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Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 8169 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Wir schlagen ein neuartiges Schema zur Untersuchung der Wirt-Gast-Lösungsmittel-Wechselwirkungen in Lösung anhand ihrer Gasphasenstrukturen vor. Indem wir den nichtkovalenten Komplex aus permethyliertem β-Cyclodextrin (perm β-CD) und protoniertem L-Lysin als prototypisches System verwenden, präsentieren wir das Infrarot-Mehrfachphotonendissoziationsspektrum (IRMPD) des durch Elektrospray-Ionisationstechnik erzeugten Gasphasenkomplexes. Um die Struktur des perm β-CD)/LysH+-Komplexes in der Gasphase aufzuklären, führen wir quantenchemische Berechnungen durch, um die beiden starken Peaks bei 3.340 und 3.560 cm−1 im IRMPD-Spektrum zuzuordnen und stellen fest, dass sich das Carboxyl locker bildet Wasserstoffbrückenbindungen mit der Perm-β-CD-Einheit, wohingegen die Ammoniumgruppe von L-Lysin von der Perm-β-CD-Einheit entfernt ist. Durch die Simulation der Strukturen des Perm-β-CD/H+/L-Lysin-Komplexes in Lösung mithilfe des Supramolekül-/Kontinuumsmodells stellen wir fest, dass die extrem instabile Gasphasenstruktur dem stabilsten Konformer in Lösung entspricht.

Wirt-Gast-Wechselwirkungen sind als Prinzip der molekularen Erkennung und Selbstorganisation von grundlegender Bedeutung1,2,3. Der „Bottom-up“-Aufbau supramolekularer funktioneller Materialien4,5,6,7 auf der Grundlage von Wirt-Gast-Wechselwirkungen hat breite Anwendung für Katalysatoren (künstliche Enzyme)8,9, Sensorik10, Arzneimittelabgabe11,12, Genabgabe13,14, Bioimaging15 gefunden. 16, auf Reize reagierende Materialien17 und photodynamische Therapie18,19. Die Untersuchung der Wirt-Gast-Konfigurationen stand im Mittelpunkt vieler intensiver Studien20,21,22, ihre Untersuchung in Lösungsphase auf molekularer Ebene ist jedoch normalerweise eine schwierige Aufgabe. Die beiden Komponenten von Wirt-Gast-Komplexen werden durch hochspezifische Bindung durch nichtkovalente Kräfte zusammengehalten, am häufigsten durch Wasserstoffbrückenbindungen. Die Wirtskomponenten sind normalerweise große Moleküle wie Cyclodextrine23,24, Calix[n]arene25,26 oder Cucurbit[n]urile27. Der hydrophobe Hohlraum eines makrozyklischen Wirtsmoleküls verkapselt normalerweise einen Teil des Gastmoleküls, wohingegen die äußeren Ränder des Wirtsmoleküls tendenziell hydrophil sind. Details zu den Wechselwirkungen und Bindungen zwischen den funktionellen Gruppen im Wirt und Gast sind im Zusammenhang mit der molekularen Erkennung von besonderem Interesse. Eine der interessantesten Fragen bezüglich der Wirt-Gast-Komplexe wäre, ob ihre in der Gasphase beobachteten Strukturen die Wirt-Gast-Lösungsmittel-Wechselwirkungen in Lösung widerspiegeln könnten oder nicht. Wenn eine enge Beziehung zwischen den Strukturen der Wirt-Gast-Komplexe in den beiden Phasen besteht, kann die Bestimmung ihrer Konfigurationen in der Gasphase erfolgen, die möglicherweise eindeutiger ist als die Strukturen in der Lösungsphase (zumindest aufgrund der lösungsmittelfreien Umgebung). liefern unschätzbare Informationen über die detaillierten Wechselwirkungen zwischen Wirt und Gast (und auch Lösungsmittelmolekülen). Indem wir uns mit dieser äußerst kritischen Frage befassen, beschreiben wir hier ein neuartiges Protokoll zur Untersuchung der Wirt-Gast-Lösungsmittel-Wechselwirkungen in Lösung durch Aufklärung der Strukturen von Wirt-Gast-Komplexen in der Gasphase. Wir verwenden den perm β-CD/LysH+-Komplex als prototypisches Wirt-Gast-System, um das Schema voranzutreiben.

