A mechanistic approach to methylene blue sorption on two vegetable wastes: Cork bark and grape stalks

Two vegetable wastes, cork bark and grape stalks, were investigated for the removal of methylene blue from aqueous solution. The effects of contact time, dye concentration, pH, and temperature on sorption were studied relative to adsorption on a commercially-activated carbon. The highest adsorption yield was obtained within the pH range 5 to 10 for grape stalks and 7 to 10 for cork bark. The sorption kinetics of dye onto activated carbon and grape stalks was very fast. Kinetics data were fitted to the pseudo-first and second order kinetic equations, and the values of the pseudo-second-order initial rate constants were found to be 1.69 mg g-1 min-1 for activated carbon, 2.24 mg g-1 min-1 for grape stalks, and 0.90 mg g-1 min-1 for cork bark. Langmuir maximum sorption capacities for activated carbon, grape stalks, and cork bark for methylene blue estimated by the Orthogonal Distance Regression method (ODR) were 157.5 mg g-1, 105.6 mg g-1, and 30.52 mg g-1, respectively. FTIR spectra indicated that carboxylic groups and lignin play a significant role in the sorption of methylene blue. Electrostatic forces, n-p interactions, cation-p, and p-p stacking interactions contribute to methylene blue sorption onto grape stalks and cork bark. Grape stalks can be considered an efficient biosorbent and as a viable alternative to activated carbon and ion-exchange resins for the removal of methylene blue

Synthesis, properties and characterization of N-Alkyl substituted b-Diketiminato copper(I) Complexes

