Gasphase-H/D-Exchange in supramolecular mass Spectrometry

I. Vorwort 8 II. Einleitung und Ziel der Arbeit 9 III. Theoretische Grundlagen 11 1\. Supramolekulare Chemie 11 2\. Wasserstoffbrückenbindungen 16 3\. Physikalische Grundlagen der FT-ICR-Massenspektrometrie 21 4\. Elektrosprayionisierung 23 5\. Aufbau des FT-ICR-Massenspektrometers 27 6\. Funktion der ICR-Zelle 28 7\. Gasphasenexperimente 29 8\. Gasphasen-H/D-Austauschreaktionen 33 IV. Übersichtsartikel: Gas-phase H/D-exchange experiments in supramolecular chemistry 39 V. Dynamik in Kronenether-Dendrimer-Komplexen: Ein molekularer „Weltraumspaziergang“ 41 VI. Highly dynamic motion of crown ethers along oligolysine peptide chains 45 VII. Gasphasen-Organokatalyse mit Kronenethern 49 VIII. Gas-phase H/D-exchange reactions on resorcinarene and pyrogallarene capsules: Proton transport through a one-dimensional Grotthuss mechanism 63 IX. Zusammenfassung 67 X. Summary 69 XI. Anhang 73 1\. Experimenteller Teil 73 2\. Verzeichnis der verwendeten Abkürzungen 79 3\. Literaturverzeichnis 80 4\. Tabellarischer Lebenslauf 87 5\. Publikationsverzeichnis 89 6\. Danksagung 92Die vorliegende Arbeit behandelt massenspektrometrische H/D-Austauschexperimente bei supramolekularen Verbindungen. Gab es bisher nur einige wenige Beispiele für die Anwendung von Gasphasen- Isotopenaustauschreaktionen in der Supramolekularen Chemie, so wird hier beschrieben, wie diese Methode in drei Themenkomplexen eingesetzt werden konnte. Dabei zeigt sich, dass die H/D-Austauschreaktion deutlich mehr Informationen und wesentlich tiefere Einblicke in die Natur nicht-kovalenter Komplexe liefert, als man es zunächst vielleicht erwarten würde. Im ersten Teil der Arbeit wird anhand zweier supramolekularer Modellsysteme gezeigt, dass es mit Hilfe der Massenspektrometrie und einer H/D-Austauschreaktion möglich ist, eine dynamische intermolekulare Molekülbewegung in einem nicht- kovalent gebundenen Komplex nachzuweisen. Dazu werden die 18-Krone-6-Komplexe von POPAM-Dendrimeren zum einen und zum anderen von Oligolysinpeptiden unter¬sucht. Während 18-Krone-6 bei einem einzelnen, primären Amin als supramolekulare Schutzgruppe fungiert und den H/D-Austausch unterdrückt, zeigen die untersuchten 18-Krone-6-Komplexe (mit ihren multiplen Bindungsstellen) einen vollständigen H/D-Austausch aller labilen Wasserstoffe. Dabei beeinflusst sowohl die Anzahl der gebundenen Kronenether als auch die Größe des untersuchten Wirtsystems die Austauschgeschwindigkeit nicht wesentlich. Der vollständige Austausch ist nur dadurch zu erklären, dass sich der Kronenether während des Experiments bewegt und die ursprünglich geschützte Position freigibt. Mit Hilfe von geeigneten Kontrollex¬perimenten kann der Mechanismus der Kronenetherbewegung weitgehend aufgeklärt werden. Der Kronenether wandert zusammen mit einem Proton von einem Ammoniumion zu einem freien Amin. Das Potential der in diesem Teil durchgeführten H/D-Austauschexperimente wird in einer genaueren Untersuchung der Oligolysin-18-Krone-6-Komplexe sichtbar. Der Vergleich der Reaktionsraten des H/D-Austauschs zweier unterschiedlich am C-Terminus modifizierter Peptide zeigt, dass Lysin15-COOH in der Gasphase als Zwitterion vorliegt. Wurde im ersten Teil 18-Krone-6 als supramolekulare Schutzgruppe gegen ei¬nen H/D-Austausch verwendet, so wird im zweiten Teil der Arbeit der Einfluss der Kronenethergröße auf die Reaktionsraten im H/D-Austauschexperiment untersucht. Hierzu werden die Komplexe von protoniertem Propylamin bzw. Ethylendiamin mit der Reihe der homologen Kronenethern 12-Krone-4 bis 18-Krone-6 sowie Dibenzo-21-Krone-7 bis Dibenzo-30-Krone-10 untersucht. Der Vergleich der Reaktionsraten aller Komplexe zeigt, dass die Kronenethergröße einen bedeutenden Einfluss auf die H/D-Austauschgeschwindig¬keit hat. Darüber hinaus lassen die Austauschexperimente Rückschlüsse auf das Wirt-Gast-Bindungsmotiv zu: Es lassen sich side-on und end-on Konformationen des Komplexes unterscheiden. Die Untersuchungen ergeben weiter, dass die großen Kronenether eine unerwartete Reaktivität besitzen. Sie ermöglichen die Übertragung eines β-Wasserstoffs des Gasts auf einen Kronenethersauerstoff im Sinne einer E2-Eliminierungsreaktion. In Kombination mit einer im Anschluss an die Eliminierung durchgeführten Gastaustauschreaktion kann diese Reaktivität genutzt werden, um in der Gasphase einen vollständigen organokatalytischen Reaktionszyklus durchzuführen. Ein Kontrollexperiment zeigt, dass die Katalysereaktion weitgehend ohne Produktinhibierung abläuft. Der dritte Teil der