Dynamic Covalent Capture per lo studio di interazioni non covalenti

Lo scopo di questo progetto di Tesi consiste nello sviluppo di una metodologia in grado di individuare e quantificare interazioni non covalenti in soluzione. Una metodologia in grado di fornire informazioni riguardo alla natura e all’intensità di interazioni non covalenti trova applicazioni in molti ambiti, dalla chimica bioorganica, alla scienza dei materiali alle nanotecnologie. L’interesse in questo tipo di studi nasce dalla difficoltà di ottenere sperimentalmente questo tipo di informazioni, indirizzando la ricerca verso lo sviluppo di approcci innovativi in grado di fornire risultati in modo semplice e immediato. Il lavoro presentato ha tratto ispirazioni dalla metodologia denominata Double Mutant Cycle (DMC) proposta da Hunter e collaboratori, per lo studio delle interazioni non covalenti in sistemi sintetici. Questo approccio propone la costruzione di un ciclo termodinamico basato sulla mutazione consecutiva dei residui coinvolti nell’interazione, correlando la loro stabilità termodinamica alla formazione di un’interazione non covalente. In pratica il ciclo elimina i contributi dovuti agli effetti secondari indotti dalla mutazione, permettendo di determinare in modo accurato l’interazione tra i residui in esame. L’approccio presentato in questa Tesi prevede un’implementazione di questa metodologia, introducendo l’utilizzo del Dynamic Covalent Capture (DCC) per la misura della stabilità termodinamica relativa di due specie. , L’incremento di sensibilità si rileva a seguito della formazione di un legame covalente tra le due molecole interagenti, in modo tale che il riconoscimento avvenga in maniera intramolecolare. Dal punto di vista pratico, il DCC si basa sull’esistenza di un equilibrio di scambio, la cui posizione è determinata dalla presenza o meno di un’interazione tra le molecole coinvolte. Il DMC è costruito sulla base di due equilibri di scambio: nel primo le molecole si mostrano in grado di dare riconoscimento molecolare, mentre il secondo è utilizzato come riferimento. Per ognuno dei due equilibri viene valutata la costante termodinamica ΔG° relativa allo scambio, analizzando la composizione della miscela tramite 1H NMR: la differenza tra le due costanti termodinamiche così ottenute ΔΔG fornisce l’intensità dell’interazione non covalente che determina lo shift del primo equilibrio rispetto al secondo. Questa metodologia ha permesso di riconoscere e quantificare interazioni non covalenti di diversa natura all’interno dei sistemi in esame, sia di origine elettrostatica, sia di tipo legame idrogeno. E’ stato eseguito uno studio sistematico dell’interazione all’interno di una serie di idrazoni e immine, valutando gli effetti della natura e della flessibilità dello spacer. Nella seconda parte del lavoro lo studio viene esteso a una libreria di composti più ampia, con lo scopo di individuare l’effetto di gruppi spettatori nell’evento di riconoscimento. A questo scopo è stata considerata una libreria formata da 4 scaffold variamente sostituiti all’anello, una coppia di idrazoni e una di ammine. Gli scaffold presentano sulla posizione aldeidica un carbonio isotopicamente marcato per permettere lo studio della composizione della libreria tramite spettroscopia 13C NMR. Il vantaggio introdotto dall’utilizzo della tecnica 13C NMR rispetto al 1H NMR precedentemente utilizzato consiste nella possibilità di determinare la concentrazione di una libreria di composti molto più vasta, composta da idrazoni e immine, attraverso un singolo esperimento NMR. In questo modo gli esperimenti di equilibrazione si svolgono mescolando contemporaneamente tutti gli scaffold e una coppia di idrazidi o ammine in un unico tubo. In questo modo si ottiene la stabilità relativa di tutte le specie che viene correlata con l’intensità dell’interazione non covalente in esse presente. In questo modo è stato ottenuto uno schema di stabilità relativa di tutti i 16 composti (8 idrazoni + 8 immine) che formano il sistema. L’ultima parte dell’elaborato presenta l’applicazione della metodologia basata sul DCC allo studio dell’interazione non covalente all’interno dello stato di transizione di una reazione modello. Studi precedenti hanno mostrato come le molecole utilizzate durante gli studi di scambio possano essere utilizzate come analoghi dello stato di transizione (TSA) della reazione di transesterificazione di un estere: in questo modo la stabilità dei composti precedentemente studiati può essere correlata numericamente con la reattività dei relativi esteri fenilici rispetto alla transesterificazione con sodio metossido in metanolo. Come l’introduzione del gruppo ammonio in catena laterale dell’idrazone/immina induce una stabilizzazione termodinamica a seguito del riconoscimento intramolecolare, così lo stesso gruppo dovrebbe determinare una maggiore reattività della specie in cui esso è presente. Gli studi evidenziano che una correlazione è evidenziabile solo nel caso in cui lo stato di transizione mimato dal TSA (l’attacco nucleofilo) costituisca anche il Rate Determinig Step (RDS) della reazione. Utilizzando un regime sperimentale in cui questo è verificato, si dimostra una buona correlazione qualitativa tra la reattività e la stabilità termodinamica del corrispondente TSA. Infine nel caso in cui gli esperimenti cinetici e quelli di stabilità possano essere svolti nello stesso regime sperimentale, si ottiene un’ottima correlazione numerica tra la reattività dei composti in esame e la stabilità termodinamica dei corrispondenti TSA. Questi risultati evidenziano come il DCC fornisca una metodologia unica e semplice per ottenere informazioni riguardo allo stato di transizione di una reazione, permettendo l’accesso a dati sperimentali che sarebbero difficilmente ottenibili con altre tecniche.