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Prototyp eines photoschaltbaren Foldamers.

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Angewandte
Chemie
Zuschriften
DOI: 10.1002/ange.200503849
Die Bestrahlung eines Foldamers, das eine zentrale photochrome Azobenzoleinheit tr&gt, f(hrt zum Entfalten der hohlen
helicalen Sekund&rstruktur – ein erster Schritt zur Realisierung
intelligenter Transporter. Weitere Informationen hierzu liefert die
Zuschrift von S. Hecht et al. auf den folgenden Seiten. (Die Graphik
wurde von Ragnar S. Stoll angefertigt.)
1912
2006 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim
Angew. Chem. 2006, 118, 1912 – 1915
Angewandte
Chemie
Foldamere
DOI: 10.1002/ange.200503849
Prototyp eines photoschaltbaren Foldamers**
Anzar Khan, Christian Kaiser und Stefan Hecht*
Die Bildung von Sekundrstrukturen z. B. in Proteinen lsst
sich mithilfe von Foldameren nachahmen,[1] die stabile, meist
helicale Konformationen in L"sung einnehmen k"nnen.
Dieses Forschungsgebiet, das sich in den letzten Jahren rasant
entwickelt hat, ist von großem Interesse f'r die Bio- und
Nanowissenschaften. Wegen der dynamischen Natur der reversiblen Faltung eignen sich Foldamere bestens f'r den
Aufbau adaptiver Materialien, allerdings setzt das Schalten
zwischen zwei Konformationen typischerweise /nderungen
der Temperatur oder der L"sungsmittelzusammensetzung
voraus.[1] Die alternative Steuerung durch den pH-Wert[2]
oder eine Metallkoordination[3] erfordert die Zugabe von
Sure/Base bzw. Metallkationen und f'hrt dementsprechend
zur Bildung von Nebenprodukten. Eine Alternative wre die
nichtinvasive Anregung mit Licht, die eine przise Kontrolle
von Zeit, Ort und Intensitt erm"glicht. Photochrome Verbindungen[4] wurden oft zum Schalten unterschiedlichster
Molek'l- und Materialeigenschaften verwendet,[5] z. B. zur
Photomodulation von Helix-Knuel-Gleichgewichten bei linearen Peptiden.[6]
Wir berichten hier vom ersten Beispiel eines photoschaltbaren Foldamers. Unser Konzept beruht auf dem
Einbau eines photoisomerisierbaren Kernst'cks in einen
Foldamerstrang (Abbildung 1). Zwei R'ckgratsegmente
werden derart 'ber eine photoresponsive Einheit verbunden,
dass der entstehende Gesamtstrang lang genug ist, um sich zu
einer helicalen Konformation zu falten. Durch Bestrahlung
ndert sich die Struktur des Kernst'cks infolge einer Photoisomerisierung signifikant; dies wiederum f'hrt zu einer Denaturierung der Helix, weil nun die beiden Teilsegmente
einzeln zu kurz sind, um eine stabile helicale Konformation
einzunehmen. Eine anschließende thermische (oder photochemische) Isomerisierung kehrt den Schaltprozess um und
stellt den urspr'nglichen helicalen Zustand wieder her.
[*] A. Khan, C. Kaiser, Dr. S. Hecht
Max-Planck-Institut f,r Kohlenforschung
Kaiser-Wilhelm-Platz 1, 45470 M,lheim an der Ruhr (Deutschland)
Fax: (+ 49) 208-306-2979
E-mail: hecht@mpi-muelheim.mpg.de
[**] Die Synthese der chiralen Seitenketten wurde von Christian Kaiser
an der Freien Universit2t Berlin durchgef,hrt. Wir danken Dr. Eckhard Bill (MPI f,r Bioanorganische Chemie, M,lheim/Ruhr) f,r die
Bereitstellung des CD-Spektrometers sowie der Alexander von
Humboldt-Stiftung (Sofja-Kovalevskaja-Programm, finanziert vom
Bundesministerium f,r Bildung und Forschung im Rahmen des
Zukunfts-Investitions-Programms der Bundesregierung), der DFG
(SFB 448, GK 788, HE 3675/2-1) und der MPG.
Hintergrundinformationen zu diesem Beitrag sind im WWW unter
http://www.angewandte.de zu finden oder kDnnen beim Autor
angefordert werden.
Angew. Chem. 2006, 118, 1912 –1915
Abbildung 1. Photoschaltbare Foldamere: Die Bestrahlung einer photoisomerisierbaren gewinkelten Einheit (rot) in der Mitte eines helical gefalteten R,ckgrats (blau) f,hrt zu einem reversiblen Helix-Kn2uel-3bergang.
