A N I O N B I N D I N G

Proč ?

Všudypřítomný biologický motif:>70% substrátů a kofaktorů biologických procesů nesou celkově záporný náboj.Anionty jako hydrogensulfát a dihydrogenfosfát hrají zásadní roli v proteinech.

Anionické polutanty jako nitráty a fosfáty ze zemědělských hnojiv vedou k eutrofizaci jezer (toxic algal blooms, řasy; bluegreen alga, cyanobacterium, sinice), též prací prášky, čističky neodstraňují fosfáty. Selektivní vazba aniontůmůže být použita k odstranění těchto polutantů.

Narušení regulace transportu aniontů:Např. Cystická fibróza (cystic fibrosis) – nedostatečný transport Cl-

Kontrola a monitorování koncentrace aniontů (SO42-)

99TcO4- je produktem zpracování jaderného paliva (potřeba odstranění z

vodných roztoků), využívá se v medicíně, poločas rozpadu ca. 6 hodin. Též sírany jsou odpadem jaderné enegetiky.

Velmi obvyklý v katalýze:Carboxypeptidase, RNAse, ATP synthases, DNA polymerase, Citrate synthase, ...

Metabolity nitrátů jsou známými karcinogeny

Znečištění v důsledku nesprávného nakládání se splašky, mrvou a hnojivavede k prudkému šíření toxických řas.

Photo taken at Franklin LockFlorida's Caloosahatchee River in June and July 2011

photo by Thomas Dunklin

Bluegreen algae outbreak at Florida’s Caloosahatchee River in August 2005

Jak to d ělá příroda ?

A N I O N B I N D I N G

Rozpoznání síranu proteinem

Rozpoznání fosfátu proteinem

Vankomycin je glykopeptidové antibiotikum používané při profylaxi a léčbě infekcí způsobova-ných grampozitivními bakteriemi. Je tradičně vyhrazen jako lék „poslední instance“, kdy léčba jinými antibiotiky selhala; nárůst rezistence mikroorganismů proti vankomycinu však znamená, že je v této roli postupně nahrazován linezolidem a daptomycinem.

Jak na to jde člov ěk ?

A N I O N B I N D I N G

Na co je t řeba brát z řetel ?

A N I O N B I N D I N G

Velikost

A N I O N B I N D I N G

Anionty jsou v ětší než isoelektronické kationty.

� Menší pom ěr náboje k povrchu

� Menší hustota náboje

� Větší polarizovatelnost

Tvar

A N I O N B I N D I N G

Complementarity (topological and shape selectivity)

Tetragonal planar PtCl42-

BF4-

PF6-

Tvar

Organické anionty (DNA je polyaniontem) jsou ješt ě rozmanit ější.

Hydratace ... Solvatace

A N I O N B I N D I N G

Solvatace aniontů hraje velmi důležitou roli.

Solvatační energie, která musí být receptorem kompenzována,

je obecně větší než u kationtů podobné velikosti.

pH

A N I O N B I N D I N G

NH4+ H2O Cl-

Změnou pH lze m ěnit vázanou částici

14 7 0

A N I O N B I N D I N G

Electrostatic interaction

and

Hydrogen bonding

Catapinandy

A N I O N B I N D I N G

A N I O N B I N D I N G

Sapphyrins

Pro kapsulaci jiných aniont ů je kavita p říliš malá, ale ...

Anion Binding: New direction in porphyrin researchPURE AND APPLIED CHEMISTRY, 65 (3): 393-398.

View of the 1:1 complex formed between sapphyrinand dihydrogenphosphate anion

Kral V, Furuta H, Shreder K, Lynch V, Sessler JLJACS 1996, 118, 1595-1607.

Váže fluoridy Váže chloridy

Král V., et. al.: Tetrahedron 1995, 51, 539-554

Molecular recognition via base-pairing and phosphate chelation.Ditopic and tritopic sapphyrin-based receptors for the recognitionand transport of nucleotide monophosphates

Guanidine Guanidinium

A N I O N B I N D I N G

Elektrostatické interakce

Ion-ion Ion-pairing

A N I O N B I N D I N G

Kryptandy (vážící kationty) lze N-alkylací p řevést na amoniové sole,

které jsou vždy pozitivn ě nabité (elektronov ě deficitní kavita) a váží

tedy anionty.

