In nature system, folding is one of the crucial process that nature has selected to control the conformation of molecule, so that enables to carry out chemical functions such as information storage, enzyme and catalyst. To interpret and mimic the structural and functional behavior of biopolymer in natural system, artificial folded molecular architecture, defined as “foldamer”, could mimic the secondary structure of protein. Additionally, the versatile functions of foldamers regarding their structure have been established by self-assembly. Enormous structural information of protein is stored in polypeptide sequence provides a clear understanding of the interplay between the structure and functions. Based on this fact, studies on the structural features of the versatile peptide foldamers could be utilized to construct protein like artificial complex, showing a biological and catalytic functions.
This dissertation is focused on the two main topics that are directing foldamer self-assembly with a cyclopropanoyl cap and studies on foldamers containing tetrahydrothiophene. In chapter 2, cyclopropanoyl cap was attached in alpha/beta peptide foldamer and through a combined analytical and computational investigation, cyclopropanoyl capping was observed to markedly enhance self-assembly in recalcitrant substrates and direct the formation of a single intermolecular N–H···O/Cα–H···O bonding motif in single crystals, regardless of peptide sequence or foldamer conformation. DFT calculations validated the experimental results that the N–H···O/Ca–H···O interaction created by the cap was sufficiently attractive to influence self-assembly. This strategy could be used to rational design of self-assembling organic materials for exploration of new substrates and speed up the development of novel applications within this increasingly important class of materials.
In chapter 3, by replacing the C4 carbon in the cyclopentane ring of (1S,2S)-2-Aminocyclopentane-1-carboxylic acid (ACPC) with sulfur, (3S,4R)-4-Aminotetrahydrothiophene-3-carboxylic acid (ATTC) was first reported and found that ATTC could act as a bioisostere of ACPC so that adapting 12-helical structure in a foldamer level. However sulfide group in ATTC, could be further oxidized into sulfone and sulfoxide through oxidation reaction. In addition, sulfide group was further utilized as a catalyst to mediate Corey-Chaykovsky reaction. This result implies that newly synthesized foldamer could grow inventory of the foldamer and widen the application of foldamer.
자연계에서 접힘 현상은 분자가 정보를 저장, 촉매, 효소 등의 다양한 기능을 수행할 수 있도록 구조를 조절하는데 있어 중요한 역할을 한다. 자연계 생체 고분자의 구조와 기능을 이해하고 모방하기 위해 단백질의 2차 구조를 모방한 폴대머가 연구되어왔고, 자기 조립을 통해 기능과 구조적 다양성을 가진 고차원 구조체의 구현이 가능함을 밝혔다. 단백질의 기능이 펩타이드 서열에 저장된 구조적 정보에 의해 결정되는 바와 같이, 다양한 기능을 가지는 인공 복합체를 만드는데 있어 펩타이드 폴대머의 구조적 특징을 이해하는 연구는 중요하다고 볼 수 있다.
본 학위논문에서는 사이클로프로파노일 캡을 가진 알파/베타-펩타이드 기반 폴대머와 테트라하이드로타이오펜을 포함한 폴대머의 구조적 특징에 대해 설명하고자 한다. 챕터 2에서는 알파/베타-펩타이드 폴대머의 아민-말단에 사이클로파노일 캡을 도입함으로써, 폴대머의 길이와 이차 구조에 상관없이 폴대머간에 유사한 질소–수소…산소/탄소–수소…산소 상호작용이 존재함을 확인하였으며 DFT 계산을 통해 이 상호작용이 자기조립에 미치는 영향을 정량적으로 계산하였다. 이 방법론은 넓은 범위의 물질들이 자기조립되는 과정에서 관여하는 복잡한 비공유상호작용을 이해하는데 있어 도움이 될 수 있을 것으로 기대한다.
챕터 3에서는 기존의 (1S,2S)-2-아미노사이클로펜탄-1-카복실산(ACPC)의 C4 탄소 원자를 황 원자로 치환하여, (3S,4R)-4-아미노테트라하이드로타이오펜-3-카복실산(ATTC)을 처음으로 보고했으며, 이 단위체가 ACPC와 생동등체로 사용할 수 있으며, 폴대머 수준에서 12-나선을 유지하고 있음을 알아냈다. 설파이드를 설폰, 설폭사이드 작용기로 산화시켜도 이차 구조가 크게 변하지 않음을 확인하였고, 합성된 폴대머가 코리-차이코프스키 반응의 촉매로써 작용할 수 있다는 결과를 얻었다. 이 연구 결과는 폴대머를 다양성을 증진했을 뿐 아니라 폴대머의 응용 가능성을 넓힐 수 있을 것으로 기대한다.
