Universität Bielefeld SFB 613

1. a) b) Fig. 2: Reversibles Schalten des photodimeri-sierbaren Resorc[4]arens mittels AFM-FS. Abfolge von Krafthistogrammen unter verschiedenen Be-dingungen [2-4]. Fig. 1: a) AFM Kraftdistanzkurve und Krafthistogramm eines AFM-FS Wirt-Gast-Experiments [1], b) Konzept des „Single Molecule Affinity Switch“ [2-4]. b) Synthese inhärent chiraler Resorc[4]arene Zur Untersuchung chiraler Erkennungsprozesse wurden die Enantiomere eines neuen, kavitätserweiterten Modellsystems synthetisiert und CD-spektroskopisch charakterisiert.[5] Fig. 4: Kavitätserweitertes, inhärent chirales Resorc[4]aren und CD-Spektrum (aufgenommen in Cyclohexan, rote Linie). Die Simulation wurde anhand von Time-dependent Pariser-Parr-Pople (TDPPP) Rechnungen generiert. Universität Bielefeld SFB 613 K5 Funktionalisierte Calixarene und analoge Makrocyclen für die Steuerung der molekularen Erkennung C. Schäfer1, V. Walhorn2, M. Paletta1, T. Schröder1, M. Letzel1, J. Paskarbeit2, J. Mattay1 und D. Anselmetti2 1 Organische Chemie I, Fakultät für Chemie, Universität Bielefeld 2 Experimentelle Physik, Fakultät für Physik, Universität Bielefeld Ziele In Teilprojekt K5 wird die Charakterisierung und Steuerung funktionaler und schaltbarer supramolekularer Molekülsysteme mittels einzelmolekülphysikalischer Methoden wie der Rastersonden-mikroskopie-/Kraftspektroskopie untersucht. Dabei werden in der neuen Antragsperiode Schwerpunkte auf die Untersuchung neuer molekular erkennender, photoschaltbarer und chiraler Wirt-Gastsysteme und heterodimerer Kapselsysteme gelegt. In physikalischer Hinsicht sollen die molekularen Wechselwirkungsmechanismen mittels AFM-Kraftspektroskopie quantitativ untersucht werden. Arbeitsplan (A) Entwicklung chiraler, supramolekularer Molekül-systeme (z.B. Calixaren-Peptidhybride), und quantitative Untersuchung ihrer enantioselektiven Wechselwirkung mittels der AFM-Kraftspektroskopie. (B) Entwicklung photoschaltbarer Wirt-Gast-Systeme basierend auf Spiropyranen, Diarylethylenen und Fulgiden, und deren Untersuchung mittels AFM-FS. (C) Quantitative Untersuchung der molekularen Wechselwirkung supramolekularer Calixaren-Kapseln (Heterodimere), bei denen die Wechselwirkung durch einschließbare Templatmoleküle moduliert und verändert werden kann. (D)In situ Schaltung und Erweiterung der AFM-Kraftspektroskopie durch eine höchstauflösende non-contact Rasterkraftmikroskopie (FM-Detektion) um die auf Oberflächen immobilisierten Wirtmoleküle und deren konformationell unterschiedliche Schaltzustände nachzuweisen und zu unterscheiden. Resultate und Vorarbeiten a) Ergebnisse zum „Photochemical Single-Molecule Affinity Switch“ Fig. 3: Quantitative Analyse der AFM-Einzelmolekül-Kraft-spektroskopieexperimente mit supramolekularen Wirt-Gast-Komplexen. Es wurden sowohl die unfunk-tionalisierten Cavitanden mit unterschiedlichen Gästen, als auch der photodimerisierbare Komplex (im aktiven, offenen Zustand) untersucht. Offenbar unterscheidet sich der funktionalisierte (schaltbare) Wirt durch die Lebenszeit  (= 1/koff) und nicht durch die Wechselwirkungslänge x . Fazit: Die relativ niederaffinen Wirt-Gast-Komplexe lassen sich in AFM-Einzelmolekül-Kraftspektroskopieexperimenten quantitativ unter-suchen, wobei ebenfalls Rückschlüsse auf die physikalischen Wechselwirkungsmechanismen gemacht werden können. c) Synthese von Bausteinen supramolekularer Kapseln zur Oberflächenfunktionalisierung • Tetra(carboxyl)cavitand am Kraftsensor zu immobilisieren • in situ freizusetzende Carbonsäurefunktionen • Tetra(pyridyl)cavitand auf Gold zu immobilisieren Ausgewählte Publikationen [1] R. Eckel, R. Ros, B. Decker, J. Mattay, and D. Anselmetti, „Supramolecular Chemistry at the Single Molecule Level“, Angewandte Chemie (Intl. Edition) 44, 484-488 (2005). [2] C. Schäfer, R. Eckel, R. Ros, J. Mattay, and D. Anselmetti, „Photochemical Single-Molecule Affinity Switch“, J. Am. Chem. Soc. 129 (6), 1488 - 1489 (2007). [3] C. Schäfer, B. Decker, M. Letzel, F. Novara, R. Eckel, R. Ros, D. Anselmetti, J. Mattay, “On the way to supramolecular photochemistry at the single-molecule level”, Pure Appl. Chem. 78, 2247-2259 (2006). [4] D. Anselmetti, F. W. Bartels, A. Becker, B. Decker, R. Eckel, M. McIntosh, J. Mattay, P. Plattner, R. Ros, C. Schäfer, N. Sewald, "Reverse engineering of an affinity-switchable molecular interaction characterized by atomic force microscopy single-molecule force spectroscopy", Langmuir 24, 1365-1370 (2008). [5] M. Paletta, M. Klaes, B. Neumann, H.-G. Stammler, S. Grimme, J. Mattay, “Cavity-extended inherently chiral resorcin[4]arenes: synthesis and chiroptical properties of the cycloenantionmers", Eur. J. Org. Chem. 555-562 (2008).