Interakce s kationty

Interakce s anionty

Schmidtchen cages

Problémem je interference s vlastními ionty recepto ru.Řešením jsou zwitterionické struktury.

Elektroneutrální receptory

Velmi dob ře rozpustný ve vod ě.

Váže halogenidy a kyanidy ve

vod ě s log Ka = 5 – 6.

Váže řadu různých aniont ů, které je

schopen p řenést do chloroformového

roztoku.

648290500I-

21501001020Br-

270-50Cl-

421

Konstanty stability ve vodě, Ka [M-1]

4 oproti 1 nemá proti-

iont, který by mohl

významně konkurovat

vazbě halogenidů

� silnější interakce

Neutral receptors

Hydrogen bonding

Amidy, Močoviny, Thiomočoviny,

Pyrroly, Alkoholy, Imidazoly

A N I O N B I N D I N G

Nebezpečím receptor ů založených na interakci vodíkovými vazbami je

kolaps kavity d ůsledkem intramolekulárních vazeb.

Váže kationty

neváže anionty

Ale hexacyclen.4H+ váže X- a NO3- – repulze nábojů drží kavitu otevřenou.

Ale hexacyclen

Vodíkové vazby jsou sm ěrové interakce, což umož ňuje návrh receptor ů s vysokou selektivitou

První receptor založený čist ě na interakcianiont ů s NH skupinami amidu(1986 Pascal)

Váže fluoridy v DMSO- d6

Váže nitráty pouze

2,6-krát slab ěji než

acetáty p řestože

jsou 10 6-krát

bazičtější

Sulfate ion sandwich

NNHN

H

OO

NNH

NHOO

CH3

CH3

NNHN

H

OO

NNH

NHOO

CH3

CH3

Log

Ka

NNHN

H

SS

NNH

NHSS

CH3

CH3

versus

Vazba síranu

Velikost

kavity

Neutral receptors

Hydrogen bonding

Pyrroly

A N I O N B I N D I N G

J. Am. Chem. Soc. 1996, 118,

5140-5141

JACS 1996, 118 (21): 5140.

PNAS2002, 99 (8) 4848-4853.

Cytosine substituted calix[4]pyrroles: Neutral receptors for 5'-guanosine monophosphate

Chem. Commun.1998, 1-8.

X = n-BuPreferuje oxoanionty p řed halogenidy.

Ka (H2PO4-) = 357 M-1 in 0,5% DMSO/H2O

X = PhVáže benzoaty 51-krát siln ěji než chloridy.

Ka (H2PO4-) = 1450 M-1 in 0,5% DMSO/H2O

Neutral receptors

Metal and Lewis acid coordination

A N I O N B I N D I N G

• Anionty jsou Lewisovské báze – jsou vázány vhodnou Lew isovou

kyselinou.

• Neutrální sm ěrová elektrostatická interakce.

• Je nutná souhra molekulárních vlastností: orbitalová symetrie, koncept

měkkých a tvrdých kyselin a bází, back-bonding, apod.

• Solvatace je velmi d ůležitá – rozpoušt ědla jsou obvykle Lewisovou bází.

+ OH-

NMe2Me2N

BMe2Me2B

H-

H+NMe2Me2N

BMe2Me2BH-

H+

Protonová houba(Protone sponge)

Hydridová houba(Hydride sponge)

Váže též F- a OH-

BMe2Me2B

Váže též, ale výrazně méně než

BMe2

SiF2Ph

SiF2Ph

HgCl

HgCl

Váže fluoridy

Vazba Si-F

160-165 pm

Můstková Si-F

190 a 207 pm

Váže chloridy

S chloridy tvo ří v CH3CN komplexy 1:1 a 1:2 s Ka = 400 – 800 M-1

Log Ka = 4Chlorid p řeskakuje mezi cíny

Tvoří komplexy 1:1s chloridy a fluoridy

Váže halogenidy(out-of-plane)

Anticrowny

Váže THF Váže halogenidy(out-of-plane)

Kyslíkové atomy jsou nahrazeny „Lewis acid“ atomy

Váže chloridyvíce než bromidy

HgCl 2

Hg(OAc)2

trimerTemplátem řízená reakce

Chloridy jsou vázány velmi siln ě – makrocyklus nebyl izolován volný.

Chloridpřesněuprost řed

Jodidmimostřed

tetramer