce prokázána v „twin coronet“ porfyrinu 7. Tato druhá interakce byla spektroskopicky potvrzena metodou H-D výměny a její délka byla odhadnuta na 3 Å.

6 Obr.6.4. Prokázané kooperativní vazby kyslíku k donorům vodíkové vazby Analogicky byly studovány i CO2 a N2O. Tyto plyny cirkulují v „biologických kapalinách“, překvapivě však byly jejich vazby k biomolekulám dlouho přehlíženy. Teprve nedávno bylo prokázáno, že oba plyny interagují s cis-amidy, a to i v roztoku. V benzenu byl pozorován posun amidického protonu o 0,25 ppm při nasycení roztoku kaprolaktamu N2O. Vysvětlení rozdílu mezi oběma isomery amidu je schematicky znázorněno na následujícím obrázku. Je zřejmé, že pro kooperativní interakci volných elektronových párů na kyslíku amidického karbonylu s N-H....O=C= interakcí s CO2 a N2O je cis uspořádání amidické vazby nezbytné. Je také známo, že cis-amidy tvoří dimery s KD < 5 M-1, což je proto také minimum pro měřitelnou interakci takového amidu s molekulou plynu.

158

Obr.6.5. Interakce cis-amidu s CO2 a N2O. Kooperativní interakce karbonylu a amidického vodíku Analogicky lze vysvětlit i interakci mezi peracetylovanými monosacharidy a CO2, což je znázorněno na dalším obrázku. I zde je nezbytná přítomnost „kyselého“ vodíku na uhlíku acetátu. Z tohoto hlediska by bylo zajímavé srovnat analogickou interakci s monochloracetáty, popřípadě s dichloracetáty.

a Obr.6.6. Interakce motivu acetátu s CO2; kooperativní interakce karbonylu a α-C-H vazby Pro některé porfyriny byly popsány složité rovnováhy zjištěné při studiu vazby plynů a jiných nízkomolekulárních látek. Tak Collmann popsal následující chování RuII – „picnic basket“ porfyrinu, zobrazeném na Obr.6.7. Nejprve se takzvaný dvojnásobný komplex s rozpouštědlem (thf) připraví fotolýzou stálého a známého komplexu s CO.thf. Ten se převede se stericky náročným substituovaným imidazolem na komplex s jedním rozpouštědlem a externím imidazolem. Rozpouštědlo se vytěsní kyslíkem v toluenu a tento proces je vratný. Takto vázaný kyslík se dá vytěsnit dusíkem a ten zase plynným CO, přičemž vedle komplexu s CO vzniká i „volný“ komplex s jedním rozpouštědlem, který je ochoten přijmout opět kyslík. Všechny výměnné reakce lze s výhodou sledovat spektroskopicky – kolorimetrie, IR a NMR.

159

Obr.6.7. Výměny plynných složek v komplexech RuII – „picnic basket“ porfyrinu a selektivní vazba UO2-salenu 13 na amoniak Kombinace vodíkové vazby interakcí s kovem lze využít i pro jiné plyny. Tak Reinhoudt ji použil ve svém známém UO2-salenu, jak je znázorněno na Obr.6.7 pro vazbu amoniaku. Navíc bylo prokázáno, že tato interakce je selektivní a lze ji využít pro rozpoznání amoniak – primární amin. Amoniak tvoří komplexy řádově stabilnější než primární aminy. Vysvětlení je obsaženo ve struktuře předpokládaného komplexu. Nepřekvapí, že R-NH2 jsou skutečně podstatně horšími substráty bez ohledu na to, zda R je Me, Et, Pr. Vedle vazby volného elektronového páru amoniaku vázaným uranylovým kationtem vznikají ještě interakce vodíkovými vazbami ke kyslíkům makrocyklu. Ty v případě aminů již ze sterických důvodů nemohou efektivně vzniknout. Holandští autoři popsali v sérii prací N-C-N terdentátní komplex 14 pro reversibilní komplexaci SO2, který vzniká spontánně v tuhém stavu i nepolárních roztocích. Tento děj byl popsán z hlediska kinetiky výměny při různých teplotách i z hlediska termodynamické charakteristiky tvorby komplexu. Autoři navíc využili struktury dendrimeru pro konstrukci ideálně symetrické struktury obsahující šest vazebných míst. Vzhledem k tomu, že vznikající čtvercově pyramidální komplex je jasně oranžový, nabízelo se jeho využití jako kolorimetrické značky. Pro tento účel byla připravena modifikovaná aminokyselina (Val), kterou lze následně umístit do vhodné koncové pozice na řetězec peptidu či proteinu. Tato skutečnost je schematicky znázorněna na následujícím obrázku.

160

Obr.6.8. Senzor pro SO2 na bázi N-C-N terdentátního kopmplexu PtII Borovik vyvinul porézní materiál pro reversibilní komplexaci CO, O2, a NO. Templátová kopolymerace byla využita pro imobilizaci aktivního komplexu. Na celém postupu je zajímavé, že polymer byl vytvořen s neaktivním komplexem na bázi CoIII, poté v polymerním stavu rozložen a znovu vytvořen již v aktivní forObr.6.9. Porézní organický polymerní materiál pro reversibilní vazbu NO i O2 na bázi CoII mě na bázi CoII . V této formě je již schopen vázat plyny NO i O2 (Obr.6.9).