Le ligand nacnacxylH (xyl = C6Me2H3) et les ligands dikétimines N-alkyle substitués (nacnacCH(Me)PhH, nacnacBnH and nacnaciPrH) ont été préparés avec de bons rendements à l’exception du nacnaciPrH (23%) en utilisant un protocole en une étape et à l’aide d’un montage Dean-Stark. La réaction du S,S-nacnacCH(Me)PhH et du nacnacBnH avec le nBuLi dans le THF conduit au S,S-nacnacCH(Me)PhLi(THF) et au nacnacBnLi(THF). Les tentatives de bromation de ces composés par le N-bromosuccinimide conduisent plutôt aux ligands S,S-succnacnacCH(Me)PhH et succnacnacBnH (succ = succinimido) substitués par un groupement succinimido sur le carbone  La chloration par le N-chlorosuccinimide conduit au produit désiré, mais avec des impuretés. La réaction de ces ligands avec le CuOtBu (ou bien MesCu, où Mes = C6Me3H2, et une quantité catalytique de CuOtBu) en présence de bases de Lewis donne les (nacnacxylCu)2(-toluène), nacnacxylCuCNC6H3(Me)2, nacnacCH(Me)PhCuL (L = PPh3, PMe3, CNC6H3(Me)2, DMAP, lutidine, Py, MeCN), nacnacBnCuL (L = PPh3, CNC6H3(Me)2, styrène, trans-stilbene, phenylvinylether, acrylonitrile, diphenylacetylène), nacnaciPrCuL (L = PPh3, CNC6H3(Me)2, MeCN) et le succnacnacCH(Me)PhCuL (PPh3, CNC6H3(Me)2, pyridine). Tous ces complexes sont jaunes et sensibles à l’air et à l’humidité. En l’absence de fortes bases de Lewis, on n’observe pas de réaction entre les précurseurs de cuivre et les ligands N-alkyle substitués. Les études RMN des complexes dans le C6D6 ne présentent pas de complexe de toluène mais un mélange à l’équilibre du (nacnacxylCu)2(-C6D6) et nacnacxylCu(C6D6) dans une proportion de 2 pour 1. Alors que l’addition de plus de cinquante équivalents soit de THF, soit de toluène n’induit aucun changement des spectres RMN, l’addition de 2 équivalents de MeCN conduit instantanément au complexe nacnacxylCu(MeCN). De plus, le (nacnacxylylCu)2(-C6D6) ne se coordone ni ne réagit avec le N2O, même après avoir été chauffé à 60°C pendant treize jours. En présence de DPA (diphenylacétylène), la réaction du nacnacBnH avec le CuOtBu conduit au dimère ponté (nacnacBnCu)2(µ-DPA). L’addition d’un excès de DPA (10-12 équivalents) transforme le dimère ponté en complexe lié en position terminale nacnacBnCuDPA. Les nacnacRH (R = CH(Me)Ph et i-Pr) ne forment pas de complexe ni avec les oléfines ni avec le DPA. Une réactivité similaire a été observée avec les complexes de nacnacCH(Me)PhCu(NCMe) et nacnaci-PrCu(NCMe). Tandis que le complexe lié en position terminale par MeCN a été isolé et caractérisé, l’équilibre en solution nous laisse suspecter la formation d’un complexe d’acétonitrile ponté. Des études de réactivité comparatives ont été menées sur quelques complexes de cuivre. La Morpholine ne réagit pas avec le nacnacBnCu(acrylonitrile) contrairement à l’acrylonitrile libre. L’expérience de l’échange d’oléfine montre que l’acrylonitrile (une oléfine électro-attractrice) se lie plus fortement que les autres oléfines, mettant ainsi en évidence l’importance de la rétrodonation  face à la donation La rétrodonation est cependant faible comparée aux autres complexes de styrène structurellement caractérisés. Les complexes nacnacCH(Me)PhCuL (L = PPh3 et MeCN) ont été employés dans la cyclopropanation catalytique du styrène et dans l’addition conjuguée du ZnEt2 sur la 2-cyclohexénone, mais les résultats indiquent que le ligand dikétimine est éliminé avant son entrée dans le cycle catalytique. Par conséquent, il n’y a pas d’induction chirale. Les complexes tétra coordinées de cuivre avec les nacnacRCu(phen) (R = Bn, CH(Me)Ph et Phen = 1,10-phenanthroline, 2-Mes-1,10-phenanthroline, 2,9-dimethyl-1,10-phenanthroline (dmp) et 2,9-diphenyl-1,10-phenanthroline (dpp)) ont été synthétisés. Ces complexes sont d’une intense couleur bleue et des interactions d’empilement entre l’un des cycles phényle des ligands nacnac et la phénanthroline ont été observées dans les structures à l’état solide. Les mesures en absorption UV-visible ont été effectuées dans le toluène et les bandes MLCT sont déplacées vers le rouge par rapport à celles des complexes de cuivre et bisphénanthroline. Tous ces composés émettent à l’état solide mais les complexes 1,10-phenanthroline et 2-Mes-1,10-phenanthroline n’émettent pas en solution. Pour renforcer les interactions d’empilement , les nouveaux ligands nacnacRH (R = CH2C6H2(OMe)3, CH2C6F5) et leurs complexes de cuivre respectifs ont été préparés avec du dmp et dpp. Afin de permettre la comparaison, le nacnaciBuCu(dmp) a été synthétisé. Alors que les complexes dmp montrent une augmentation des interactions intramoléculaires - avec les substituants phényle du ligand dikétimine et de la phénanthroline, les complexes dpp ne révèlent pas de telles interactions. Les complexes perfluorés montrent, en absorption et en émission, un déplacement significatif vers le bleu, alors que les complexes substitués par un groupements isobutyle présentent des transitions déplacées vers le rouge. Alors que les intensités de luminescence et les durées de vie sont faibles, les déplacements réduits de Stokes et les pics étroits de luminescence comparables indiquent une réduction des distorsions de l’état excité.

Caractérisation structurale et thermodynamique de la reconnaissance du substrat par le ribozyme VS de Neurospora

