פרוטוקול מוצג לסינתזה של תרופות מקודד מידע ועבור הרכבה עצמית מכוונת של הפטואידים האלה לתוך סולמות מולקולריים באמצעות אמינים ו-aldehydes כזוגות דינמיים בעלי הקשר הדינמי, לואיס חומצי נדיר-אדמה triflates מתכת כריאגנטים רב תפקידים.
פרוטוקול זה מציג את השימוש של לואיס חומצי multi-תפקיד ריאגנטים לעקוף את ההשמנה הקינטית נצפתה במהלך הרכבה עצמית של גדילי מידע מקודד oligomeric מתווכת על ידי לזווג אינטראקציות קשר קוולנטי דינמי באופן מחקה את האופניים תרמית בדרך כלל מועסקים עבור הרכבה עצמית של רצפי חומצות גרעין משלימים. מונומרים ראשיים הנושאים את הmoieties בתליון אלדהיד והאמין הינם פונקציונליזציה עם קבוצות הגנה אורתוגונאליות לשימוש כזוגות דינאמיים בעלי השפעה דינמית. באמצעות סינתיסייזר פפטיד שונה אוטומטית, מונמרים אמין הראשי מקודד לתוך הגדילים (פאיד) דרך סינתזה בשלב מוצק submonomer. לאחר הטיהור באמצעות כרומטוגרפיה נוזלית בעלת ביצועים גבוהים (בדיקות מיוחדות) ואפיון של הספקטרומטר המסה ההמוני (ESI-MS), מערכות oligomers ספציפיות לגובה הטעינה של לואיס חומצי נדירים-earth מתכת triflate אשר שניהם deprotects moieties אלדהיד ומשפיע על שיווי משקל הזוג מגיב כגון לאחר מכן, חלק מהחומצה של לואיס מופק, ומאפשר ריפוי של קווצות משלימות לרצף משלים כדי ליצור מדרגות מולקולריות מסוג מידע המאופיין על ידי מטריקס בסיוע לייזר לספיחה/אינון המסה ספקטרומטריה (MALDI-MS). ההליך הפשוט המתואר בדו ח זה מורכב ממלכודות קינטי בדרך כלל מנוסים בתחום של הרכבה דינמית ובעלת המבנה הדינמי ומשמש פלטפורמה לתכנון עתידי של ארכיטקטורות חזקות ומורכבות.
התקדמות הרכבה עצמית, התהליך שבו תת יחידות קטנות ליצור ארכיטקטורות גדולות יותר באמצעות מסלולים תרמודינמי מונחה, יש הציע שליטה משופרת על המאקרו-ו-הארץ מולקולרית-מבנים נאנו דרך כלל על ידי ניצול אינטראקציות מולקולריות כגון π-הערמה מימן מליטה1,2,3,4. במיוחד, חומצות גרעין (כלומר, polynucleotides) התפתחה כמו מדיה ננו-בנייה תכליתי להפליא כמו צפיפות המידע הגבוה המסופקים על ידי ווטסון-קריק שיוך בסיס היתרי הרכבה של מורכבים, רצף סלקטיבי מבנים4,5. בעוד החוזק הנמוך מטבעו של איגרות החוב הבינמולקולריות הללו מאפשר סידור מחדש של יחידת המשנה ותיקון שגיאות, המבנים העלולים לעיתים קרובות רגישים לירידה מכנית ומכאנית6. לעומת זאת, אינטראקציות דינאמיות בעלי קשר דינמי7,8,9, מחלקה של תגובות מסוג בונד-הקשנטי הפיך או הrearrangeable בתנאים מתונים ולאחרונה המועסקים להניב קרו מורכבות כגון סולמות10,11,12,13, כלובים14,15,16, ו ערימות17, להציע מגביר את החוזק והמבנים החזקים. למרבה הצער, היכולת של סידור מחדש ובדיקת שגיאות פוחתת על-ידי שיעורי הסידור הנמוך יחסית של המינים הללו, המקוטניים את יכולתם להרכבה עצמית לתוך המוצרים הרצויים18. לטיפול זה השמנה קינטית, הזרזים או תנאי תגובה קשה מנוצלים לעתים קרובות בשילוב עם אבני בניין פשוטים. כאן, אנו מדווחים על תהליך שחוסם את ההשמנה הקינטית כדי לאפשר הרכבה עצמית של סולמות מולקולריים ספציפיים לרצף, שבו הכלאה מכוונת על ידי המידע המקודד ברצפי השקעים של האוליעומר.