Zunächst erhalten wir die IRMPD-Spektren des durch das ESI/MS-Verfahren erzeugten Gasphasen-Perm-β-CD/H+/L-Lys-Komplexes. Wir bestimmen die Gasphasenstruktur von perm β-CD/H+/L-Lys durch Vergleich der berechneten IR-Spektren mit dem experimentell beobachteten IRMPD28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39 Spektrum des Perm-CD/L-LysH+-Komplexes. Wir führen quantenchemische Berechnungen für die beiden intensiven Banden bei 3340 und 3560 cm−1 durch und ordnen sie den Streckungsmoden der Ammonium-Seitenkette bzw. der Carboxylgruppe zu. Zweitens zeigen wir, dass die freie Gibbs-Energie des experimentell beobachteten Gasphasenkomplexes (Komplex I), der durch ESI/Massenspektrometrie (ESI/MS) aus der Lösungsphase erhalten wurde, viel höher ist (um ~ 30 kcal/mol) als die der niedrigeren Gibbs-Energie freie Energiestruktur (Komplex II), was zeigt, dass der Gasphasenkomplex im thermodynamischen Sinne äußerst instabil ist (wie auch für Gasphasen-Perm β-CD/H+/G, G = Alanin40, Isoleucin41, H2O42 beobachtet wurde). Drittens simulieren wir mithilfe des Supramolekül-/Kontinuum-Ansatzes die Strukturen des Perm-β-CD/H+/L-Lys-Komplexes in Lösung und stellen so fest, dass die relative thermodynamische Stabilität des Perm-β-CD/H+/L-Lys-Komplexes in Lösung ist die vollständige Umkehrung dessen in der Gasphase: Die Gasphasenstruktur mit der extrem höheren freien Gibbs-Energie (Komplex I) entspricht dem stabilsten Konformer (Komplex A) in Lösung, und das stabilste Gasphasenkonformer (Komplex II) wird zu a weniger stabil (Komplex B) in Lösung. Dies zeigt deutlich, dass der Ursprung der Gasphasenstruktur mit hoher Gibbs-freier Energie (Komplex I) die Konfiguration (Komplex A) von perm β-CD/H+/L-Lys in Lösung ist, was darauf hindeutet, dass die Struktur der Gasphase Wirt-Gast ist Mit der ESI/MS/IRMPD-Technik43 hergestellte Komplexe können als sehr nützlicher und genauer Leitfaden für die Untersuchung der Wirt-Gast-Lösungsmittel-Wechselwirkung in Lösung verwendet werden.

Abbildung 1a zeigt das experimentelle IRMPD-Spektrum des Gasphasen-Perm-β-CD-protonierten L-Lys-Komplexes im Bereich > 3100 cm−1. Zwei intensive Banden bei 3340 und 3560 cm−1 sind erkennbar. Die Bande bei 3560 cm-1 ist der Carboxyl-Streckschwingungsbande (~ 3570 cm-1) der „freien“ Gasphasen-Aminosäuren44 sehr ähnlich, was darauf hindeutet, dass ihr ein –OH-Streckschwingungsmodus einer nahezu isolierten Carbonylgruppe zugeordnet werden kann. Das theoretische Spektrum (berechnet auf der Theorieebene wB97X-D/6-31G* unter Verwendung eines Skalierungsfaktors von 0,940868 zur Korrektur der DFT-Fehler und anharmonischen Effekte) von Komplex I, der das IRMPD-Spektrum vollständig berücksichtigt, ist ebenfalls in dargestellt Abb. 1a zusammen mit den Normalmoden der Absorptionsbanden in Abb. 1b und der entsprechenden Gasphasen-Perm-β-CD/H+/L-Lys-Struktur. Das berechnete Infrarotspektrum (IR) für Komplex I weist zwei starke Banden bei 3348 und 3552 cm−1 auf, was das charakteristische Merkmal des experimentellen Spektrums in Abb. 1a ist. Die beiden intensiven Banden bei 3226 und 3319 cm−1 im IR-Spektrum werden der asymmetrischen Streckschwingung der Ammonium- bzw. der Carboxyl-OH-Streckschwingung zugeordnet (Abb. 2a). Sehr schwache Absorptionen bei 3393 und 3323 cm−1 sind asymmetrische bzw. symmetrische –NH2-Streckschwingungen, aber sie scheinen so schwach zu sein, dass sie im experimentellen Spektrum kaum vom Hintergrundrauschen zu unterscheiden sind.