Les interactions ARN/ARN de type kissing-loop sont des éléments de structure tertiaire qui jouent souvent des rôles clés chez les ARN, tant au niveau fonctionnel que structural. En effet, ce type d’interaction est crucial pour plusieurs processus dépendant des ARN, notamment pour l’initiation de la traduction, la reconnaissance des ARN antisens et la dimérisation de génome rétroviral. Les interactions kissing-loop sont également importantes pour le repliement des ARN, puisqu’elles permettent d’établir des contacts à longue distance entre différents ARN ou encore entre les domaines éloignés d’un même ARN. Ce type d’interaction stabilise aussi les structures complexes des ARN fonctionnels tels que les ARNt, les riborégulateurs et les ribozymes. Comme d’autres ARN fonctionnels, le ribozyme VS de Neurospora contient une interaction kissing-loop importante. Celle-ci est impliquée dans la reconnaissance du substrat et se forme entre la tige-boucle I (stem-loop I, SLI) du substrat et la tige-boucle V (stem-loop V, SLV) du domaine catalytique. Des études biochimiques ont démontré que l’interaction kissing-loop I/V, dépendante du magnésium, implique trois paires de bases Watson-Crick (W-C). De plus, cette interaction est associée à un réarrangement de la structure du substrat, le faisant passer d’une conformation inactive dite unshifted à une conformation active dite shifted. Les travaux présentés dans cette thèse consistent en une caractérisation structurale et thermodynamique de l’interaction kissing-loop I/V du ribozyme VS, laquelle est formée de fragments d’ARN représentant les tige-boucles I et V dérivées du ribozyme VS (SLI et SLV). Cette caractérisation a été réalisée principalement par spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) et par titrage calorimétrique isotherme (isothermal titration calorimetry, ITC) en utilisant différents complexes SLI/SLV dans lesquels l’ARN SLV est commun à tous les complexes, alors que différentes variations de l’ARN SLI ont été utilisées, soit en conformation shiftable ou preshifted. Les données d’ITC ont permis de démontrer qu’en présence d’une concentration saturante de magnésium, l’affinité d’un substrat SLI preshifted pour SLV est extrêmement élevée, rendant cette interaction plus stable que ce qui est prédit pour un duplexe d’ARN équivalent. De plus, l’étude effectuée par ITC montre que des ARN SLI preshifted présentent une meilleure affinité pour SLV que des ARN SLI shiftable, ce qui a permis de calculer le coût énergétique associé au réarrangement de structure du substrat. En plus de confirmer la formation des trois paires de bases W-C prédites à la jonction I/V, les études de RMN ont permis d’obtenir une preuve structurale directe du réarrangement structural des substrats SLI shiftable en présence de magnésium et de l’ARN SLV. La structure RMN d’un complexe SLI/SLV de grande affinité démontre que les boucles terminales de SLI et SLV forment chacune un motif U-turn, ce qui facilite l’appariement W-C intermoléculaire. Plusieurs autres interactions ont été définies à l’interface I/V, notamment des triplets de bases, ainsi que des empilements de bases. Ces interactions contribuent d’ailleurs à la création d’une structure présentant un empilement continu, c’est-à-dire qui se propage du centre de l’interaction jusqu’aux bouts des tiges de SLI et SLV. Ces études de RMN permettent donc de mieux comprendre la stabilité exceptionnelle de l’interaction kissing-loop I/V au niveau structural et mènent à l’élaboration d’un modèle cinétique de l’activation du substrat par le ribozyme VS. En considérant l’ensemble des données d’ITC et de RMN, l’étonnante stabilité de l’interaction I/V s’explique probablement par une combinaison de facteurs, dont les motifs U-turn, la présence d’un nucléotide exclu de la boucle de SLV (U700), la liaison de cations magnésium et l’empilement de bases continu à la jonction I/V.

Utilisation du motif imidazole en transport d'anions et en catalyse organométallique

