Universität Bielefeld

SFB 613

C. Schäfer1, V. Walhorn2, M. Paletta1, T. Schröder1, M. Letzel1, J. Paskarbeit2, J. Mattay1 und D. Anselmetti2

1 Organische Chemie I, Fakultät für Chemie, Universität Bielefeld2 Experimentelle Physik, Fakultät für Physik, Universität Bielefeld

Funktionalisierte Calixarene und analoge Makrocyclen für die Steuerung der molekularen Erkennung K5

Ziele

In Teilprojekt K5 wird die Charakterisierung und Steuerung funktionaler und schaltbarer supramolekularer Molekülsysteme mittels einzelmolekülphysikalischer Methoden wie der Rastersonden-mikroskopie-/Kraftspektroskopie untersucht. Dabei werden in der neuen Antragsperiode Schwerpunkte auf die Untersuchung neuer molekular erkennender, photoschaltbarer und chiraler Wirt-Gastsysteme und heterodimerer Kapselsysteme gelegt. In physikalischer Hinsicht sollen die molekularen Wechselwirkungsmechanismen mittels AFM-Kraftspektroskopie quantitativ untersucht werden.

b) Synthese inhärent chiraler Resorc[4]arene

Zur Untersuchung chiraler Erkennungsprozesse wurden die Enantiomere eines neuen, kavitätserweiterten Modellsystems synthetisiert und CD-spektroskopisch charakterisiert.[5]

Fig. 4: Kavitätserweitertes, inhärent chirales Resorc[4]aren und CD-Spektrum (aufgenommen in Cyclohexan, rote Linie). Die Simulation wurde anhand von Time-dependent Pariser-Parr-Pople (TDPPP) Rechnungen generiert.

Fazit: Die relativ niederaffinen Wirt-Gast-Komplexe lassen sich in AFM-Einzelmolekül-Kraftspektroskopieexperimenten quantitativ unter-suchen, wobei ebenfalls Rückschlüsse auf die physikalischen Wechselwirkungsmechanismen gemacht werden können.

Arbeitsplan

(A) Entwicklung chiraler, supramolekularer Molekül-systeme (z.B. Calixaren-Peptidhybride), und quantitative Untersuchung ihrer enantioselektiven Wechselwirkung mittels der AFM-Kraftspektroskopie.(B) Entwicklung photoschaltbarer Wirt-Gast-Systeme basierend auf Spiropyranen, Diarylethylenen und Fulgiden, und deren Untersuchung mittels AFM-FS.(C) Quantitative Untersuchung der molekularen Wechselwirkung supramolekularer Calixaren-Kapseln (Heterodimere), bei denen die Wechselwirkung durch einschließbare Templatmoleküle moduliert und verändert werden kann.(D) In situ Schaltung und Erweiterung der AFM-Kraftspektroskopie durch eine höchstauflösende non-contact Rasterkraftmikroskopie (FM-Detektion) um die auf Oberflächen immobilisierten Wirtmoleküle und deren konformationell unterschiedliche Schaltzustände nachzuweisen und zu unterscheiden.

Resultate und Vorarbeiten

a) Ergebnisse zum „Photochemical Single-Molecule Affinity Switch“

Fig. 2: Reversibles Schalten des photodimeri-sierbaren Resorc[4]arens mittels AFM-FS. Abfolge von Krafthistogrammen unter verschiedenen Be-dingungen [2-4].

Fig. 1: a) AFM Kraftdistanzkurve und Krafthistogramm eines AFM-FS Wirt-Gast-Experiments [1], b) Konzept des „Single Molecule Affinity Switch“ [2-4].

a)

b)

Fig. 3: Quantitative Analyse der AFM-Einzelmolekül-Kraft-spektroskopieexperimente mit supramolekularen Wirt-Gast-Komplexen. Es wurden sowohl die unfunk-tionalisierten Cavitanden mit unterschiedlichen Gästen, als auch der photodimerisierbare Komplex (im aktiven, offenen Zustand) untersucht. Offenbar unterscheidet sich der funktionalisierte (schaltbare) Wirt durch die Lebenszeit (= 1/koff) und nicht durch die Wechselwirkungslänge x .

• Tetra(carboxyl)cavitand am Kraftsensor zu immobilisieren

• in situ freizusetzende Carbonsäurefunktionen

• Tetra(pyridyl)cavitand auf Gold zu immobilisieren

c) Synthese von Bausteinen supramolekularer Kapseln zur Oberflächenfunktionalisierung

[1] R. Eckel, R. Ros, B. Decker, J. Mattay, and D. Anselmetti, „Supramolecular Chemistry at the Single Molecule Level“, Angewandte Chemie (Intl. Edition) 44, 484-488 (2005). [2] C. Schäfer, R. Eckel, R. Ros, J. Mattay, and D. Anselmetti, „Photochemical Single-Molecule Affinity Switch“, J. Am. Chem. Soc. 129 (6), 1488 - 1489 (2007).[3] C. Schäfer, B. Decker, M. Letzel, F. Novara, R. Eckel, R. Ros, D. Anselmetti, J. Mattay, “On the way to supramolecular photochemistry at the single-molecule level”, Pure Appl. Chem. 78, 2247-2259 (2006). [4] D. Anselmetti, F. W. Bartels, A. Becker, B. Decker, R. Eckel, M. McIntosh, J. Mattay, P. Plattner, R. Ros, C. Schäfer, N. Sewald, "Reverse engineering of an affinity-switchable molecular interaction characterized by atomic force microscopy single-molecule force spectroscopy", Langmuir 24, 1365-1370 (2008). [5] M. Paletta, M. Klaes, B. Neumann, H.-G. Stammler, S. Grimme, J. Mattay, “Cavity-extended inherently chiral resorcin[4]arenes: synthesis and chiroptical properties of the cycloenantionmers", Eur. J. Org. Chem. 555-562 (2008).

