pH‐schaltbare Vesikel aus einem von Serin abgeleiteten Guanidiniocarbonylpyrrol‐Carboxylat‐Zwitterion in DMSO

Abstract

Diese Arbeit beschäftigt sich mit einem neuen Typus von Vesikeln, die durch Veränderung des Protonierungsgrads eines Zwitterions reversibel geöffnet und geschlossen werden können. Vesikel sind interessante Nanomaterialien mit potenzieller Anwendung beispielsweise als Transportsysteme in der gezielten Pharmakotherapie. Für diesen Verwendungszweck ist allerdings eine externe Steuerung der Vesikelbildung erforderlich. Bislang erfolgt die Vesikelbildung oft durch die Selbstassoziation amphiphiler Makromoleküle wie Lipidderivate oder Blockcopolymere. [1,2] Unlängst wurde außerdem über formstabile Makrocyclen, Cyclodextrine oder kleine Peptiden als Grundeinheit für die Vesikelbildung berichtet.[3] Ein Großteil dieser Moleküle sind klassische Amphiphile, deren Selbstassoziation vornehmlich auf hydrophoben und aromatischen Wechselwirkungen beruht.Kürzlich präsentierten wir ein selbstkomplementäres von der Aminosäure Alanin abgeleitetes Guanidiniocarbonylpyrrol-Carboxylat-Zwitterion als neuartigen Vesikelbildner. Mithilfe von NOESY-NMR-Experimenten, Rasterelektronenmikroskopie (TEM) und Rasterkraftmikroskopie (AFM) konnten wir zeigen, dass dieses Zwitterion Ionenpaar-Dimere bildet, die in DMSO zu Vesikeln mit 40-50 nm Durchmesser aggregieren.[4] Außerdem haben wir die H-Brücken-unterstützte Ionenpaarbildung zwischen dem Guanidiniocarbonylpyrrol-Kation [5] und einem Carboxylat bereits für den Aufbau unterschiedlicher Nanostrukturen wie Dimere, [6] Schleifen [7] und supramolekulare Polymere genutzt.[8] Da die Guanidiniocarbonylpyrrol-Einheit einen pK S -Wert von ca. 6-7 aufweist, ist die Bildung eines Ionenpaars mit einem Carboxylat (pK S ca. 3-5) nur in einem begrenzten pH-Bereich möglich. Dies wiederum bietet die Möglichkeit, die Ionenpaarbildung über den pH-Wert zu schalten (durch Wechsel vom neutralen in den sauren oder basischen Bereich).[9] Aus diesem Grund wollten wir untersuchen, ob wir auch eine Vesikelbildung über den pH-Wert als externes Signal steuern können.[10] Um diese Hypothese zu testen, synthetisierten wir ein von der Aminosäure Serin abgeleitetes Guanidiniocarbonylpyrrol-Carboxylat-Zwitterion (3) und untersuchten die Vesikelbildung sowohl auf einer Glimmeroberfläche durch AFM als auch in Lösung durch dynamische Lichtstreuung (DLS) und eine PFG-NMR-Methode. Diese NMR-Methode ermöglicht es, die eingekapselten Lösungs-mittelmoleküle in den Vesikeln selektiv zu detektieren und zusätzlich Aussagen über die Permeabilität der Vesikelmembran zu treffen.[11] Wir zeigen hier, dass es tatsächlich möglich ist, die Vesikelbildung des Zwitterions 3 über den Protonierungsgrad reversibel zu schalten. Außerdem haben wir gefunden, dass die Vesikelmembran sehr dicht und damit wenig durchlässig ist, sodass die Lösungsmittelmoleküle nur sehr langsam über die Membran hinweg austauschen.Zur Synthese des Zwitterions 3 wurde zunächst l-Serinmethylester-Hydrochlorid (2) mit PyBOP in einer Mischung aus CH 2 Cl 2 und DMF an die Boc-geschützte Guanidinocarbonylpyrrol-Carbonsäure 1 [12] gekuppelt (67 % Ausbeute, Schema 1). Nach der Ab...

Ion-pair induced self-assembly in aqueous solvents

“…Also the zwitterion derived from serine (33) forms similar vesicles. 39 Vesicle formation can be triggered by pH changes due to protonation or deprotonation of the zwitterion as the resulting cation or anion, respectively, is not self-complementary any more. Related zwitterions derived from the aromatic amino acids phenylalanine or tryptophan behave quite differently with respect to solubility and aggregation mode.…”

Two‐Component Self‐Assembly: Hierarchical Formation of pH‐Switchable Supramolecular Networks by π–π Induced Aggregation of Ion Pairs

“…However, this approach allows for the regulation of the microscopic structure and macroscopic properties by tuning the molar ratio of the two components, in contrast to single‐component self‐assembly . Furthermore, the components might possess functionalities that respond to external stimulus such as temperature, metal ions, light, pH, or solvent, which allow for switching back and forth between different types of nanostructures.…”

Advances in Switchable Supramolecular Nanoassemblies

“…The same behavior is observed when first one equivalent of NaOH is added to the original vesicles (d) and then the solution is neutralized again with one equivalent of HCl (e). Reproduced from reference [60] with permission. niques.…”

“…The properties of the vesicles from both compounds were essentially identical. [60] As compound 19 is only zwitterionic in a small pH range, the addition of acid or base was expected to destroy these aggregates. This indeed could be confirmed by AFM imaging: after addition of one equivalent of acid, vesicles no longer could be detected.…”