Arbeit beschäftigt sich mit dem H/D-Austausch an Resorcinaren- und Pyrogallarenkapseln. Im Unterschied zu den vorher untersuchten Kronenetherkomplexen handelt es sich bei den Kapseln um Komplexe mit statischen intra- und intermolekularen Wasserstoffbrücken. Die Ergebnisse der H/D-Austauschexperimente von Kapseln mit unterschiedlich großen Gast-Kationen sowie eine mechanistische Betrachtung legen nahe, dass der H/D-Austausch nach einem konzertierten Mechanismus abläuft, der vergleichbar mit dem Protonentransport durch Wasser ist. Die Verwendung unterschiedlicher Gast- Kationen ermöglicht darüber hinaus eine Aussage über die Gasphasenstruktur der Kapseln zu treffen. Während kleine Gäste zu geschlossenen Kapseln führen, weiten große Gäste die Kapseln zu einer „Pac-Man“-Struktur auf.The present work deals with mass spectrometric H/D-exchange experiments of supramolecular compounds. So far, there are only few literature known examples for the use of gas-phase H/D-exchange in supramolecular chemistry. Here, three projects are presented that utilize this technique. The results obtained by mass spectrometric H/D-exchange reactions yield more information and yield much deeper insights into the nature of non-covalent complexes than it was originally anticipated. In the first part of this work, mass spectrometry in combination with gas-phase H/D-exchange reactions is used to follow the dynamic intermolecular movement within a non-covalently bound complex. Two molecular scaffolds are used. First the 18-crown-6 complexes of POPAM- dendrimers and second the 18-crown-6 complexes of oligolysine peptides. While in 1:1 complexes of primary amines with 18-crown-6 the crown acts as a supramolecular protecting group against H/D-exchange, a complete exchange of all labile hydrogens is observed with the dendrimer or peptide complexes possessing multiple binding sites. Neither the number of the complexed crowns nor the size of the molecular scaffold influence the speed of the exchange significantly, as long as the number of charges exceeds the number of crowns at least by one. Only if the crown moves away from its initial position, rendering the initially protected hydrogens unprotected, the full exchange can be rationalized. Simple control experiments can unravel the mechanism of the crown movement. The crown moves together with a proton from ammonium to a free amine. The full potential of the performed H/D-exchange experiments is shown with the crown-oligolysine complexes. A comparison between two differently C-terminated peptides reveals lys15-COOH to be zwitterionic in the gas-phase. While in the first part, 18-crown-6 was used as supramolecular protecting group against H/D-exchange, differently sized crown ethers are used in the second part to answer the question to what extend the H/D-exchange reaction is influenced by the crown ether size. To answer this question, complexes of protonated ethylendiamine and propylamine with the homologous series of crown ethers 12-crown-4 to 18-crown-6 and dibenzo-21crown-7 to dibenzo-30-crown-10 were subjected to gas-phase H/D-exchange. The comparison of the reaction rates of all complexes reveals the crown ether size to have a significant impact on the exchange reaction rate. Furthermore, two host-guest binding motifs can be identified. Depending on crown ether size, either an end-on or a side-on binding is operational. A close look at the exchange experiments reveals a surprising reactivity of the crown ethers. Large crown ethers enable an E2-elimination reaction as β-hydrogens of the guest can be transferred to one of the crown’s oxygens. The elimination reaction combined with a subsequent guest-exchange reaction completes a full organocatalytic reaction cycle. A control experiment confirms the catalytic reaction to proceed without product inhibition. The third part of this work deals with H/D-exchange reactions with resorcinarene and pyrogallarene capsules. In marked contrast to the previously described crown ether complexes, the capsules posses a static system of intra- and intermolecular hydrogen bonds. The results of the H/D-exchange reactions, performed with differently sized guest cations and a mechanistic consideration suggests the H/D-exchange to proceed according to a concerted mechanism similar to the proton transport through water. The use of different guests furthermore enables an elucidation of the capsule’s gas-phase structures. While small guest cations lead to closed capsules, large cations lead to opened capsules that resemble a “Pac-man” like structure