Synthesis of novel interlocked architectures in solution and solid phase

Mechanically interlocked molecules, such as catenanes and rotaxanes, are fascinating due to their unique sensing and catalytic properties and their potential to act as molecular motors or switches. Traditionally their synthesis has been laborious and expensive, however this research project endeavoured to overcome this challenge by exploring novel ways of preparing mechanically interlocked molecules both in solution and on surfaces. A series of disulfide-linked macrocycles, [2]catenanes and [2]rotaxanes were synthesised in solution using reversible dynamic covalent chemistry. Subsequently, the interlocked architectures were adapted into solid-tethered systems via attachment to swelling polystyrene resins.

Self-assembly of Tetraurea Calix[4]arenes

We have elaborated a multistep strategy to synthesize ABAB-type tetraureas. There are overall nine steps but they involve very simple chemistry. The sequence starts with a 1,3-dialkylation and this is the step in which a difference between distal phenolic units is introduced. The selective ipso-nitration in the next step is based on the difference in reactivity between free phenolic units and alkylated ones. The direct reaction of tetraamino calixarene with tolylisocyanate appears not to be an appropriate method to synthesize 1,3-ditolylurea calixarenes but can be used to get tetraureas of ABBB- and AABB-types in two steps with yields of about 60%. A complete regioselective dimerization was obtained with mono-loop derivatives in which two adjacent urea residues are covalently connected. As predicted/expected the loop prevents the formation of one regioisomer, and only the dimer in which the open-chain residue slips through the loop is formed. To synthesize mono-loop tetraureas 1,2-diBoc protected tetraamino calixarene was acylated with activated di-urethanes under high dilution conditions. Di-loop compounds were synthesized by two different ways. In the reaction of tetraamine and di-urethanes the yield is about 30-40%. The second method is based on the metathesis reaction within a suitable heterodimer. For this strategy, tetraurea derivatives with residues which have terminal double bonds were prepared. The exclusive formation of the heterodimer with tetratosylurea as template is the key point in this strategy. Metathesis followed by hydrogenation give exceptionally good yields (> 80%) of the loop compounds. All the NMR data for di-loop compounds confirm that the loops prevent the interaction of the urea residues which are connected and thus, as expected, the di-loop derivatives do not form homodimers. The heterodimer between di-loop compounds and tetratolylurea (open-chain tetraureas) was the only species observed for a 1:1 mixture in benzene or chloroform. The rational synthesis of bis-[2]catenanes was a consequence of the selective formation of one regioisomer of mono-loop derivatives and the exclusive formation of heterodimers by di-loop derivatives. The formation of interlocking-ring in the synthesis of bis-[2]catenanes is an additional evidence that one open-chain residue slips through the loop in mono- or di-loop derivatives. Exceptionally good yields in the synthesis of bis-[2]catenanes are due to the high preorganization in the dimer which undergoes the metathesis. This preorganization decreases the number of the wrong connections and favors the new connections to be formed. Although the procedure for working up the reaction mixture should be still improved, these results are promising. A C2-symmetrical bis-[2]catenane was successfully resolved by column chromatography using a chiral stationary phase. Thus it should be possible to separate a larger amount to obtain pure enantiomers for further studies.

Synthese eines 67-gliedrigen [2]Catenans und seines Konstitutionsisomeren als Bausteine für Polymere

Im Rahmen der Dissertation zum Thema „Synthese eines 67-gliedrigen [2]Catenans und seines Konstitutionsisomeren als Bausteine für Polymere“ ist die Darstellung eines neuen, funktionalisierten [2]Catenans mit 67-gliedrigen Ringen gelungen. Zum Aufbau der Catenanuntereinheiten wurde die Synthese einer langen Kette entwickelt, die zu einem 67-gliedrigen Makrozyklus führte. Die im Catenan eingebauten Ester-Funktionalitäten konnten in die Säure überführt werden, die entweder direkt oder auch nach einer nochmaligen Derivatisierung in einer Polymerisationsreaktion eingesetzt werden könnte. Durch die Darstellung des neuen [2]Catenans wurde die in der Arbeitsgruppe von A. Godt entwickelte Catenan-Synthesestrategie optimiert und gezeigt, dass sie auf ein Molekül mit kleineren Ringgrößen übertragen werden kann. Das Konstitutionsisomere des Catenans, das zyklische Dimer, wurde durch die Änderung der Abfolge einzelner Stufen der Synthesestrategie erhalten. Die Kombination beider Zyklisierungsschritte in einer Reaktion führte in hoher Ausbeute zum zyklischen Dimer. Die neu gefundene Syntheseroute lieferte das zyklische Dimer, ausgehend von der Zyklusvorstufe, in nur drei Stufen und löst die sehr aufwendige Templatsynthese, die zuvor entwickelt wurde, ab. Die Modellexperimente zur Derivatisierung der Catenandisäure mit einem Alkinol, Diol, Diamin oder Aminol wie auch zur Polymerisation mit oxidativer Alkindimerisierung führten nicht zu voll befriedigenden Ergebnissen, jedoch erweist sich die Methode der oxidativen Alkindimerisierung in den Modellversuchen als eine explizit geeignete Variante, ein [2]Catenan zu einem Polymer umzusetzen.