(a) Theoretisches IR-Spektrum, (b) Normalmoden und (c) zwei Ansichten der Struktur von Komplex I aus gasphasenpermanentem β-CD-protoniertem L-Lys. Rote Stäbchen stellen die Positionen experimenteller IRMPD-Banden dar. Wasserstoffatome in permethyliertem β-Cyclodextrin sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen. Rot: Sauerstoff, Blau: Stickstoff, Grau: Kohlenstoff, Weiß: Wasserstoff.

(a) Theoretische IR-Spektren und (b) Strukturen der Perm-β-CD-protonierten L-Lys-Komplexe II und III mit niedrigerer freier Gibbs-Energie in der Gasphase.

Das Vorhandensein oder Fehlen von Wasserstoffbrückenbindungen zwischen der Perm-β-CD-Einheit und den funktionellen Gruppen (Carbonyl, Amino und Ammonium) sowie deren Lage in Bezug auf das Perm-β-CD des Wirts sind die entscheidenden Merkmale in den Gasphasenstrukturen des Komplexe. In Komplex I (siehe Abb. 1c) sind die Amino- und die Seitenketten-Ammoniumgruppen weit von der Perm-β-CD-Einheit entfernt, während die Carboxylgruppen lose mit den O-Atomen des Perm-β-CD interagieren. Die schwachen Wechselwirkungen (ROH = 2,313 Å) zwischen der Carboxyl- und der Perm-β-CD-Einheit wurden auch in der Struktur des Gasphasen-Perm-β-CD/H+/Isoleucin41-Systems beobachtet (mit RO..HO = 2,053 Å). Die berechnete Länge der Wasserstoffbrückenbindung (RO…HO = 2,313 Å), die viel größer ist als die für normale Wasserstoffbrückenbindungen beobachtete Länge (~ 1,70 Å), weist darauf hin, dass die Wechselwirkungen zwischen der Carboxyl- und der Perm-β-CD-Einheit im Komplex recht schwach sind I, in Übereinstimmung mit der Hochfrequenz-OH-Streckbande bei 3552 cm−1 im IRMPD-Spektrum. Der Ursprung dieser interessanten losen Wasserstoffbindung des Carboxyls an das Perm-β-CD kann durch die Annahme eines dazwischenliegenden Wassermoleküls in der Lösungsphase erklärt werden, wie unten diskutiert.

Von den thermodynamisch stabileren (niedrigere freie Gibbs-Energie) Konformeren der Gasphasen-Perm-β-CD/H+/L-Lys-Komplexe zeigt Abb. 2 die beiden Strukturen (Komplex II, III), die eine genaue Betrachtung verdienen. In Komplex II und Komplex III ist das Ammonium in der Perm-β-CD-Einheit eingekapselt, wobei die Carboxyl- und die Aminogruppe jeweils am Rand mit dem Wirt interagieren. Abbildung 2 zeigt auch, dass die berechnete IR-Frequenz der Carbonyl-OH-Streckung in Komplex II aufgrund der starken Wasserstoffbrückenbindung enorm rotverschoben ist und auf 3226 cm−1 ansteigt (der entsprechende Normalmodus ist in den Zusatzinformationen (Abbildung S1) dargestellt). (RO…HO = 1,723 Å, deutlich kürzer als RO…HO = 2,313 Å in Komplex I) zwischen –CO2H und der perm β-CD-Einheit. Andererseits wird berechnet, dass die entsprechende Frequenz in Komplex III von der experimentellen Bande auf 3607 cm-1 blauverschoben ist (Abb. 2b). Dies weist darauf hin, dass in Komplex III das Carboxyl vollständig isoliert und frei vom Einfluss des Perm-β-CD-Rings ist, wie aus seiner Struktur in Abb. 2 ersichtlich ist (–CO2H ist von der Perm-β-CD-Einheit nach außen gebogen). . In diesem letzteren Konformer bildet die α-Aminogruppe eine schwache Wasserstoffbindung mit den CD O-Atomen (RO…HN = 2.228 Å), was die hochfrequenten symmetrischen und asymmetrischen –NH2-Streckschwingungen bei 3335 bzw. 3424 cm−1 ergibt. Es ist zu beachten, dass die berechneten IR-Spektren für Komplex II und Komplex III völlig im Widerspruch zum experimentellen IRMPD-Spektrum in Abb. 1a stehen.