Unser System basiert auf amphiphilen Oligo(meta-phenylenethinylen)-Foldameren, die von Moore und Mitarbeitern eingef'hrt wurden.[7] Der Einbau eines gewinkelten und
ebenen, meta-verkn'pften trans-Azobenzols, das in seiner
Struktur einer doppelten Wiederholungseinheit hnelt, in
die Mitte eines Dodecamers ergibt die Zielstruktur 1
(Schema 1).[8] Die Lngen beider Oligomersegmente wurden
so gewhlt, dass sich der Gesamtstrang falten kann, die Einzelstrnge f'r sich allein jedoch nicht. Der Azobenzolkern
wurde so optimiert, dass er unabhngig vom OligomerR'ckgrat angeregt werden konnte. Zustzlich wurden neuartige enantiomerenreine (S)-a-Methyltetra(ethylenglycol)Seitenketten eingef'hrt; diese sollten zur Bevorzugung eines
bestimmten Drehsinns f'hren und damit die Untersuchung
der Konformationsnderung mittels Circulardichroismus(CD)-Spektroskopie erm"glichen.[9]
Das Faltungsverhalten des Oligomers 1 wurde durch typische Denaturierungsexperimente unter Variation des L"sungsmittels mittels UV/Vis-Absorption untersucht (Abbildung 2).[7] Der sigmoidale Verlauf der erhaltenen Titrationskurve ist ein Zeichen f'r einen kooperativen Faltungsprozess.
Die Helixstabilisierungsenergie in reinem Acetonitril wurde
zu DG(CH3CN) = 1.7 kcal mol1 berechnet.[9] Somit f'hrt
ein Austausch der zentralen dimeren Phenylenethinyleneinheit im urspr'nglichen Tetradecamer[7] gegen den Azobenzolkern nur zu einer geringf'gigen Helixdestabilisierung;
diese kann dadurch erklrt werden, dass die p,p-Stapelwechselwirkungen wegen der zustzlichen elektronenreichen
Methoxysubstituenten schwcher sind.[10]
Bestrahlt man das helical gefaltete 1trans bei 365 nm, so
wird der zentrale Azobenzolkern selektiv angeregt, und 1trans
wird schnell in 1cis umgewandelt, wie UV/Vis-absorptionsspektroskopisch gezeigt wurde (Abbildung 3 a). Dabei nimmt
die p-p*-Absorption bei 350–400 nm ab, die n-p*-Absorption
bei 400–450 nm schwach zu, und auch die p-p*-Absorption
bei < 265 nm nimmt zu; außerdem gibt es zwei isosbestische
Punkte bei 265 und 418 nm; all diese Absorptionsnderungen
belegen den trans!cis-Photoisomerisierungsprozess.[4] Whrend die photochemische 1trans !1cis-Umwandlung innerhalb
von Sekunden erfolgt, erfordert die 1cis !1trans-Umkehrung
mehrere Stunden bei Raumtemperatur.
Um die Konformationsnderungen whrend beider Isomerisierungsprozesse zu verfolgen, wurden CD-Spektren der
L"sung von 1 in faltungsf"rdernden L"sungsmittelgemischen[11] aufgenommen (Abbildung 3 b). Das CD-Spektrum
von 1trans in wssrigem Acetonitril zeigt einen starken CottonEffekt, der einer helicalen Konformation zugeordnet wird,
whrend in denaturierenden L"sungsmitteln wie Chloroform
kein CD-Signal beobachtet wurde. Das CD-Signal entsteht
2006 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim
1913
Zuschriften
Schema 1. Synthese des photoschaltbaren Foldamers 1. DIB = Dibromisocyanurs2ure, TMSA = Trimethylsilylacetylen, TBAF = Tetrabutylammoniumfluorid, TDIB = Triethylenglycol-3,5-diiodbenzoat.
