title: Glycolnukleinsäuren als Duplexgerüste für das Design selbst assemblierender und selbst organisierender Architekturen
title: Glycol nucleic acids as duplex scaffold for the design of self-assembeld and self-organized architectures
Creators: name: Zhou, Hui
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2012
Subjects: Glycol nucleid acids
Chemie
Organische Analyse
Organic chemistry
Glykolnukleinsäure

description: In this thesis, GNA is explored as
      a simplified duplex scaffold for arranging different
      chromophores and the properties of the resulting chromophore
      assemblies are investigated. Chromophore nucleotides were
      incorporated into GNA by automated solid phase synthesis of
      oligonucleotides. The synthesis of different chromophore
      glycol nucleoside GNA building blocks was presented in
      chapter 2. The key step for synthesizing these glycol
      nucleosides was the regioselective and stereospecific
      ring-opening of dimethoxytrityliated (S)-glycidol (3). As
      shown in Scheme 7.1A, compounds 5, 9, 14 and 17 were
      synthesized by three efficient methods, namely, the
      application of Grignard reagents, Grignard reagents
      containing a metallation/transmetallation protocol, and
      organolithum reagents. Among these compounds, compound 17c
      can be also synthesized by Pd-catalyzed Sonogashira coupling
      reaction of compound 30 with compound 17d (Scheme 7.1 B),
      thus any chromophore with alkyne groups can be introduced to
      GNA by this method. In chapter 3, we investigated GNA
      duplexes containing fluorescent pyrene (Pyr) and pyrene
      acetylide nucleotides (Pyr′) (Figure 7.1A). Duplexes with one
      or two adjacent Pyr:Me or Pyr′:H base pairs were synthesized,
      all resulting in thermally stable duplexes at room
      temperature. The incorporation of pyrene or pyrene acetylide
      to GNA duplexes did not distort the overall GNA duplex
      structure. Interestingly, only the pyrene acetylides but not
      the related pyrene nucleotides, could form strong excimers
      upon interstrand stacking within the GNA duplexes (Figure
      7.1B). The reason for this may be a combination of structural
      effects, influence of the stacking of adjacent pyrene
      acetylides nucleobases, and electronic effects due to the
      conjugation of the aromatic pyrene with the acetylide
      π-system. As an application of excimer emission upon duplex
      formation with pyrene acetylide containing GNA strands, we
      developed a metal ion sensor by additionally incorporating a
      metal-mediated base pair: hydroxypyridone homo-base pair
      (M:M) or hydroxypyridone-pyridylpurine hetero-base pair
      (M:P). As shown in Figure 7.2, D15 and D19 are very sensitive
      and selective Cu2+ “turn-on” fluorescent sensors.
      Unfortunately, our attempt to develop a Cu2+ sensor for a
      complex biological environment failed. In chapter 4, the
      porphyrin acetylide nucleotide (P) was incorporated into GNA
      duplexes opposite ethylene glycol abasic sites and the
      duplexes were analyzed by UV-melting, UV-vis, fluorescence
      spectroscopy, and circular dichroism. The modified duplexes
      display lower thermal stabilities, however the thermal
      stabilities of duplex containing P:H base pairs could be
      modulated by the incorporation of zinc(II), manganes(II) or
      nickel(II) ions into P (Figure 7.3B). The incorporation of
      zinc(II) or manganes(II) ion led to a decrease in duplex
      stability, but the incorporation of nickel(II) resulted in
      increased duplex stability. These modulations of duplex
      stabilities by the nature of the metal ion can be interpreted
      by their differenct coordination behavior. Zn2+ or Mn2+
      prefers to coordinate to axial ligands when incorporated into
      a porphyrin in an octahedral fashion and needs to dissociate
      these ligands if it wants to stack within GNA between
      neighboring base pairs. In contrast, Ni2+ prefers square
      planar coordination and can therefore be accommodated easily
      in the base stacking. Furthermore, GNA duplexes provided a
      suitable scaffold to bring two porphyrins into close contact
      and to allow the interaction of porphyrins with different
      coordinated metal ions. The obvious change of the Soret bands
      accompanied by a blue shift (Figure 7.4B), together with the
      decrease of fluorescence intensity upon duplex formation
      revealed that a ground state interaction between two
      porphyrin moieties occurred in GNA, performing in
      face-to-face (H-dimer) fashion. In chapter 5, Electron
      donor-acceptor chromophores systems, mainly composed of
      perylene bisimide (PBI) and porphyrin (P) units were
      organized in duplex GNA (Figure 7.5A). The GNA duplexes which
      contain B-Pyr, B-Pyr′, B-Pe′ and B-P were investigated. The
      thermal stabilities revealed that B-P pair stabilizes the GNA
      duplex the most significantly, exceeding the stability of the
      native GNA duplex by additional 10 oC. The significantly
      increased duplex stability together with the red-shifted
      absorption band and induced CD signal at Soret band indicated
      the interstrand π-π stacking of B-P pair in the duplex.
