The secret of life is molecular recognition; the ability of one molecule to recognize another through weak bonding interactions

“The secret of life is molecular recognition; the ability of one molecule to recognize another through weak bonding interactions.” Linus Pauling at the 25th anniversary of the Institute of Molecular Biology at the University of Oregon

In the end it is nothing but equilibrium binding and kinetics. Karsten Rippe, Biochemistry II Lecture

Analytical Methods in Supramolecular Chemistry

Ideální chování

Charakteristika

Neideální chování

L

S 0

0.5 Molární poměr S : L

1

Analytical Methods in Supramolecular Chemistry Mějme systém mající dvě složky S a L tvořící komplex 1 : 1, tj. SL

Chemický „sofistikovaný“ popis ( c )

Fyzikální „primitivní“ popis ( f ) aSf

=

γSf

·

aSc = cSc

cSf

aLc = cLc

aLf = γLf · cLf

c c aSL = cSL

f Stotal = cSf

+

c cSL

=

cLc · ccS

c cSL + K · cSc · cLc

c c Stotal = cSc + cSL

c f Stotal = Stotal

cSc

K=

c cSL

cSf

cSc

=

cSf 1 + K · cLc

cSc = aSf

γSf

1 =

1 + K · cLc


S+L

SL

γS · γL cS · cL aS · aL γS · cS · γL · cL · = = γ = Kγ · Ka K= c γSL · cSL aSL SL SL ∆G = -RT · ln K ln K = ∆G = ∆H - T∆S Vazebná (asociační, rovnovážná, stability) konstanta Ka Disociační konstanta KD

∆H RT

+

∆S R

Ka = 1 / KD

Kenneth Antonio Connors Binding Constants – The Measurement of Molecular Complex Stability John Wiley & Sons 1987, ISBN-10: 0-471-83083-6, 432 pages.

Hans-Jörg Schneider and Anatoly K. Yatsimirsky Principles and Methods in Supramolecular Chemistry John Wiley & Sons 2000, ISBN-10: 0-471-97253-3, 362 pages.

Christoph A. Schalley Analytical Methods in Supramolecular Chemistry John Wiley & Sons 2007, ISBN-10: 3-527-31505-5, 502 pages.

Christoph A. Schalley Analytical Methods in Supramolecular Chemistry Wiley-VCH 2012, 2nd, 2 vol., ISBN-10: 352732982X, 844 pages

• INTRODUCTION • QUANTITATIVE ANALYSIS OF BINDING PROPERTIES • ISOTHERMAL TITRATION CALORIMETRY IN SUPRAMOLECULAR CHEMISTRY • EXTRACTION METHODS • MASS SPECTROMETRY AND GAS PHASE CHEMISTRY OF SUPRAMOLECULES • DIFFUSION NMR IN SUPRAMOLECULAR CHEMISTRY AND COMPLEXED SYSTEMS • PHOTOPHYSICS AND PHOTOCHEMISTRY OF SUPRAMOLECULAR SYSTEMS • CIRCULAR DICHROISM SPECTROSCOPY • ELECTROCHEMICAL METHODS • CRYSTALLOGRAPHY AND CRYSTAL ENGINEERING • SCANNING PROBE MICROSCOPY • SINGLE-MOLECULE FORCE SPECTROSCOPY OF SUPRAMOLECULAR COMPLEXES • CONFOCAL LASER SCANNING MICROSCOPY: A VERSATILE SPECTROSCOPIC TOOL FOR THE INVESTIGATION OF MOLECULAR GELS • TRANSMISSION ELECTRON MICROSCOPY (TEM) OF RADIATION SENSITIVE • SUPRAMOLECULAR ARCHITECTURES - STRATEGIES FOR A COMPREHENSIVE • STRUCTURE CHARACTERIZATION • THE CHARACTERIZATION OF SYNTHETIC ION CHANNELS AND PORES • THEORETICAL METHODS FOR SUPRAMOLECULAR CHEMISTRY

Analytical Methods in Supramolecular Chemistry Metoda: Prostředí: Vhodná pro konstanty: Obvyklé koncentrace: Množství minoritní látky: Potřebná čistota látek: Komplikace metody:

1H

NMR

libovolné deuterované log K < 4 < 10-3 mol.L-1 0.1 – 2 mg střední Paramagnetické látky, malá změna chemických posunů

TrisTB diastereomers + 1,2,4,5-tetracyanobenzene ∆δ (Hz)

syn,syn

K = 615 ± 68

Ksyn,syn / Kanti,anti = 24 syn,anti

tweezers effect = 1.4

K = 17 ± 2

n/n

anti,anti B. Dolenský, J. Kessler, M. Jakubek, J. Novotná, J. Čejka, V. Král Tetrahedron Lett., 2012, in press.