Tabelle 1 listet die relativen freien Gibbs-Energien der Gasphasenkomplexe I–III auf. Wir stellen fest, dass Komplex II und III um 27–30 kcal/mol viel stabiler sind (niedrigere freie Gibbs-Energie) als andere Komplexe. Zwischen Komplex I und Komplex II/III sind zwei strukturelle Unterschiede zu beachten: Erstens sind in Komplex I die Wechselwirkungen zwischen der Amino- und Carboxylgruppe mit der Perm-β-CD-Einheit viel schwächer als in Komplex II/III. Zweitens ist in den beiden letztgenannten Komplexen die Seitenkette –NH3+ im Hohlraum der Wirtsdauerwelle β-CD eingekapselt, wohingegen sie in Komplex I im Wesentlichen isoliert ist. Daher scheint es, dass diese stärkeren Wechselwirkungen zwischen den funktionellen LysH+-Gruppen und der Dauerwelle bestehen β-CD bietet Komplex II und III eine weitaus größere thermodynamische Stabilität als Komplex I.

Aus diesen Erkenntnissen geht klar hervor, dass das thermische Gleichgewicht für die Gasphasen-Perm-β-CD/L-LysH+-Komplexe nicht erreicht wurde. Der Grund für die auffällige Beobachtung des thermodynamisch äußerst instabilen Konformers (Komplex I) und nicht der thermisch viel stabileren Konformere (Komplex II, III) ist äußerst faszinierend. Eine plausible Annahme ist, dass beim Transfer einer Mischung aus perm β-CD und L-LysH+ in Lösung in die Gasphase der Komplex möglicherweise nicht vollständig auf das globale Minimum entspannt, sondern kinetisch im lokalen Minimum gefangen ist (Komplex I). Diese Situation könnte dem Fall entsprechen, in dem das thermodynamisch viel weniger stabile (höhere freie Gibbs-Energie) Gasphasenkonformer (Komplex I) tatsächlich die stabilste Konfiguration des Perm-β-CD/L-LysH+-Komplexes in der Lösungsphase unter dem Einfluss sein könnte von solvatisierenden Molekülen, und somit wird der in der Lösungsphase ständige β-CD/L-LysH+-Komplex, der Komplex I strukturell nahe kommt, in der Gasphase beobachtet, bevor das thermische Gleichgewicht erreicht ist.

