University of Groningen Supramolecular chirality transfer Dijk

University of Groningen
Supramolecular chirality transfer
Dijk, Everhardus Wilt
IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to
cite from it. Please check the document version below.
Document Version
Publisher's PDF, also known as Version of record
Publication date:
2010
Link to publication in University of Groningen/UMCG research database
Citation for published version (APA):
Dijk, E. W. (2010). Supramolecular chirality transfer Groningen: s.n.
Copyright
Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the
author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons).
Take-down policy
If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately
and investigate your claim.
Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons the
number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum.
Download date: 18-07-2017
Samenvatting – Supramoleculaire Chiraliteitsoverdracht
Chiraliteit is een belangrijk symmetriefenomeen van een groot aantal voorwerpen en
chemische verbindingen. Een object wordt chiraal genoemd wanneer het niet door te
draaien met zijn spiegelbeeld kan overlappen. Voorbeelden uit het dagelijks leven zijn
bijvoorbeeld handen en schroeven (Figuur 1; voor meer voorbeelden zie de omslag
van dit proefschrift). In de scheikunde komen chirale verbindingen veelvuldig voor.
Beide spiegelbeeldvormen van een molecuul worden enantiomeren genoemd. In een
achirale omgeving vertonen verschillende enantiomeren hetzelfde gedrag, maar in een
chirale omgeving (in de aanwezigheid van andere chirale verbindingen of gepolariseerd
licht) worden verschillen duidelijk. Zo zijn er gevallen bekend van medicijnen waarvan
het ene enantiomeer verantwoordelijk is voor de gewenste activiteit, maar het andere
enantiomeer zeer schadelijke effecten heeft voor de gezondheid.
Figuur 1. Enkele voorbeelden van chirale objecten en verbindingen, van links naar
rechts: schroefjes, handen en twee spiegelbeeldvormen van alanine, een chirale
bouwsteen (aminozuur) van eiwitten.
O
O
H3C
H
OH
NH2
L-alanine
CH3
HO
NH2
H
D-alanine
Chiraliteit is een belangrijk verschijnsel in de natuur. De bekende dubbele
helix(schroef)structuur van DNA komt voort uit het feit dat de suikers waaruit de
strengen van het DNA zijn opgebouwd chiraal zijn. Hierdoor heeft DNA (meestal)
een rechtshandige helixstructuur. Ook enzymen, die opgebouwd zijn uit chirale
aminozuren, danken hun ruimtelijke structuur en activiteit aan het feit dat de
bouwstenen chiraal zijn. Een opvallend verschijnsel is dat alle natuurlijke suikers en
aminozuren onderling dezelfde spiegelbeeldvorm hebben. Waar deze zogenaamde
homochiraliteit haar oorsprong vindt is tot op heden een belangrijke vraag in de
moderne wetenschap.
161
Het onderzoek dat beschreven is in deze dissertatie heeft zich gericht op verschillende
vormen van overdracht van chiraliteit tussen het moleculaire en het supramoleculaire
niveau. Hiermee wordt bedoeld dat sommige moleculen in staat zijn complexe
aggregaten met elkaar te vormen. De chiraliteitsoverdracht tussen beide niveaus kan in
twee richtingen plaatsvinden. Het effect van supramoleculaire chiraliteit zoals de
dubbele helix van DNA op een katalytische enantioselectieve reactie, en de amplificatie
van de moleculaire chiraliteit van een kleine hoeveelheid van een chiraal molecuul door
co-aggregatie met overmaat gel-vormende moleculen zijn hier voorbeelden van (Figuur
2).
Figuur 2. Voorbeelden van chiraliteitsoverdracht: (A) van het
supramoleculaire niveau naar het moleculaire niveau; (B) van
het moleculaire niveau naar het supramoleculaire niveau.
In het eerste gedeelte van het proefschrift ligt de nadruk op de overdracht van
supramoleculaire chiraliteit – de rechtshandige dubbele helix van DNA – naar het
moleculaire niveau. In het tweede gedeelte wordt gekeken naar zelf-assemblerende
moleculaire schakelaars die in oplossing dynamische chiraliteit vertonen die kan
worden vastgelegd door aggregatie. Kleine moleculen of zelfs mechanisch roeren
blijken een effect te hebben op welke enantiomere conformatie van de schakelaar in
overmaat aggregeert.
In hoofdstuk 1 wordt een overzicht gegeven van het gebruik van DNA in
metaalgebaseerde katalyse. Hierbij wordt ingegaan op drie verschillende aspecten. Ten
eerste worden DNA-zymen beschreven, dit zijn complexe katalysatoren die bestaan uit
enkelstrengs DNA). Hierna volgt ‘DNA-geankerde’ katalyse, waarbij DNA als mal
fungeert om metaalionen exact te lokaliseren en daardoor reacties efficiënter te
katalyseren. Ten slotte wordt DNA-gebaseerde asymmetrische katalyse besproken. In
dit type katalyse wordt een hybride katalysator geassembleerd van metaalionen, een
162
ligand dat deze niet-covalent aan DNA bindt, en DNA dat dient als de bron van
chiraliteit in de gekatalyseerde reactie.
