Apresentando o anfitrião - Grupo de Ciclodextrina Nativa de Zhejiang

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 8169 (2022) Citar este artigo

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Propomos um novo esquema para examinar as interações hospedeiro-hóspede-solvente em solução a partir de suas estruturas em fase gasosa. Ao adotar o complexo não covalente de β-ciclodextrina permetilada (perm β-CD) –protonada L-Lisina como um sistema prototípico, apresentamos o espectro de dissociação de fótons múltiplos infravermelho (IRMPD) do complexo de fase gasosa produzido pela técnica de ionização por eletrospray. A fim de elucidar a estrutura do complexo perm β-CD)/LysH+ na fase gasosa, realizamos cálculos de química quântica para atribuir os dois picos fortes em 3.340 e 3.560 cm-1 no espectro IRMPD, descobrindo que a carboxila se forma solta ligação de hidrogênio com a unidade β-CD permanente, enquanto o grupo amônio da L-lisina está longe da unidade β-CD permanente. Ao simular as estruturas do complexo perm β-CD/H+/L-Lisina em solução usando o modelo supramolécula/contínuo, descobrimos que a estrutura da fase gasosa extremamente instável corresponde ao confôrmero mais estável em solução.

As interações hospedeiro-hóspede são de fundamental importância como princípio de reconhecimento molecular e automontagem . A construção “de baixo para cima” de materiais funcionais supramoleculares4,5,6,7 com base nas interações hospedeiro-hóspede encontrou amplas aplicações para catalisadores (enzimas artificiais)8,9, detecção10, entrega de medicamentos11,12, entrega de genes13,14, bioimagem15, 16, materiais responsivos a estímulos17 e terapia fotodinâmica18,19. Examinar as configurações hospedeiro-hóspede tem sido o foco de muitos estudos intensivos, no entanto, examiná-las na fase de solução em nível molecular é geralmente uma tarefa difícil de alcançar. Os dois componentes dos complexos hospedeiro-hóspede são mantidos juntos por meio de ligações altamente específicas por forças não covalentes, mais comumente por ligações de hidrogênio. Os componentes do hospedeiro são geralmente moléculas grandes, como ciclodextrinas23,24, calix[n]arenos25,26 ou cucurbit[n]urils27. A cavidade hidrofóbica de uma molécula hospedeira macrocíclica geralmente encapsula alguma parte do hospedeiro, enquanto as bordas externas do hospedeiro tendem a ser hidrofílicas. Detalhes das interações e ligações entre os grupos funcionais no hospedeiro e no hóspede são de interesse específico em relação ao reconhecimento molecular. Uma das questões mais intrigantes sobre os complexos hospedeiro-hóspede seria se suas estruturas observadas em fase gasosa podem refletir as interações hospedeiro-hóspede-solvente em solução ou não. Se existir uma relação estreita entre as estruturas dos complexos hospedeiro-hóspede nas duas fases, então a determinação de suas configurações na fase gasosa, que pode ser mais inequívoca do que as estruturas da fase de solução (pelo menos devido ao ambiente livre de solvente) pode fornecem informações valiosas para as interações detalhadas entre o hospedeiro e o hóspede (e também as moléculas do solvente). Ao abordar esta questão altamente crítica, descrevemos aqui um novo protocolo para examinar as interações hospedeiro-convidado-solvente em solução, elucidando as estruturas dos complexos hospedeiro-convidado em fase gasosa. Empregamos o complexo perm β-CD/LysH+ como um sistema prototípico hospedeiro-convidado para avançar o esquema.

Primeiro, obtemos os espectros IRMPD do complexo perm β-CD/H+/L-Lys em fase gasosa produzido pelo procedimento ESI/MS. Determinamos a estrutura da fase gasosa do perm β-CD / H + / L-Lys comparando os espectros de IR calculados com o IRMPD observado experimentalmente espectro do complexo perm-CD/L-LysH+. Realizamos cálculos de química quântica para as duas bandas intensas em 3340 e 3560 cm-1, atribuindo-as aos modos de estiramento da cadeia lateral amônio e do grupo carboxila, respectivamente. Em segundo lugar, mostramos que a energia livre de Gibbs do complexo de fase gasosa observado experimentalmente (Complexo I) obtido por ESI/espectrometria de massa (ESI/MS) da fase de solução é muito maior (em ~ 30 kcal/mol) do que a do Gibbs inferior estrutura de energia livre (Complexo II), demonstrando que o complexo da fase gasosa é altamente instável no sentido termodinâmico (como também foi observado para a fase gasosa perm β-CD/H+/G, G = alanina40, isoleucina41, H2O42). Terceiro, ao adotar a abordagem supramolécula/contínuo, simulamos as estruturas do complexo perm β-CD/H+/L-Lys em solução, descobrindo assim que a relativa estabilidade termodinâmica do complexo perm β-CD/H+/L-Lys em solução é a reversão completa daquela na fase gasosa: a estrutura da fase gasosa de energia livre de Gibbs extremamente alta (Complexo I) corresponde ao confôrmero mais estável (Complexo A) em solução, e o confôrmero mais estável da fase gasosa (Complexo II) torna-se um menos estável (Complexo B) em solução. Isto indica claramente que a origem da estrutura da fase gasosa de alta energia livre de Gibbs (Complexo I) é a configuração (Complexo A) de β-CD/H+/L-Lys permanente em solução, sugerindo que a estrutura da fase gasosa hospedeiro-convidado complexos produzidos pela técnica ESI/MS/IRMPD43 podem ser usados como um guia muito útil e preciso para sondar a interação hospedeiro-hóspede-solvente em solução.