Um den Ursprung des nichtkovalenten β-CD/LysH+-Komplexes mit extrem hoher freier Gibbs-Energie in der Gasphase zu entschlüsseln, übernehmen wir ein Modell des Wirt-Gast-Systems in der Lösungsphase, indem wir den Supramolekül/Kontinuum-Ansatz anwenden, den wir behandeln das Lösungsmittel in der ersten Schale um den Komplex als explizite Moleküle und zahlreiche andere Lösungsmittelmoleküle in der zweiten Schale und darüber hinaus als Kontinuum. Indem wir den Gasphasenkomplexen (Komplex I, II und III) erlauben, mit einer zunehmenden Anzahl expliziter H2O-Moleküle zu interagieren, stellen wir fest, dass das Modell 16 explizite H2O-Moleküle umfasst, die den β-CD/L-LysH+-Komplex in der ersten Schale vollständig umgeben Wasserkontinuum ist hinsichtlich des Rechenaufwands das beste. Abbildung 3 und Tabelle 1 zeigen die Lösungsphasenstrukturen mit der niedrigsten freien Gibbs-Energie (Komplex A, B und C), die den drei Gasphasenkonformeren (Komplex I, II bzw. III) entsprechen und durch umfangreiche Suche in der potenziellen Landschaft der Dauerwelle erhalten wurden β-CD/L-LysH+-System in Lösung. (Einige andere niedrig liegende Strukturen (lokale freie Gibbs-Energie) sind in Abbildung S2 dargestellt.) Wir stellen fest, dass Komplex A, der dem äußerst instabilen Gasphasenkomplex I entspricht, jetzt als stabiler berechnet wird (freie Gibbs-Energie um weniger). 2,73 bei wB97X-D/6-31G*) als Komplex B, entsprechend dem stabilsten Gasphasenkomplex II, der eine vollständige Umkehr seiner relativen thermodynamischen Stabilität in der Gasphase durch Überwindung des enormen Defizits von ~ 30 kcal/mol zeigt. Die freie Gibbs-Energie der Lösungsphasenstruktur C, die aus der Gasphasenstruktur III stammt, wird als viel höher berechnet (> 9,9 kcal/mol). Dies scheint auf die Unterschiede in den Strukturmerkmalen von Komplex A und Komplex B/C zurückzuführen zu sein: In allen drei Komplexen interagiert das Carboxyl sowohl mit einem Wassermolekül als auch mit der Perm-β-CD-Einheit, aber die Stärke der Wechselwirkungen nimmt von A zu ab B nach C, wobei der H2O-Perm-β-CD-Abstand von 1,601 auf 2,075 und auf 2,432 Å zunimmt. Darüber hinaus interagieren zwei Wassermoleküle direkt mit der Seitenkette –NH3+ und stehen im Komplex A in kettenförmiger Form in engem Kontakt mit anderen H2O-Molekülen. Im Gegensatz dazu bindet nur ein mehr oder weniger isoliertes H2O-Molekül an die letztgenannte funktionelle Gruppe im Hohlraum der perm β-CD-Einheit im Komplex B/C. Wir kommen daher zu dem Schluss, dass der stabilste Komplex A in Lösung durch die ESI-Methode in die Gasphase übergeht und dass der resultierende Komplex I in der Gasphase ohne thermische Entspannung zu den Gasphasenstrukturen mit niedrigerer freier Energie beobachtet wird. Anhand der Struktur von Komplex A in Abb. 3 können wir nun die Wirt-Gast-Lösungsmittel-Wechselwirkungen zwischen dem Perm-β-CD, L-LysH+ und den Lösungsmittelmolekülen in Lösung visualisieren: Der L-LysH+-Gast befindet sich am Rand des Perms -CD-Host, nicht darin eingekapselt. Das Ammonium bildet eine schwache Wasserstoffbrücke mit der Perm-β-CD-Einheit und ist von zwei Wassermolekülen umgeben. Die Aminogruppe ist von 3 H2O-Molekülen außerhalb des Perm-β-CD des Wirts umhüllt. Das Carboxyl interagiert schwach mit dem Perm-β-CD, das durch ein Wassermolekül verbrückt ist, und bindet auch an 3 vom Wirt entfernte H2O-Moleküle. Diese solvatisierenden Wassermoleküle sind durch eine Reihe anderer miteinander verbundener Wassermoleküle verbunden und bilden zusammen die erste Hülle um den Perm-β-CD/L-LysH+-Komplex. (Einzelheiten zu den Wechselwirkungen zwischen dem Perm-β-CD-Wirt, dem L-LysH+-Gast und den Lösungsmittelmolekülen in Lösung sind in den Abbildungen S3–S5 beschrieben.) Es wäre auch erwähnenswert, dass die Strukturmerkmale (Positionen der funktionellen Gastgruppen relativ zum Wirt) des Wirt-Gast-Komplexes in der Lösungsphase (Komplex A) in der Gasphase (Komplex I) mehr oder weniger erhalten bleiben, wenn auch einige Bindungsabstände scheinen sich näher am Wirt zu entspannen, wenn die Lösungsmittelmoleküle aus Komplex A entfernt werden, um durch das ESI-Verfahren den Gasphasenkomplex I zu bilden: Zum Beispiel der Abstand zwischen einem Ammonium-H-Atom und einem Perm-β-CD-O-Atom in Komplex A wird kürzer (von 2,537 auf 1,813 Å) und die Länge zwischen dem Carboxyl-H-Atom und einem Perm-β-CD-O-Atom entspannt sich von 3,041 auf 2,313 Å (Abb. 4).

