Подход слабого звена
Подход слабых звеньев (WLA) — это методология сборки, основанная на супрамолекулярной координации, впервые представленная в 1998 году группой Миркина в Северо-Западном университете . [ 1 ] В этом методе используются преимущества гемилабильных лигандов — лигандов, которые содержат как сильные, так и слабые связывающие фрагменты, — которые могут координироваться с металлическими центрами и количественно собираться в единую конденсированную «замкнутую» структуру ( рис. 1 ). В отличие от других методов супрамолекулярной сборки, WLA позволяет синтезировать супрамолекулярные комплексы, которые можно модулировать от жестких «закрытых» структур к гибким «открытым» структурам посредством обратимого связывания аллостерических эффекторов в структурных металлоцентрах. Этот подход является общим и был применен к различным металлоцентрам и конструкциям лигандов, включая те, которые используются в катализе и аллостерической регуляции .
Компоненты подхода «слабое звено»
[ редактировать ]Существует три основных компонента методологии WLA, которые позволяют контролировать супрамолекулярную архитектуру in situ: 1) использование гемилабильных лигандов, 2) выбор металлоцентров и 3) тип аллостерического эффектора.
Гемилабильные лиганды, используемые в WLA
[ редактировать ]Ключевым компонентом WLA является использование гемилабильных лигандов. [ 2 ] [ 3 ] Гемилабильные лиганды представляют собой полидентатные хелаты , которые содержат по крайней мере два разных типа связывающих групп, обозначенных X и Y ( рис. 2 ). Первая группа (X) прочно связана с металлическим центром, тогда как другая группа (Y) слабо связывается и легко вытесняется координационными лигандами или молекулами растворителя (Z). Таким образом, нестабильная по замещению группа (Y) может быть вытеснена из металлического центра, но при этом оставаться доступной для рекоординации. помощью WLA, типичная конструкция лиганда состоит из группы с сильным связыванием на основе фосфина и группы со слабым связыванием, содержащей O , S , Se или N. Для структур, созданных с использовались N-гетероциклические карбены В более поздних сообщениях в качестве сильносвязывающего фрагмента (NHC). Используя комбинацию гемилабильных лигандов на основе NHC и фосфина, гетеролигированные комплексы [ 4 ] и макроциклы [ 5 ] были успешно синтезированы, что позволило получить доступ к более сложным архитектурам со сложными функциями.
Металлические центры, используемые в WLA
[ редактировать ]Благодаря хорошо развитому пониманию реакций между гемилабильными лигандами и ионами металлов d8, WLA широко полагалась на этот тип металлоцентра в своей методологии. Первоначальные отчеты были посвящены использованию Rh (I), [ 1 ] но Ир (я), [ 6 ] Ни (II), [ 7 ] палладий (II), [ 8 ] и Пт (II) [ 9 ] все они успешно трудоустроены. Пока д 8 металлоцентры доминируют в литературе WLA, d 6 Ру (II) [ 10 ] и д 9 С (я) [ 11 ] также были использованы. Важно отметить, что выбор металлических центров регулирует идентичность и селективность различных аллостерических эффекторов.
Типы аллостерических эффекторов в WLA
[ редактировать ]Использование гемилабильных лигандов позволяет модифицировать структурные мотивы, синтезированные с помощью WLA, с помощью низкомолекулярных эффекторов, очень похожих на аллостерические ферменты в биологии . Как описано выше, слабая связь Y–M может быть легко заменена координирующими лигандами, включая Cl. − , CO , CH 3 CN , RCO 2 − и различные нитрилы /изонитрилы ( рис. 2 ). аллостерического эффектора Типичные конструкции WLA основаны на более сильном сродстве к металлическому центру по сравнению со слабосвязывающим фрагментом Y. При введении этих эффекторов закрытые, жесткие структуры открываются и принимают более гибкую форму. Затем закрытые структуры можно реформировать in situ с помощью агентов, отделяющих галогениды , таких как некоординирующие соли серебра и таллия , или путем вакуумирования реакционной камеры для удаления растворителя или небольших молекул. Недавний прогресс показал, что включение боковых редокс-активных групп переходных металлов в лиганды WLA позволяет контролировать связывание вспомогательных лигандов с редокс-неактивным центром Pt(II) посредством окисления и восстановления дистального участка металла ( рис. 3 ). [ 12 ] Это открытие подчеркивает, что новые формы стимулов могут быть включены в WLA для разработки новых материалов, реагирующих на стимулы.
