title: Cu(I)-catalyzed "click-chemistry". Design of a chemical photomultiplier. Target-guided synthesis of bidentate metal-complex receptors
Creators: name: Ritter, Stefan
Publisher: name: Universität Regensburg
Year: 2008
Subjects: subject: Molekulare Erkennung , Nitrilotriessigsäure , Porphyrine , Metallkomplexe , Heterocyclische Verbindungen , Triazole , Zweizähniger Ligand , Guanidine , Target-Guided Synthesis , Klick-Chemie , Fluoreszenz-Titration , molecular recognition , click-chemistry , target-guided synthesis , metal-complexes , organic synthesis
subject: 540 Chemie

description: A simple catalytic system, which is able to translate a light signal into a chemical output with amplified response, was developed. The overall amplification factor is 15 after a reaction time of 20 min. Although its fidelity in terms of sensitivity and amplification is far from biological models, the results show that coupling optical and chemical processes allows for the processing and amplification of information. New fluorescent dyes containing alkyne- and azide-groups were synthesized. These compunds allow modular connection to a lot of substrates, such as labelling of proteins. Novel receptor building blocks for different binding motifs have been synthesized. Zn(II)-cyclen complexes for imide groups, bis-Zn(II)-cyclen complexes for phosphate groups, Zn(II) and Cu(II) nitrilo-triacetic acid complexes for N-terminal histidines, guanidines for carboxylic acids and a Zn(II)-porphyrin for non-polar regions on a protein surface. All compounds bear either an azide or an alkyne function and therefore can be connected in any combination using the Cu(I)-catalyzed cycloaddition. A biological relevant pentapeptide, with a histidine and a carboxyl-group as possible binding motifs, has been used as target in a kinetically controlled target guided reaction. In order to identify a bidentate receptor with a high binding constant for the target, combinations of Zn(II)- and Cu(II)-NTA complexes and guanidines have been tested in this reaction. Hit-detection was performed in situ with MS-spectroscopy. Results revealed one possible high affinity receptor out of 12 combinations. Six bidentate receptors have been synthesized and their binding interactions with the peptide target have been investigated with NMR- MS- and fluorescence-spectroscopy. All methods confirmed binding interactions. Results of NMR-investigations allowed a prediction of the structural relations of the formed complex between target and receptor. This prediction was confirmed by Spartan-calculations. Further, the association constant of this complex was determined with fluorescence spectroscopy to be in the micro molar range. However, a definite determination, as well as a comparison of the association constants of these six receptors was not possible. Fluorescent labelled N-terminal histidines, with a dansyl- or a fluorescein group have been synthesized. The binding interactions between the histidine-moiety and heavy metal cations as well as Cu(II)-NTA complexes has been investigated with fluorescence spectroscopy. Results revealed high association constants (&gt; 1011 L2/mol2) of these indicators towards Cu2+ and Cu(II)-NTA complexes. Therefore, these indicators can be used in very sensitive detection assays for Cu(II) and corresponding complexes. Using the Cu(I)-catalyzed cycloaddition, several bidentate receptor molecules with different binding sites have been synthesized. Combinations of receptor building blocks were: bis-Zn(II)-cyclen-complexes with Zn(II)-NTA-complexes or guanidine compounds and further a Cu(II)-NTA- with a Zn(II)-porphyrin complex. The binding interactions between the bis-Zn(II)-cyclen compounds and phosphorylated peptides were investigated with a fluorescence polarisation assay. Results confirmed a slight increase of the binding affinity (factor 2) compared to a monodentate bis-Zn(II)-cyclen reference compound. The binding interactions between the Zn(II)-porphyrin-Cu(II)-NTA complex and amino acids, a pentapeptide and two His-containing proteins (HEL and Myo) were investigated with fluorescence titrations. Results showed a specific binding of histidine as well as of peptides with an N-terminal His. Binding affinities were in the micromolar range. The binding affinities of the porphyrine receptor towards His-containing proteins revealed to be also in the micromolar range, but unspecific. New 1,1�-disubstituted [4,4�]-bitriazole compounds have been synthesized using the Cu(I)-catalyzed cycloaddition between 1,4-butadiyne and various alkyl- and aryl-triazoles. Ru(II)-complexes of the obtained ligands have been synthesized and their characteristics in the UV- and fluorescence spectrum have been determined.