161

Enkapsulace – vazby plynů v kavitě Je již velmi dlouho známo, že plyny (plynné uhlovodíky, N2, O2, Cl2, CO2, N2O, H2S, SO2 a PH3) lze uzavřít v nejrůznějších kavitách. První studovaný byl led, tuhé klastry molekul vody, a následovalo mnoho dalších včetně zeolitů cyklodextrinů. Ty budou předmětem samostatné přednášky a proto na tomto místě jen poznamenejme, že komplex CO2 ⊂ α-cyklodextrin se dá isolovat pouhým vysrážením a používá se při isolaci tohoto cyklodextrinu. Jiný směr výzkumu zahrnuje ligandy, které jsou schopny pojmout několik (až desítky) malých molekul. Vazba molekuly plynu v kavitě vyžaduje daleko jemnější ladění strukturních rysů takové kavity a daleko intenzivnější kontakt mezi molekulou plynu a vnitřními stěnami kavity. Tak hemikarcerand 21, kovalentně uzavřený Cramem, úspěšně drží N2, O2, CO2 a Xe v roztoku. Vodíkovými vazbami držená kavita 22, kterou popsal Rebek, je schopna tuto kavitu uzavřít okolo molekuly methanu, ethylenu nebo Xe v chloroformu. Objem těchto plynů je 28, 40 a 42 Å3, přičemž obsah kavity v 22 je přibližně 50 Å3. Podobně jako v předchozím případě je výměna mezi roztokem a vnitřním uzavřeným protonem pomalá (NMR). Pro methan byla změřena i termodynamika komplexace ∆H = -9 kcal.mol-1 , ∆S = -20 J K-1 mol-1 , K273 = 300 mol-1, takže inkluze plynu vyžaduje velkou a nevýhodnou změnu entropie.

Obr.6.10. Syntetické ligandy pro komplexaci plynů v kavitě a) hemikarcerand-Cram, b) tenisový míč - Rebek André Collet byl jedním z prvních, který rozpoznal vhodnost struktury kryptofanů pro interakci s nenabitými částicemi. Věhlasné jsou jeho pokusy o chirální rozpoznání. V oblasti komplexace plynů je nezbytné zmínit kryptofan 23, který je schopen rozpoznání Xe v přítomnosti methanu – konstanta stability komplexu s Xe je 25x vyšší v nepolárním prostředí. 162

Tohoto faktu bylo mnohem později využito při imobilizaci tohoto komplexu na protein a jeho využití ke sledování interakce biotin-avidin pomocí 129Xe-NMR.

Obr.6.11. Syntetické ligandy pro komplexaci plynů v kavitě: a) kryptofan – A. Collet, b) jeho využití pro sledování komplexu biotin-avidin

Velmi vhodnou kavitou pro komplexaci plynů disponují calixareny. I těm je věnována samostatná kapitola, a proto se jejich komplexy nebudeme podrobněji zabývat na tomto místě. Je potřebné pouze zdůraznit, že vzdálenost NO od calixarenového aromatického systému byla měřena a překvapivě bylo určeno, že je 2,4 Å, což je mnohem méně než typický

Obr.6.12. Ve vodě rozpustný dekamethylencucurbi[5]uril 28 a „otevřený fulleren“ 31

163

van der Waals kontakt (3,2 Å). Konstanta stability pro vniklý komplex byla odhadnuta na 5.108 mol-1. Zajímavým příkladem ligandu, komplexujícího řadu plynů, je dakamethylencucurbi[5]uril 28. Bylo zjištěno, že tento ve vodě rozpustný malý příbuzný známého cucurbiturilu je schopen komplexovat H2, He, Ne, Ar, N2, O2, N2O, NO, CO, CO2, CH4 a acetylen. Komplex se tvoří obvykle pouhým uváděním plynu do vodného roztoku sloučeniny 28. Komplexy „větších molekul“ vznikají až při vyšší teplotě. Dále uvidíme, že tento ligand se sám stává hostem a vzniká kombinovaný molekulární gyroskop (viz dále). Samostatnou kapitolou je inkluze plynů ve fullerenech na fulleridy a související komplexace plynů uhlíkovými nanotrubičkami (NWNT - single-wall carbon nanotube). I fullerenům bude věnována samostatná přednáška a nebudou tedy diskutovány zde. 6.3. INTERAKCE AROMATICKÝCH STRUKTUR V CHEMICKÉM A BIOLOGICKÉM ROZPOZNÁNÍ V předchozí kapitole byla zmíněna interakce kationtů s π–systémem a zvláště v oblasti chemie calixarenů. Zde se budeme zabývat ostatními interakcemi aromatických π– systémů. Tato část je zpracována podle rok starého přehledu autorů R.K.Castellano a F.Diederich. Tito prominenti supramolekulární chemie se zabývají již léta studiem principů supramolekulárních interakcí a jejich aplikací pro vysoce aktuální cíl – návrh nových léčiv. A ihned první obrázek je z této oblasti.

Obr.6.13. Vazba anti-Alzheimerova přípravku E 2020 v aktivním místě acetylcholinesterasy „Torpedo californica“ Všechny typy interakcí aromatických systémů jsou zobrazeny na tomto obrázku. Jediné, co chybí, je úloha rozpouštědla a ta bude, vzhledem ke své důležitosti zvláště v této oblasti, předmětem první části tohoto oddílu. V naprosté většině případů aplikace v oblasti medicinální chemie, tedy v oblasti vývoje nových léčiv, směřují k vodnému prostředí. S tímto prostředím je nerozlučně spojen termín hydrofobní interakce, kterou můžeme charakterizovat jako interakci povrchu molekuly převážně hydrofobní, tedy vodu odpuzující povahy. Nejvíce je v tomto směru známo o receptorech typu cyklofanů, kde interakce aromatických systémů hrají zásadní roli. Rozeberme si nejprve thermodynamickou charakteristiku procesu komplexace v rozpouštědle (voda). Schematicky je znázorněn na následujícím obrázku.