Self-assembled structures based on functionalized calix[4]arenes and calix[8]arenes = Selbstorganisierte Strukturen basierend auf funktionalisierten Calix[4]- und Calix[8]arenen

Calix[4]arenes with urea functions attached to the p-positions of the phenolic units usually form dimers in apolar solvents. Tetraureas functionalized by pyridyl and carboxyl groups form dimers only with bis- or tetraloop tetraureas. This heterodimerization was used for the synthesis of a bis-[3]catenane. Tetraureas functionalized with sulfide functions were synthesized for the preparation of monolayers from the dimeric capsules containing electrochemically active guests on gold. Bis-tetraureacalix[4]arenes singly-linked via their wide rim by rigid spacers were synthesized and their self-assembly to polymers in apolar solvents was proved by the 1H NMR spectroscopy and AFM studies. Dimerization of the first example of the tetraurea calix[4]arenes bridged in 1,3-positions at the narrow rim was proved by 1H NMR spectroscopy. Calix[8]arenes functionalized by urea, amido or naphthalimido groups at their p-positions self-assemble to columnar structures by hydrogen bonding or by π-π-stacking.

Molekulardynamik-Simulationen supramolekularer Komplexe unter Einfluss einer externen Kraft

Supramolekulare Komplexe werden durch nichtkovalente Bindungen stabilisiert. Legt man eine externe Kraft an einen solchen Komplex an, ist es möglich, diese Bindungen zu öffnen. Anhand der dafür benötigten Kraft läßt sich die Stabilität des Komplexes bestimmen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei supramolekulare Komplexe, die unterschiedliche Arten von nichtkovalenten Bindungen enthalten, mit Hilfe von Molekulardynamik (MD) Simulationen untersucht. In beiden Fällen wurden die relevanten Bindungsstrukturen und deren Stabilität ermittelt.rnZum einen wurden zwei synthetische Calix[4]aren-Catenan-Dimersysteme betrachtet, in denen die beiden Monomere über Wasserstoffbrückenbindungen aneinander gebunden sind. Die Besonderheit dieser Komplexe ist, dass die Monomere aufgrund von verschlauften Alkylketten (Catenan-Struktur) nicht vollständig voneinander getrennt werden können. In Abhängigkeit der Länge derrnAlkylketten findet man für die beiden Komplexe eine unterschiedliche Zahl von relevanten Bindungsstrukturen (Zustände). Für ein System mit relativ kurzen Alkylketten findet man zwei Zustände, eine kompakte Struktur, die auch im Gleichgewicht beobachtet wird und eine gestreckte Struktur, die nur unter dem Einfluss der externen Kraft stabil ist. Verlängert man die Alkylketten,rnbeobachtet man einen weiteren Zustand, in dem das Dimer vollständig gestreckt ist und die Monomere eine größere Separation aufweisen.rnBei dem zweiten System, das untersucht wurde, handelte es sich um einen Carbohydrat-Kation-Carbohydrat Komplex, der für die Selbstadhäsion von Meeresschwämmen eine wichtige Rolle spielt. Experimentell ist bekannt, dass sich dieser Komplex zwar mit Calciumionen, nicht aber mit Magnesiumionen bildet. Im Rahmen dieser Arbeit wurde gezeigt, dass die wesentlichen Unterschiede der beiden Kationarten in Bezug auf die Komplexbildung auf den kleineren Ionenradius des Magnesiumions zurückzuführen sind. Aufgrund des kleineren Radius bindet ein solvatisiertes Magnesiumion die Hydrathülle stärker und die Komplexbindung wird kinetisch gehemmt. Zum anderen bindet im Magnesiumkomplex nur eines der beiden Carbohydrate direkt an das Kation.rnDas andere Carbohydrat bindet nur indirekt über ein Wassermolekül an das Kation. Da diese indirekte Bindung gegenüber einer direkten Bindung schwächer ist, weist der Magensiumkomplex eine geringere Stabilität auf als ein vergleichbarer Calciumkomplex.rnDes Weiteren wurde untersucht, inwieweit die Ergebnisse von MD Simulationen vom verwendeten Modell (Kraftfeld) abhängen. Allgemein ist bekannt, dass die Ergebnisse von Gleichgewichtssimulationen kraftfeldabhängig sind. Im Rahmen diese Arbeit konnte gezeigt werden, dass sich für Zugsimulationen, in denen eine externe Kraft an das System angelegt wird, eine ähnliche Kraftfeldabhängigkeit ergibt. Da sich die Unterschiede der Ergebnisse auf Unterschiede in den Gleichgewichtssimulationen zurückführen lassen, kann man annehmen, dass die externe Kraft keine zusätzliche Einschränkung in Bezug auf die Zuverlässigkeit der Kraftfelder darstellt.rnAbgesehen von den MD Simulationen wurde eine in der Literatur beschriebene Methode zur Analyse von Zweizustandssystemen unter dem Einfluss einer konstanten externen Kraft erweitert. Ein Komplex läßt sich als Zweizustandssystem beschreiben, wenn dieser zwei relevante Bindungsstrukturen aufweist. Wird an solch einen Komplex eine konstante Kraft angelegt, lassen sich Übergänge zwischen den beiden Zuständen beobachten. Ist das System weit entfernt vom Gleichgewicht, kann es problematisch sein, einen der beiden Übergänge vollständig aufzulösen. In diesen Fällen wird nun vorgeschlagen, die beiden Übergänge zu einem sogenannten Kreisübergang zusammen zu fassen und diese zu zählen. Bestimmt man die Zahl der Übergänge pro Zeit in Abhängigkeit der angelegten Kraft, können die Übergangsraten bestimmt werden. Um die Methode zu validieren wurden kinetische Monte-Carlo Simulationen durchgeführt. Es zeigt sich, dass schon mit relativ kleinen Datensätzen gute Ergebnisse erzielt werden können.