Zwei Ansichten der Strukturen (Komplex A, B und C) von Perm-β-CD-protonierten L-Lys-Komplexen in Lösung, basierend auf der Gasphase (a) Komplex I, (b) Komplex II und (c) Komplex III , jeweils. Der blassblaue Hintergrund stellt das Lösungsmittelkontinuum dar.

Vergleich der perm-CD-LysH+-Konfigurationen in Lösung (Komplex A, wB97X-D/6-31G*) und in der Gasphase (Komplex I, wB97X-D/6-311G*).

Zusammenfassend gibt unsere vorliegende Studie einen eindeutigen Hinweis auf den Ursprung der experimentell in der Gasphase beobachteten nichtkovalenten Komplexe β-CD/H+/Ala, Ile, L-Lys und H2O mit hoher freier Gibbs-Perm: Ihre Quelle ist die Perm β-CD/Gast-Komplexe in Lösung, aus denen durch ESI/MS die Gasphasenkomplexe erzeugt werden, bevor die thermische Entspannung bis zum Gleichgewicht erreicht wird. Hier wurden IRMPD- und quantenchemische Methoden eingesetzt, um die Strukturen der Wirt-Gast-Komplexe in der Gasphase zu bestimmen, aber auch andere Techniken können nützlich sein. Diese Ergebnisse bieten eine tiefgreifende Implikation und ein neuartiges Schema im Hinblick auf Konfigurationen von Wirt-Gast-Komplexen in der Lösungsphase: Die Strukturen der durch die ESI/IRMPD-Spektroskopie erzeugten und identifizierten Wirt-Gast-Komplexe in der Gasphase enthalten wichtige und genaue Informationen über ihre Konfigurationen in der Lösungsphase. Das heißt, durch das „Einfrieren“ der Wirt-Gast-Komplexe und die Bestimmung ihrer Strukturen in der Gasphase ist es möglich, die Wirt-Gast-Lösungsmittel-Konfigurationen in Lösung zu „fingerprinten“.

Infrarot-Multiphotonen-Dissoziationsspektroskopie-Experimente28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39 wurden auf einem 4,7 T ESI-Fourier-Transformations-Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometer (FT-ICR) (Ionspec , Lake Forest, CA, USA). Der detaillierte Aufbau der IRMPD-Spektroskopie wurde an anderer Stelle ausführlich beschrieben42. Nichtkovalente Komplexe aus permethyliertem β-CD, protoniertem L-Lys und Wasser, d. h. (β-CD + L-Lys + H)+, wurden durch Elektrosprühen einer Lösung von 20 mM permethyliertem β-CD und L-Lys in erzeugt 49:49:2 (v/v/v) H2O:MeOH:AcOH. Als Hauptziel der Untersuchung wurde anstelle von nativem β-CD ein permethyliertes β-CD gewählt, um das IR-Spektrum zu vereinfachen und somit die Interpretation des IR-Spektrums zu erleichtern. Nichtkovalente Komplexe wurden in der ICR-Zelle unter Verwendung gespeicherter Wellenformen der inversen Fourier-Transformation (SWIFT) isoliert und 25 s lang in der ICR-Zelle gespeichert. Die gespeicherten nichtkovalenten Komplexe wurden mit IR-Laserlichtimpulsen (10 Hz) bestrahlt. Ein Photodissoziationsspektrum wurde erhalten, indem die Häufigkeit des (β-CD + L-Lys + H+)-Peaks mit (A) und ohne (A0) Infrarotlaserbestrahlung als Funktion der bestrahlten Laserwellenzahl in cm−1 aufgezeichnet wurde; Messung der Ionenverarmung. Die Häufigkeit des nichtkovalenten Komplexions des Vorläufers wurde in 5-nm-Schritten überwacht. Die Häufigkeit (A und A0) des Vorläuferkomplexions wurde ohne jegliche Datenverarbeitung wie Apodisierung oder Nullfüllung direkt aus der Datenerfassungssoftware abgelesen.