164

H 2O H 2O

B H H

O

A

O

H

"bulk"

H2O

H

+

H2O

E

"gas" H

H O

H H

O

H

H O

H

host H

O

H H

O H

O H

H

O

C H

host

H H

O

H

H

O

O

H H

H

O H

O

H

+

host

H

"gas"

D 6 H 2O "bulk"

Obr.6.14. Thermodynamická charakteristika procesu komplexace ve vodě Krok A popisuje desolvataci kavity, přičemž molekuly vody se dostávají do plynného stavu. Tento proces je enthalpicky nevýhodný a entropicky výhodný, načež následuje krok B, kde je tomu obráceně. Krok C popisuje vyjmutí hosta z ledu-podobné struktury solvátového obalu. To je opět enthalpicky nevýhodné a entropicky výhodné, načež následuje rozpad organizované struktury solvátu, což je výhodné enthalpicky i entropicky. Konečně krok E je

Obr.6.15. Receptor-cyklofan a jeho komplexační schopnost vlastní komplexace, kdy komplementární host a hostitel vytvoří komplex, což by mělo být enthalpicky výhodné a entropicky nevýhodné, protože jejich mobilita se vždy zmenší. Solvatační obal, který se při ději nemění, není znázorněn. 165

Tabulka 1. Thermodynamické parametry popisující komplexaci cyklofanu (Obr.6.15) 1,4disubstituovaných hostů ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------Host Cp° [cal.mol-1 K-1] T S G [kcal.mol-1] H [kcal.mol-1] [kcal.mol-] ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------Komplex ve vodě 2a -6,81 -11,8 -60 -5,0 2b -6,01 -8,1 -50 -2,1 2c -5,86 -10,5 -130 -4,6 2d -5,38 -10,0 -20 -4,6 2e -5,33 -7,2 -20 -1,9 Komplex v methanolu 2d -1,20 -3,7 -2,5 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------Takové typy komplexace byly opakovaně studovány, takže data obsažená v tabulce jsou skutečně spolehlivá. Komplexace řízená hydrofobními interakcemi, tradičně spojovaná s biologickými membránami by měla být řízena výhodnou změnou entropie a nízkým (nulovým) enthalpickým příspěvkem, což zde, v případě pevné vazby aromatického systému, v žádném případě neplatí. Naopak, děj je zjevně řízen výhodnou změnou enthalpie, částečně kompenzovanou nevýhodnou změnou entropie. Jedině negativní změna tepelné kapacity s teplotou byla očekávána. Tento typ řízení komplexace (nazvaný neklasický hydrofobní efekt) byl potvrzen pro řadu jiných dějů, ve kterých vystupují areny, ať s biologickými nebo abiotickými receptory. Mezi procesy, u nichž bylo takové thermodynamické řízení prokázáno, je řa-

166

Obr.6.16. Interkalace aminoakridinu do DNA – děj řízený změnou enthalpie da interakcí aromatických aminokyselin s enzymy, velká skupina interakcí nukleových kyselin s aromatickými nízkomolekulárními látkami včetně interkalace (Obr.6.16), interakce v malém zářezu i jejich kombinace. Navíc do této skupiny patří i děje z oblasti interakcí protein-DNA, protein-protein i některé případy interakce protein-lipid. Je překvapující, že tato nesporně přesvědčivá data nenalezla žádnou odezvu v učebnicích biochemie, kde se hydrofobní efekt interpretuje stále jako jediný – klasický. Při změně rozpouštědla dochází v thermodynamickém zabarvení komplexace ke značným změnám. Klasický, pro svoji eleganci dosud nepřekonaný model je dnes již téměř 15 let starý. Jde o receptor na Obr.6.17, jehož komplexační charakteristiku bylo možno proměřit ve velmi široké škále rozpouštědel (Tabulka 2).

Obr.6.17. Receptor modelující vliv rozpouštědla na komplexační thermodynamiku Tabulka 2. Thermodynamická charakteristika tvorby komplexů receptoru (Obr.6.17) s pyrenem v různých rozpouštědlech. Rozpouštědlo G [kcal mol-1] H [kcal mol-1] T S [kcal mol-1] voda 2,2,2-trifluorethanol ethylenglykol methanol formamid ethanol N-methylacetamid N-methylformamid N,N-dimethylacetamid aceton dimethylsulfoxid N,N-dimethylformamid dichloromethan tetrahydrofuran chloroform benzen sirouhlík

-9,4 -7,8 -7,3 -6,4 -6,2 -6,1 -5,8 -5,1 -4,4 -4,3 -3,9 -2,9 -2,9 -2,7 -2,3 -1,5 -1,3

-20,0 -12,0 -11,0 -9,0 -5,6 -2,0 -6,6 -6,4 -3,7 -3,0 -3,1 -0,8 -

-12,2 -5,6 -4,9 -3,2 -0,5 +2,4 -2,3 -2,5 -0,8 -0,3 -0,8 +0,7 -

Na první pohled je zřejmé, že přes snižující se enthalpický příspěvek je studovaná komplexace pyrenu ve všech rozpouštědlech řízena enthalpicky. Tato studie nabízí vysvětlení podstaty neklasického hydrofobního efektu. Zdá se, že jsou dva zásadní příspěvky, které vysvětlují překvapivě kladnou změnu enthalpie pro celý děj. Prvním faktorem jsou výrazné ko167

hesní síly rozpouštědla, druhým zvětšení dispersních sil při komplexaci. Kohezní síly rozpouštědla jsou nejvyšší ve vodě a klesají s jeho snižující se polaritou. Znamená to, že interakce molekul vody v „bulku“ (např. vodíkovými vazbami) jsou daleko silnější než interakce molekul vody s jakýmkoliv povrchem. Již téměř před 40 lety bylo postulováno, že energie molekul vody v kavitě (enzymu, cyklodextrinu) je vyšší než ostatních molekul vody. Při komplexaci přispívá k celkové enthalpické výhodnosti děje převedení molekul vody z nevýhodné interakce s povrchem hosta a hostitele do výhodné interakce s ostatními molekulami vody. To bylo potvrzeno výpočtem thermodynamických parametrů komplexace pyrenu shora uvedeným receptorem ve vodě a chloroformu. Z rozdílu volné energie komplexace v těchto dvou prostředích, který je ΔG=10,2 kcal/mol, připadlo 84 %, tedy 8,6 kcal/mol, na vrub rozdílu v ΔG solvatace pyrenu v obou rozpouštědlech. Disperzní interakce na druhé straně je úměrná Lennard-

a

Obr.6.18. Interakce aromát-aromát, vyhodnoceno analýzou krystalických struktur Jonesovu potenciálu. Jeho „přitažlivý B-term“ je přímo úměrný polarizabilitě (αi [Å3]) interagujících atomů a skupin. Je to vyjádřeno následujícími vzorci.