von t1/2 5 h und einer Aktivierungsenergie von DG° 23.5 kcal
mol1 entspricht; dies sind typische Werte f'r Azobenzol-basierte
Makromolek'le in L"sung.[13]
Wir haben ein photochromes
Foldamer entwickelt und demonstriert, dass sich der Helix-KnuelFaltungs'bergang photochemisch
schalten lsst. Lichtsteuerbare
Systeme wie 1 geben grundlegende Einblicke in die Faltungs- und
Entfaltungsmechanismen durch
zeitaufgel"ste Messungen[14] und
versprechen Anwendungen in
photoresponsiven (Bio-)Materialien[5, 15] sowie „intelligenten“
Transportern auf der Basis photo-
Abbildung 2. UV/Vis-Absorptionsspektren von 1 in Acetonitril
(4.7 F 106 m) mit zunehmendem Chloroformanteil (100 Vol.-%
CH3CN ! 100 Vol.-% CHCl3) bei 25 8C. Der Einschub zeigt das Absorptionsverh2ltnis A303nm/A288nm in Abh2ngigkeit von der LDsungsmittelzusammensetzung.
durch Excitonenkopplungen innerhalb des helicalen R'ckgrats und beruht auf dem Chiralittstransfer von den chiralen
Seitenketten des Kernsegments auf die Helix. Interessanterweise ist der in den Spektren beobachtete Kurvenverlauf, der
auf eine P-Helix hinweist, genau entgegengesetzt zu dem bei
Oligomeren mit Seitenketten, die die chirale Methylgruppe in
b-Position tragen.[9] Whrend die Bestrahlung zu einer
schnellen Abnahme des CD-Signals und damit zu einer Abnahme der helicalen Konformation durch Entfaltung f'hrt,
wird durch die thermische Umkehrreaktion die anfngliche
CD-Signalintensitt wiederhergestellt, d. h., das R'ckgrat
wird erneut gefaltet.[12] Das Vorhandensein eines ausgeprgten isodichroischen Punktes bei 295 nm suggeriert eine direkte Umwandlung beider Konformere ineinander. Kberraschenderweise ist der beobachtete Konformations'bergang
nicht aus der Bandenform der UV/Vis-Absorptionsspektren
ersichtlich. Die cis/trans-Zusammensetzung im photostationren Zustand (PSS) kann direkt aus dem Verhltnis der CDSignale mit 1cis/(1cis+1trans) 40 % abgeleitet werden.[8] Die
Auswertung der Daten ergibt zustzlich die Geschwindigkeitskonstante der thermischen cis!trans-Isomerisierung
kcis!trans (25 8C) zu ca. 3.8 M 105 s1, was einer Halbwertszeit
1914
www.angewandte.de
Abbildung 3. a) UV/Vis-Absorptionsspektren f,r die photochemische
trans!cis-Isomerisierung durch Bestrahlung bei 365 nm von 1 in
CH3CN (5.9 F 106 m) bei 25 8C (t = 0, 1, 3, 7, 15, 31, 63 s). Der Einschub zeigt eine VergrDßerung der abnehmenden p-p*-Absorptionsbande der Azobenzoleinheit. b) CD-Spektren f,r die thermische cis!
trans-Isomerisierung von 1 in 60 Vol.-% H2O in CH3CN (5.7 F 106 m)
bei 22 8C (beginnend vom photostation2ren Zustand: t = 0, 1.5, 3, 4.5,
7.5, 10, 48, 53, 72 h).
responsiver dynamischer Rezeptoren.[16] Dies wird derzeit
untersucht, wobei das beschriebene System insbesondere hin
zu photoresponsiven polymerbasierten faltenden R'ckgraten
mit h"herem cis-Anteil im PSS weiterentwickelt werden soll.
Eingegangen am 31. Oktober 2005
Online ver"ffentlicht am 20. Januar 2006
2006 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim
Angew. Chem. 2006, 118, 1912 –1915
Angewandte
Chemie
.
Stichwrter: Azoverbindungen · Foldamere ·
Helicale Strukturen · Photochromie
[15] F'r ein elegantes Beispiel siehe: a) A. KoTer, M. Walko, W.
Meijberg, B. L. Feringa, Science 2005, 309, 755 – 758; ein neuerer
Kbersichtsartikel: b) K. Kinbara, T. Aida, Chem. Rev. 2005, 105,
1377 – 1400.
[16] R. B. Prince, S. A. Barnes, J. S. Moore, J. Am. Chem. Soc. 2000,
122, 2758 – 2762.
[1] D. J. Hill, M. J. Mio, R. B. Prince, T. S. Hughes, J. S. Moore,
Chem. Rev. 2001, 101, 3893 – 4012.
[2] a) C. Dolain, V. Maurizot, I. Huc, Angew. Chem. 2003, 115,
2844 – 2846; Angew. Chem. Int. Ed. 2003, 42, 2738 – 2740; b) E.
Kolomiets, V. Berl, I. Odriozola, A.-M. Stadler, N. Kyritsakas,
J.-M. Lehn, Chem. Commun. 2003, 2868 – 2869.