      Subsequently, we investigated the systems which contain a
      couple of porphyrin and PBI building blocks. As shown in
      Figure 7.6B, the intensity of the CD signal accompanying the
      blue-shift of the bisignate CD spectra in the Soret band
      increased with the increasing amount of chromophore moieties.
      This continuous shift in a CD spectrum with increased amounts
      of chromophores indicated the interaction between PBI and
      porphyrin resulted in a highly ordered helical structure. In
      addition, we also synthesized some single strands which
      consisted of entirely PBIs or porphyrins. However, combining
      these single strands did not give us desired helical
      structure according to CD analysis. It seems that flanking
      natural base pairs or natural overhangs play a key role in
      affording helical structures. Considering the significantly
      decreased yield of modified GNA strand with
      multi-incorporated chromophores, photochemical ligation of
      GNA was developed in order to address this problem. In
      chapter 6, the photochemical ligation of GNA via anthracene
      cyclodimer formation was explored. Anthrancenes were
      introduced into GNA not only as artificial nucleosidic bases
      but also as phototriggered joints (Figure 7.7A). Upon the
      duplex formation, the two adjacent anthracene nucleobases get
      close to each other, and the duplex was expected to generate
      a hairpin structure via anthracene cyclodimer formation as a
      result of the photoirradiation (366 nm). The photochemical
      ligation of GNA via anthracene cyclodimer formation was
      investigated in terms of three aspects, namely,
      template-supported GNA ligation, interstrand crosslinking in
      the middle of the GNA duplex, and end capping of the GNA
      duplex. The template-supported GNA photoligation did not
      occur, probably due to the inefficient dimerization of
      anthracenes in tandem duplex. However, both the crosslinking
      in the middle of duplex and end capping of duplex proved to
      be feasible. Resulting intramolecular duplexes exhibited high
      melting temperature (Figure 7.7B), which was consistent with
      the formation of an intramolecular duplex with a hairpin
      structure. In addition, the CD spectra suggested that end
      capping did not disrupt overall GNA duplex structure. In this
      study, the GNA duplex was employed as scaffold for the design
      of self-assembled and self-organized architectures. Several
      chromophores had been successfully introduced into the
      interior of GNA duplexes. GNA as a simplified general duplex
      scaffold proves to be useful for the defined chromophores
      organization. Future work will be focused on applications of
      porphyrin-GNA conjugates as well as modified GNA containing
      porphyrin and PBI for light harvesting and charge transport.
      In addition, the photochemical ligation of GNA via anthracene
      cyclodimer formation is a useful tool for the interstrand
      crosslinking of GNA, which may provide a new method for the
      construction of functional GNA-supramolecules.
description: In dieser Dissertation wurde GNA
      als ein einfaches Duplexgerüst für die Anordnung
      verschiedener Chromophoren verwendet und die Eigenschaften
      der resultierenden Chromophoreinheiten wurden untersucht.
      Durch automatisierte Festphasensynthese von Oligonukletioden
      wurden Chromophornukleotide in GNA eingebaut, die Synthese
      der verschiedenen Chromophorglykolnukleosidbausteinen wurde
      bereits in Kapitel 2 vorgestellt. Dabei war die
      regioselektive und stereospezifische Ringöffnungsreaktion von
      dimethoxytrityliertem (S)-Glycidol (3) entscheidend.
      Verbindungen 5, 9, 14 und 17 wurden unter Verwendung drei
      effektiver Methoden synthetisiert: durch Anwendung von
      Grignard-Reagenzien, Grignard-Reagenzien in Verbindung mit
      Metallierung/ Transmetallierung und Organolithum-Verbindungen
      (Schema 8.1 A). Anschließend wurden die Verbindungen 5, 9, 14
      und 17 mit hoher Ausbeute zu Glykolnukleosidphosphoramidite
      umgesetzt, die für die weitere Synthese von modifizierten
      GNA-Strängen verwendet wurden. In Kapitel 3 wurden GNA
      Duplexeinheiten mit fluoreszierenden Pyrennukleotide (Pyr)
      und Pyrenacetylidnukleotide (Pyr′) untersucht (Abbildung
      8.1A). Zusätzlich wurden Duplexeinheiten mit ein oder zwei
      benachbarten Pyr:Me oder Pyr′:H Basenpaare synthetisiert.