A B U = 12 − 6 r r

B=

168

3 2e

(

)

m1 2 α i α j

(α i N i )1 2 + (α j N j ) 1 2

,

kde Ni je počet valenčních elektronů, e, m jsou náboj a hmota elektronu a ћ je Diracova konstanta. Polarisabilita vychází daleko vyšší pro organické substruktury, než složky vody (O = 0,84; OH = 1,20; CH2 =1,77; CH3 = 2,17; CHarom = 2,07). Z toho důvodu při komplexaci méně výhodný kontakt voda-„organika“ je zaměněn za výhodný kontakt „organika“-„organika“. Komplementarita tvarů je v této souvislosti zvláště významná. U těsných komplexů hraje tento efekt významnou roli, pro volné komplexy zase malou. Tato skutečnost byla mnohokrát experimentálně prokázána právě na cyklodextrinech s různě velikou kavitou. Toto vysvětlení platí jednotně pro klasický i neklasický hydrofobní efekt. Je možné při studiu interakcí aromatických systémů získat poučení z krystalického stavu? Určitě bylo v tomto směru učiněno mnoho pokusů. Studiem publikovaných struktur a jejich vyhodnocením bylo získáno následující pořadí výhodnosti vzájemné interakce aromát – aromát (Obr.6.18). Obrázek 6.19 pak názorně ukazuje, jak se podařilo „ideální“ rozložení aromatických jader převést do konformace reálného syntetického komplexu. Plnou čarou je znázorněna struktura komplexu, šedivě pak pozice benzenu v krystalu. Je nutné připomenout, že jakákoliv substituce aromátu podstatně změní rozložení elektronové hustoty a tím i asociační preference. To se zvláště projeví v analýze krystalografických dat, kde jejich převážná většina pochází od mono- a disubstituovaných benzenových jader. Navíc se vždy může projevit interakce typu D-A, která je tím silnější, čím je rozdílnější elektronový „obsah“ interagujících aromátů. Výsledkem podrobného studia jsou následující ligandy interagující čistě formou π−π stacking (Obr.6.20). Pro hodnocení tak zvané C-H-aromát interakce navrhl Wilcox tak zvané molekulární torzní váhy, jejichž princip je znázorněn na obrázku 6.21. Bohužel ani taková velmi vtipně vymyšlená modelová sloučenina nedala očekávanou a jednoznačnou kvantifikaci tohoto druhu interakce. Důvodem je, že jde o interakce v řádu jednotek kJ/mol, přičemž změny těchto veličin jsou obvykle ještě menší. Navíc je zde funkce rozpouštědla, kterou nelze vždy jednoznačně předpovědět. Původní předpoklad byl měřit rotační bariéru a na základě jejích změn zhodnotit interakce aromát-aromát a C-H-aromát.

Obr.6.19. Porovnání krystalického a „komplexovaného“ stavu Navíc je ligand navržen tak, že obměnou substituentu X je možné ovlivnit elektronovou povahu interagujícího aromátu. Ten je navíc ještě možné zaměnit za cyklohexanový skelet, čímž se však zásadním způsobem změní konformace celého systému. 169

Obr.6.20. Interakce π−π stacking modelovaná elektronovými hustotami

Obr.6.21. Molekulární torzní váhy pro kvantifikaci aromát-aromát a C-H-aromát interakcí Takto získané výsledky nasvědčují, že mezi energetickými příspěvky obou typů interakcí je velmi malý rozdíl. To je ve shodě s výsledky zkoumání dalších syntetických modelů zobrazených na následujících dvou obrázcích. Na prvním z nich jde o 1,10-diarylnaftalen (a), na druhém o substituovaný N-benzyl-2-arylpyridiniový kation (b). Obr.6.22. Modely pro kvantitativní vyhodnocení příspěvku pro π−π stacking interakce.

Oba případy poskytly podobné výsledky v tom smyslu, že bariéra rotace se zvýšila v případě elektropozitivních substituentů X a naopak snížila v případě substituentů elektronegativních. Hunter se spolupracovníky pak navrhl tak zvaný „double mutant cycle“ pro stanovení příspěvku interakce dvou aromatických jader. Tento elegantní postup dovoluje individuální 170

ohodnocení změny v síle interakce u speciálně navrženého komplexu receptoru 10 (Obr.6.23) a substituovaného diamidu kyseliny isoftalové. Využitím metody postupných změn bylo možno vyhodnotit jednotlivé párové interakce typu π−π. Průměrný příspěvek jedné „edge-toface“ interakce byl 0,3 kcal/mol a byl ovlivnitelný substitucí v již shora zmíněném smyslu, takže se tato hodnota zvýšila na -1,1 kcal/mol pro kombinaci X=NO2 , Y= NMe2. Jiní autoři namítli, že tento model není vhodný, vzhledem k malé rigiditě zaujaté konformace.

Obr.6.23. Hunterova metoda „double mutant cycle“ Následující obrázek (Obr.6.24) ukazuje aktivní místo enzymu a inhibitor jeho funkce. Tento konkrétní příklad vyhledávání nového léčiva překvapivě ve svých výsledcích souhlasí se závěry učiněnými na shora uvedených modelových receptorech. Bylo zjištěno, že interakce ve vazebném místě enzymu je téměř stejná pro N-benzyl a N-cyklohexylmethyl-derivát, což je v dobré shodě s kvantifikací těchto interakcí na molekulárních torzních vahách. Fenyl nebo cyklohexyl zaujme „edge-to-face“ pozici k Trp (W215), který je významným rozpoznávacím elementem ve vazebném místě enzymu.

