Abstrak
Makrosiklus tetrakisporfirin yang terpilin kiral disintesis dengan menggabungkan penghubung dioksolana kiral sebagai unit kiral ke dalam makrosiklus tetrakisporfirin. Pengukuran dikroisme sirkular dan analisis komputasional mengonfirmasi bahwa pelarut memengaruhi keberpihakan makrosiklus yang terpilin. Makrosiklus tetrakisporfirin cenderung mengadopsi konformasi terpilin kiral yang memungkinkan solvasi efisien tergantung pada polaritas dan struktur molekul pelarut. Secara khusus, pelarut aromatik nonpolar mempromosikan konformer terpilin ( M ) dari makrosiklus ( R , R )-tetrakisporfirin, sedangkan pelarut aromatik dan terhalogenasi polar menstabilkan konformer terpilin ( P ). Dalam pelarut yang sangat polar, struktur molekul pelarut kemungkinan besar menentukan preferensi konformer terpilin ( P ) dan ( M ).
1 Pendahuluan
Makrosiklus kiral, termasuk eter mahkota kiral, [ 1 ] siklodekstrin, [ 2 ] arena makrosiklis, [ 3 ] dan makrosiklus berbasis binaftil, [ 4 ] adalah struktur 3D asimetris yang menunjukkan kemampuan pengenalan enantioselektif. Mereka digunakan dalam berbagai bidang, seperti katalisis asimetris, penginderaan enantioselektif, dan pemisahan kiral. [ 5 ] Penggabungan pewarna organik ke dalam makrosiklus kiral menghasilkan penyerapan dan/atau emisi fluoresensi di daerah tampak; dengan demikian, kejadian kimia pada makrosiklus kiral dengan pewarna organik dapat dideteksi melalui perubahan warna tampak, [ 6 ] yang memungkinkan pengenalan kiral oleh mata telanjang. [ 7 ] Selain sifat optiknya yang unik, memasukkan pewarna organik ke dalam makrosiklus kiral dapat meningkatkan afinitas dan spesifisitas pengenalan molekuler karena bidang π-nya yang diperluas. [ 8 ]
Porfirin merupakan pewarna organik yang banyak dipelajari dan menunjukkan serapan kuat di daerah tampak, sifat transpor elektron yang sangat baik, dan bidang terkonjugasi π yang lebar. Oleh karena itu, porfirin banyak digunakan dalam pembuatan fotovoltaik organik, sistem pemanenan cahaya, dan sensor molekuler. [ 9 ] Beberapa penelitian telah melaporkan siklus makro kiral yang mengandung satu atau dua unit porfirin; [ 10 ] namun, penelitian tentang pengembangan siklus makro kiral yang menggabungkan beberapa unit porfirin masih kurang. [ 11 ]
Sebelumnya, kami melaporkan pengenalan molekuler bisporfirin berbentuk celah. [ 12 ] Kami juga telah melaporkan makrosiklus tetrakisporfirin, dengan kooperativitas positif, untuk membungkus molekul aromatik yang kekurangan elektron. [ 13 ] Perhitungan teori fungsi kerapatan (DFT) menyarankan geometri siklik terpilin kiral untuk makrosiklus tetrakisporfirin. Makrosiklus tetrakisporfirin ditemukan tidak aktif secara optik karena tidak adanya unit kiral. Memasukkan unit kiral ke makrosiklus tetrakisporfirin dapat diantisipasi menyebabkan perbedaan energi, memodifikasi stabilitas konfigurasi ( P ) dan ( M ) dan menghasilkan pembentukan makrosiklus terpilin kiral yang aktif secara optik.
Dalam penelitian ini, makrosiklus tetrakisporfirin kiral, yaitu ( R , R )- dan ( S , S )- 1 (Gambar 1 ) disintesis menggunakan penghubung dioksolana kiral sebagai unit kiral. Pengukuran dikroisme sirkular (CD) dan analisis komputasional dilakukan untuk menentukan kecondongan tangan yang disukai dari konformasi terpilin kiral dari ( R , R )- dan ( S , S )- 1 . Khususnya, ( R , R )- dan ( S , S )- 1 menunjukkan pola spektral CD yang berbeda tergantung pada pelarut yang digunakan, yang menunjukkan perubahan responsif pelarut dalam arah heliks.