K = 16 ± 2

N

N

N

N

N

N

Test chirálního rozpoznání

N N

N N

N-(3,5-Dinitrobenzoyl)-D-α-phenylglycine

H

N N

NO2

N

+ HOOC

O

(± ±)-syn,syn-trisTB

NO2

1H

NMR spektra

+ 0,3 ekv.

+ 0,1 ekv.

(±)-syn,syn-trisTB

ppm

Každý z enantiomerů trisTB interaguje jiným způsobem

Test chirálního rozpoznání (± ±)-syn,syn-trisTB + N-(3,5-Dinitrobenzoyl)-D-α-phenylglycine

N

N

N

N

N

N

v CDCl3

1H

NMR spektra

v CDCl3 / (CD3)2SO 5:1

Přídavek DMSO interakci neruší

Test chirálního rozpoznání

Dochází ke změně chemických posunů Nedochází ke změně chemických posunů Ostatní signály nelze sledovat ( překryvy )

Pravděpodobně dochází k interakci do kavity

Analytical Methods in Supramolecular Chemistry Metoda:

13C

NMR

Prostředí:

libovolné

Vhodná pro konstanty:

log K < 3

Obvyklé koncentrace: Množství minoritní látky: Potřebná čistota látek: Komplikace metody:

< 10-2 mol.L-1 5 – 20 mg malá Paramagnetické látky

Analytical Methods in Supramolecular Chemistry Metoda: Prostředí: Vhodná pro konstanty:

UV-Vis voda, omezeně i další záleží na molárním absorpčním koeficientu

Obvyklé koncentrace:

10-2 – 10-4 mol.L-1

Množství minoritní látky:

0,010 – 0,100 mg

Potřebná čistota látek: Komplikace metody:

vysoká překryvy pásů

13/60 N

+

T

N

E N C

B B B B T T T T is is is is b b b b titinnn n y y a a s s

N

N

N

+

N

N

N

+

T

E N C

syn-bisTB + TCNE

anti-bisTB + TCNE

Analytical Methods in Supramolecular Chemistry Metoda: Prostředí: Vhodná pro konstanty:

Fluorometrie voda, omezeně i další log K = 2 – 7


10-3 – 10-6 mol.L-1


0,001 – 0,010 mg

Potřebná čistota látek: Komplikace metody:

velmi vysoká překryvy pásů, zhášení fluorescence

Analytical Methods in Supramolecular Chemistry Metoda: Prostředí:

Infračervená spektroskopie pouze některé rozpouštědla


záleží na molárním absorpčním koeficientu


záleží na molárním absorpčním koeficientu

Množství minoritní látky: Potřebná čistota látek: Komplikace metody:

0,001 – 0,100 mg vysoká překryvy pásů


Polarimetrie voda, omezeně i další log K < 2 10-1 – 10-2 mol.L-1 10 – 100 mg vysoká malá přesnost, nízká citlivost


CD / ORD voda, omezeně i další log K = 1 – 6 10-3 – 10-5 mol.L-1 0,01 – 1 mg vysoká omezena na opticky aktivní látky

Complexation study by UV-Vis N

N

O

O

F

F F

N

N

N

N Ar

Ar

NH2

H 2N

N

(-) TB with D-Lys

(+) TB with D-Lys

(-) TB with L-Lys

Ar

Co

N

F

F

N Ar =

COOMe Ar

F

F

F

N Co

(+) TB with L-Lys

F

F

Ar

Ar

F F

F

Complexation study by ECD

4

4

2

(-) TB with D-Lys

2

(+) TB with L-Lys

0 0 -2 -2 -4 -4 350

400

450

500

550

350

400

Wavelength [nm]

450

500

550

Wavelength [nm] 4

4

(+) TB with D-Lys

2 2

(-) TB with L-Lys 0

0 -2 -2 -4 -4 350

400

450

500

Wavelength [nm]

550

350

400

450

Wavelength [nm]