171

Obr.6.24. Interakce syntetických inhibitorů trombinu Navíc jsou interakce C-H–π systém velmi dobře literárně sledovány. Stále doplňovaný přehled literatury na toto téma lze nalézt na: http://www.tim.hi-ho.ne.jp/dionisio/index.html. Význam vhodné kombinace párových interakcí parciálních nábojů na jednotlivých aromatických systémech byl pěkně modelován na konformaci makrocyklického receptoru znázorněného na následujícím obrázku. Stacking interakce je v nevýhodném (druhém) případě nahrazena interakcí edge-to-face, což bylo prokázáno v tuhém stavu i v roztoku. Vysvětlení spočívá ve výhodné kombinaci jednotlivých párových interakcí způsobených elektronegativními substituenty v polohách 3,7 naftalenu, které se „obrátí“, zaměníme-li substituenty typu ester (17) za alkoxyl (18) (Obr.6.25). Komplexy benzenů a řady běžných donorů vodíkové vazby byly předmětem mnoha studií teoretických i experimentálních. Tak bylo zjištěno, že stabilizační enthalpie interakce voda-benzen je -2,0 kcal/mol (výpočet) a -2,44 kcal/mol (experiment) (vzdálenost O – centrum benzenu byla 3,5 Å). Touto skutečností se obvykle vysvětluje relativně vysoká rozpustnost aromátů ve vodě (porovnáváno s alkany). V případě amoniaku byly uvažovány dva způsoby orientace interagujících částí a nebyly mezi nimi nalezeny velké rozdíly. Hodnota první interakce byla změřena 1,84 kcal/mol a vypočtena 1,61 kcal/mol, samozřejmě v plynné fázi. V případě formamidu byly počítány dvě konformace a byla získána podobná hodnota této interakce na úrovni 4,0 kcal/mol. Tyto interakce jsou znázorněny na obrázku 6.26 společně s příklady nalezenými v krystalových strukturách. Na rozdíl od stacking interakcí, nebyly interakce typu X-H…Ar často modelovány. Následující dva příklady jsou výjimkou potvrzující toto pravidlo. Na prvním vidíme překvapivě vysoké zvýšení stability komplexu dvěma dodatečnými N-H-Ar vodíkovými vazbami u dioxopiperazinu (dilakton 3,4.102 na 1,0.106) a receptoru (19.22) (Obr.6.27). V druhém případě jde o syntetický receptor typu molekulární pinzety využívající všech typů interakce, jmenovitě stacking, edge-to-face, N-H..Ar, O-H..N i donor-akceptorových interakcí.

172

Obr.6.25. Význam vhodné kombinace párových interakcí parciálních nábojů na jednotlivých aromatických systémech (17, 18).

Obr.6.26. Interakce voda, amoniak, formamid – benzen a analogické kontakty nalezené v „biologických“ krystalových strukturách

a Obr.6.27. N-H….Ar interakce a molekulární pinzeta (Whitlock) 6.4. SPECIÁLNÍ TYPY INTERAKCÍ V AROMÁTECH

173

Interakce aromát – perfluoroaromát Je tomu již více než 40 let, kdy bylo poprvé publikováno, že benzen a perfluorbenzen tvoří zajímavý druh krystalů s bodem tání téměř o 20 °C vyšším než benzen samotný. Strukturní analýzou tohoto krystalu bylo prokázáno pravidelné střídání obou partnerů v sloupcích (viz Obr.6.28).

Obr.6.28. Struktura krystalu benzen-perfluorbenzen a schéma jejich kvadrupólového momentu Určit sílu této interakce bylo předmětem mnoha teoretických i experimentálních studií na modelech typu 1,8-disubstituovaného naftalenu (Obr.6.29) i pomocí double-mutantcycle“; 3,7–5,6 kcal/mol je rozptyl hodnot v plynné fázi, v roztoku pak bylo naměřeno 0,4 0,5 kcal/ /mol jako přírůstek bariéry rotace spojený s jedním atomem fluoru navíc (Obr.6.29).

Obr.6.29. Měření interakcí fluorfenyl-fenyl v roztoku Tyto interakce byly později využity pro řadu supramolekulárních syntetických receptorů aniontů i při návrhu nových molekulárních materiálů (Obr.6.30).

174

Obr.6.30. Využití interakcí typu benzen-perfluorbenzen (benzoová, perfluorbenzoová a 2,4,6-trimethylbenzoová kyselina) Interakce síra-aren Těsný a častý kontakt (5 Å > S - centrum arylu) mezi síru obsahujícími zbytky (Met, Cys) a aromatickými zbytky (Tyr, Trp, Phe) aminokyselin byl poprvé pozorován již v roce 1970. Vzdálenost obou struktur je obvykle v rozmezí 3,5 až 4,9 Å. Na následujícím obrázku jsou tyto interakce zvýrazněny pro lysozym ze slepičího vaječného bílku, vedle jsou pak uvedeny možné interakce mezi cystinem a tryptofanem společně s výsledky výpočtů.

Obr.6.31. Interakce nalezené v lysozymu ze slepičího vaječného bílku, interakce cystin a tryptofan Interakce typu A je nejvýhodnější, následovaná C a B (3,7 ; 1,7 a 1,5 kcal/mol), jak bylo vypočteno v plynném stavu. V roztoku jsme odkázáni na modelové sloučeniny různého stupně složitosti. Komplexace dimethylsulfid – aren byla studována v tetrachlormethanu pomocí NMR. Bylo zjistěno, že se tvoří výlučně komplex 1:1 a enthalpie spojená se vznikem tohoto komplexu byla odhadnuta na 0,8 kcal/mol. Další studie byla provedena na modelu zo-

175

brazeném na následujícím obrázku. Záměna S za –CH2- vedla k pětinásobnému snížení interakční konstanty změřené v chloroformu.