An RNA topoisomerase.

A synthetic strand of RNA has been designed so that it can adopt two different topological states (a circle and a trefoil knot) when ligated into a cyclic molecule. The RNA knot and circle have been characterized by their behavior in gel electrophoresis and sedimentation experiments. This system allows one to assay for the existence of an RNA topoisomerase, because the two RNA molecules can be inter-converted only by a strand passage event. We find that the interconversion of these two species can be catalyzed by Escherichia coli DNA topoisomerase III, indicating that this enzyme can act as an RNA topoisomerase. The conversion of circles to knots is accompanied by a small amount of RNA catenane generation. These findings suggest that strand passage must be considered a potential component of the folding and modification of RNA structures.

Topoisomerase IV is a target of quinolones in Escherichia coli.

We have demonstrated that, in Escherichia coli, quinolone antimicrobial agents target topoisomerase IV (topo IV). The inhibition of topo IV becomes apparent only when gyrase is mutated to quinolone resistance. In such mutants, these antibiotics caused accumulation of replication catenanes, which is diagnostic of a loss of topo IV activity. Mutant forms of topo IV provided an additional 10-fold resistance to quinolones and prevented drug-induced catenane accumulation. Drug inhibition of topo IV differs from that of gyrase. (i) Wild-type topo IV is not dominant over the resistant allele. (ii) Inhibition of topo IV leads to only a slow stop in replication. (iii) Inhibition of topo IV is primarily bacteriostatic. These differences may result from topo IV acting behind the replication fork, allowing for repair of drug-induced lesions. We suggest that this and a slightly higher intrinsic resistance of topo IV make it secondary to gyrase as a quinolone target. Our results imply that the quinolone binding pockets of gyrase and topo IV are similar and that substantial levels of drug resistance require mutations in both enzymes.

A new 3-D polymeric spin transition compound: [tris(1,4-bis-(tetrazol-1-yl) butane-N1,N1′)iron(II)] bis(perchlorate)

A series of novel polymeric compounds of formula [M(btzb)3][ClO4]2 (Mll = Fe, Ni or Cu) with btzb = 1,4-bis-(tetrazol-1-yl)butane have been prepared and their physical properties investigated. The btzb ligand has been prepared and its crystal structure determined, together with a tentative crystal structure of the 3-D compound [Fe(btzb)3][ClO4]2. The model of the latter shows two symmetry-related, interpenetrating Fe-btzb networks in which the iron(II) ions approach each other as close as 8.3 and 9.1 Å. This supramolecular catenane undergoes a sharp thermal spin transition around 160 K with hysteresis (20 K) along with a pronounced thermochromic effect. The spin crossover behaviour has been followed by magnetic, DSC, optical spectroscopy and 57Fe Mössbauer spectroscopy measurements. Irradiation with green light at low temperature leads to population of the metastable high-spin state for the thermally active iron(ll) ions. The nature of the spin crossover behaviour has been discussed in detail.

Spin transition of 1D, 2D and 3D iron(II) complex polymers - the tug-of-war between elastic interaction and a shock-absorber effect

The structures of linear chain Fe(II) spin-crossover compounds of α,β- and α,ω-bis (tetrazol-1-yl)alkane type ligands are described in relation to their magnetic properties. The first threefold interlocked 3-D catenane Fe(II) spin-transition system, [μ-tris(1,4-bis(tetrazol-1-yl)butane-N1,N1′) iron(II)] bis(perchlorate), will be discussed. An analysis is made among the structures and the cooperativity of the spin-crossover behaviour of polynuclear Fe(II) spin-transition materials.