Gambar 1
Buka di penampil gambar
Kekuatan Gambar
Struktur molekul makrosiklus tetrakisporfirin kiral ( R , R )- dan ( S , S )- 1 .
2 Hasil dan Pembahasan
Sintesis ( R , R )- dan ( S , S )- 1 ditunjukkan dalam Skema 1. Tetrakisporfirin 2 dan penghubung dioksolana 3 disiapkan menurut prosedur yang dilaporkan sebelumnya. [ 13 , 14 ] Reaksi kondensasi 2 dan ( R , R )- atau ( S , S )- 3 dilakukan pada konsentrasi encer 1,0 mM dalam THF. Jumlah berlebih ( R , R )- atau ( S , S )- 3 diperlukan untuk mengimbangi reaktivitas rendah 2 . Reaksi kondensasi menghasilkan ( R , R )- dan ( S , S )- 1 dalam hasil terisolasi masing-masing 14% dan 19%.
Skema 1
Buka di penampil gambar
Kekuatan Gambar
Sintesis makrosiklus tetrakisporfirin kiral ( R , R )- dan ( S , S )- 1 . (i) DCC, DMAP, HOBt, THF. DCC = N , N ‘-disikloheksilkarbodiimida, DMAP = 4-(dimetilamino)piridina, HOBt = 1-hidroksibenzotriazol, dan THF = tetrahidrofuran.
Struktur kiral terpilin dari ( R , R )- dan ( S , S )- 1 dievaluasi menggunakan spektroskopi CD. Larutan toluena yang disiapkan dari ( R , R )- 1 menunjukkan efek Cotton bisignat minus-ke-plus dalam pita Soret unit porfirin dari ( R , R )- 1 (Gambar 2a ). Sinyal CD bisignat dikaitkan dengan kopling eksiton melalui ruang antara dua unit porfirin dari unit celah bisporfirin. [ 15 ] Penghubung dioksolana kiral terbukti menginduksi struktur pilin kiral dalam ( R , R )- 1 . Pada Gambar 2 , spektrum CD dari ( R , R )- dan ( S , S )- 1 dapat diamati menunjukkan hubungan bayangan cermin. Pusat stereogenik penghubung dioksolana memainkan peranan penting dalam menginduksi keberpihakan yang disukai pada struktur terpilin kiral dalam unit bisporfirin.
Gambar 2
Buka di penampil gambar
Kekuatan Gambar
Spektrum CD dari ( R , R )- (berwarna merah) dan ( S , S )- 1 (berwarna biru) pada konsentrasi 5,0 × 10 −6 mol L −1 dalam (a) toluena dan (b) DMF pada 298 K. Jejak putus-putus pada (a) dan (b) sesuai dengan spektrum serapan ( R , R )- 1 .