Классы аллостерических структур, собранных с помощью подхода слабого звена
[ редактировать ]Общность WLA и его способность вмещать множество функциональных групп позволили легко синтезировать как молекулярные, так и супрамолекулярные архитектуры. Эти структуры можно разделить на два класса соединений на основе координационной геометрии «закрытых» комплексов: 1) цис -WLA-комплексы и 2) транс -WLA-комплексы.
цис -WLA комплексы
[ редактировать ]Большинство синтезированных к настоящему времени архитектур WLA можно отнести к цис -WLA-комплексам. Сильносвязывающие фрагменты принимают цис -координационную геометрию вокруг металлического центра в этих комплексах, независимо от идентичности сильного связующего. Например, гетеролигированный комплекс, показанный на рисунке 3, считается комплексом цис -WLA, поскольку как NHC-, так и фосфино-группы, компоненты с сильным связыванием, являются цис-группами по отношению друг к другу. С использованием этих комплексов были успешно синтезированы молекулярные пинцеты , макроциклы и трехслойные структуры ( рис. 4 ). В 2017 году группа Миркина сообщила о частицах полимера с бесконечной координацией, включающих комплексы подхода WLA. [ 13 ] Расширенная структура была успешно получена путем добавления вторичных терпиридиновых групп к гемилабильным лигандам внутри субъединиц WLA и предоставления им возможности избирательно связывать ионы Fe(II) ( рис. 5 ).
транс -WLA комплексы
[ редактировать ]О первом транс -WLA-комплексе сообщила группа Миркина в 2017 году. [ 14 ] В этом комплексе две группы NHC принимают транс -координационную геометрию вокруг металлического центра Pd(II) за счет присоединения стерически объемных трет - бутильных групп к имидазольному кольцу гемилабильного лиганда. При связывании эффектора наблюдалось линейное изменение до ~9 Å ( рис. 6 ). На сегодняшний день сообщалось только об этом молекулярном комплексе, использующем транс -WLA-комплекс.
Примеры функциональных аллостерических структур
[ редактировать ]Аллостерическая регуляция в супрамолекулярных структурах, генерируемых с помощью WLA, особенно важна в контексте разработки и синтеза новых биоинспирированных каталитических систем, где конформация комплекса контролирует активность катализатора. Ниже представлена серия различных каталитических мотивов, созданных с помощью WLA, и обсуждение механизмов контроля, которые можно использовать для модуляции каталитической активности:
имитация ИФА
[ редактировать ]Первая каталитически активная супрамолекулярная структура, созданная с помощью WLA, была разработана для работы по механизму, основанному на иммуноферментном анализе ( ELISA ). [ 16 ] В такой супрамолекулярной системе событие целевого сэндвича создает комплекс катализатор-мишень, который впоследствии генерирует хемилюминесцентные или флуоресцентные показания. Например, была разработана гомологированная макроциклическая структура Rh(I) на основе WLA, которая включает фрагменты пиридин -бисимина Zn(II) и ведет себя как эффективный и полностью обратимый аллостерический модулятор гидролиза 2- (гидроксипропил)-п-нитрофенила. фосфат (HPNP), модельный субстрат для РНК ( рис. 7 ). [ 15 ] Примечательно, что структурные изменения, вызванные малыми молекулами-регуляторами Cl − и CO переводят эту систему из каталитически неактивного состояния в очень активное весьма обратимым образом. Кроме того, эта система представляет собой высокочувствительную платформу для обнаружения хлорид- анионов . Когда хлорид связывается с центрами Rh(I), комплекс открывается, позволяя происходить гидролизу. Продукт гидролиза реакции (п-нитрофенолат) можно отслеживать с помощью УФ-Вид спектроскопии . Как и в ELISA, имитатор, созданный WLA, может брать небольшое количество мишени (анионов хлора) и производить большие флуоресцентные показания, которые можно использовать для обнаружения.
На основе каталитических исследований этого комплекса можно сделать несколько примечательных выводов. Во-первых, закрытый комплекс совершенно неактивен в условиях гидролиза. Во-вторых, открытый комплекс чрезвычайно активен и способен количественно гидролизовать весь субстрат HPNP менее чем за 40 мин. Просто барботируя N 2 в раствор, можно добиться реформирования закрытого комплекса и образования неактивного катализатора.
