Carboxylate Binding by 2-(Guanidiniocarbonyl)pyrrole Receptors in Aqueous Solvents: Improving the Binding Properties of Guanidinium Cations through Additional Hydrogen Bonds

Abstract

Guanidiniocarbonyl receptors stereoselectively bind carboxylates with association constants which are significantly higher than with the parent acetyl guanidinium cation. Systematic binding studies showed that the various hydrogen bonds do not contribute equally to the overall association process. Shown here (in kJ mol−1) are their estimated semiquantitative contributions for the binding of N-acetyl-L-alanyl carboxylate in 40 % water/water (v/v). A series of guanidiniocarbonyl pyrrole receptors has been synthesized which bind carboxylates by ion pairing in combination with multiple hydrogen bonds. Their binding properties with various carboxylates have been investigated using NMR titration studies in 40 % water/water (v/v). The best receptor has association constants which are in the order of K≈103 mol−1 and hence some 30 times larger than with the simple acetyl guanidinium cation. Through a systematic variation of the receptor structure, semiquantitative estimates for the energetic contributions of the individual binding interactions could be derived. These data show that the various hydrogen bonds are not equally important for the binding but differ significantly in their energetic contribution to the overall complexation process. Furthermore, the receptor can be made chiral and shows selectivity upon binding of enantiomeric amino acid carboxylates. Molecular modeling was used to obtain structural information for the various receptor carboxylate complexes and served as a basis to explain the observed differences in binding constants. Guanidiniocarbonylpyrrol-Rezeptoren bilden mit Carboxylaten Ionenpaare, die zusätzlich durch mehrere Wasserstoffbrückenbindungen stabilisiert werden. Eine Reihe solcher Rezeptoren wurde synthetisiert und ihre Bindungseigenschaften mit verschiedenen Carboxylaten durch NMR Titrationen in 40 % Wasser/Wasser (v/v) untersucht. Der beste Rezeptor weist Assoziationskonstanten in der Größenordnung von K≈103 mol−1 auf, die somit ca. 30 mal größer sind als mit der Stammverbindung, dem Acetylguanidinium-Kation. Durch systematische Variation der Rezeptorstruktur konnten die energetischen Beiträge der einzelnen Wechselwirkungen zur Gesamtkomplexbildung abgeschätzt werden. Hierbei zeigte sich, daß die verschiedenen Wasserstoffbrückenbindungen nicht alle gleich wichtig sind, sondern sich erheblich in ihrer Stärke unterscheiden. Einer der hier vorgestellten Rezeptoren ist chiral und bindet enantiomere Aminosäurecarboxylate stereoselektiv. Die Diskussion der beobachteten Unterschiede im Komplexierungsverhalten der verschiedenen Rezeptoren erfolgt auf der Basis der mit Hilfe von Kraftfeldrechnungen ermittelten Strukturen der Komplexe.