בהינתן הנגישות הסינתטית שלהם, מועסקים (כלומר, peptoids) s (לדוגמה, פטואידים), שממנו מורכבים הסולמות המולקולריים19. Peptoids הם איזופולימרים מבניים של פפטידים שבו קבוצות התליון מוצמדת החנקן הנישא השדרה במקום להיות ביחד עם α-פחמן20. באמצעות סינתזה בפאזה מוצקה, מיקום מדויק של קבוצות התליון הקוולנטי הדינמי לאורך שרשרת הפאיד מושגת בקלות, ומאפשר את העיצוב של oligomers מקודמי יכול להרכיב לתוך מבנים supraמולקולריים מורכבים21.
הסידור הדינאמי הדינמי של קישוריות אימין מועסק בהליך זה כמו תגובת העיבוי מייצר הגורם מספק אמצעים נוחים כדי לאפיין את ההרכבה העצמית על ידי ספקטרומטר מסה כמו כל קשר נוצר הפחתת המסה של 18 ג’/מול22. יתרה מזאת, האיזון בין מוצר המגיב והאלדהיד לבין המוצר של אימין יכול להיות מגוון על ידי שינוי ריכוז החומצה. באופן ספציפי, נדיר-earth מטאל triflates משמשים כדי להשפיע על שיווי משקל, ובנוסף להגן עלאתילן הגנהמפני החיים המוגנים,23,25. כדי לציין, סקנדיום triflate כבר בשימוש נפוץ בתחום של הרכבה עצמית בעלת הקשר הדינמי, כולל ההצלחה האחרונה שלה בסיוע סינתזה של מסגרות אורגניות קשר קוולנטי בטמפרטורת החדר26,27. בנוסף, מסיסות מנוגדים של רצפי oligo (פאיד) ואת triflate נדיר-earth המתכת מאפשר שליטה בשיווי משקל באמצעות נוזל נוזלי החילוץ. התהליך המדווח מנצל את השליטה הזאת כדי לעקוף את המחסומים הקינטית מניעת הרכבה עצמית מכוונת מידע.
הטכניקה מתארת בזאת את ההרכבה הדינאמית הדינמית של מידע הנושא, היכן שהמידע מקודד ברצף של קבוצות התליון. השימוש במונומר מוגן של alloc בשילוב עם מונומר אלדהיד מוגן בעזרת הגנה מאפשר להגנה מפני הגנת הספק, המאפשר להפוך את alloc להגנה מפני הגנה בלתי מוקדמת במהלך תגובת ההרכבה העצמית, ובכך להבטיח שרצפים מסונתז לא יגיבו בטרם עת לפני הטיהור וה חשוב מכך, סינתזה שלב מוצק מבוצעת באמצעות שרף photolabile לאפשר מחשוף אוליגומר מן חרוז תחת UV או הקרנה אור סגול, מניעה מוקדמת deprotection של חומצה-labile, אתילן acetal מבוססי הקבוצה הגנה. ייתכן שיהיו מספר סכימות חלופיות להגנה. למשל, אנחנו בתחילה המועסקים חומצה כפולה-labile הגנה קבוצות (Boc-אמין ואתילן acetal-אלדהיד) עם הכוונה של הגנה באתרו על ידי חומצה חזקה ואחריו ניטרול כדי לאפשר את תגובת ההרכבה עצמית כדי להמשיך; עם זאת, גישה זו גרמה לדור המיידי של הזרז בתוספת הבסיס. לחילופין, הגנה של האמין עם photolabile הגנה הקבוצה, 2-(2-ניטרוגליצרין פניקסיל) ההצעת (Nאפון), נחזה כמו אלדהיד יכול להיות מוגן באופן סלקטיבי על הטיפול עם חומצה trifluoroacetic (TFA) לפני טיהור. למרבה הצער, ב פוטוליזה באתרו של קבוצת ההגנה עם אור UV לא לממן deprotection כמותיים, גם בנוכחות פוטוסנסיטירנים ואחרי תקופות הקרנה מורחבת25. טרימתילסילליטוקסיל (כלומר, Teoc) יכול להיות מועסק כקבוצת אמין הגנה והוא כפוף למחשוף על הטיפול עם triflates מטאל נדיר-earth; עם זאת, כמותית Teoc deprotection דורש הרבה יותר גבוה נדיר-earth מתכת הקרקע מעמסה מאשר הצורך להגנה האתילן. עבור פרוטוקול זה, Teoc-amines ניתן להשתמש, אבל את הריכוז חומצה לואיס חייב להיות מותאם בהתאם כמו תת כמותי deprotection יכול להוכיח בעייתי עבור מבנים גדולים יותר התאספו. הקבוצות הפונקציונליות של אליפטיות נחשבו בקצרה, אבל הגנה של אליפטיות aldehydes דורש תנאים קשים כי חיתוך רצפי פאיד32,33.