In het tweede hoofdstuk van deze dissertatie wordt een uitbreiding van de bestaande
DNA-gebaseerde katalytische reacties beschreven. Voor de eerste keer is een
kinetische resolutie van 2-pyridyl-oxiranen (2PO’s) met behulp van een koper(II)DNA-conjugaat gerealiseerd. Hierbij werden selectiviteitsfactoren gevonden tot 2.7.
Een interessante observatie is hierbij dat verschillende DNA-bindende liganden voor
koper de hoogste selectiviteit opleveren voor verschillende substraten.
Hoofdstuk 3 en 4 handelen over een andere reactie die wordt gekatalyseerd door een
DNA-gebonden kopercomplex: de asymmetrische geconjugeerde additie van koolstofnucleofielen. In deze reactie wordt een nieuwe koolstof-koolstofbinding gevormd, wat
resulteert in een asymmetrisch koolstofatoom in het product. In hoofdstuk 3 wordt de
Michaeladditie van nitromethaan en dimethylmalonaat aan α,β-onverzadigde acetylimidazolen en de synthetische toepassingen van deze omzetting beschreven. Met de
Michaeladducten is het namelijk mogelijk om in enkele eenvoudige synthesestappen
chirale analoga van γ-aminoboterzuur te maken. Dit zijn aminozuren die mogelijk
fysiologisch actief zijn.
De kinetiek van de DNA-gekatalyseerde Michael- en Friedel-Crafts-reacties aan de α,βonverzadigde acetylimidazoolsubstraten is eveneens bestudeerd, en de resultaten
worden gepresenteerd in hoofdstuk 4. Met tijdsafhankelijke UV-Vis-spectroscopie is
aangetoond dat het DNA-koperconjugaat de Michael-additie van dimethylmalonaat en
de Friedel-Craftsreacties met de substraten wezenlijk versnelt, terwijl de Michaeladditie van nitromethaan juist wordt vertraagd. De katalysator is verder zeer specifiek
voor de Friedel-Crafts-reactie: de grootste versnelling en meest effectieve overdracht
van chiraliteit worden verkregen met een specifieke combinatie van substraat en
reactant.
In hoofdstuk 5 wordt een overzicht gegeven van nieuwe reactietypes die mogelijk
gekatalyseerd kunnen worden door geconjugeerde DNA-metaalcomplexen of DNAorganokatalysatoren. Hiertoe zijn pogingen ondernomen om Lewiszuur-gekatalyseerde
Mannich addities, edelmetaal-gekatalyseerde asymmetrische hydrogeneringen van
gesubstitueerde alkenen, en sulfoxidaties en epoxidaties met waterstofperoxide
succesvol te laten verlopen met een DNA-gebaseerde katalysator. Helaas konden geen
bruikbare toepassingen van de genoemde reacties worden gevonden, maar vanuit de
163
observaties konden wel algemene eisen worden geformuleerd waaraan een reactie moet
voldoen om een geschikte kandidaat te zijn voor DNA-gebaseerde katalyse. Deze eisen
zijn reactiviteit, orthogonaliteit en sterke coordinatie van het DNA-gebonden ligand
met het reactieve metaalion.
De overdracht van chirale informatie zoals die in de voorgaande hoofdstukken werd
beschreven vindt plaats van het supramoleculaire niveau (de DNA-helix) naar het
moleculaire niveau. Het laatste hoofdstuk van dit proefschrift behandelt chiraliteitsoverdracht in omgekeerde richting, namelijk van het moleculaire naar het
supramoleculaire niveau. Moleculaire schakelaars op basis van het
dithienylcyclopenteen-motief vertonen dynamische chiraliteit in oplossing, en met
amide-zijketens vormen ze supramoleculaire aggregaten of gelen met een helixstrucuur.
Eenvoudige chirale additieven kunnen een voorkeur voor een van de twee
helixvormen geven, waardoor er stereochemische informatie van het moleculaire naar
het supramoleculaire niveau wordt doorgegeven. Met meer noncovalente interacties
(waterstofbruggen, π-π-wisselwerking en Van der Waalskrachten) tussen de chirale
verbinding en de moleculaire schakelaar is de chiraliteitsoverdracht efficiënter, maar
met een overmaat van het chirale additief wordt de aggregatie juist belemmerd. Ten
slotte is aangetoond dat mechanisch roeren tijdens het aggregatieproces een voorkeur
voor een willekeurig stereoisomeer van de helixaggregaten geeft. Deze –zij het kleine–
voorkeur kan weer worden overgedragen naar het moleculaire niveau door de
schakelaar te sluiten met behulp van UV-bestraling.
164