Le motif imidazole, un hétérocycle à 5 atomes contenant 2 atomes d’azote et trois atomes de carbone, présente des propriétés physico-chimiques intéressantes qui en font un composé de choix pour plusieurs applications. Parmi ces propriétés, la fonctionnalisation simple des deux atomes d’azote pour former un sel d’imidazolium est très intéressante. Ces sels sont d’excellents précurseurs de carbènes N-hétérocycliques (NHC) et sont couramment utilisés pour synthétiser des ligands en vue d’une utilisation en catalyse organométallique. D’autre part, cette famille de composés possède des propriétés anionophores permettant une utilisation en transport anionique. Le présent travail contient les résultats de travaux concernant ces deux domaines, soit la catalyse et le transport anionique. Dans un premier temps, les propriétés de dérivés de l’imidazole sont exploitées pour former un catalyseur de type palladium-NHC qui est utilisé pour catalyser la réaction de Suzuki-Miyaura en milieu aqueux. L’efficacité de ce catalyseur a été démontrée en utilisant aussi peu que 0,001 mol% pour un rendement quantitatif. Il s’agit de la première occurrence d’un processus hétérogène et recyclable dans l’eau, utilisant un catalyseur de type Pd-NHC et qui ne nécessite aucun additif ou co-solvant. Le recyclage a été prouvé jusqu’à 10 cycles sans diminution apparente de l’activité du catalyseur. Dans un second temps, plusieurs sels d’imidazolium ont été testés en tant que transporteurs transmembranaires d’anions chlorures. Les propriétés intrinsèques des sels utilisés qui en font des transporteurs efficaces ont été élucidées. Ainsi, les paramètres qui semblent affecter le plus le transport anionique sont le changement du contre-anion du sel d’imidazolium de même que la propension de ce dernier à s’auto-assembler via une succession d’empilements-π. De plus, les propriétés du transport ont été élucidées, montrant la formation de canaux transmembranaires qui permettent non-seulement la diffusion d’ions Cl-, mais aussi le transport de protons et d’ions Ca2+. L’intérêt de cette recherche repose d’abord dans le traitement de diverses pathologies voyant leur origine dans le dysfonctionnement du transport anionique. Cependant, les propriétés bactéricides des sels d’imidazolium utilisés ont été identifiées lors des dernières expériences.

Síntesi i Caracterització de Nous Complexos de Ruteni contenint Lligands Quirals. Aplicacions en Catàlisi Asimètrica

La Tesis describe una serie de complejos de Rutenio conteniendo ligandos quirales y su aplicación en catálisis asimétrica. Por un lado se describe el complejo [RuCl(bpea)((S)-BINAP)](BF4), donde (S)-BINAP es una difosfina quiral y bpea un ligando N-tridentado. Su aplicación en catálisis de hidrogenación asimétrica de sustratos olefínicos y carbonílicos, tanto en fase homogénea como heterogénea (tras inmovilización sobre soportes alumino-fosfato), ha mostrado excelentes resultados de conversión y excesos enantioméricos. Aparte, se ha desarrollado una familia de complejos con fórmula [Ru(T)(B)X], donde T representa un ligando tri-N-dentado, B una di-oxazolina quiral y X es Cl o H2O. Se ha estudiado la actividad catalítica de los aquocomplejos con T = tpm en epoxidaciones, determinándose la influencia de los sustituyentes en B sobre el rendimiento y la quimioselectividad, favorecidos por interacciones de tipo π-stacking. El uso de otros ligandos tridentados ha llevado a su rotura, habiéndose caracterizado sin embargo los correspondientes complejos

A novel self-healing supramolecular polymer system

Utilising supramolecular pi-pi stacking interactions to drive miscibility in two-component polymer blends offers a novel approach to producing materials with unique properties. We report in this paper the preparation of a supramolecular polymer network that exploits this principle. A low molecular weight polydiimide which contains multiple pi-electron-poor receptor sites along its backbone forms homogeneous films with a siloxane polymer that features pi-electron-rich pyrenyl end-groups. Compatibility results from a complexation process that involves chain-folding of the polydiimide to create an optimum binding site for the pi-electron-rich chain ends of the polysiloxane. These complementary pi-electron-rich and -poor receptors exhibit rapid and reversible complexation behaviour in solution, and healable characteristics in the solid state in response to temperature. A mechanism is proposed for this thermoreversible healing behaviour that involves disruption of the intermolecular pi-pi stacking cross-links as the temperature of the supramolecular film is increased. The low T-g siloxane component can then flow and as the temperature of the blend is decreased, pi-pi stacking interactions drive formation of a new network and so lead to good damage-recovery characteristics of the two-component blend.