description: Es wurde eine einfaches katalytisches System entwickelt, welches in der Lage ist, ein eingehendes Lichtsignal durch eine chemische Reaktion zu verstärken. Der insgesamte Verstärkungsfaktor liegt bei 15 nach einer Reaktionszeit von 20 min. Obwohl die Leistungsfähigkeit dieses Systems, was Verstärkung und Lichtempfindlichkeit betrifft, viel geringer als jene biologischer Systeme ist, zeigen die Resultate dennoch dass eine Weiterleitung und konkrete Verstärkung eines Lichtsignals durch einen chemischen Prozess möglich ist. Es wurden neue Rezeptor-Bausteine für die molekulare Erkennung verschiedener Bindungsmotive synthetisiert: Zn(II)-Cyclen Komplexe für die Bindung an Imidgruppen, Bis-Zn(II)-Cyclen Komplexe für die Erkennung von Phosphatgruppen, Zn(II)- und Cu(II)-NTA Komplexe als Rezeptoren für N-terminale Histidine, Guanidine als Carboxylat-Rezeptor und ein Zn(II)-Porphyrin Komplex für die Bindung an unpolare Proteinoberflächen. Alle Verbindungen enthalten eine Azid- oder Alkin-Funktionalität und können daher als ein Baukasten-System zur Erzeugung bidentaler Rezeptoren verwendet werden. Die Verknüpfung findet dabei mit Hilfe der Cu(I)-katalysierten �Klick-Chemie� statt. Ein biologisch relevantes Pentapeptid mit einer Histidin- und einer Carboxyl-Gruppe als potentielle Bindungsstellen wurde als Zielmolekül in einer sog. kinetisch kontrollierten �target guided reaction� verwendet. Als Rezeptorbausteine wurden dabei o. g. NTA-Komplexe sowie Guanidine benutzt, aus deren beliebiger Kombination bidentale Rezeptoren mit hoher Affinität für das Zielmolekül identifiziert werden sollen. Die Detektion solcher erfolgreicher Kombinationen wurde mit Hilfe der Massen-Spektrometrie in situ durchgeführt. Resultate ergaben eine Rezeptor-Kombination aus 12 Kandidaten mit möglicherweise hoher Bindungsaffinität für das verwendete Pentapeptid. Sechs der o.g. bidentalen Rezeptoren wurden synthetisiert und ihre Bindungswechselwirkungen mit dem Zielmolekül wurden mittels NMR-, Massen- sowie Fluoreszenz-Spektroskopie untersucht. Die Ergebnisse der Untersuchungen mit Hilfe der NMR-Spektroskopie erlaubten eine Vorhersage der räumlichen Anordnung des Rezeptors und des Peptids während des Bindungsvorganges. Diese Vorhersage wurde durch eine Spartan-Rechnung bestätigt. Des weiteren konnte mit Hilfe von fluoreszenzspektroskopischen Untersuchungen gezeigt werden, dass die Bindungskonstante der Komplexbildung zwischen Rezeptor und Peptid im mikromolaren Bereich liegt. Jedoch war eine exakte Bestimmung der Bindungskonstante für jeden der sechs Rezeptoren nicht möglich. Es wurden N-terminale Histidine synthetisiert, die am C-Terminus mit Fluoreszenzfarbstoffen (Dansyl, Fluorescein) markiert sind. Die Bindungs-Wechselwirkungen dieser Verbindungen mit Schwermetallkationen und Cu(II)-NTA-Komplexen wurden mit Hilfe der Fluoreszenz-Spektroskopie untersucht. Die Ergebnisse zeigten hohe Bindungskonstanten (&gt; 1011 L2/mol2) gegenüber Cu(II). Somit können diese Verbindungen als Indikatoren in sehr empfindlichen Nachweisverfahren für Cu(II) und entsprechenden Komplexen verwendet werden. Mit Hilfe der Cu(I)-katalysierten dipolaren Cycloaddition wurden mehrere bidentale Rezeptormoleküle mit unterschiedlichen Bindungsstellen hergestellt. Kombinationen von Bindungsmotiven waren dabei: Bis-Zn(II)-Cyclen Komplexe mit Zn(II)-NTA Komplexen oder Guanidinen und des Weiteren die Verknüpfung eines Cu(II)-NTA Komplexes mit einem Zn(II)-Porphyrin Komplex. Die Bindungs-Wechselwirkungen zwischen den Bis-Zn(II)-Cyclenen und phosphorylierten Peptiden wurden mit Hilfe eines Fluoreszenz-Polarisations-Assays untersucht. Die Resultate dieser Messungen bestätigten, dass die zusätzliche Bindungsstelle eine Erhöhung der Bindungskonstante um den Faktor zwei ergibt, verglichen mit einem Bis-Zn(II)-Cyclen Referenz Komplex mit nur einer Bindungsstelle. Die Bindungs-Wechselwirkungen zwischen dem Zn(II)-Porphyrin-Cu(II)-NTA Komplex und Aminosäuren, einem Pentapeptid und zwei Proteinen (HEL und Myo) wurden untersucht. Hierbei wurden Fluoreszenz-Titrationen verwendet. Die Ergebnisse zeigten eine spezifische Bindung von N-terminalem Histidin im mikromolaren Bereich bei einzelnen Aminosäuren und dem verwendeten Pentapeptid. Die Bindungskonstanten des Rezeptors gegenüber Proteinen die Histidin in ihrer Aminosäure-Sequenz enthalten lag ebenfalls im mikromolaren Bereich, war jedoch unspezifisch. Es wurden neue 1,1�-disubstituierte [4,4�]-Bitriazole mit Hilfe der Cu(I)-katalysierten 1,3-dipolaren cycloaddition hergestellt. Als Edukte wurde dabei 1,4-Butadiin sowie verschiedene Aryl- und Alkyl-Azide verwendet. Ru(II)-Komplexe dieser bidentalen Liganden wurden hergestellt und ihre Spektroskopischen Eigenschaften wurden bestimmt.
description: Chemical Communications, 2006, 45, 4694-4697