3100 cm−1. Two intense bands at 3340 and 3560 cm−1 are noticeable. The band at 3560 cm−1 is very similar to carboxyl stretch band (~ 3570 cm−1) of the “free” gas phase amino acids44, indicating that it may be assigned a –OH stretch mode of nearly isolated carbonyl group. The theoretical spectrum (calculated at wB97X-D/6-31G* level of theory, using a scale factor of 0.940868 to correct for the DFT errors and anharmonic effects) of Complex I, which fully accounts for the IRMPD spectrum, is also depicted in Fig. 1a along with the normal modes of the absorption bands in Fig. 1b, and the corresponding gas phase perm β-CD/H+/L-Lys structure. The calculated infrared (IR) spectrum for Complex I exhibits two strong bands at 3348 and 3552 cm−1, which is the characteristic feature of the experimental spectrum in Fig. 1a. The two intense bands at 3226 and 3319 cm−1 in the IR spectrum are assigned as the asymmetric stretch of the ammonium and the carboxyl –OH stretch mode, respectively (Fig. 2a). Very weak absorptions at 3393 and at 3323 cm−1 are asymmetric and symmetric –NH2 stretch modes, respectively, but they seem to be so weak that they are almost indistinguishable from background noise in the experimental spectrum./p> 9.9 kcal/mol). This seems to result from the differences in the structural features of Complex A vs. Complex B/C: In all three complexes the carboxyl interacts both with a water molecule and the perm β-CD unit, but the strength of interactions decreases from A to B to C, the H2O–perm β-CD distance increasing from 1.601 to 2.075 and to 2.432 Å. Moreover, two water molecules directly interact with the side chain –NH3+, and are in close contact with other H2O molecules in a chain-like form in Complex A. In contrast, only a more or less isolated H2O molecule binds to the latter functional group inside the cavity of the perm β-CD unit in Complex B/C. Therefore, we conclude that the most stable Complex A in solution is effused by the ESI method into the gas phase, and that the resulting Complex I is observed in gas phase without thermal relaxation to the lower free energy gas phase structures. From the structure of Complex A in Fig. 3, we may now visualize the host–guest–solvent interactions between the perm β-CD, L-LysH+ and solvent molecules in solution: The L-LysH+ guest situates at the rim of the perm-CD host, not encapsulated inside it. The ammonium forms weak hydrogen bonding with the perm β-CD unit, being surrounded by two water molecules. The amino group is enveloped by 3 H2O molecules off the host perm β-CD. The carboxyl weakly interacts with the perm β-CD bridged by a water molecule, also binding to 3 H2O molecules away from the host. These solvating water molecules are linked by a number of other interconnecting water molecules, together forming the first shell around the perm β-CD/L-LysH+ complex. (Details of interactions between the perm β-CD host, the L-LysH+ guest and solvent molecules in solution are described in Figure S3–S5). It would also be worth noticing that the structural features (locations of the guest functional groups relative to the host) of the host–guest complex in solution phase (Complex A) are more or less retained in gas phase (Complex I), although some bond distances seem to relax closer to the host when the solvent molecules are removed from Complex A to form the gas phase Complex I by the ESI procedure: For example, the distance between an ammonium H atom and a perm β-CD O atom in Complex A becomes shorter (from 2.537 to 1.813 Å), and that between the carboxyl H atom and a perm β-CD O atom relaxes from 3.041 to 2.313 Å (Fig. 4)./p>

3.0.CO;2-1" data-track-action="article reference" href="https://doi.org/10.1002%2F%28SICI%291097-0231%2819981230%2912%3A24%3C2016%3A%3AAID-RCM430%3E3.0.CO%3B2-1" aria-label="Article reference 21" data-doi="10.1002/(SICI)1097-0231(19981230)12:243.0.CO;2-1"Article ADS CAS Google Scholar /p>