MESA+ University of Twente
Research Business & Innovation About MESA+ Education

Mesa+

Supramoleculaire katalyse is het hoofdonderwerp van dit proefschrift. Nieuwe, op calix[4]areen gebaseerde metallo-katalysatoren zijn gesynthetiseerd door een, twee of drie metaalbindende groepen aan de bovenrand van het calixareenskelet te bevestigen. De katalytische activiteit van hun koper-, zink- of bariumcomplexen in fosforyl- en acyl- overdrachtsreacties is bestudeerd.

Eerder onderzoek heeft aangetoond dat het calix[4]areen motief een interessant geraamte vormt voor de constructie van multifunctionele enzymmodellen, dankzij het vermogen van calixarenen om de katalytische funkties aan de boven- of onderrand opportuun te arrangeren. Ondanks de vaste kegelstruktuur behoudt de calixareen bovendien een residuele conformationele beweeglijkheid, en dit laat toe dat de op calixareen gebaseerde katalysatoren zich aanpassen aan de veranderingen in de geometrie van het substraat in de overgangstoestand. Een belangrijk aspekt is de ontwikkeling van wateroplosbare katalysatoren. Voor dit doel werd een supramoleculaire benadering gebruikt, die de interactie tussen adamantylcalix[4]arenen en β-cyclodextrines (β-CD) uitbuit. De wisselwerking tussen enkele van deze calixareenderivaten en polyvalente β-CD’s and β-CD 'self-assembled monolayers' (SAMs, zelf-geassembleerde monolagen) werd tevens respektievelijk in oplossing en op oppervlakken bestudeerd.

Een algemene inleiding over enzymkatalyse en zijn oorsprong wordt gegeven in het eerste deel van Hoofdstuk 2. De mechanismen van de fosforyl- en acyl-overdrachtsreacties, met speciale aandacht voor de rol van metaalionen, worden uitgelegd in het tweede deel van dit Hoofdstuk, en voorbeelden worden gegeven van natuurlijke nucleasen en peptidasen die divalente ionen uitbuiten. In het derde deel wordt een overzicht gegeven van recente voorbeelden van synthetische mono-, di-, en tri-nucleaire metaalkatalysatoren voor de splitsing van fosfaten, amiden, en esters, welke de faktoren onderstreept die de coöperativiteit tussen de metaalioncomplexen beïnvloeden.

Hoofdstuk 3 beschrijft drie verschillende benaderingen om een calixareenverbinding met drie 2,6-bis[(dimethylamino)methyl]pyridine-groepen aan de bovenrand oplosbaar te maken in water. De hiervan afgeleide zink-complexen hebben voorheen reeds goede katalytische activiteit laten zien in de fosfodiëster splitsing in EtOH/H2O 35%. Oplosbaarheid in water is een essentiële eigenschap van nuclease mimics aangezien hun activiteit uiteindelijk op natuurlijke substraten zoals RNA, en onder fysiologische condities, bestudeerd moet worden. Om deze verbindingen oplosbaar te maken in water hebben we adamantyleenheden ingevoerd aan de onderrand van de calixarenen en hebben we de vorming van insluitingscomplexen met β‑CDs in water gebruikt. De adamantylgroep (Ad) bleek niet kompatibel te zijn met de reacties die nodig zijn om de pyridine-eenheden aan de bovenrand te bevestigen. Het was evenwel mogelijk om enkele wateroplosbare p‑guanidinium di- en tetraadamantyl-calix[4]arenen te bereiden en de calix[Ad]‑ β-CD interacties te bestuderen met behulp van microcalorimetrie in oplossing en via 'surface plasmon resonance' op het oppervlak van β-CD SAMs. Wanneer de spacer tussen de adamantylgroep en de calixareen langer is dan twaalf atomen kunnen alle vier de adamantylgroepen door β‑CDs worden ingesloten zonder interferentie van andere bindingsposities en met intrinsieke bindingskonstanten in het bereik van 2.9‑5.4x104 M-1. Een andere benadering om wateroplosbare op calixareen gebaseerde katalysatoren te verkrijgen omhelsde de invoering van zes hydroxylgroepen aan de bovenrand van een trispyridine katalysator, waardoor een verbinding werd verkregen met een oplosbaarheid van 2x10-4 M. Complexatiestudies met Zn(II) in zuiver water onthulden echter dat de bindingskonstante van de chelerende 2,6-bis[(dimethylamino)methyl]pyridine-eenheden te laag is om kwantitatieve vorming van het complex te garanderen bij millimolaire concentraties.