Ein IRMPD-Spektrum wurde im Wellenzahlbereich von 3050 bis 3750 cm−1 unter Verwendung eines kommerziellen OPO-Lasers (einstufiger optischer parametrischer Oszillator mit einem ungeimpften Hohlraumdesign und einem massiven Kaliumtitanylarsenat (KTA)-Kristall, IROPO, OPOTek, Carlsbad, erhalten. CA, USA). Für das IRMPD-Spektrum wurde die aufgezeichnete Erschöpfung der Vorläuferkomplexionen unter Verwendung der gemessenen (und geglätteten) Laserleistung unter der Annahme einer linearen Abhängigkeit normalisiert. Die IR-Laserbestrahlungszeit wurde mithilfe eines mechanischen Verschlusses (UNIBLITZ, Vincent Associates, Rochester, NY, USA) eingestellt, der mit einer gewissen Verzögerungszeit mit einem FT-ICR-TTL-Signal synchronisiert wurde. Das IR-Laserlicht wurde mithilfe einer Reihe von Irisblenden mit einstellbaren Blenden kollimiert und sorgfältig ausgerichtet, um die Überlappung zwischen Ionen in der ICR-Zelle und dem Laserlicht zu maximieren. Der IR-Laser wurde mit einer CaF2-Linse mit einer Brennweite von 1 m fokussiert.

Permethyliertes β-CD wurde von Sejin Chemical Industry Co. (Seoul, Korea) gekauft und ohne Reinigung verwendet. Wasser und Methanol hatten HPLC-Qualität (Fischer, Seoul, Korea), Essigsäure und L-Lys wurden von Sigma (Seoul, Korea) bezogen.

