“The secret of life is molecular recognition the ability ...old.vscht.cz/anl/dolensky/supramol/soubory/2013_SuprChem_BD_Analytical... · “The secret of life is molecular recognition

“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

0 0.5 1

Ideální chováníNeideální chování

Cha

rakt

eris

tika

Molární poměr S : L

S

L


Mějme systém mající dvě složky S a L tvořící komplex 1 : 1, tj. SL

Fyzikální „primitivní“ popis ( f )

aS = γS · cSf f f

aL = γL · cLf f f

Stotal = cSf f

Chemický „sofistikovaný“ popis ( c )

aS = cSc c

aL = cLc c

aSL = cSLc c

K =cL · cS

c c

cSLc

Stotal = cS + cSLc c c

cSL + K · cS · cLc c c

cS + cSL = cSc c f

Stotal = Stotalfc

c

cSf

cS =1 + K · cL

ccS = aS

c f

c

1γS =

1 + K · cL

f


Vazebná (asociační, rovnovážná, stability) konstanta Ka

Disociační konstanta KD

Ka = 1 / KD

S + L SL

K = aS · aL

aSL=

γS · cS · γL · cL

γSL · cSL

cS · cL

cSL

γS · γL

γSL= · = Kγ · Ka

∆G = -RT · ln K

∆G = ∆H - T∆Sln K = - +

∆H ∆S

RT R

Kenneth Antonio ConnorsBinding Constants – The Measurement of Molecular ComplexStability

John Wiley & Sons 1987, ISBN-10: 0-471-83083-6, 432 pages.

Hans-Jörg Schneider and Anatoly K. YatsimirskyPrinciples and Methods in Supramolecular Chemistry


Christoph A. SchalleyAnalytical Methods in Supramolecular Chemistry


Christoph A. SchalleyAnalytical 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 SUPRAM OLECULES

• DIFFUSION NMR IN SUPRAMOLECULAR CHEMISTRY AND COMPL EXED SYSTEMS

• PHOTOPHYSICS AND PHOTOCHEMISTRY OF SUPRAMOLECULAR S YSTEMS

• CIRCULAR DICHROISM SPECTROSCOPY

• ELECTROCHEMICAL METHODS

• CRYSTALLOGRAPHY AND CRYSTAL ENGINEERING

• SCANNING PROBE MICROSCOPY

• SINGLE-MOLECULE FORCE SPECTROSCOPY OF SUPRAMOLECULA R COMPLEXES

• CONFOCAL LASER SCANNING MICROSCOPY: A VERSATILE SPE CTROSCOPIC TOOL FOR THE INVESTIGATION OF MOLECULAR GELS

• TRANSMISSION ELECTRON MICROSCOPY (TEM) OF RADIATION SENSITIVE

• SUPRAMOLECULAR ARCHITECTURES - STRATEGIES FOR A COMP REHENSIVE

• STRUCTURE CHARACTERIZATION

• THE CHARACTERIZATION OF SYNTHETIC ION CHANNELS AND PORES

• THEORETICAL METHODS FOR SUPRAMOLECULAR CHEMISTRY


Paramagnetické látky, malá změna chemických posunů

střední

0.1 – 2 mg

< 10-3 mol.L-1

log K < 4

libovolné deuterované

1H NMR

Komplikace metody:

Potřebná čistota látek:

Množství minoritní látky:

Obvyklé koncentrace:

Vhodná pro konstanty:

Prostředí:

Metoda:

∆δ (Hz)

n/n

syn,syn

K = 615 ±±±± 68

TrisTB diastereomers + 1,2,4,5-tetracyanobenzene

syn,anti

K = 17 ±±±± 2

anti,anti

K = 16 ±±±± 2B. Dolenský, J. Kessler, M. Jakubek, J. Novotná, J. Čejka, V. Král

Tetrahedron Lett., 2012, in press.

Ksyn,syn / Kanti,anti = 24

tweezers effect = 1.4

N

NN

NN

N

ppm

NHOOC

O

NO2

NO2

H

N

NN

NN

N

(±±±±)-syn,syn-trisTB

Test chirálního rozpoznání

+

+ 0,1 ekv.

+ 0,3 ekv.