Obr.6.32. Model pro kvantifikaci příspěvku S-aren interakce 6.5. MOLEKULÁRNÍ NÁDOBKY Karcerand a kavitand jsou názvy, které zavedl D.J.Cram, aby označil sloučeninu s kavitou, schopnou pojmout externí sloučeninu. Vzniklý karceplex čí kaviplex má stabilitu odpovídající stabilitě vazeb; externí sloučeninu uvnitř drží. Tradičně u dvojice karcerandkarceplex jde o uzavření kovalentními vazbami. U dvojice kavitands-kaviplex jde o vazby nekovalentní nebo je kavita pootevřena.

176

Obr.6.33. Karcerand a molekulární nádobka, struktura a grafické vyjádření Tak vzorec 5 na shora uvedeném obrázku představuje karcerand a celek 5.guest karceplex. Je to původní látka, kterou navrhl D.J.Cram. Substitucí na obou stranách se podařilo zvýšit její rozpustnost natolik, aby s ní bylo možno vůbec pracovat. Obecně jsou karcerandy veliké molekuly a není jednoduché navrhnout nový synteticky výhodný synthon. Objeví-li se, je obvykle extenzivně využíván. To je také osud resorarenů, které zavedl Cram a které jeho následovníci dodnes extenzivně používají. Pokud jde o vlastní syntézu, můžeme rozlišit syntézu karcerandů v jednom a dvou stupních – Obr.6.34.

177

a Obr.6.34. Syntéza a struktura karcerandů Není bez zajímavosti porovnat velikost karcerandů-kavitandů s velikostí molekul, které se do nich vejdou. Pěkným způsobem to naznačil Rudkevich ve svém referátu. Zobrazeno je to na obrázku 6.35. Je pochopitelné, že tímto způsobem lze připravit velkou škálu struktur, kde spojkou obou polokoulí je téměř cokoliv. Byly připraveny látky s alifatickou, aromatickou, chirální i achirální, flexibilní i rigidní, kovalentní i nekovalentní spojkou. Problémem často bývá vyhodnotit, jaké nové vlastnosti daná sloučenina má. Samozřejmě nejzajímavější by bylo nalézt obecná strukturní pravidla mezi tvarem kavity a jejím potenciálním obsahem. Tím by bylo možné navrhovat selektivní karcerand pro jeden, dva i více hostů. Tento cíl je však zatím ještě nepředstavitelně daleko. Zkusme si vybrat několik příkladů ilustrujících to, co již dosaženo bylo. První specifickou záležitostí je templátový efekt hosta. Je logické, že látka, která dobře „padne“ do vznikající kavity, by měla podpořit snadnost jejího vzniku. Při hledání takové látky by bylo potřeba mít „otevíratelný karceplex“. Dříve než byl k disposici, využilo se možnosti provádět uzavření kavity v prostředí látky, která do kavity nevchází, a v tomto prostředí provést řadu kompetitivních pokusů. Je zřejmé, že nejlepším templátem je pyrazin. Ukázalo se vzápětí, že v jeho přítomností lze uzavřít příslušný karceplex ve výtěžku 74 %, což je v této oblasti mimořádný výsledek.

178

Obr.6.35. Porovnání velikosti hosta a hostitele u kavitandů a karcerandů Posléze byla nalezena možnost, jak přímo měřit výměnu hostů v „karceplexu, který jím ve skutečnosti není“. Je to znázorněno na následujícím obrázku a kavita je v tomto případě uzavřena vodíkovými vazbami mezi alkoholátem a alkoholem. Tato kombinace se připraví z neutrálního prekursoru účinkem báze (DBU). Účinkem kyseliny se vrátíme opět do výchozího stavu. Tak byl získán ideální model pro relativně jednoduché hledání vhodného a efektivního hosta. Bohužel se později ukázalo, že není přímá a jednoduchá souvislost mezi schopností obsadit místo v kavitě a fungovat jako účinný templát při jejím vzniku.

Obr.6.36. „Otevíratelný“ karceplex Jedním z cílů bádání v oblasti karcerandů je získat systém s ovladatelnou velikostí vstupního portálu. Toho se dá dosáhnout řadou metod, některé z nich

179

si ilustrujeme na obrázcích. Tak na Obr.6.37 je znázorněna metoda selektivního uzavírání poslední „příčky“.

Obr.6.37. Karcerand a jeho částečně uzavřené deriváty

Jinou možností je ovlivnit tvar kavity makrocyklu, což lze kombinovat s možností již uzavřenou příčku opět otevřít (Obr.6.38). 180

Obr.6.38. Karcerandy s různou hloubkou makrocyklu a otevíratelnou „příčkou“ Posledním a patrně nejméně snadným využitím karcerandů je aplikace vnitřního objemu jako molekulární nádobky pro provádění specifických reakcí, které by za jiných podmínek neprobíhaly. Příklad na Obr.6.39 je klasický a dosud nepřekonaný – D.J.Cram.