In Hoofdstuk 4 wordt de procedure beschreven om een calix[4]areen te verkrijgen met twee funktionele groepen zoals alkoholen, formylgroepen, of carbonzuren, op de 1,2-proximale posities. Deze verbindingen zijn belangrijke tussenprodukten voor de synthese van katalysatoren met metaalionen in de proximale posities. Nieuwe bifunktionele calix[4]areen-liganden werden bereid door twee monoaza-18-kroon-6 in te voeren op de 1,2-proximale of de 1,3-diametrale posities aan de bovenrand van de calix[4]areen. De Ba2+ complexen van deze verbindingen werden onderzocht als katalysatoren voor de ethanolyse van esters voorzien van een verankerende carboxylaatgroep. Voor de eerste keer werd een directe vergelijking tussen diametrale and proximale supramoleculaire calix[4]areen-katalysatoren uitgevoerd. Ookal zijn in beide gevallen de metaalcentrums in staat om te coöpereren, toch is de proximale calixareen-katalysator vele malen beter dan zijn diametrale regioisomeer. Een van de parameters die de reactiviteit het meest beïnvloedt is de afstand tussen de carboxylaatgroepen en de ester-carbonylgroepen, maar er zijn ook andere faktoren betrokken ten gunste van de proximale katalysator.

Hoofdstuk 5 beschrijft, in het eerste gedeelte, de synthese van een calix[4]areen uitgerust met twee metaalbindende 2,6-bis[(dimethylamino)methyl]pyridine-groepen in de proximale posities om hun katalytische activiteit te kunnen vergelijken met die van soortgelijke katalysatoren die in de literatuur vermeld zijn. In het tweede gedeelte wordt de synthese van een nieuwe klasse liganden ([12]aneN3-calixarenen) beschreven. Deze verbindingen werden bereid door de calix[4]arenen aan de bovenrand te funktionaliseren met één, twee (in de diametrale of proximale posities), of drie triazacyclododecane ([12]aneN3) macrocycli. De [12]aneN3 is een ligerende groep voor divalente overgangsmetaalionen, die veel sterker is en meer hydrofiel dan 2,6-bis[(dimethylamino)methyl]pyridine, wat een verhoging toelaat van de stabiliteit van de resulterende calixareen-metaalcomplexen, en deze gemakkelijker oplosbaar maakt in water. De katalytische activiteit van de Zn(II) komplexen van de pyridine-calixarenen en [12]aneN3-calixarenen werd onderzocht voor de methanolyse van arylesters. De metingen, die in methanol werden uitgevoerd bij pH 10.4, tonen aan dat de twee klassen van katalysatoren soortgelijke katalytische eigenschapppen bezitten. De aanwezigheid van een verankerende carboxylgroep op het substraat is nodig om grote reactiesnelheidsververhogingen te bewerkstelligen, die in enkele gevallen waarden tot wel 105 bereiken bij een katalysatorconcentratie van 1 mM. De 1,2-proximale calix[4]areen-complexen zijn veel effektiever dan hun 1,3-diametrale isomeren. De twee metaalcomplexen in proximale posities kunnen beter coöpereren in het katalytische proces aangezien er één de carboxylaatgroep op het substraat coördineert en de ander het aanvallende methoxide-ion activeert. De grotere verbeteringen in reactiesnelheid, verkregen met de trinucleaire katalysatoren, kunnen worden verklaard door rekening te houden met het statistische voordeel van deze verbindingen tegenover de corresponderende 1,2-dinucleaire complexen. Alleen in het geval van het trinucleaire Zn(II) pyridine-calixareencomplex met p-carboxyfenylacetaat werd een beduidende bijdrage van het derde Zn(II) ion aan de activering van de ester-carbonylgroep gevonden. De Zn(II)-complexen van de 1,2-proximale digesubstitueerde and trigesubstitueerde [12]aneN3-calixarenen vertonen een buitengewone vormselectiviteit voor m-carboxyfenylacetaat tegenover zijn para isomeer. De reacties volgen Michaelis-Menten kinetiek waarbij een katalysator-substraatcomplex wordt gevormd, dat vervolgens verder reageert tot de produkten.