Alle Berechnungen wurden mit der Funktion wB97X-D durchgeführt, die schwache Wechselwirkungen (einschließlich Wasserstoffbrücken) sehr gut behandeln kann, wobei die Basissätze 6-311G** und 6-31G** in der Gaussian09-Programmsuite implementiert sind45. Für die Strukturen in Lösung führten wir außerdem Einzelpunktberechnungen mit der Methode wB97X-D/6-311G** bei der für wB97X-D/6-31G** optimierten Geometrie durch. Wir haben die Konformere von Perm-β-CD/H+/L-Lys in der Gasphase basierend auf den Strukturen der Perm-β-CD-Einheit erhalten, die in unserer vorherigen Arbeit42 beschrieben wurden, wobei die Molekulardynamiksimulationen des NVT-Ensembles und PM6-Berechnungen für die Gasphase durchgeführt wurden Komplexe, wobei das Energiefenster von 35,4 kcal/mol für die niedrigsten 30 Konformere verwendet wird. Ein Skalierungsfaktor von 0,940868 wurde verwendet, um die berechneten IR-Frequenzen nach dem Verfahren der kleinsten Quadrate am besten an das experimentelle Spektrum anzupassen. Alle Strukturen wurden durch Überprüfung aller realen Schwingungsfrequenzen erhalten. Für die entsprechenden Strukturen des perm β-CD/LysH+-Komplexes in Lösung verwendeten wir den Supramolekül/Kontinuum-Ansatz, bei dem die Lösungsmittelmoleküle behandelt werden, die direkt mit –CO2H, -NH2 und Seitenketten-Ammoniumgruppen in der ersten Schale um den Komplex herum interagieren als explizite Moleküle und weitere zahlreiche H2O-Moleküle in der zweiten Schale und darüber hinaus als Wasserkontinuum nach der SMD-Methode46. Obwohl wir als Lösungsmittel eine Mischung aus Wasser, Methanol und Essigsäure (Volumenverhältnis 49:49:2) verwendeten, haben wir unser aktuelles System der Einfachheit halber und unter Berufung auf zwei Annahmen als Perm-β-CD/LysH+-Komplex in Wasser modelliert: Erstens , würde Methanol bevorzugt verdampfen, da die ESI-Tröpfchen aufgrund der höheren Flüchtigkeit kleiner werden. Zweitens würden H2O-Moleküle größtenteils die erste Hülle um den permanenten β-CD/LysH+-Komplex bilden, da die beiden -OH-Gruppen pro H2O-Molekül viel stärkere Wasserstoffbrücken mit den funktionellen Gruppen (Ammonium, Amino und Carboxyl) eingehen würden als CH3OH. Wir fuhren fort, indem wir Wassermoleküle zu den funktionellen Gruppen im Perm-β-CD/H+/L-Lys-Komplex hinzufügten, beginnend mit 4 H2O-Molekülen, und suchten bei jedem Schritt nach den niedrigsten Gibbs-Konfigurationen der freien Energie. Die freien Gibbs-Energien wurden mit den Standardoptionen berechnet (elektrostatischer Massenbeitrag aus einer selbstkonsistenten Reaktionsfeldbehandlung durch Überlagerung von kernzentrierten Kugeln und Wechselwirkungen im Nahbereich zwischen den gelösten Stoff- und Lösungsmittelmolekülen in der ersten Schale, die durch geometrieabhängige Messungen erhalten wurden). atomare Oberflächenspannungen usw.) für das Schlüsselwort SCRF = (SMD, Lösungsmittel = Wasser). Es werden Vergleiche mit denen durchgeführt, die anhand der Anfangskonfigurationen durch zufällig hinzugefügte Wassermoleküle mithilfe des VMD-Programms (Visual Molecular Dynamics) optimiert wurden.

Die während der aktuellen Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind im Computational Chemistry Results Repository (https://www.iochem-bd.org/), https://doi.org/10.19061/iochem-bd-6- verfügbar. 124.

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Diese Arbeit wurde durch Zuschüsse der National Research Foundation of Korea unterstützt, die vom Bildungsministerium (NRF-2019R1F1A1057609, 2018R1A6A1A03024940, 2021R1A2C2007397) und dem KISTI Supercomputing Center finanziert wurden.

Diese Autoren haben gleichermaßen beigetragen: Hyoju Choi und Young-Ho Oh.

Abteilung für Angewandte Chemie, Kyung-Hee-Universität, Gyeonggi, 17104, Republik Korea

Hyoju Choi, Young-Ho Oh, Sung-Sik Lee und Sungyul Lee

Department of Chemistry, Sogang University, Seoul, 121-742, Republik Korea

Soojin Park und Han Bin Oh

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HC und Y.-HO führten Berechnungen für die Strukturen der Komplexe durch. SP erstellte die IRMPD-Spektren des Komplexes in der Gasphase. S.-SL half bei der Aufklärung der Strukturen der Gasphasenkomplexe. HBO entwarf und führte die experimentellen Verfahren durch (ESI/MS/IRMPD). SL entwickelte das Gesamtkonzept der Studie und die Modellierung des Systems.

Korrespondenz mit Han Bin Oh oder Sungyul Lee.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Choi, H., Oh, YH., Park, S. et al. Aufdeckung von Wirt-Gast-Lösungsmittel-Wechselwirkungen in Lösung durch Identifizierung hochinstabiler Wirt-Gast-Konfigurationen in der thermischen Nichtgleichgewichts-Gasphase. Sci Rep 12, 8169 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-12226-0

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Eingegangen: 07. Februar 2022

Angenommen: 05. Mai 2022

Veröffentlicht: 17. Mai 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-12226-0

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