2. Universität Bielefeld SFB 613 K5 Zusatzinformation: Vorhaben C. Schäfer1, V. Walhorn2, M. Paletta1, T. Schröder1, M. Letzel1, J. Paskarbeit2, J. Mattay1 und D. Anselmetti2 1 Organische Chemie I, Fakultät für Chemie, Universität Bielefeld 2 Experimentelle Physik, Fakultät für Physik, Universität Bielefeld Appendix A Synthese und quantitative Untersuchung chiraler, supramolekularer Molekülsysteme c) Es sollen (inhärent) chirale Wirtsysteme synthetisiert werden. Die Quantifizierung chiraler Diskriminierungseffekte erfolgt zunächst über massenspektrometrische Komplexierungsexperimente der inhärent chiralen Wirtmoleküle mit chiralen (quaternisierten) Ammoniumionen. Eines der beiden Enantiomere der Resorc[4]arene wird dafür mit insgesamt 12 Deuteriumatomen markiert, um das pseudo-Racemat einsetzen zu können. Anschließend werden die enantioselektiven Wechselwirkungen durch Einzelmolekül-Kraftspektroskopie untersucht. Dazu wird das Wirtmolekül wird auf der Goldoberfläche immobilisiert und die chiralen Gastmoleküle kovalent an den Cantilever gebunden. b) d) Fig. 5: a) pseudo-Racemat der inhärent chiralen Resorc[4]arene für MS-Experimente. b) Rersorc[4]aren-Peptid-Hybrid mit Thioether-Funktionalitäten zur Immobilisierung auf Gold-Oberflächen für AFM-Experimente. c) Chirale Ammoniumionen für MS-Experimente. d) Aminosäurederivate zur kovalenten Anbindung an den Cantilever für AFM-Experimente. Eingesetzt werden Aminosäurederivate von Glycin als achirale Referenz, sowie chirale Gastmoleküle abgeleitet z.B. von Valin (Alkylseitenkette) und von Phenylalanin (aromatischer Rest). a) Appendix B Photoschaltbare Rezeptorsysteme auf Basis von Spiropyranen und Diarylethenen Zusätzlich zu den bereits hergestellten anthracenfunktionalisierten Wirtsystemen, kann eine Funktionalisierung durch Spiropyrane und Diarylethene (rechts) erfolgen. Der Einbau von z.B. bifunktionali-sierten Spiropyranen in cyclische Peptide ist geplant, um die reversible Schaltbarkeit solcher Moleküle zu nutzen, die von Kimura et al. bereits für schaltbare Peptide eingesetzt wurde (links). Appendix C Wechselwirkungen in supramolekularen Calixaren-Kapseln Appendix D In situ Schaltung, NC-AFM und Oberflächenstrukturierung • Detaillierte und quantitative Informationen über die Bindungskinetik und den • Bindungsmechanismus bei der Bildung supramolekularer Kapseln. • Untersuchung mit AFM- • Kraftspektroskopie • Einfluss der Eigen- • schaften des Lösungs- • mittels auf die Kapsel- • bildung. • Einfluss von einge- • schlossenen Gästen • auf die Stabilität des • supramolekularen • Kapsel-Systems. a)In situ Schaltung und NC-AFM Untersuchung unter Luft- oder Flüssigkeit b) Oberflächenmikrostrukturierung, Aktivierung und Zellkultivierung Stellung innerhalb des SFB 613 (Vernetzung) Beantragte Mittel K2 Z‘arbeit photoschaltbare Molekülsysteme, Einzelmolekülmesstechnik K7 Statistische Analyse der AFM-Datensätze K6 Quantenchemische Modellierung der verwendeten Molekülsysteme K3/D4/K8 Untersuchung der Calixarene in Erkennungs- und Diss.prozessen A5/A6/D7 Z‘arbeit hinsichtlich AFM-Charakterisierung der Molekülsysteme Z2 Charakterisierung der mikrostrukturierten Oberflächen • 1 Wiss. Mitarbeiterstelle (TV-L E13/2) Chemie (Dipl. Chem. Tobias Schröder) • 1 Wiss. Mitarbeiterstelle (TV-L E13/2)Physik (Dipl. Phys. Jan Paskarbeit) • UV-Festkörperlaser für die in situ Schaltung der supramol. Photoschalter • (Laser QUV-351-1 der Fa. BFi Optilas, 351 nm, 10 mW, Preis 11`000 Euro)