Obr.6.39. Karcerand jako molekulární nádobka Pyron uvnitř kavity podléhá fotolýze na cyklobutadien, který je natolik stabilní, že dovoluje kompletní charakterizaci, popřípadě další fotolýzu na dvě molekuly acetylenu. V případě vypuzení z kavity účinkem THF dochází k okamžité dimerizaci, před kterou právě karcerand brání. 181

a Obr.6.40. Vodíkovými vazbami vytvořený karceplex indukuje helikální uspořádání Uvažujeme-li o karcerandech vznikajících převážně nebo úplně slabými interakcemi, dostáváme se v podstatě do oblastí tak významných jako je samoskladba (self-assembly) a nekovalentní syntézy. Ty budeme probírat v samostatných kapitolách v druhém díle tohoto kursu. Příklad z nedávné doby, který zde uvádím, má sloužit pouze pro ilustraci překryvu tématu této kapitoly se shora uvedenými pojmy. Na mnoha případech je prokázano, že vodíkovými vazbami držená kapsle akceptuje řadu hostů včetně alkanů. Nově bylo zjištěno, že za určitých okolností zaujme alkan v kavitě helikální uspořádání, aby maximálně využil prostor. Lze tedy konformaci hosta indukovat strukturou karcerandu. Celý děj je znázorněn na následujícím obrázku. Jinou aplikací komplexace neutrální molekuly je molekula v molekule, nazvaná molekulární gyroskop. Byla patrně objevena náhodou při práci na syntetických postupech pro cucurbit[n]rily s definovanou velikostí. Ze směsi byla isolována látka, jejíž struktura byla 182

určena jako cucurbit[5]ril v cucurbit[10]rilu. V případě přípravy této struktury v koncentrované kyselině chlorovodíkové je uvnitř ještě chloridový anion. Celá struktura je znázorněna na následujícím obrázku. Zvláštností této struktury je to, že se oba kulovité útvary navzájem volně pohybují.

a Obr.6.41. Spontánně vzniklý cucurbit[5]ril v cucurbit[10]rilu Mezi molekulární kapsle lze zařadit také dříve slíbenou práci o anorganicko-organických interakcích zeolitů. Nedávno se objevil referát o molekulárních anténách na bázi molekulárních interakcí barvivo-zeolit. V principu jde o to, zda anorganický materiál – zeolit může interakcí s externím barvivem ovlivňovat a řídit jeho inkorporaci do (uvolnění z) své pórovité struktury. Dnes je již možno definovat hierarchii organizace těchto dvou komponent (zeolit-barvivo). Prvním stupněm nazýváme organizaci molekul barviva uvnitř kanálku zeolitu. Druhý stupeň je definován jako interakce např. typu donor-akceptor dvou nebo více barviv organizovaných uvnitř kanálku. Jedna molekula barviva je navržena tak, aby plnila funkci zátky každého kanálku. Třetí stupeň pak představuje připojení částečně externí zátky k zcela externímu zařízení. Tento výzkum má jasné aplikační zaměření. V prvním stupni dovoluje sbírat světelnou energii v rámci objemu jednotlivého kanálku a převádět ji mezi jednotlivými, organizovaně komplexovanými molekulami barviv. V druhém stupni již jde o nezářivý přechod energie na částečně externí „zátku – fluorofor“. Třetí stupeň směřuje k makroskopickému propojení takových molekulárních zařízení. Z textu zmíněného přehledu vyplývá, že stadium první a druhé se zdá být již metodicky zvládnuté. Stadium třetí se tak dostává do středu výzkumné pozornosti a lze v tomto oboru čekat i praktické aplikační výsledky. Celou záležitost velmi dobře charakterizuje informační souhrnný obrázek (Obr.6.42). V centru obrázku vidíme strukturu zeolitu s organizovaně inkorporovanými molekulami dvou typů barviv a každý kanálek je uzavřen „zátkou“, jejíž struktura je navržena tak, aby mohla být připojena k externímu zařízení, což je naznačeno ve spodní části obrázku. Tato aplikace zeolitu byla vybrána subjektivně a rozhodně nepředstavuje hlavní výzkumný směr aplikací těchto anorganických polymerů, který směřuje jednoznačně ke katalýze.

183

Obr.6.42. Materiály pro supramolekulární antény 6.6. STATISTICKÉ „ZATEMNĚNÍ“ Ve světle množících se dat o komplexacích, síle interakcí jak párových tak celkových termodynamických charakteristik tvorby komplexů se objevují snahy o utřídění a systematizaci naměřených dat. Nejdále patrně došel K.N. Houk, který ve své přehledné práci z minulého roku dělí interakce na tři skupiny: • vazba organických molekul syntetickými receptory, cyklodextriny, albuminy, katalytické protilátky i kombinace enzym-substrát, a to ve vodě i v nevodném prostředí charakterizovaná Kass = 103,5 ± 2,5 • vazba tranzitního stavu a biologických antigenů protilátkami a inhibitorů enzymy, charakterizovaná Kass = 108 ± 2 • vazba tranzitních stavů enzymy charakterizovaná Kass = 1016 ± 4

184

Je otázka, nakolik je tato analýza cenná. Vzhledem k tomu, že nalezla místo v nejprestižnějším odborném tisku, asi cenná je. Pro nás, kteří se pohybujeme pouze v té první oblasti, je pozoruhodné, kolik toho statistické zpracování „snese“. Na druhé straně ale stojí za zamyšlení, proč jsou syntetické receptory skutečně všechny v té první kategorii. Jedno vysvětlení se nabízí. Autoři této kompilace poctivě přiznávají, že všechny komplexy, kde je angažován kov v jakékoliv formě, nebrali v úvahu. Patrně ve většině komplexů tranzitních stavů se ion kovu vyskytuje a hraje tam dokonce významnou roli. Posuzováno z tohoto hlediska je ovšem taková statistická analýza málo významná. Jiný přístup zvolil D. Williams, který se ve svém článku ptá, jakých triků používá příroda pro to, aby stabilita biologických komplexů byla skutečně tak vysoká. Neschovává se za statistickým zpracováním, nevylučuje, ale naopak vyhledává extrémy a snaží se je vysvětlit. A vzhledem k tomu, že své úvahy ověřuje i experimentálně, dospívá k některým pozoruhodným závěrům. Tak nejprve definuje tak zvanou positivní kooperativitu při vazbě ligandu do receptoru. Je to znázorněno na první části obrázku 6.43. Nově vzniklé dvě vodíkové vazby positivně ovlivní již existující vodíkové vazby, protože podpoří a upevní konformaci receptoru, která je výhodná pro jejich vznik.