Extreme complementarity in a macrocycle-tweezer complex

Interaction of a novel pyrene-based tweezer molecule with a macrocyclic ether-imide-sulfone results in formation of a strongly bound complex (K-a = 24 000 M-1) in which binding results not only from pi-pi stacking interactions involving pyrene units as donors and macrocyclic naphthalene-tetracarboximide and biphenylenedisulfone groups as acceptors but also from N-(HO)-O-... and C-(HO)-O-... hydrogen bonds and from "reverse" pi-stacking of the electron-poor isophthaloyl residue of the tweezer with an electron-rich 3-aminophenoxy residue of the macrocyclic imide.

Design of a turn-linker-turn foldamer by incorporating meta-amino benzoic acid in the middle of a helix forming hexapeptide sequence: A helix breaking approach

Single crystal X-ray diffraction studies reveal that the incorporation of meta-amino benzoic acid in the middle of a helix forming hexapeptide sequence such as in peptide I Boc-Ile(1)-Aib(2)-Val(3)-m-ABA(4)-Ile(5)-Aib(6)-Leu(7)-OMe (Aib: alpha-amino isobutyric acid: m-ABA: meta-amino benzoic acid) breaks the helix propagation to produce a turn-linker-turn (T-L-T) foldamer in the solid state. In the crystalline state two conformational isomers of peptide I self-assemble in antiparallel fashion through intermolecular hydrogen bonds and aromatic pi-pi interactions to form a molecular duplex. The duplexes are further interconnected through intermolecular hydrogen bonds to form a layer of peptides. The layers are stacked one on top of the other through van der Waals interactions to form hydrophilic channels filled with solvent methanol. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Sterically controlled recognition of macromolecular sequence information by molecular tweezers

Sequence-specific binding is demonstrated between pyrene-based tweezer molecules and soluble, high molar mass copolyimides. The binding involves complementary pi - pi stacking interactions, polymer chain-folding, and hydrogen bonding and is extremely sensitive to the steric environment around the pyromellitimide binding-site. A detailed picture of the intermolecular interactions involved has been obtained through single-crystal X-ray studies of tweezer complexes with model diimides. Ring-current magnetic shielding of polyimide protons by the pyrene '' arms '' of the tweezer molecule induces large complexation shifts of the corresponding H-1 NMR resonances, enabling specific triplet sequences to be identified by their complexation shifts. Extended comonomer sequences (triplets of triplets in which the monomer residues differ only by the presence or absence of a methyl group) can be '' read '' by a mechanism which involves multiple binding of tweezer molecules to adjacent diimide residues within the copolymer chain. The adjacent-binding model for sequence recognition has been validated by two conceptually different sets of tweezer binding experiments. One approach compares sequence-recognition events for copolyimides having either restricted or unrestricted triple-triplet sequences, and the other makes use of copolymers containing both strongly binding and completely nonbinding diimide residues. In all cases the nature and relative proportions of triple-triplet sequences predicted by the adjacent-binding model are fully consistent with the observed H-1 NMR data.

A thermoresponsive supramolecular polymer network comprising pyrene-functionalized gold nano-particles and a chain-folding polydiimide.

A thermoresponsive, supramolecular nanocomposite has been prepared by the addition of pyrenyl functionalized gold nanoparticles (AuNPs) to a polydiimide that contains receptor residues designed to form defined complexes with pyrene. The novel pyrenyl-functionalized AuNPs (P-AuNPs) were characterized by transmission electron microscopy, with surface functionalization confirmed by infrared and UV–visible spectroscopic analyses. Mixing solutions of the P-AuNPs and a π-electron-deficient polydiimide resulted in the formation of electronically complementary, chain-folded and π–π-stacked complexes, so affording a new supramolecular nanocomposite network which precipitated from solution. The P-AuNPs bind to the polydiimide via π–π stacking interactions to create supramolecular cross-links. UV–visible spectroscopic analysis confirmed the thermally reversible nature of the complexation process, and transmission electron microscopy (TEM), infrared spectroscopy (IR), and differential scanning calorimetry (DSC) were used to characterize the supramolecular-nanocomposite material. The supramolecular polymer network is insoluble at room temperature, yet may be dissolved at temperatures above 60 °C. The thermal reversibility of this system is maintained over five heat/cool cycles without diminishment of the network characteristics. In contrast to the individual components, the nanocomposite formed self-supporting films, demonstrating the benefit of the supramolecular network in terms of mechanical properties. Control experiments probing the interactions between a model diimide compound that can also form a π-stacked complex with the π-electron rich pyrene units on P-AuNPs showed that, while complexation was readily apparent, precipitation did not occur because a supramolecular cross-linked network system could not be formed with this system.