Spektrum CD dari ( R , R )- 1 dan ( S , S )- 1 dalam DMF menunjukkan pola spektral yang berbeda dari yang ada dalam toluena (Gambar 2b dan S10a ). Larutan DMF yang disiapkan dari ( R , R )- 1 menunjukkan dua efek Cotton bisignat dalam pita Soret unit porfirinnya, yang menunjukkan bahwa 1 menunjukkan konformasi kiral yang berbeda dalam toluena dan DMF. Makrosiklus 1 mengandung ikatan hidrogen internal dari penghubung 2,6-piridindikarboksamida yang memungkinkan unit bisporfirin dari 1 untuk mempertahankan bentuk celah. Pelarut polar dapat diantisipasi untuk melemahkan ikatan hidrogen internal dari penghubung 2,6-piridindikarboksamida dalam 1 , meningkatkan fleksibilitas konformasi dari struktur siklik 1 dan menghasilkan perubahan spektral CD yang signifikan. Untuk menyelidiki lebih lanjut peran pelarut pada sinyal CD yang ditunjukkan oleh ( R , R )- 1 , berbagai pelarut dinilai. Penggunaan pelarut aromatik nonpolar seperti benzena, etilbenzena, dan m -xilena menghasilkan efek Cotton bisignat yang mirip dengan spektrum CD dalam toluena (Gambar S11 ). Sebaliknya, pelarut terhalogenasi, termasuk diklorometana, kloroform, 1,2-dikloroetana, 1-klorobutana, klorobenzena, dan o -diklorobenzena, serta pelarut aromatik polar seperti benzonitril, benzil alkohol, dan benzil amina, menghasilkan spektrum CD yang menampilkan dua efek Cotton bisignat, yang sangat mirip dengan spektrum yang diperoleh dalam DMF (Gambar S12 ). Temuan ini menunjukkan bahwa polaritas pelarut kemungkinan besar berperan dalam menstabilkan konformer spesifik dari makrosiklus tetrakisporfirin. Namun, pelarut polaritas tinggi (etil asetat, DMA, THF, 1,4-dioksan, piridina, piperidina, pirolidina) tidak menunjukkan tren yang jelas dalam sinyal CD (Gambar S11–S13 ). Misalnya, meskipun polaritasnya serupa, THF menunjukkan efek Cotton bisignate seperti toluena, sedangkan 1,4-dioksan menyerupai DMF (Gambar S10b ). Sinyal CD yang kuat muncul dalam DMF dan piperidina, tetapi efek yang dapat diabaikan diamati dalam DMA dan pirolidina (Gambar S10c,d ). Dengan demikian, siklus makro cenderung mengadopsi konformasi yang memungkinkan solvasi yang efisien tergantung pada polaritas dan struktur molekul pelarut, sehingga memodulasi stabilitas relatif konformer yang terpilin.
Untuk mendapatkan wawasan tentang struktur makrosiklus tetrakisporfirin kiral, penelusuran konformasi dilakukan menggunakan perangkat lunak MacroModel 14, dengan menerapkan medan gaya OPLS4. [ 16 ] Biaya perhitungan dikurangi dengan menghilangkan rantai alkil bercabang dalam struktur makrosiklus tetrakisporfirin kiral. Penelusuran konformasi yang dilakukan pada konfigurasi ( R , R ) dari makrosiklus tetrakisporfirin kiral menghasilkan 24 konformer dalam rentang energi 3 kkal mol −1 , dengan geometri terpilin ke kanan dan ke kiri yang menunjukkan rasio populasi 82:18 (Gambar S14 , Tabel S1 ). Konformer yang paling stabil memiliki konfigurasi ( P ) (konformer ( P )) dan yang paling stabil kedua memiliki konfigurasi ( M ) (konformer ( M )), dengan ΔΔ G sebesar 0,41 kkal mol −1 . Konformer ( P ) dan konformer ( M ) dioptimalkan lebih lanjut menggunakan perhitungan DFT yang menggunakan fungsional M06-2x [ 17 ] dan basis set 6–31G** (Gambar 3 ). [ 18 ] Dua porfirin dari unit celah bisporfirin dalam konformer ( P ) mengadopsi puntiran berlawanan arah jarum jam di sekitar penghubung 2,6-piridinedikarboksamida dengan sudut torsi 27,5°. Konformer ( P ) menunjukkan sudut torsi 160,9° antara dua unit celah bisporfirin (Gambar 3a ). Sebaliknya, dua porfirin dari unit celah bisporfirin dalam konformer ( M ) mengadopsi susunan paralel dengan sudut torsi 0,76°. Sudut torsi dari dua unit celah bisporfirin dari konformer ( M ) menunjukkan nilai −55,7° (Gambar 3b ).
Gambar 3
Buka di penampil gambar
Kekuatan Gambar
Struktur geometri yang dioptimalkan dari konformer (a) ( P ) dan konformer (b) ( M ) dalam konfigurasi ( R , R ). Semua atom hidrogen telah dihilangkan demi kejelasan.