Obr.6.43. Positivní a negativní kooperativita při vazbě ligandu Autoři předpokládají, že dvojice biotin-streptavidin je vhodným modelem pro ověření tohoto předpokladu. Je to velmi dobře známá dvojice, kde biotin se ve vodě váže na protein streptavidin a tvoří komplex s Kass=1013,4 mol-1, což v thermodynamických veličinách představuje změnu enthalpie ΔH = -134 kJ/mol a entropie TΔS = -57 kJ/mol. Protein je tetramer a komplexuje čtyři molekuly biotinu. Autoři tedy předpokládají, že komplexací dojde k positivní kooperativitě a celek - tetramer - získá na kompaktnosti a pevnosti. Z toho lze odvodit, že tento děj způsobí celkové zvýšení/změnu pevnosti. K experimentálnímu prokázání tohoto jevu byla použita výměna H-D v NH-CO skupinách proteinu. Měřením této výměny – provádí se jednoduše rozpuštěním proteinu či jeho komplexu v D2O - pomocí ESI-MS volného a komplexovaného streptavidinu bylo prokázáno, že děj komplexace je spojen s „ukrytím“ 24 amidických vodíků, které se ve volném stavu vyměňují, avšak v komplexu jsou nedostupné. Stojí za zaznamenání, že tato změna není pozorovatelná ve známé krystalové struktuře obou stavů. Další otázkou, kterou autoři řešili, bylo to, zda podobný efekt lze pozorovat v případě enzymů komplexujících tranzitní stav reakce, kterou katalyzují. Autoři provedli analogickou studii na enzymu cytidin-deaminasa a potvrdili stejné chování. 185

Dalším krokem bylo potvrzení této teorie pro negativní kooperativitu (druhá část obrázku 44). Zde vazba ligandu na receptor způsobí oslabení existujících vazeb vzhledem ke sterickým problémům. Jako model byl vybrán hemoglobin známý ve formě tetrameru α2ß2, o kterém je známo, že navázání první molekuly kyslíku je spojeno s převodem „husté“ konformace na relaxovanou, což by mělo být spojeno s oslabením všech (některých) mezimolekulárních interakcí. Stejnou metodou jako u positivního efektu bylo prokázáno, že vazbou jedné molekuly kyslíku k tetrameru se uvolní 7-8 NH skupin v jednotce α a 16 NH skupin v jednotce ß pro výměnu H-D. Tím byla negativní kooperativní vazba prokázána. Pro úplnost je třeba dodat, že při vazbě druhé až čtvrté molekuly kyslíku vykazuje tento děj již opět positivní kooperativitu a relaxovaná konformace tetrameru se opět upevňuje. 6.7. ZÁVĚR Úroveň poznání v tomto oboru supramolekulární chemie již dospěla do takového stadia, že si dovolím závěr této kapitoly převzít z referátu Diderichova. „Nevertheless, it has also become apparent that a single research approach, such as studying solution complexation with artificial receptors, is insufficient for enhancing the knowledge of molecular recognition phenomena up to a level at which it becomes directly useful ...and in addition to findings from supramolecular chemistry, quantitative investigations from biostructural research, crystallographic database mining, gas-phase study, and theoretical calculations have to be added.

6.8. LITERATURA Knihy: 1. Diederich F.: Cyclophanes (Monograph in Supramolecular Chemistry No.2, Stoddart J.F., red.), RSC, Cambridge 1991. 2. Cram D.J., Cram J.M.: Container Molecules and Their Guests (Monograph in Supramolecular Chemistry No.4, Stoddart J.F., ed.), RSC, Cambridge 1993. Referáty: 1. Hunter C.A., Lawson K.R., Perkins J., Urch C.J.: Aromatic Interactions. J. Chem. Soc., Perkin. Trans. 2, 2001, 651-69. 2. Prins L.J., Reinhoudt D.N., Timmerman P.: Noncovalent Synthesis Using Hydrogen Bonding. Angew. Chem., Int. Ed. 2001, 40, 2382-426. 3. Rudkevich D.M.: Nanoscale Molecular Containers. Bull. Chem. Soc. Jpn., 2002, 75, 393413. 4. Hof. F., Craig S.L., Nuckolls C., Rebek, Jr. J.: Molecular Encapsulation Angew. Chem., Int.Ed. 2002, 41, 1556-78. 5. Klärner F.-G., Kahlert B.: Molecular Tweezers and Clips as Synthetic Receptors. Molecular Recognition and Dynamics in Receptor – Substrate Complexes. Acc. Chem. Res. 2003, 36, 919-32. 6. Meyer E.A., Castellano R.K., Diederich F.: Interactions with Aromatic Rings in Chemical and Biological Recognition. Angew. Chem., Int. Ed. 2003, 42, 1210-50. 7. D.H.Williams, Stephens E., Zhou Min : How can enzymes be so efficient? Chem. Commun. 2003, 1973 8. Houk K.N., Leach A.G., Kim S.P., Zhang Xiyun: Binding Affinities of Host-Guest, Protein –Ligand, and Protein-Transition-State Complexes. Angew. Chem., Int. Ed. 2003, 42, 4872-97. 9. Calzaferri G., Huber S., Maas H., Minkowski C.: Host-Guest Antenna Materials. Angew. Chem., Int. Ed. 2003, 42, 3732-58. 186

10. Rudkevich D.M. : Emerging Supramolecular Chemistry of Gases. Angew. Chem., Int. Ed. 2004, 43, 558-71. 11. Schalley C.A., Lützen A., Albrecht M.: Approaching Supramolecular Functionality Angew. Chem., Int. Ed. 2004, 43, 1072-80. 12. Cacciapaglia R., Di Stefano S., Mandolini L.: Effective Molarities in Supramolecular Catalysis of Two-Substrate Reactions. Acc. Chem. Res. 2004, 37, 113-22.

187