[3] a) M. Barboiu, J.-M. Lehn, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2002, 99,
5201 – 5206; b) M. Barboiu, G. Vaughan, N. Kyritsakas, J.-M.
Lehn, Chem. Eur. J. 2003, 9, 763 – 769; c) R. B. Prince, T. Okada,
J. S. Moore, Angew. Chem. 1999, 111, 245 – 249; Angew. Chem.
Int. Ed. 1999, 38, 233 – 236.
[4] a) Photochromism—Molecules and Systems (Hrsg.: H. D'rr, H.
Bouas-Laurent), Elsevier, Amsterdam, 2003; b) Molecular
Switches (Hrsg.: B. L. Feringa), Wiley-VCH, Weinheim, 2001;
c) Sonderausgabe: „Photochromism: Memories and Switches“,
Chem. Rev. 2000, 100, 1683 – 1890; d) Organic Photochromic and
Thermochromic Compounds (Hrsg.: J. C. Crano, R. J. Guglielmetti), Kluwer Academic/Plenum Publishers, New York, 1999;
e) Organic Photochromes (Hrsg.: A. V. ElRtsov), Consultants
Bureau, New York, 1990.
[5] S. Hecht, Small 2005, 1, 26 – 29, zit. Lit.
[6] Zum Seitenkettenansatz siehe: a) O. Pieroni, A. Fissi, N. Angelini, F. Lenci, Acc. Chem. Res. 2001, 34, 9 – 17; zum Klammeransatz siehe: b) G. A. Woolley, Acc. Chem. Res. 2005, 38,
486 – 493; zu verwandten Polyisocyanaten mit Azobenzol-haltigen Seitenketten siehe: c) S. Mayer, R. Zentel, Prog. Polym. Sci.
2001, 26, 1973 – 2013.
[7] a) J. C. Nelson, J. G. Saven, J. S. Moore, P. G. Wolynes, P. G.
Science 1997, 277, 1793 – 1796; b) R. B. Prince, J. G. Saven, P. G.
Wolynes, J. S. Moore, J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 3114 – 3121;
f'r einen aktuellen Kbersichtsartikel siehe: c) C. R. Ray, J. S.
Moore, Adv. Polym. Sci. 2005, 177, 91 – 149.
[8] Siehe Hintergrundinformationen.
[9] Zu (S)-b-Methyltri(ethylenglycol)-Seitenketten siehe: a) R. B.
Prince, L. Brunsveld, E. W. Meijer, J. S. Moore, Angew. Chem.
2000, 112, 234 – 236; Angew. Chem. Int. Ed. 2000, 39, 228 – 230;
b) R. B. Prince, J. S. Moore, L. Brunsveld, E. W. Meijer, Chem.
Eur. J. 2001, 7, 4150 – 4154.
[10] F'r hnliche Beispiele siehe: a) S. Lahiri, J. L. Thompson, J. S.
Moore, J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 11 315 – 11 319; b) H. Goto,
J. M. Heemstra, D. J. Hill, J. S. Moore, Org. Lett. 2004, 6, 889 –
892.
[11] Es wurden wssrige Acetonitril-L"sungen verwendet, um in den
CD-Experimenten das CD-Signal mithilfe der zustzlichen hydrophoben Triebkraft zu maximieren und somit genauere kinetische Daten zu erhalten.
[12] Eine alternative Erklrung f'r die /nderungen der CD-Spektren wre der Kbergang zu einer lockerer gepackten helicalen
Konformation. Obwohl wegen der inhrenten Spannungen
durch den Einbau des nicht passenden und nicht planaren
Azobenzolkernes eher unwahrscheinlich, kann dies zurzeit nicht
vollstndig ausgeschlossen werden. Die Fluoreszenzemissionsspektroskopie, eine komplementre experimentelle Technik zur
Beobachtung des Helix-Knuel-Kbergangs, war in diesem
System nicht anwendbar, whrend chromatographische Methoden (HPLC, Gelpermeationschromatographie) das 1trans/1cisGemisch nicht komplett aufl"sen konnten.
[13] F'r ein Beispiel siehe: L.-X. Liao, F. Stellacci, D. V. McGrath, J.
Am. Chem. Soc. 2004, 126, 2181 – 2185.
[14] F'r ein Beispiel siehe: W. Y. Yang, R. B. Prince, J. Sabelko,
J. S. Moore, M. Gruebele, J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 3248 –
3249.
Angew. Chem. 2006, 118, 1912 –1915
2006 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim
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