Имитатор ПЦР
[ редактировать ]Полимеразная цепная реакция (ПЦР) используется в биохимии и молекулярной биологии для экспоненциальной амплификации нуклеиновых кислот путем создания копий определенной области нуклеиновой кислоты-мишени. В сочетании с диагностическими зондами этот метод позволяет обнаружить небольшое количество молекул в очень разбавленных условиях. Ограничением ПЦР является то, что она работает только с мишенями нуклеиновых кислот, и нет известных аналогов ПЦР для других потенциальных молекулярных мишеней.
С помощью WLA этот тип целевой амплификации был продемонстрирован на абиотической системе. Путем включения Zn(II) -саленовых лигандов в супрамолекулярную сборку была исследована реакция ацильного переноса с участием уксусного ангидрида и пиридилкарбинола в качестве субстратов. [ 17 ] В отсутствие ацетата каталитическая активность практически отсутствует. Как только небольшое количество ацетата тетрабутиламмония реагирует с неактивным комплексом в двух его родиевых центрах, которые служат структурными регуляторными центрами, он превращается в комплекс с открытой полостью, который затем катализирует реакцию ( рис. 8 ).
На ранних стадиях реакции активируется лишь незначительное количество катализатора. По мере протекания реакции образуется больше ацетата, что приводит к образованию большего количества активированного комплекса и более быстрому катализу. Такое поведение характерно для каскадных реакций, включая ПЦР. В отличие от предыдущего примера, в котором катализатор создавал усилитель сигнала, этот катализатор представляет собой целевой усилитель, создающий больше копий целевого ацетата. После реакции с помощью газовой хроматографии можно заметить, что образование продуктов следует сигмоидальной кривой , что указывает на ПЦР-подобную каскадную реакционную систему.
Трехслойная структура
[ редактировать ]Также возникла необходимость разработать каталитическую структуру, которая позволяла бы включать монометаллический катализатор, который можно было бы полностью отключить. С этой целью был разработан трехслойный мотив, состоящий из двух узлов переходного металла, двух химически инертных блокирующих внешних слоев и одного каталитически активного внутреннего лиганда. Этот комплекс был синтезирован с использованием процессов перегруппировки лигандов, индуцированных WLA и галогенидами, и его можно обратимо активировать и дезактивировать посредством эффекторных реакций с малыми молекулами или элементными анионами, которые собирают и разбирают трехслойные структуры. В примере с Al (III)-саленом полимеризацию ε -капролактона можно было включать и выключать в зависимости от добавления в систему вспомогательных лигандов и агентов абстракции ( рис. 9 ). [ 18 ] В отличие от предыдущих каталитических структур, в которых использовались биметаллические системы, трехслойный мотив позволяет включать монометаллический катализатор, открывая диапазон потенциальных катализаторов, которые можно использовать с использованием структур такого типа.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Фаррелл-младший; Миркин, Калифорния; Гузей, ИА; Лиабл-Сэндс, LM; Рейнгольд, А.Л. «Подход слабого звена к синтезу неорганических макроциклов», Angew. хим. Межд. Эд. , 1998 , 37 , 465-467, doi: 10.1002/(SICI)1521-3773(19980302)37:4<465::AID-ANIE465>3.0.CO;2-A
- ^ Джеффри, JC; Раухфусс, Т.Б. «Металлические комплексы гемилабильных лигандов. Реакционная способность и структура дихлорбис(о-(дифенилфосфино)анизола)рутения(II)», Неорганическая химия , 1979 , 18 , 2658-2666. дои:10.1021/ic50200a004 .
- ^ Слон, CS; Вайнбергер, Д.А.; Миркин, К.А. «Координационная химия переходных металлов гемилабильных лигандов», Progress in Inorganic Chemistry , 1999 , 48 , 233-350, doi: 10.1002/9780470166499.ch3 .
- ^ Розен, М.С.; Стерн, CL; Миркин, К.А. «Гетеролигированные комплексы слабых связей PtII с использованием гемилабильных N-гетероциклических карбен-тиоэфирных и фосфино-тиоэфирных лигандов», Chemical Science , 2013 , 4 , 4193-4198, doi: 10.1039/c3sc51557e .
- ^ д'Акино, AI; Ченг, ХФ; Баррозу-Флорес, Дж.; Кин, З.С.; Мендес-Арройо, Дж.; МакГирк, CM; Миркин, Калифорния, «Аллостерически регулируемый макроцикл с четырьмя состояниями», Inorganic Chemistry , 2018 , 57 , 3568-3578, doi: 10.1021/acs.inorgchem.7b02745 .
