Non-covalent interactions in thiol aggregates and nucleoside-amino acid binding models

Abstract

This thesis contains an experimental and computational investigation of non-covalent interactions in different thiol dimers and DNA-amino acid model complexes. The experiments used chirped-pulse broadband Fourier transform microwave spectroscopy in the cm-wave region (2-8 GHz), providing an accurate structural description of the target compounds. Several quantum mechanical methods including density-functional theory, energy decomposition by symmetry-adapted perturbation theory and topological analyses of the electronic density rationalized the experimental results. The studied thiol systems comprised the weakly-bound homodimers of thiophenol, benzyl mercaptan, 2-phenethyl mercaptan and 2-naphtalenethiol, which were generated in situ in the isolation conditions of a supersonic jet expansion. The thiol dimers were compared to their alcohol counterparts, offering insight into the electronic and structural characteristics of the non-covalent interactions to sulfur centers and, in particular, of the weak dispersive S-H···S hydrogen bond, seldom analysed in the gas phase. Additionally, several biologically relevant model clusters formed by nucleoside dimers and capped amino acids were investigated computationally, in order to improve our understanding of the DNA-amino acid interaction. These models illustrate the influence of sugar puckering in the amino acid conformation and the implication of the hydrogen bonds stabilizing the complexes. The results obtained in the thesis confirm the importance of the chemically specific reductionist approach and the benefits of a synergic combination of rotational data and computational calculations.

Esta Tesis contiene una investigación experimental y computacional de interacciones no covalentes en diferentes dímeros de tioles y complejos modelo ADN-aminoácido. Los experimentos han utilizado espectroscopía de microondas de banda ancha con excitación multifrecuencia y transformación de Fourier en la región centimétrica (2-8 GHz). Los resultados experimentales se han racionalizado utilizando diversos métodos mecanocuánticos, incluyendo teoría del funcional de la densidad, descomposición energética por teoría de perturbaciones adaptada en simetría y análisis topológicos de la densidad electrónica. Los tioles estudiados han comprendido los homodímeros débilmente enlazados de tiofenol, bencil mercaptano, 2-fenetil mercaptano y 2-naftalenotiol, que fueron generados in situ bajo condiciones de aislamiento en una expansión de chorro supersónico. Los dímeros de tioles fueron comparados a sus análogos con alcoholes, ofreciendo información sobre las características electrónicas y estructurales de las interacciones no covalentes a grupos de azufre y, en particular, sobre las interacciones dispersivas débiles del enlace de hidrógeno S-H···S, raramente analizado en fase gas. Adicionalmente, se han investigado computacionalmente varios modelos de agregación de relevancia biológica, formados por dímeros de nucleósidos y aminoácidos modelo, con objeto de mejorar nuestro entendimiento de las interacciones ADN-aminoácido. Estos modelos ilustran la influencia del plegamiento de los azúcares en la conformación de los aminoácidos, y la implicación de los enlaces de hidrógeno que estabilizan los complejos. Los resultados obtenidos en la Tesis confirman la importancia de una aproximación reduccionista químicamente selectiva y los beneficios de una combinación sinérgica de datos rotacionales y cálculos computacionales.