Supramolecular materials for inkjet printing: self-assembling polymer networks

Electronically complementary, low molecular weight polymers that self-assemble through tuneable π-π stacking interactions to form extended supramolecular polymer networks have been developed for inkjet printing applications and successfully deposited using three different printing techniques. Sequential overprinting of the complementary components results in supramolecular network formation through complexation of π-electron rich pyrenyl or perylenyl chain-ends in one component with π-electron deficient naphthalene diimide residues in a chain-folding polyimide. The complementary π-π stacked polymer blends generate strongly coloured materials as a result of charge-transfer absorptions in the visible spectrum, potentially negating the need for pigments or dyes in the ink formulation. Indeed, the final colour of the deposited material can be tailored by changing varying the end-groups of the π electron rich polymer component. Piezoelectric printing techniques were employed in a proof of concept study to allow characterisation of the materials deposited, and a thermal inkjet printer adapted with imaging software enabled a detailed analysis of the ink-drops as they formed, and of their physical properties. Finally, continuous inkjet printing allowed greater volumes of material to be deposited, on a variety of different substrate surfaces, and demonstrated the utility and versatility of this novel type of ink for industrial applications.

Perylene as an electron-rich moiety in healable, complementary π–π stacked, supramolecular polymer systems

A two-component, supramolecular polymer blend has been designed using a novel π-electron rich bisperylene- terminated polyether. This polymer is able to self-assemble through electronically complementary π–π stacking interactions with a π-electron-deficient chain-folding polydiimide to afford thermally healable polymer blends. Model compounds were developed to assess the suitability of the deep green complexes formed between perylene residues and chain-folding bis-diimides for use in polymer blends. The polymer blends thus synthesised were elastomeric in nature and demonstrated healable properties as demonstrated by scanning electron microscopy. Healing was observed to occur rapidly at ca. 75 degC, and excellent healing efficiencies were found by tensometric and rheometric analyses. These tuneable, stimuli-responsive, supramolecular polymer blends are compared to related healable blends featuring pyrene-terminated oligomers.

Synthesis and Characterization of Homoleptic and Heteroleptic Cobalt, Nickel, Copper, Zinc and Cadmium Compounds with the 2-(Tosylamino)-N-[2-(tosylamino)benzylidene]aniline Ligand

The electrochemical oxidation of anodic metal (cobalt, nickel, copper, zinc and cadmium) in an acetonitrile solution of the Schiff-base ligand 2-(tosylamino)-N-[2-(tosylamino)-benzylidene] aniline (H(2)L) afforded the homoleptic compounds [ML]. The addition of 1,1-diphenylphosphanylmethane (dppm), 2,2`-bipyridine (bipy) or 1,10-phenanthroline (phen) to the electrolytic phase gave the heteroleptic complexes [NiL(dppm)], [ML(bipy)] and [ML(phen)]. The crystal structures of H(2)L (1), [NiL] (2), [CuL] (3), [NiL(dppm)] (4), [CoL(phen)] (5), [CuL(bipy)] (6) and [Zn(Lphen)] (7) were determined by X-ray diffraction. The homoleptic compounds [NiL] and [CuL] are mononuclear with a distorted square planar [MN(3)O] geometry with the Schiff base acting as a dianionic (N(amide)N(amide)N(imine)O(tosyl)) tetradentate ligand. Both compounds exhibit an unusual pi-pi stacking interaction be-tween a six-membered chelate ring containing the metal and a phenylic ring of the ligand. In the heteroleptic complex [NiL(dppm)], the nickel atom is in a distorted tetrahedral [NiN(3)P] environment defined by the imine, two amide nitrogen atoms of the L(2-) dianionic tridentate ligand and one of the phosphorus atoms of the dppm molecule. In the other heteroleptic complexes, [CoL(phen)], [CuL(bipy)] and [ZnL(phen)], the metal atom is in a five-coordinate environment defined by the imine, two amide nitrogen atoms of the dianionic tridentate ligand and the two bipyridine or phenanthroline nitrogen atoms. The compounds were characterized by microanalysis, IR and UV/Vis (Co, Ni and Cu complexes) spectroscopy, FAB mass spectrometry and (1)H NMR ([NiL] and Zn and Cd complexes) and EPR spectroscopy (Cu complexes).