התאגדות של ניטה ו-nma כמו שאריות מרווח אינרטי משמשים כדי לשפר את מסיסות אוליגומר ולאפשר נתיישב מלאי התיוג של oligomers מקודמן להרשות לעצמם זיהוי של מינים שנוצרו על ידי ספקטרוסקופיית המוני. יתר על כן, בהתחשב ‘ Σ-סטרנד ‘ היווצרות של peptoids שבו מגזרי השדרה הסמוכים לאמץ מדינות הסיבוב הנגדי כדי ליצור ליניארי, ללא טוויסט אוליגומר34,35, רצפים שילוב מתחלפים דינמי של שאריות מרווח משתנה ואדיש מאפשר מבנה שבו קבוצות התליון התגובתי מכוונות באותו כיוון. בהתחשב רב-תכליתיות של שיטת submonomer, ספריה גדולה ומגוונת של אמינים הראשי יכול להיות מועסק כדי לשנות את הפאיד oligomers, אך עשוי לדרוש התאמות לפרוטוקול כדי לשמור על יעילות צימוד גבוה.
בעוד oligo (peptoids) יכול להיות מסונתז באופן ידני בספינה תגובת זכוכית19, אוטומציה של התהליך מקטין את הזמן עבור כל תוספת שאריות ממספר שעות עד חצי שעה. בנוסף, אוטומציה מפחיתה את הכמות של מונומר ולשטוף את פסולת הממס, רצוי במיוחד בעת שימוש במונמרים העיקריים שאינם זמינים מסחרית. למרות שהמחשוף של אלוג מפסולת מוגנת-אמין היא תגובה יעילה, חמצון פלדיום יכול לגרום לביטול הגנה שלם. כתוצאה מכך, הוא הציע לבדוק קליב חלק של שרף ולאפיין את היקף deprotection עם ESI-MS. לבדיקות בדיקה, 30 דקות תחת 405 הקרנה nm משחררת מספיק פטומטריה לספקטרומטר מסה. הגנה חלקית יכולה להיות מוגבלת עם שימוש בתנאים אנאירובית או חזרה על תגובת deprotection.
בעוד מאמר זה מתמקד Sc (OTf)3 כמו מגיב רב תפקידים, נדירים-earth מטאל triflates, כגון triflates טריפלאט, הוכחו בהצלחה לתווך ההרכבה מכוונת מידע של סולמות מולקולריים. בעיקר, Sc (OTf)3 הוא חומצי לואיס ביותר של triflates נדיר-earth מתכת; לכן, בשל היכולת קטליטי מופחתת שניתנה על ידי אחרים נדירים-earth מתכת triflates24,36, שווי גדול יותר עשוי להיות נדרש כדי להשפיע מלאה האתילן הגנה והשזירה. מספר המקבילות הנדרשות ניתן לקבוע עם ספקטרומטר המסה של MALDI על ידי התבוננות בנקודה שבה גדילי לחלוטין את הנתק. דיסוציאציה קריטית בתהליך ההרכבה עצמית והיא אנלוגית להיתוך של גדילי חומצת גרעין בטמפרטורה מוגבה. החילוץ העוקב אחר הזרז מאפשר את היווצרות והשיבוש של זיווגים דינמיים בעלי ערך דינמי דוחף את ההרכבה של דופלקסים ספציפיים לרצף. זה ריפוי הדרגתי של קווצות oligomeric להקיף את ההשמנה הקינטית (אשר, עבור סולמות מולקולריים, יכול להניב החוצה של הרישום מינים או רצפי זוג שגוי) מנוסים על ידי שיטות אחרות.