Red enantiomers;1.1 eq, grey; 3.3 eq green; 9.4 eq blue c = 1.085 10-5 mol/L

500

550

Binding constants of enantiomers with tested aminoacids

Amino acid

(–)-TB

(+)-TB

L- His

8.9 ± 0.8

7.9 ± 0.7

D- His

7.9 ± 1.2

8.9 ± 0.9

L- Lys

41.7 ± 2.2

21.7 ± 3.6

NH2

D- Lys

20.9 ± 2.7

42.3 ± 4.1

CO OCH 3

L- Pro

9.8 ± 0.9

8.9 ± 0.8

D- Pro

8.9 ± 0.9

9.8 ± 0.4

H N

COOCH3 NH2

N

COOCH3

H2N

NH


Kalorimetrie

Prostředí:

voda, omezeně i další


záleží na velikosti ∆H


10-1 – 10-3 mol.L-1 1 – 10 mg nejvyšší závislost na ∆H, vedlejší reakce


Potenciometrie - pH

Vhodné prostředí:

zejména voda


log K = 2 – 12


10-1 – 10-4 mol.L-1 0,1 – 10 mg velmi vysoká značná závislost na prostředí a teplotě

Analytical Methods in Supramolecular Chemistry Metoda: Vhodné prostředí: Vhodná pro konstanty: Obvyklé koncentrace: Množství minoritní látky: Potřebná čistota látek: Komplikace metody:

Potenciometrie - ISE zejména voda log K = 2 – 6 10-2 – 10-5 mol.L-1 0,01 – 1 mg vysoká značná závislost na prostředí, potřeba selektivní elektrody

Analytical Methods in Supramolecular Chemistry Metoda: Vhodné prostředí: Vhodná pro konstanty: Obvyklé koncentrace:

Polarografie zejména voda log K = 2 – 7 10-2 – 10-7 mol.L-1


0,001 – 1 mg

Potřebná čistota látek:

velmi vysoká

Komplikace metody:

pouze pro látky podléhající redox reakcím, citlivá ale méně přesná než potenciometrie

Analytical Methods in Supramolecular Chemistry Metoda: Vhodné prostředí: Vhodná pro konstanty: Obvyklé koncentrace:

Konduktometrie libovolné log K = 2 – 6 10-2 – 10-6 mol.L-1


0,001 – 1 mg

Potřebná čistota látek:

velmi vysoká

Komplikace metody:

nabité látky jakožto nečistoty, nesymetrické ionty

Analytical Methods in Supramolecular Chemistry Metoda: Vhodné prostředí:

Hmotnostní spektroskopie libovolný plyn, LC-MS kapalina

Vhodná pro konstanty: Obvyklé koncentrace: Množství minoritní látky: Potřebná čistota látek: Komplikace metody:

< 0,000 001 mg malá malá přesnost, nespecifické associace


Rozpustnost libovolné log K = 1 – 5 10-2 – 10-6 mol.L-1 0,1 – 10 mg střední mikrodisperze

Analytical Methods in Supramolecular Chemistry Metoda: Vhodné prostředí: Vhodná pro konstanty:

Extrakce libovolné dvě nemísitelné log K = 5 – 12


0,01 – 1 mg střední vzájemná mísitelnost fází


Chromatografie zejména voda, omezeně i další log K = 2 – 5 10-2 – 10-6 mol.L-1 0,0001 – 0,001 mg střední zadržování substrátu stacionární fází

Chromatographic Determination of Molecular Interactions Applications in Biochemistry, Chemistry, and Biophysics Tibor Cserhati, Klara Valko, Cserhati Cserhati CRC Press, 1993

Supramolecular chromatography Molecular Tweezers as Synthetic Receptors: Molecular Recognition of Electron-Deficient Aromatic Substrates by Chemically Bonded Stationary Phases M. Kamieth, U. Burker, P. S. Corbin, S. J. Dell, S. C. Zimmerman, F.-G. Klärner Eur. J. Org. Chem. 1999, 274122749

Analytical Methods in Supramolecular Chemistry NO2 NO2

NO2 NO2

NO2

NO2

Eur. J. Org. Chem. 1999, 274122749


Eur. J. Org. Chem. 1999, 274122749

CN

CN CN

CN

CN

NO2

NO2 NO2 CN

NO2

NO2

NO2

N

N COOMe

MeOOC N

N

syn-bisTB

anti-bisTB

COOMe

COOH

COCl

+ aminopropylsilica

stationary phase for HPLC

CH3 HN

CH3

O

HN

Si O

O

Si O

O

O

CH3

O

HN

Si O

O

O

Si O

O

O

O

CH3 HN

Si O

O

O

O

Si O

O

O

O

Heptane : CH2Cl2 (1:2)


