@phdthesis{Schlund2007,
  author    = {Schlund, Sebastian},
  title     = {Quantifying Non-covalent Interactions - Rational in-silico Design of Guanidinium-based Carboxylate Receptors},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-24388},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2007},
  abstract  = {Die nat{\"u}rlichen Vorbilder effektiver Anionenrezeptoren sind Enzyme, welche oftmals Arginin als entscheidende Aminos{\"a}ure in der Bindungstasche tragen. Die positiv geladenene Guanidiniumgruppe, wie sie in der Seitenkette von Arginin vorkommt, ist daher das zentrale Strukturmerkmal f{\"u}r viele k{\"u}nstliche Anionenrezeptoren. Im Jahre 1999 gelang es Schmuck und Mitarbeitern eine neue Klasse von Guanidinium-basierten Oxoanionenrezeptoren zu entwickeln, die Carboxylate sogar in w{\"a}ssrigen Medien binden k{\"o}nnen. Die Bindungsmodi der 2-(Guanidiniocarbonyl)-1H-pyrrole basieren auf einer Kombination von einzeln betrachtet schwachen nicht-kovalenten Wechselwirkungen wie Ionenpaarbildung und multiplen Wasserstoffbr{\"u}ckenbindungen zwischen k{\"u}nstlichem Rezeptor und Substrat. Durch Substitution einer Carboxylatgruppe in Position 5 des Pyrrolringes erh{\"a}lt man ein zwitterionisches Derivat welches sich in Wasser mit einer Assoziationskonstante von sch{\"a}tzungsweise 170 M-1 zu einzelnen Dimeren zusammenlagert (Dimer 1). Um das Strukturmotiv hinsichtlich einer noch effektiveren Anionenbindung weiter verbessern zu k{\"o}nnen, ist es daher von großem Interesse, die verschiedenartigen intermolekularen Wechselwirkungen zwischen den beiden monomeren Einheiten von Dimer 1 zu quantifizieren. Vor diesem Hintergrund wurden verschiedene theoretische ab initio Studien durchgef{\"u}hrt, um die Einfl{\"u}sse von intrinsischen Eigenschaften sowie von Solvenseffekten auf die Stabilit{\"a}t sich selbst zusammenlagernden Dimeren aufzukl{\"a}ren. In Kapitel 4.1 wurden die molekularen Wechselwirkungen im Dimer 1 durch Vergleich mit verschiedenen „Knock-out" Analoga untersucht. In diesen Analoga wurden einzelne Wasserstoffbr{\"u}ckenbindungen durch Substitution von Wasserstoffdonoren mit Methylengruppen oder Etherbr{\"u}cken ausgeschaltet. Es konnte gezeigt werden, dass die Anwendung eines vereinfachten Kontinuum-Solvensmodells nicht ausreicht, die absoluten Energien der „Knock-out" Analoga in stark polaren L{\"o}sungsmitteln vorherzusagen, jedoch k{\"o}nnen die berechneten Trends Auskunft {\"u}ber die relativen Stabilit{\"a}ten geben. In Kapitel 4.2 wurde die strukturelle {\"A}hnlichkeit von Arginin mit Struktur 1 ausgenutzt, um die Abh{\"a}ngigkeit der St{\"a}rke der Dimerisierung von der Flexibilit{\"a}t der molekularen Struktur eingehender zu untersuchen. In Kapitel 4.2.1 wurden neue globale Minimumsstrukturen des kanonischen und zwitterionischen Arginins in der Gasphase bestimmt. Dies geschah mit Hilfe von umfangreichen kraftfeldbasierten Konformationssuchen in Verbindung mit ab initio Strukturoptimierungen der energetisch niedrigsten Konformere. Die meisten der neu identifizierten Minimumskonformere sowohl des zwitterionischen als auch des kanonischen Tautomers zeigten geometrische Anordnungen mit bis dahin unbekannten gestapelten Orientierungen der endst{\"a}ndigen Gruppen. Es wurde letztendlich eine neuartige globale Minimumsstruktur (N1) gefunden, welche eine um mehr als 8 kJ mol-1 niedrigere Energie besitzt als die bislang ver{\"o}ffentlichten Konformere. Die gleiche Strategie f{\"u}r das Auffinden von energetischen Minimumskonformeren, wie sie bereits f{\"u}r das Arginin Monomer benutzt wurde, wurde auch im Falle der Dimere von Arginin verwendet. Im Gegensatz zu vorhergehenden theoretischen Untersuchungen ist die neue globale Minimumsstruktur ungef{\"a}hr 60 kJ mol-1 stabiler und weist ebenfalls eine gestapelte Orientierung der Guanidinium- und Carboxylatgruppen auf. Der Einfluss der Rigidit{\"a}t auf die Dimerstabilit{\"a}t wurde durch Berechnungen eines k{\"u}nstlich versteiften Arginin Dimersystems bewiesen. Die hohe Bindungsaffinit{\"a}t des Dimers 1 ergibt sich daher zu etwa 50\% aus der Rigidit{\"a}t der Monomere, welche jegliche intramolekulare Stabilisierung verhindert. Um Vorschl{\"a}ge f{\"u}r ein verbessertes Carboxylatbindungsmotiv machen zu k{\"o}nnen, wurden in Kapitel 4.3 neuartige Strukturmotive mit ver{\"a}nderten Ringsystemen auf DFT Niveau untersucht. Die direkte Abh{\"a}ngigkeit der Dimerisierungsenergie von einem zunehmenden Dipolmoment wurde durch verschiedene anellierte Ringstrukturen bewiesen. Der Einfluss der Delokalisierung in den Monomeren auf die Dimerisierungsenergie wurde durch Ver{\"a}nderung der Elektronenstruktur von elektronisch entkoppelten Biphenylenen untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die Carbonylfunktion haupts{\"a}chlich f{\"u}r eine gute Pr{\"a}organisation verantwortlich ist, wohingegen der Effekt auf die Azidit{\"a}t eine geringere Bedeutung besitzt. Im letzten Kapitel wurden Kooperativit{\"a}tseffekte in supramolekularen Systemen untersucht. Als Modellsysteme dienten hierbei Adenosin-Carbons{\"a}ure-Komplexe, deren berechnete NMR Verschiebungen mit experimentellen Niedrigtemperatur-NMR-Studien verglichen wurden. Wir konnten zeigen, dass nur durch die Verwendung von schwingungsgemittelten NMR Verschiebungen die experimentelle Protonenverschiebung reproduziert werden kann, welche unter Tieftemperaturbedingungen im Austauschregime von Wasserstoffbr{\"u}ckenbindungen erhalten wurde.},
  subject      = {nicht-kovalente Wechselwirkungen},
  language  = {en}
}