כלורופורם הוא ממיס מעולה כמו הפרדת הפאזה במערכת הכלורופורם/מערכת המים המשמשים כאן מקדמת את החילוץ החלקי של חומצת לואיס ללא התוצאה משקעים של מבנים התאספו בעצמם37. בנוסף, כלורופורם הוא אחד ממיסים כמה שמקדם היווצרות אימין תוך שמירה על מסיסות הסולם המולקולרי. כמויות מעקב של מחוץ לרישום ודופלקסים שאינם משויכים באופן שגוי יכולים להיות בדרך כלל עקב האופי הדינאמי של המערכת. למרות שמערכת זו היא מושפעת ברובו על ידי וריאציה קטנה בריכוזים נדירים-earth מתכת triflate על החילוץ, לפעמים, החילוץ זרז מספיק מייצר חלק משמעותי של היברידיזציה שלם מצמדי אוליגומר לא ספציפי. במקרה זה, זה עדיף בדרך כלל הראשון מחדש לנתק עם 1.5 המקבילה נוספת של זרז ולאחר מכן לחלץ בפעם השנייה ולא כדי לחלץ מחדש מיד, כמו דיסוציאציה מלאה של קווצות יחיד הוא חיוני לתהליך. במקביל להרכיב מספר מדרגות ייחודי מקודד מידע מולקולרי, ייתכן שיהיה צורך להגדיל את הריכוז של הפתרון נדיר-earth מתכת triflate להשתמש כדי לשמור על מקבילות ונפח התגובה הכוללת.
בעוד שהרכבות העצמיות הללו מתאפיינות בעיקר בספקטרומטר מסה, טכניקות אחרות, כולל העברת אנרגיה בתהודה של קרינה פלואורסצנטית (סריג) אפשרית. המגבלות כוללות את כמות החומר הנדרש, העלות הנדרשת של המונמרים ויחס האות לרעש. טכניקות הדורשות ממיסים, כגון 1H nmr, יכול בנוסף לסבול מתוך מסיסות של מבנים המורכב עצמית. יתר על כן, נדיר-earth מתכת triflate ריכוזי שלאחר החילוץ ניתן לקבוע באמצעות שיטות כגון הקאמרי החיצוני-MS או 19F nmr עם תקן פנימי.
כהתקדמות לקראת שליטה משופרת על מאקרו-ו-והארץ מולקולרית-מבנים ננו וחומרים ההכנסות, האתגר של עיצוב ובדיית קבוע, אבל, הרכבות עולה. הפרוטוקול המתואר בדו ח זה מספק מסלול להשגת מבנים ננו כגון באמצעות הרכבות בררנית-רצף באמצעות אינטראקציות דינאמיות מסוג dynamic.
The authors have nothing to disclose.
עבודה זו נתמכת על ידי משרד האנרגיה של ארצות הברית, משרד המדע, מדעי האנרגיה הבסיסית, תחת פרס #DESC0012479. S.C.L. מודה בתמיכה מתוכנית המלגות הלאומית למחקר של קרן המדע, ו-A.F.A. מודה על תמיכה מחברת הנפט הלאומית אבו דאבי (ADNOC סוכנים).
