Tuning the Conformations of an M4L4 Cage and Their Impact on Catalysis

化学 笼子 催化作用 结晶学 立体化学 有机化学 组合数学 数学
作者
Cristina V. Craescu,Sebastian Stahl,Thor L. F. Correia,Stephen M. Bierschenk,Nicholas S. Settineri,Robert George Bergman,Kenneth N. Raymond,F. Dean Toste
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (36): 32600-32609 被引量:11
标识
DOI:10.1021/jacs.5c07697
摘要

Enzymes catalyze chemical reactions with remarkable rate enhancements and selectivity. Supramolecular catalysis seeks to understand and emulate these outcomes, leveraging noncovalent interactions, electric fields, and controlled active site microenvironments to enhance catalysis in an enzyme-like fashion. The effects of conformational dynamics on supramolecular catalysts and assemblies are, however, relatively unexplored, despite their crucial role in enzyme rate enhancement. Here, we elucidate the conformational landscape of a model M 4 L 4 supramolecular host through a rational approach: stabilizing a high-energy conformer through distal ligand modification and a transient intermediate state through symmetry-matched guest encapsulation, as well as tuning the conformer distribution through same-charge metal exchange at the host vertices. Each of these structural modifications induces a substantial shift in the host’s conformational landscape, offering insights into the rational design of conformationally dynamic cages and enzymes. Although the thermodynamic properties of the dynamic Ga 4 L 4 12– cage can be influenced by temperature, solvent, and guest binding, we find that conformational change occurs on a time scale that renders it rate-limiting in a model catalytic reaction, precluding rate enhancement through conformational selection. This concept is illustrated by locking the catalytically inactive conformer to a high-energy conformer that is catalytically competent. These findings demonstrate that precise modulation of the conformational landscape of supramolecular hosts provides an effective strategy for controlling their catalytic activity and binding.
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