- ^ Овчинников, М.В.; Холлидей, Би Джей; Миркин, Калифорния; Захаров, Л. Н.; Рейнгольд, А.Л. «Тройные симметричные триметаллические макроциклы, сформированные с помощью подхода слабых звеньев», Proc. Натл. акад. наук. США , 2002 , 99 , 4927-4931, doi: 10.1073/pnas.072690599 .
- ^ Мачан, CW; Спокойный, А.М. ; Джонс, MR; Сарджант, А.А.; Стерн, CL; Миркин, К.А. «Пластичность координационного окружения никеля (II) в комплексах с гемилизируемыми фосфино-тиоэфирными лигандами», J. Am. хим. Соц. , 2011 , 133 , 3023–3033, doi: 10.1021/ja109624m .
- ^ Айзенберг, АХ; Диксон FM; Миркин, Калифорния; Стерн, CL; Рейнгольд, А. Л. «Биядерные макроциклы палладия, синтезированные с помощью подхода слабых связей», Organometallics , 2001 , 20 , 2052-2058, doi: 10.1021/om001042z .
- ^ Ульманн, Пенсильвания; Браун, AM; Овчинников М.В.; Миркин, Калифорния; ДиПаскуале, АГ; Рейнгольд, А.Л. «Спонтанное образование гетеролигированных комплексов Pt-II с хелатирующими гемилабильными лигандами», Chem. Евро. J. , 2007 , 13 , 4529-4534, doi: 10.1002/chem.200601837 .
- ^ Khoshbin, M. S.; Ovchinnikov, M. V.; Mirkin, C. A.; Zakharov, L. N.; Rheingold, A. L. “Binuclear Ruthenium Macrocycles Formed via the Weak-Link Approach,” Inorg. Chem. , 2005 , 44 , 496-501, doi: 10.1021/ic048975y .
- ^ Масар, М.С.; Миркин, Калифорния; Стерн, CL; Захаров Л.Н.; Рейнгольд, А. Л. «Биядерные макроциклы меди (I), синтезированные с помощью подхода слабых связей», Inorg. хим. , 2004 , 43 , 4693-4701, doi: 10.1021/ic049658u .
- ^ Jump up to: а б Ченг, ХФ; д'Акино, AI; Баррозу-Флорес, Дж.; Миркин, Калифорния, «Аллостерический координационный комплекс с редокс-переключателем», J. Am. хим. Соц. , 2018 , 140 , 14590–14594. дои: 10.1021/jacs.8b09321 .
- ^ Jump up to: а б д'Акино, AI; Кин, З.С.; Миркин, К.А. «Полимерные частицы с бесконечной координацией, состоящие из субъединиц стимул-реактивного координационного комплекса», Химия материалов , 2017 , 29 , 10284-10288, doi: 10.1021/acs.chemmater.7b03638 .
- ^ Jump up to: а б Лю, Ю.; Кин, З.С.; д'Акино, AI; Манрадж, Ю.Д.; Мендес-Арройо, Дж.; Миркин, К. А. «Комплексы палладия (II) со слабыми связями, несущие гемилабильные N-гетероциклические карбен-тиоэфирные лиганды», Неорганическая химия , 2017 , 56 , 5902-5910, doi: 10.1021/acs.inorgchem.7b00543 .
- ^ Jump up to: а б Юн, HJ; Хи, Дж.; Миркин, Калифорния, «Аллостерическое регулирование переэтерификации диэфира фосфата на основе биядерного цинкового катализатора, собранного с помощью подхода слабых связей», J. Am. хим. Соц. , 2007 , 129 , 14182-14183, doi: 10.1021/ja077467v .
- ^ Джаннески, Северная Каролина; Бертен, Пенсильвания; Нгуен, ST ; Миркин, Калифорния, «Супрамолекулярный подход к аллостерическому катализатору», J. Am. хим. Соц. , 2003 , 125 , 10508–10509, doi:10.1021/ja035621h .
- ^ Jump up to: а б Юн, HJ; Миркин, Калифорния, «ПЦР-подобные каскадные реакции в контексте имитатора аллостерического фермента», J. Am. хим. Соц. , 2008 , 130 , 11590-11591, doi: 10.1021/ja804076q .
- ^ Jump up to: а б Юн, HJ; Кувабара, Дж.; Ким, Ж.-Х.; Миркин, К.А. «Аллостерические супрамолекулярные трехслойные катализаторы», Science , 2010 , 330 , 66-69, doi: 10.1126/science.1193928 .