Spektrum CD terhitung dari dua konformer, ( P )-konformer dan ( M )-konformer, diperoleh menggunakan (TD)-DFT bergantung waktu yang menggunakan fungsi M06-2X dan basis set 6–31G**. Spektrum CD terhitung TD-DFT dari konformer ( M )-konformer dalam fase gas sangat sesuai dengan spektrum yang diperoleh secara eksperimen dalam toluena (Gambar 4a ). Menggunakan model kontinum terpolarisasi seperti konduktor (CPCM) untuk memperhitungkan efek pelarut toluena dapat menghasilkan spektrum CD yang lebih sesuai dengan spektrum CD yang diamati secara eksperimen (Gambar 4c ). Spektrum CD yang diprediksi dari konformer ( P ) sangat sesuai dengan spektrum CD yang diperoleh secara eksperimen dalam DMF (Gambar 4b ). Penggunaan CPCM untuk memperhitungkan efek pelarut DMF menghasilkan spektrum CD yang sangat sesuai dengan spektrum CD yang diamati secara eksperimental, dengan beberapa perbedaan dalam intensitas relatif efek Cotton kedua (Gambar 4d ). Dengan demikian, ( R , R )- 1 sebagian besar mengadopsi konformer ( M ) dan konformer ( P ) dalam toluena dan DMF, masing-masing.
Gambar 4
Buka di penampil gambar
Kekuatan Gambar
Spektrum CD terhitung dari konformer ( M ) dalam konfigurasi ( R , R ) (kurva padatan merah) dan bayangan cerminnya (kurva padatan biru) diprediksi menggunakan TD-DFT (a) tanpa dan (c) dengan CPCM. ( σ = 0,04 eV; pergeseran UV = 63 dan 41,5 nm untuk (a) dan (c), berturut-turut) Kurva putus-putus merepresentasikan spektrum CD eksperimental dalam toluena. (b, d) Spektrum CD terhitung dari konformer ( P ) dalam konfigurasi ( R , R ) (kurva padatan merah) dan bayangan cerminnya (kurva padatan biru) diprediksi menggunakan TD-DFT (b) tanpa dan (d) dengan CPCM. ( σ = 0,04 eV, pergeseran UV sebesar 39 dan 24,5 nm untuk (b) dan (d), berturut-turut). Kurva putus-putus merepresentasikan spektrum CD eksperimental dalam DMF.
Untuk memperoleh wawasan tentang kestabilan termal konformasi kiral makrosiklus tetrakisporfirin kiral dalam toluena dan DMF, pengukuran CD dilakukan pada berbagai suhu mulai dari ∼260 hingga 370 K. Gambar 5a,b menunjukkan bahwa spektrum CD dari ( R , R )- 1 secara bertahap melemah setelah pemanasan dalam toluena dan DMF, masing-masing. Peningkatan suhu mengakibatkan peningkatan gerakan molekuler, yang mungkin mengurai konformasi terpilin ( R , R )- 1 . [ 19 ]
Gambar 5
Buka di penampil gambar
Kekuatan Gambar
Spektrum CD ( R , R )- 1 pada konsentrasi 5,0 × 10 −6 mol L −1 dalam (a) toluena pada suhu (atas ke bawah) 263, 273, 283, 303, dan 323 K dan dalam (b) DMF pada suhu (atas ke bawah) 263, 273, 283, 293, 303, 313, 323, 333, 343, dan 373 K.
3 Kesimpulan
Penggabungan penghubung dioksolana kiral ke dalam makrosiklus tetrakisporfirin menghasilkan makrosiklus terpilin kiral. Pengukuran CD dan analisis komputasional dilakukan untuk menentukan keberpihakan yang disukai dari makrosiklus tetrakisporfirin terpilin kiral dalam toluena dan dalam DMF. Jenis pelarut diamati memengaruhi kestabilan keberpihakan yang disukai dari makrosiklus tetrakisporfirin terpilin kiral. Temuan penelitian ini menyoroti sifat makrosiklus porfirin kiral yang responsif terhadap pelarut dengan memberikan wawasan tentang dinamika struktural dan aplikasi potensialnya dalam penginderaan kiral, katalisis asimetris, dan pengenalan molekuler enantioselektif.