1,4-Dioxane | Fisher Scientific | D1114 | Certified ACS |
2-(4-Hydroxyphenylazo)benzoic acid (HABA) | Millipore-Sigma | 54793 | Matrix substance for MALDI-MS; ≥99.5% |
4-(2-Aminoethyl)aniline | Ontario Chemicals | A2076 | 98% |
4-Cyanobenzaldehyde | Oakwood Chemical | 049317 | 99% |
4-Methylpiperidine | TCI America | P0445 | ≥98.0% |
4-Toluenesulfonyl chloride | Oakwood Chemical | BR1703 | 99% |
50 mL High Performance Centrifuge Tubes | VWR International | 21008-240 | Centrifuge Tubes used for automated synthesizer |
Acetic acid | Fisher Scientific | A38-212 | Glacial |
Acetic anhydride | Fisher Scientific | A10 | Certified ACS |
Acetonitrile | Millipore-Sigma | 34851 | For HPLC; Gradient grade; ≥99.9% |
All-plastic Norm-Ject syringes | Thermo Fisher Scientific | S7510-10 | Luer-Slip Syringe |
Allyl chloroformate | Acros Organics | 221741000 | 97% |
Bromoacetic acid | Alfa Aesar | A14403 | ≥98.0% |
Chloroform | Millipore-Sigma | 288306 | Anhydrous; ≥99%; Contains 0.5-1.0% ethanol as stabilizer |
Chloroform-d | Acros Organics | AC320690075 | For NMR; 99.8 atom % D; Packaged in 0.75 ml ampoules |
Dichlorodimethylsilane | Acros Organics | 1133100 | ≥99.0% |
Dichloroethane | Fisher Scientific | E175 | Certified ACS |
Dichloromethane | Fisher Scientific | D37-4 | Stabalized; Certified ACS |
Diethyl ether | Acros Organics | 615080010 | Anhydrous; ACS reagent |
Diethylene glycol monoethyl ether | TCI America | E0048 | ≥99.0% |
Ethanol | Decon Labs | 2701 | 200 Proof; Anhydrous |
Ethylene glycol | Fisher Scientific | E178 | Certified |
Fmoc-Photolabile SS resin | CreoSalus | SA50785 | 100-200 mesh; 1% DVB |
Glass Peptide Vessel | Chemglass | CG-1866-02 | Solid Phase, T-Bore PTFE Stpk, Vacuum, Medium Frit, GL 25 Thread |
LC-6AD HPLC pumps | Shimadzu Corporation | Equipment | |
LED 405nm | ThorLabs | M405L2-C1 | 405 nm LED used for photocleavage of peptoid |
LED Driver | ThorLabs | LEDD1B | Driver for LED light used in photocleavage of peptoid |
Liberty Blue Automated Peptide Synthesizer | CEM Corporation | Equipment | |
Lithium aluminum hydride | Millipore-Sigma | 199877 | Powder; Reagent grade; 95%; CAUTION: Mildly pyrophoric, handle under inert gas and protect from moisture |
Luna C18 analytical RP-HPLC column | Phenomenex | 00G-4252-E0 | Equipment |
Luna C18 prepatory RP-HPLC column | Phenomenex | 00G-4253-P0-AX | Equipment |
Methanol | Fisher Scientific | A412 | Certified ACS |
Microliter Syringe | Hamilton Company | 80700 | Cemented Needle (N) |
N,N'-Diisopropylcarbodiimide (DIC) | Oakwood Chemical | M02889 | ≥99.0%; CAUTION: DIC is hazardous to eyes, skin, via respiratory inhalation, and may cause skin sensitization |
N,N-Dimethylformamide | Millipore-Sigma | 319937 | ACS reagent; ≥99.8% |
Nitric acid | Fisher Scientific | A200-212 | Certified ACS Plus |
Nitrogen gas | Cryogenic Gases | Contents under pressure, may explode if heated | |
Phenylsilane | Oakwood Chemical | S13600 | 97% |
Prominence SPD-10A UV/vis Detector | Shimadzu Corporation | Equipment | |
p-Toluenesulfonic acid monohydrate | Millipore-Sigma | 402885 | ACS reagent; ≥98.5% |
Scandium(III) triflate | Oakwood Chemical | 009343 | 99% |
Single-use Needle | Exel International | 26420 | 18G x 1 1/2″ |
Sodium azide | Oakwood Chemical | 094448 | 99%; CAUTION: NaN3 may react with lead and copper which results in the formation of highly explosive metal azides. It is acutely toxic and fatal if swallowed or in contact with skin. |
Sodium bicarbonate | Fisher Scientific | S233 | Powder; Certified ACS |
Sodium hydroxide | Fisher Scientific | S318-100 | Pellets; Certified ACS |
Sodium sulfate | Fisher Scientific | S421-500 | Anhydrous; Granular; Certified ACS |
Syringe Filter 0.45 µm | VWR International | 28145-497 | PTFE, Syringe Filters with Polypropylene Housing |
Tetrahydrofuran | Fisher Scientific | T397 | Certified |
Tetrakis(triphenylphosphine) palladium(0) | Oakwood Chemical | 034279 | 98% |
Toluene | Fisher Scientific | T324 | Certified ACS |
Triphenylphosphine | Oakwood Chemical | 037818 | 99% |