Elektroforéza voda log K = 2 – 5 10-2 – 10-6 mol.L-1 0,0001 – 0,001 mg střední pouze pro nabité látky, médium effekt


Metoda: Vhodné prostředí: Vhodná pro konstanty:

SPR Povrchová plazmonová rezonance voda, omezeně i další log K = 3 – 15


vyžaduje imobilizovaný ligand



RIA Radioimmunoassay voda log K < 15


radioaktivita, vyžaduje pomalou disociaci komplexu



ELISA Enzyme-linked immunosorbent assay voda log K < 15


vyžaduje pomalou disociaci komplexu a značený enzym


Problém: Metody založené na analýze titračních křivek vypovídají pouze o relativní stechiometrii – nelze rozlišit mezi komplexem 1:1 a třeba 5:5

Metody vypovídající o velikosti (stechiometrii) komplexu

Analytical Methods in Supramolecular Chemistry GPC (SEC) Gel Permeation Chromatography (Size Exclusion Chromatography) Gelová permeační chromatografie VPO Vapour Pressure Osmosis Osmometrie v parní fázi MS Mass Spectroscopy Hmotnostní spektroskopie (ionizace ESI, MALDI, SIMS) DOSY NMR Diffusion ordered spectroscopy, D1/D2 = (M2/M1)1/3 Difusní NMR techniky SAS, SAXS, SANS Small-Angle X-Ray Scattering, Small-Angle Neutron Scattering Rozptyl záření pod malým úhlem Viskozimetrie, Supermikroskopie, ...

Analytical Methods in Supramolecular Chemistry Designed Self-Assembly of Molecular Necklaces Using Host-Stabilized Charge-Transfer Interactions Y. H. Ko, K. Kim, J.-K. Kang, H. Chun, J. W. Lee, S. Sakamoto, K. Yamaguchi, J. C. Fettinger, K. Kim J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 1932-1933


Intermolecular NOE JACS 2004, 126, 1932-1933


MS (ESI)

JACS 2004, 126, 1932-1933

Analytical Methods in Supramolecular Chemistry JACS 2004, 126, 1932-1933

2D DOSY NMR of 2 in D2O at 25 °C


X-ray

JACS 2004, 126, 1932-1933


Chiral Supramolecular Polymers Formed by Host-Guest Interactions M. Miyauchi, Y. Takashima, H. Yamaguchi, A. Harada J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 2984-2989


1H

NMR

JACS 2005, 127, 2984-2989


2D ROESY NMR

JACS 2005, 127, 2984-2989

Analytical Methods in Supramolecular Chemistry JACS 2005, 127, 2984-2989

VPO – Vapour Pressure Osmosis


Diffusion NMR

JACS 2005, 127, 2984-2989


Mass Spectroscopy

JACS 2005, 127, 2984-2989


Scanning Tunneling Microscope

Journal of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry 2006, 44, 5113–5119.

SINGLE-MOLECULE FORCE SPECTROSCOPY

Nanomedicine (2010) 5(4), 657–666

( SMFS )

Nanomedicine (2010) 5(4), 657–666

Alexander Fuhrmann and Robert Ros

Single-molecule force spectroscopy: a method for quantitative analysis of ligand– receptor interactions

Phys. Chem. Chem. Phys., 2010, 12, 10981–10987

Au

( SAM )

Phys. Chem. Chem. Phys., 2010, 12, 10981–10987

Ka = 7.1 104 M-1 ∆G0 = -27 kJ mol-1 at T = 293 K Phys. Chem. Chem. Phys., 2010, 12, 10981–10987

Study on Intercalations between Double-Stranded DNA and Pyrene by SingleMolecule Force Spectroscopy: Toward the Detection of Mismatch in DNA

Langmuir 2010, 26(17), 13773–13777

Study on Intercalations between Double-Stranded DNA and Pyrene by SingleMolecule Force Spectroscopy: Toward the Detection of Mismatch in DNA

Langmuir 2010, 26(17), 13773–13777

The secret of life is molecular recognition; the ability of one molecule to recognize another through weak bonding interactions

Recommend Documents