In Hoofdstuk 6 wordt in het eerste deel de activiteit beschreven van Zn(II)- en Cu(II)-[12]aneN3-calixareencomplexen in de splitsing van fosfodiësterbindingen in RNA hydroxypropyl-p‑nitrofenylfosfaatester (HPNP). Het gebruik van koper(II) metallokatalysatoren is te wijten aan het feit dat [12]aneN3-calixareen-Cu(II) complexen oplosbaarder zijn in water en een hogere coöperativiteit vertonen in de activering van fosfaatbinding van HPNP, in vergelijking tot de corresponderende Zn(II)-complexen. De verbetering in reactiesnelheid voor de door het trinucleaire Cu(II)-calixareen complex gekatalyseerde om-verestering, gemeten als een functie van de substraatconcentratie, vertoonde Michaelis-Menten kinetiek, waarbij het substraat aan de katalysator bindt met Kass = 500 M-1 en in produkt wordt omgezet met kcat = 7.6 x 10-4 s-1. In het tweede deel van het Hoofdstuk wordt de katalytische activiteit van het trinucleaire Cu(II)-complex in de splitsing van dinucleotiden beschreven. Er werd een buitengewone selektiviteit voor UpU en UpG dinucleotides waargenomen; UpU werd 40 maal sneller gesplitst dan GpA. De reactiesnelheidsverhogingen waargenomen voor de splitsing van UpU en UpA zijn in de orde van 7 x 103 ten opzichte van de ongekatalyseerde reacties.

In Hoofdstuk 7 werd de katalytische activiteit van Cu(II)-[12]aneN3-calix[4]areen-complexen in de splitsing van oligonucleotiden bestudeerd. De reacties werden uitgevoerd bij 50ºC, [cat] = 50 μM, en de substraten waren zes-, zeven-, en zeventien-basenlange radio-gelabelde oligomeren met 32P op de 5'-positie. Zowel de twee dinucleaire als de trinucleaire koper complexen zijn zeer efficiente katalysatoren voor de splitsing van fosfodiëster bindingen in oligomeren. Naast de coöperatieve actie van de metaalcenters lijkt ook het apolaire calixareengeraamte een belangrijke rol te spelen in het katalytische proces. Zijn werking is waarschijnlijk te danken aan de vorming van een apolaire omgeving rond de oligonucleotide, welke een hydrofobe interactie bevordert zowel als waterstofbindingen die van nut zijn voor de fosfaatsplitsing. Dinucleotidebindingen met een pyrimidinebase op de 5'-positie worden sneller gesplitst. In alle onderzochte gevallen en met alle katalysatoren is CpA de meest reactieve binding, en hoe makkelijk een binding gesplitst kan worden hangt ook af van de positie in de oligonucleotide; hoe dichter de binding zich bij de 5'-terminale positie bevindt, hoe makkelijker deze te splitsen is. De resultaten geven aan dat de reactiviteits- en selectiviteitsgegevens die verkregen zijn met RNA-modellen of dinucleotiden niet eenvoudigweg kunnen worden toegepast op grotere oligonucleotiden of RNAs, aangezien er bij macromoleculaire substraten weer vele andere faktoren komen kijken.