Ausgewählte Publikationen

K5 Zusatzinformation: Vorhaben

Universität Bielefeld

SFB 613

C. Schäfer1, V. Walhorn2, M. Paletta1, T. Schröder1, M. Letzel1, J. Paskarbeit2, J. Mattay1 und D. Anselmetti2

1 Organische Chemie I, Fakultät für Chemie, Universität Bielefeld2 Experimentelle Physik, Fakultät für Physik, Universität Bielefeld

Appendix A

Synthese und quantitative Untersuchung chiraler, supramolekularer Molekülsysteme

Es sollen (inhärent) chirale Wirtsysteme synthetisiert werden. Die Quantifizierung chiraler Diskriminierungseffekte erfolgt zunächst über massenspektrometrische Komplexierungsexperimente der inhärent chiralen Wirtmoleküle mit chiralen (quaternisierten) Ammoniumionen. Eines der beiden Enantiomere der Resorc[4]arene wird dafür mit insgesamt 12 Deuteriumatomen markiert, um das pseudo-Racemat einsetzen zu können. Anschließend werden die enantioselektiven Wechselwirkungen durch Einzelmolekül-Kraftspektroskopie untersucht. Dazu wird das Wirtmolekül wird auf der Goldoberfläche immobilisiert und die chiralen Gastmoleküle kovalent an den Cantilever gebunden.

Fig. 5: a) pseudo-Racemat der inhärent chiralen Resorc[4]arene für MS-Experimente. b) Rersorc[4]aren-Peptid-Hybrid mit Thioether-Funktionalitäten zur Immobilisierung auf Gold-Oberflächen für AFM-Experimente. c) Chirale Ammoniumionen für MS-Experimente. d) Aminosäurederivate zur kovalenten Anbindung an den Cantilever für AFM-Experimente. Eingesetzt werden Aminosäurederivate von Glycin als achirale Referenz, sowie chirale Gastmoleküle abgeleitet z.B. von Valin (Alkylseitenkette) und von Phenylalanin (aromatischer Rest).

Appendix B

Photoschaltbare Rezeptorsysteme auf Basis von Spiropyranen und Diarylethenen

Zusätzlich zu den bereits hergestellten anthracenfunktionalisierten Wirtsystemen, kann eine Funktionalisierung durch Spiropyrane und Diarylethene (rechts) erfolgen. Der Einbau von z.B. bifunktionali-sierten Spiropyranen in cyclische Peptide ist geplant, um die reversible Schaltbarkeit solcher Moleküle zu nutzen, die von Kimura et al. bereits für schaltbare Peptide eingesetzt wurde (links).

Beantragte Mittel

Appendix C

Wechselwirkungen in supramolekularen Calixaren-Kapseln

• Detaillierte und quantitative Informationen über die Bindungskinetik und den Bindungsmechanismus bei der Bildung supramolekularer Kapseln.

• Untersuchung mit AFM- Kraftspektroskopie

• Einfluss der Eigen- schaften des Lösungs- mittels auf die Kapsel- bildung.

• Einfluss von einge- schlossenen Gästen auf die Stabilität des supramolekularen Kapsel-Systems.

Appendix D

In situ Schaltung, NC-AFM und Oberflächenstrukturierung

a) In situ Schaltung und NC-AFM Untersuchung unter Luft- oder Flüssigkeit

b) Oberflächenmikrostrukturierung, Aktivierung und Zellkultivierung

a)

b)

c)

d)

Stellung innerhalb des SFB 613 (Vernetzung)

• 1 Wiss. Mitarbeiterstelle (TV-L E13/2) Chemie (Dipl. Chem. Tobias Schröder)• 1 Wiss. Mitarbeiterstelle (TV-L E13/2) Physik (Dipl. Phys. Jan Paskarbeit)

• UV-Festkörperlaser für die in situ Schaltung der supramol. Photoschalter (Laser QUV-351-1 der Fa. BFi Optilas, 351 nm, 10 mW, Preis 11`000 Euro)

K2 Z‘arbeit photoschaltbare Molekülsysteme, EinzelmolekülmesstechnikK7 Statistische Analyse der AFM-DatensätzeK6 Quantenchemische Modellierung der verwendeten MolekülsystemeK3/D4/K8 Untersuchung der Calixarene in Erkennungs- und Diss.prozessen A5/A6/D7 Z‘arbeit hinsichtlich AFM-Charakterisierung der MolekülsystemeZ2 Charakterisierung der mikrostrukturierten Oberflächen