(±)-syn,syn-trisTB

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

1 H N

MR

spe

ktra

Každý z enantiomerů trisTB interaguje jiným způsobem

Test chirálního rozpoznání

v CDCl3

v CDCl3 / (CD3)2SO 5:1

N

NN

NN

N

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

(±±±±)-syn,syn-trisTB+

1 H N

MR

spe

ktra

Přídavek DMSO interakci neruší

Test chirálního rozpoznání Dochází ke změněchemických posunů

Nedochází ke změněchemických posunů

Pravděpodobn ě dochází

k interakci do kavity

Ostatní signály nelzesledovat ( překryvy )


Paramagnetické látky

malá

5 – 20 mg

< 10-2 mol.L-1

log K < 3

libovolné

13C NMR

Komplikace metody:





Prostředí:

Metoda:


překryvy pásů

vysoká

0,010 – 0,100 mg

10-2 – 10-4 mol.L-1

záleží na molárním absorpčním koeficientu

voda, omezeně i další

UV-Vis

Komplikace metody:





Prostředí:

Metoda:

N

N

N

N

N

NN

N

+

syn-bisTB

syn-bisTB

+TCNE

anti-bisTB

anti-bisTB

+ TCNE

anti-bisTB + TCNE

syn-bisTB + TCNE

13/60


překryvy pásů, zhášení fluorescence

velmi vysoká

0,001 – 0,010 mg

10-3 – 10-6 mol.L-1

log K = 2 – 7


Fluorometrie

Komplikace metody:





Prostředí:

Metoda:


překryvy pásů

vysoká

0,001 – 0,100 mg



pouze některé rozpouštědla

Infračervená spektroskopie

Komplikace metody:





Prostředí:

Metoda:


malá přesnost, nízká citlivost

vysoká

10 – 100 mg

10-1 – 10-2 mol.L-1

log K < 2


Polarimetrie

Komplikace metody:





Prostředí:

Metoda:


omezena na opticky aktivní látky

vysoká

0,01 – 1 mg

10-3 – 10-5 mol.L-1

log K = 1 – 6


CD / ORD

Komplikace metody:





Prostředí:

Metoda:

Complexation study by UV-Vis

� (+) TB with L-Lys

� (-) TB with D-Lys

� (+) TB with D-Lys

� (-) TB with L-Lys

N

NN

ArAr

F

F

F

F

Ar

O

N N

NN

Ar

Ar

F

F

F

F

O

N N

Ar

Co CoN

F F

F

FF

NH2NH2

COOMe

Ar =

350 550400 450 500

Wavelength [nm]

-4

-2

0

2

4

(-) TB with D-Lys

Wavelength [nm]

-4

-2

0

2

350 400 450 500 550

4

(+) TB with L-Lys

350 550400 450 500-4

2

-2

0

4

Wavelength [nm]

(-) TB with L-Lys

350 550400 450 500

- 2

4

0

2

-4

Wavelength [nm]

(+) TB with D-Lys

Red enantiomers ;1.1 eq, grey ; 3.3 eq green ; 9.4 eq blue

c = 1.085 10-5 mol/L

Complexation study by ECD

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

D- Lys 20.9 ± 2.7 42.3 ± 4.1

L- Pro 9.8 ± 0.9 8.9 ± 0.8

D- Pro 8.9 ± 0.9 9.8 ± 0.4

NH2

COOCH3NH

N

NH2

COOCH3NH2

COOCH3

NH


závislost na ∆H, vedlejší reakce

nejvyšší

1 – 10 mg

10-1 – 10-3 mol.L-1

záleží na velikosti ∆H


Kalorimetrie

Komplikace metody:





Prostředí:

Metoda:


značná závislost na prostředí a teplotě

velmi vysoká

0,1 – 10 mg

10-1 – 10-4 mol.L-1

log K = 2 – 12

zejména voda

Potenciometrie - pH

Komplikace metody:





Vhodné prostředí:

Metoda:


značná závislost na prostředí, potřeba selektivní elektrody

vysoká

0,01 – 1 mg

10-2 – 10-5 mol.L-1

log K = 2 – 6

zejména voda

Potenciometrie - ISE

Komplikace metody:






Metoda:


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

velmi vysoká

0,001 – 1 mg

10-2 – 10-7 mol.L-1

log K = 2 – 7

zejména voda

Polarografie

Komplikace metody:






Metoda:


nabité látky jakožto nečistoty, nesymetrickéionty

velmi vysoká

0,001 – 1 mg

10-2 – 10-6 mol.L-1

log K = 2 – 6

libovolné

Konduktometrie

Komplikace metody:






Metoda:


malá přesnost, nespecifické associace

malá

< 0,000 001 mg

libovolný plyn, LC-MS kapalina

Hmotnostní spektroskopie

Komplikace metody:






Metoda:


mikrodisperze

střední

0,1 – 10 mg

10-2 – 10-6 mol.L-1

log K = 1 – 5

libovolné

Rozpustnost

Komplikace metody:






