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


Löpfe, Michael. Synthesis of carbon-analogues of 2,4-diaminopyrimidine and 2-oxo-4-aminopyrimidine homo-DNA nucleosides. 2009, University of Zurich, Faculty of Science.

Abstract

ABSTRACT OF THE DISSERTATION

Synthesis of Carbon-Analogues of 2,4-Diaminopyrimidine and 2-Oxo-4-Aminopyrimidine

Homo-DNA Nucleosides



Study of Homo-DNA Oligonucleotides Containing Carbon-Analogues of the 2,4-

Diaminopyrimidine Nucleotide

by

Michael Löpfe

University of Zurich, 2008

Professor Jay S. Siegel, Chair



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.

i 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.

ii 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.



iii ZUSAMMENFASSUNG DER DISSERTATION



Synthese von Kohlenstoff-Analogen des 2,4-Diaminopyrimidin und 2-Oxo-4-

Aminopyrimidin Homo-DNA Nukleosides.



Untersuchung von Homo-DNA Oligonukleotiden welche ein Kohlenstoff-Analogon des 2,4-

Diaminopyrimidin beinhalten

von

Michael Löpfe

Universität Zürich, 2008

Prof. Dr. Jay S. Siegel, Vorsitz



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 iv 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]).

v 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.



vi

Abstract

ABSTRACT OF THE DISSERTATION

Synthesis of Carbon-Analogues of 2,4-Diaminopyrimidine and 2-Oxo-4-Aminopyrimidine

Homo-DNA Nucleosides



Study of Homo-DNA Oligonucleotides Containing Carbon-Analogues of the 2,4-

Diaminopyrimidine Nucleotide

by

Michael Löpfe

University of Zurich, 2008

Professor Jay S. Siegel, Chair



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.

i 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.

ii 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.



iii ZUSAMMENFASSUNG DER DISSERTATION



Synthese von Kohlenstoff-Analogen des 2,4-Diaminopyrimidin und 2-Oxo-4-

Aminopyrimidin Homo-DNA Nukleosides.



Untersuchung von Homo-DNA Oligonukleotiden welche ein Kohlenstoff-Analogon des 2,4-

Diaminopyrimidin beinhalten

von

Michael Löpfe

Universität Zürich, 2008

Prof. Dr. Jay S. Siegel, Vorsitz



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 iv 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]).

v 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.



vi

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Item Type:Dissertation (monographical)
Referees:Siegel Jay S
Communities & Collections:UZH Dissertations
Dewey Decimal Classification:540 Chemistry
Language:English
Place of Publication:Zürich
Date:2009
Deposited On:14 Jan 2010 08:51
Last Modified:24 Sep 2019 16:30
Number of Pages:211
OA Status:Green
Related URLs:https://www.recherche-portal.ch/primo-explore/fulldisplay?docid=ebi01_prod005872106&context=L&vid=ZAD&search_scope=default_scope&tab=default_tab&lang=de_DE (Library Catalogue)

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