Synthesis of carbon-analogues of 2,4-diaminopyrimidine and 2-oxo-4-aminopyrimidine homo-DNA nucleosides

This doctoral work is divided into two sections: the first part deals with the synthesis of carbon-analogues of 2,4-diamonpyrimidin homo-DNA nucleosides and 2-oxo-4- aminopyrimidin homo-DNA nucleosides. In the second part homo-DNA-oligonucleotides containing carbon-analogues of the 2,4 diaminopyrimidine homo-DNA nucleoside were investigated. Starting from known stabilities of exocyclic amino nucleosides (EAN’s) a model compound was designed to increase the stability of these compounds. By replacing the exocyclic nitrogen by a carbon the unstable aminohemiacetal was replaced by a stable cyclic ether. Due to the fact that EAN’s undergo a furanose-pyranose isomerization and the pyranose is thermodynamically favored species, a pyranoside analogue of DNA, the homo-DNA was evaluated. In the first part of the thesis a series of homo-DNA-carbon-nucleosides were prepared from tris-O-acetyl-D-glucal. The key step of the synthesis was the diastereoselective preparation of the β-C-glycoside, as shown below. The β-C-glycoside was accessible by a rearrangement from the α-C-glycoside under Lewis acidic conditions. In the second part of the thesis the carbon-analogue of the 2,4-diaminopyrimidine-homo-DNA-nucleoside was incorporated by solid phase synthesis in homo-DNA-oligonucleotides. It was shown that an adenine(A)-2,4-diaminopyrimidine(D) exchange near the 4’ end in the self complementary octamer ddGlc[UX(UA)3] did not result in a enthalpic destabilization of the Watson-Crick A-U base pairing (∆H -165 kJ/mol (D); -163 kJ/mol (A)). The entropic destabilization was explained by the increase of rotational degrees of freedom of the D-nucleoside compared to the A-nucleoside. An exchange of an A nucleoside in a central position of a selfcomplementary homo-DNA oligonucleotide with the general formula ddGlc[(UA)n] resulted in a much stronger influence on the homo-DNA duplex stability compared to the A-D exchange near the 4’ end: For the 14-mer ddGlc[(UA)3UD(UA)3] an inter- or intramolecular duplex formation was found dependant on the oligonucleotide concentration. An investigation of an A-D exchange on the stability of the reverse Hoogsteen A-A pairing resulted in no enthalpic destabilization by an A-D exchange: Compared to the octamer ddGlc[A8] even an enthalpic stabilization was found if two reverse Hoogsteen A-A base pairings were replaced by two A-D base pairings (∆H -208 kJ/mol (ddGlc[A8]); ∆H -322 kJ/mol ddGlc[A2DA5]), although the enthalpic stabilization was overcompensated by an entropic destabilization (∆S -520 J/(mol*K) (ddGlc[A8]); ∆S -917 J/(mol*K) ddGlc[A2DA5]). Also in the nonamer ddGlc[UD8], in which all A nucleosides were replaced against D nucleosides, an interaction was still detectable. Further investigations were performed with non selfcomplementary oligonucleotides of the general formula ddGlc[CAUA-X1-GUGA] und ddGlc[UCAC-X2-UAUG]. Comparisons of the Watson-Crick A-U (X1 = A; X2 = U) base pairing with the corresponding D-U base pairing (X1 = D, X2 = U) were performed. Further studies were performed to study the influence of a A-D exchange in the following base pairings A-A (X1 = A; X2 = A to X1 = D; X2 = A); A-C (X1 = A; X2 = C) and A-G (X1 = A; X2 = G). All these investigations resulted in a enthalpic destabilization and entropic stabilization of the duplex formation. Zusammenfassung Die vorliegende