Metoda:


vzájemná mísitelnost fází

střední

0,01 – 1 mg

log K = 5 – 12

libovolné dvě nemísitelné

Extrakce

Komplikace metody:






Metoda:


zadržování substrátu stacionární fází

střední

0,0001 – 0,001 mg

10-2 – 10-6 mol.L-1

log K = 2 – 5

zejména voda, omezeně i další

Chromatografie

Komplikace metody:






Metoda:

Chromatographic Determination of Molecular InteractionsApplications in Biochemistry, Chemistry, and Biophysi cs

Tibor Cserhati, Klara Valko, Cserhati Cserhati

CRC Press, 1993

Supramolecular chromatography

Molecular Tweezers as Synthetic Receptors: Molecular Re cognition ofElectron-Deficient Aromatic Substrates by Chemically B onded

Stationary Phases

M. Kamieth, U. Burker, P. S. Corbin, S. J. Dell,S. C. Zimmerman, F.-G. Klärner

Eur. J. Org. Chem. 1999, 274122749


NO2

NO2

NO2

NO2 NO2

NO2

Eur. J. Org. Chem. 1999, 274122749


NO2

NO2

NO2

NO2NO2

NO2

CN

CN

CN

CN

CN

CN

Eur. J. Org. Chem. 1999, 274122749

N

N N

NMeOOC COOMe

syn-bisTB

+ aminopropylsilica

stationary phase for HPLC

COOMe COOH COCl

anti-bisTB

SiO O

O

HN O

CH3

SiO O

O

HN O

CH3

SiO O

O

SiO O

O

HN O

CH3

SiO O

O

SiO O

O

HN O

CH3

Heptane : CH 2Cl2 (1:2)


pouze pro nabité látky, médium effekt

střední

0,0001 – 0,001 mg

10-2 – 10-6 mol.L-1

log K = 2 – 5

voda

Elektroforéza

Komplikace metody:






Metoda:


vyžaduje imobilizovaný ligand

log K = 3 – 15


SPRPovrchová plazmonová rezonance

Komplikace metody:






Metoda:


radioaktivita, vyžaduje pomalou disociaci komplexu

log K < 15

voda

RIARadioimmunoassay

Komplikace metody:






Metoda:


vyžaduje pomalou disociaci komplexu a značený enzym

log K < 15

voda

ELISAEnzyme-linked immunosorbent assay

Komplikace metody:






Metoda:


Metody vypovídající o velikosti (stechiometrii) komplexu

Problém: Metody založené na analýze titračních křivek vypovídají pouze

o relativní stechiometrii – nelze rozlišit mezi komplexem 1:1 a třeba 5:5


GPC (SEC)Gel Permeation Chromatography (Size Exclusion Chromatography) Gelová permeační chromatografie

VPOVapour Pressure OsmosisOsmometrie v parní fázi

MSMass SpectroscopyHmotnostní spektroskopie (ionizace ESI, MALDI, SIMS)

DOSY NMRDiffusion ordered spectroscopy, D1/D2 = (M2/M1)1/3

Difusní NMR techniky

SAS, SAXS, SANSSmall-Angle X-Ray Scattering, Small-Angle Neutron ScatteringRozptyl záření pod malým úhlem

Viskozimetrie, Supermikroskopie, ...


Designed Self-Assembly of Molecular NecklacesUsing 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


JACS 2004, 126, 1932-1933

MS (ESI)


2D DOSY NMR of 2 in D2O at 25 °C

JACS 2004, 126, 1932-1933


JACS 2004, 126, 1932-1933

X-ray


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


VPO – Vapour Pressure Osmosis

JACS 2005, 127, 2984-2989


Diffusion NMR

JACS 2005, 127, 2984-2989


Mass Spectroscopy

JACS 2005, 127, 2984-2989


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

Scanning Tunneling Microscope

SINGLE-MOLECULE FORCE SPECTROSCOPY ( SMFS )

Nanomedicine (2010) 5(4), 657–666

Nanomedicine (2010) 5(4), 657–666

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

Alexander Fuhrmann and Robert Ros

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

Au ( SAM )



Ka = 7.1 104 M-1 ∆∆∆∆G0 = -27 kJ mol -1 at T = 293 K

Study on Intercalations between Double-Stranded DNA and Pyrene by Single-

Molecule 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 Single-

Molecule Force Spectroscopy: Toward the Detection of Mismatch in DNA

Langmuir 2010, 26(17), 13773–13777

Documents

“The secret of life is molecular recognition the ability ...old.vscht.cz/anl/dolensky/supramol/soubory/2013_SuprChem_BD_Analytical... · “The secret of life is molecular recognition