Molecular Dynamics Simulation of a PNA·DNA·PNA Triple Helix in Aqueous Solution

Molecular dynamics simulations have been used to explore the conformational flexibility of a PNA·DNA·PNA triple helix in aqueous solution. Three 1.05 ns trajectories starting from different but reasonable conformations have been generated and analyzed in detail. All three trajectories converge within about 300 ps to produce stable and very similar conformational ensembles, which resemble the crystal structure conformation in many details. However, in contrast to the crystal structure, there is a tendency for the direct hydrogen-bonds observed between the amide hydrogens of the Hoogsteen-binding PNA strand and the phosphate oxygens of the DNA strand to be replaced by water-mediated hydrogen bonds, which also involve pyrimidine O2 atoms. This structural transition does not appear to weaken the triplex structure but alters groove widths and so may relate to the potential for recognition of such structures by other ligands (small molecules or proteins). Energetic analysis leads us to conclude that the reason that the hybrid PNA/DNA triplex has quite different helical characteristics from the all-DNA triplex is not because the additional flexibility imparted by the replacement of sugar−phosphate by PNA backbones allows motions to improve base-stacking but rather that base-stacking interactions are very similar in both types of triplex and the driving force comes from weak but definate conformational preferences of the PNA strands.

Hydrogen bonding of nucleotide base pairs: Application of the PM3 method

The ability of the pm3 semiempirical quantum mechanical method to reproduce hydrogen bonding in nucleotide base pairs was assessed. Results of pm3 calculations on the nucleotides 2′-deoxyadenosine 5′-monophosphate (pdA), 2′-deoxyguanosine 5′-monophosphate (pdG), 2′-deoxycytidine 5′-monophosphate (pdC), and 2′-deoxythymidine 5′-monophosphate (pdT) and the base pairs pdA–pdT, pdG–pdC, and pdG(syn)–pdC are presented and discussed. The pm3 method is the first of the parameterized nddo quantum mechanical models with any ability to reproduce hydrogen bonding between nucleotide base pairs. Intermolecular hydrogen bond lengths between nucleotides displaying Watson–Crick base pairing are 0.1–0.2 Å less than experimental results. Nucleotide bond distances, bond angles, and torsion angles about the glycosyl bond (χ), the C4′C5′ bond (γ), and the C5′O5′ bond (β) agree with experimental results. There are many possible conformations of nucleotides. pm3 calculations reveal that many of the most stable conformations are stabilized by intramolecular CHO hydrogen bonds. These interactions disrupt the usual sugar puckering. The stacking interactions of a dT–pdA duplex are examined at different levels of gradient optimization. The intramolecular hydrogen bonds found in the nucleotide base pairs disappear in the duplex, as a result of the additional constraints on the phosphate group when part of a DNA backbone. Sugar puckering is reproduced by the pm3 method for the four bases in the dT–pdA duplex. pm3 underestimates the attractive stacking interactions of base pairs in a B-DNA helical conformation. The performance of the pm3 method implemented in SPARTAN is contrasted with that implemented in MOPAC. At present, accurate ab initio calculations are too timeconsuming to be of practical use, and molecular mechanics methods cannot be used to determine quantum mechanical properties such as reaction-path calculations, transition-state structures, and activation energies. The pm3 method should be used with extreme caution for examination of small DNA systems. Future parameterizations of semiempirical methods should incorporate base stacking interactions into the parameterization data set to enhance the ability of these methods.