Doktorabeit ist in zwei Abschnitte gegliedert: Die Synthese von Kohlenstoff-Analogen von 2,4-Diaminopyrimidin homo-DNA Nukleosiden und 2-Oxo-4-aminopyrimidin homo-DNA Nukleosiden einerseits sowie die Untersuchung von Homo-DNA-Oligonukleotiden, die das Kohlenstoff-Analogon des 2,4-Diaminopyrimidin homo-DNA Nukleosids beinhalten. Ausgehend von bekannten Untersuchungen zu Stabilitäten von exozyklischen Aminonukleosiden (EAN’s) wurde eine Modellverbindung entworfen, in welcher ein für die Instabilität der Verbindungen verantwortlicher Stickstoff durch ein Kohlenstoff ersetzt wird und somit die Aminoacetalgruppe durch einen stabilen cyclischen Ether ersetzt wurde. Aufgrund der Tatsache dass EAN‘s zu einer Furanose-Pyranose Isomerisierung tendieren und im thermodynamischen Gleichgewicht bevorzug als Pyranose vorliegen, wurde ein pyranosides Analogon der DNA, die sogenannte homo-DNA untersucht. Im ersten Teil der Arbeit wurde ausgehend von Tris-O-acetyl-D-glucal eine Serie von homo-DNA-C-Nukleosiden hergestellt. Der zentrale Punkt der Synthese war die diastereoselektive Herstellung des β-C-Glycosids, das durch eine in situ Umlagerung vom α-C-Glycosid unter Lewis-Säurenkatalyse erhalten wurde. Im zweiten Teil der Arbeit wurde das gemäss obiger Synthese erhaltene Kohlenstoff Analogon des 2,4-Diaminopyrimidin-homo-DNA Nukleosids (D) mittels Festphasensynthese in homo-DNA Oligonukleotide eingebaut. Es wurde gezeigt, dass im selbstkomplementären Oktamer ddGlc[UX(UA)3] der Einfluss eines Adenin(A)-D Austausches nahe des 4‘-Endes des Oligos zu keiner enthalpischen Destabilisierung der Watson-Crick Basenpaarung führt (∆H -165 kJ/mol (D); -163 kJ/mol (A)). Eine gefundene entropische Destabilisierung erklärt sich durch erhöhte Rotationsfreiheitsgrade des D-Nukleosids gegenüber dem A-Nukleosid. Durch eine Integration des D-Nukleosids in die Mitte eines selbstkomplementären Oligonucleotides und somit das Aufeinandertreffen zweier U-D Basenpaarungen erfolgt eine drastische Beeinflussung der Duplexstabilität: Für das selbstkomplementäre 14-mer ddGlc[(UA)3UD(UA)3] wurde eine von der Oligonucleotidkonzentration abhängige inter- bzw. intramolekulare Duplexbildung gefunden. Eine Untersuchung eines A-D Austausches auf die Stabilität der reverse Hoogsteen A-A Paarung zeigte, dass auch diese Baasenpaarung keine enthalpische Destabilisierung durch einen A-D Austausch erfährt: Gegenüber dem Oktamer ddGlc[A8] trat beim Austausch zweier A-A gegen A-D Paarung eine enthalpische Stabilisierung auf (∆H -208 kJ/mol (ddGlc[A8]); ∆H -322 kJ/mol ddGlc[A2DA5]), welche allerdings durch eine entropische Destabilisierung überkompensiert wurde (∆S -520 J/(mol*K) (ddGlc[A8]); ∆S -917 J/(mol*K) ddGlc[A2DA5]). Zusätzlich wurde gezeigt, dass selbst im extremen Fall des ddGlc[UD8], in welchem alle A gegen D ausgetauscht wurden, noch eine Interaktion auftritt. Weitere Untersuchungen nicht selbstkomplementärer Oligonucleotide der allgemeinen Form ddGlc[CAUA-X1-GUGA] und ddGlc[UCAC-X2-UAUG] wurden durchgeführt. Dabei wurde sowohl ein Vergleich eines Watson-Crick A-U (X1 = A; X2 = U) Basenpaares mit dem ensprechenden D-U (X1 = D, X2 = U) wie auch ein A-D Austausch in den folgenden Basenpaarungen A-A (X1 = A; X2 = A zu X1 = D; X2 = A); A-C (X1 = A; X2 = C) sowie A-G (X1 = A; X2 = G) untersucht. Diese Untersuchungen resultierten alle in einer enthalpischen Destabilisierung und einer entropischen Stabilisierung der Duplexbildung bei einem A-D Austausch