Synthese, Modellierung und Evaluation supramolekularer 9,9’-Spirobifluoren-Rezeptoren zur Erkennung organischer Ammoniumionen

Abstract

Diese Dissertation befasst sich mit der experimentellen und quantenchemischen Untersuchung des Bindungsverhaltens supramolekularer 9,9’-Spirobifluoren-Rezeptoren gegenüber verschiedenen Aminosäureestern.<br /> Dazu wurden die 2,2’-([23]Krone-6)-9,9’-spirobifluoren- und 2,2’-([34]Krone-7)-diphenyl-9,9’-spirobifluoren-Rezeptoren enantiomerenrein dargestellt. Zusätzlich wurden die zu untersuchenden Benzyl- und Isopropylester-Hydrochloride des Alanins, Leucins, Phenylalanins und Valins synthetisiert. Für die experimentelle Evaluation der Gasphasen-Bindungen wurde die Methode der stoßinduzierten Dissoziation in Verbindung mit der ESI-Massenspektrometrie verwendet. Mithilfe dieses Verfahrens konnten relative Bindungsenergien aller vier Rezeptoren mit jeweils beiden Enantiomeren der Alanin-, Leucin-, Phenylalanin- und Valinmethyl-, -benzyl- und -isopropylester-Hydrochloride bestimmt werden.<br /> Für die quantenchemische Untersuchung dieser supramolekularen Wirt-Gast-Komplexe wurde eine Methodik entwickelt, die einen guten Kompromiss aus Geschwindigkeit und Genauigkeit für die Berechnung dieser hochflexiblen Systeme darstellt. Diese beinhaltete die Anwendung semiempirischer Molekulardynamiksimulationen zur Erstellung von Startgeometrien, die mittels dispersionskorrigierter Dichtefunktionaltheorie auf TPSS-D3(BJ)/def2-TZVP-Niveau optimiert wurden. Anschließende Einzelpunktberechnungen auf TPSS-D3(BJ)/def2-QZVP-Niveau sowie die Einbeziehung von Schwingungskorrekturen führten schließlich zu den freien Bindungsenthalpien der Komplexe.<br /> Sowohl bei den CID-Experimenten als auch bei den quantenchemischen Berechnungen stellte sich heraus, dass in der Gasphase zwar stabile Wirt-Gast-Komplexe vorhanden sind, diese jedoch weder eine ausgeprägte Enantio- noch Esterselektivität aufweisen. Mithilfe der Quantenchemie gelang es, diese Befunde zu erklären: Die Ion-Dipol-Wechselwirkung zwischen dem Ammoniumion der protonierten Aminosäureester und den Oligoethylenglykolsauerstoffen des Rezeptors erwies sich als die klar dominierende intermolekulare Wechselwirkung zwischen Rezeptor und Gast. Weitere Wechselwirkungen mit dem Rest des Moleküls, wie beispielsweise π-π- oder CH-π-Wechselwirkungen, würden das Ammoniumion in seiner Lage verändern und dadurch zu einer Verringerung der Ion-Dipol-Wechselwirkung führen, die nicht kompensiert werden könnte. Stattdessen drehen sich die protonierten Aminosäureester möglichst weit aus dem Rezeptor hinaus, um die sterische Abstoßung zu minimieren, und können dadurch keine wirksame Dreipunkt-Bindung ausbilden.<br /> Im Anschluss an diese Untersuchungen konnten über die quantenchemischen Berechnungen zusätzlich weitere, leicht modifizierte Rezeptor-Strukturen auf ihre Enantioselektivität hin untersucht werden, ohne großen synthetischen Aufwand betreiben zu müssen. Die Evaluation der Bindungsenergien der Aminosäureester-Hydrochloride mit dem 2,2’-([23]Krone-6)-9,9’-spirobifluoren-Rezeptor in Lösung unter Anwendung isothermer Titrationskalorimetrie sowie NMR-Spektroskopie führte zu dem Ergebnis, dass in den untersuchten Lösungsmitteln praktisch keine Rezeptor-Substrat-Bindung stattfindet. Auch dieses Resultat konnte quantenchemisch unter Verwendung des COSMO- und des COSMO-RS-Modells bestätigt werden. Als Gründe für dieses Verhalten konnten sowohl die Existenz des Gegenions als auch die vergleichbar attraktive Solvatation des Wirt-Gast-Komplexes ausgemacht werden.<br /> Die Erkenntnisse aus den Bindungsevaluationen wurden schließlich dazu verwendet, ein Konzept für einen verbesserten Rezeptor zu erstellen, der weitaus größeres Potential zur enantioselektiven Erkennung besitzt.