      Diese Duplexeinheiten waren bei Raumtemperatur waren
      thermisch stabil. Interessanterweise konnten nur die
      Pyrenacetylidnukleotide, aber nicht die entsprechenden
      Pyrennukleotide durch “interstrand-stacking” innerhalb der
      GNA-Duplexeinheit einen starken Excimer bilden (Abbildung
      8.1B). Dieser wurde als Metallionensensor verwendet, indem
      ein Metall-vermittelten Basenpaar eingebaut wurde. Dabei
      wurde ein Hydroxypyridon homo-Basenpaar (M:M) oder ein
      Hydroxypyridon-pyridylpurine hetero-Basenpaar (M:P)
      verwendet. Abbildung 8.2 zeigt, dass mit D15 und D19 sehr
      empfindliche und selektive Cu2+ “turn-on” Fluoreszenzsensoren
      erhalten wurden. Kapitel 4 beschäftigt sich mit dem Einbau
      von Porphyrinacetylidnukleotid (P) in GNA-Duplexeinheiten
      gegenüber von nichtbasischem Ethylenglykol. Die Verbindungen
      wurden durch UV-Schmelzkurvenanalyse, UV-Vis Spektroskopie,
      Fluoreszenzspektroskopie und Circulardichroismus analysiert.
      Die modifizierten Duplexeinheiten zeigten geringe thermische
      Stabilität, diese konnte aber durch Koordination an
      Zink(II)-, Mangan(II)- oder Nickel(II)ionen in P gesteigert
      werden (Abbildung 8.3B). Darüber hinaus boten die
      GNA-Duplexeinheiten ein geeignetes Gerüst um zwei Porphyrine
      in engen Kontakt zu bringen, woraus Wechselwirkungen zwischen
      den beiden Porphyrinen resultierten, die jeweils an
      verschiedenen Metallionen gebunden waren. Die klare Änderung
      der Soretbanden, die von einer Blauverschiebung begleitet war
      und die Abnahme der Fluorenzintensität durch Bildung einer
      Duplexeinheit (Abbildung 8.4B) zeigte, dass eine
      Wechselwirkung im Grundzustand zwischen zwei
      Porphyrineinheiten in der GNA auftrat. Dabei handelte es sich
      um eine “face-to-face” (H-dimer) Wechselwirkung. In Kapitel 5
      wurden die Donor-Akzeptor enthaltenden Chromophorsysteme, die
      hauptsächlich aus Perylenbisimid- (B) und Porphyrinbausteinen
      (P) bestehen, in GNA-Duplexeinheiten eingebunden (Abbildung
      8.5A). GNA-Duplexeinheiten mit B-Pyr, B-Pyr′, B-Pe′ und B-P
      wurden thermisch untersucht. Dabei zeigte sich, dass das B-P
      Paar die GNA-Duplexeinheiten um zusätzlich 10 °C im Vergleich
      zur Schmelztemperatur der nativen GNA-Duplexeinheit
      stabilisieren konnte. Die deutlich erhöhte Stabilität der
      Duplexeinheit, zusammen mit der rotverschobenen
      Absorptionsbande und das induzierte CD-Signal bei der
      Soretbande deuteten auf eine “π-π stacking” Wechselwirkung
      der B-P Paaren zwischen beiden Strängen in der Duplexeinheit.
      Anschließend wurden die Systeme mit Porphyrin und PBI
      Bausteine untersucht. Wie Abbildung 8.6 B zeigt, erhöhte sich
      die Intensität des CD-Signals mit der zunehmenden Anzahl von
      Chromophoreinheiten. Diese kontinuierliche Verschiebung
      resultiert aus der Wechselwirkung zwischen PBI und Porphyrin,
      was eine hochgeordnete Helixstruktur zur Folge hat.
      Angesichts der deutlich verringerten Ausbeute an
      modifiziertem GNA-Strang mit dem mehrfach eingebauten
      Chromophor, wurde photochemisches Anbinden von GNA
      entwickelt. In Kapitel 6 wurde Anthracen in GNA als
      photoreaktives Zentrum eingeführt (Abbildung 8.7A). Bei der
      Duplexbildung, näherten sich die beiden angrenzenden
      Anthracen-Nucleobasen einander und es wurde erwartet, dass
      die Duplexeinheit eine Haarnadelstruktur durch
      Anthracencyclodimerisierung als Folge der Bestrahlung von
      Licht (366 nm) erzeugt hat. Die Reaktion wurde im Hinblick
      auf drei Aspekte untersucht, nämlich templatgestütztes
      GNA-Anbinden, Crosslinking zwischen den Strängen in der Mitte
      der GNA-Duplexeinheit und “end capping” der Duplexeinheit.
      Die templatgestützte Photoreaktion hat aufgrund ineffizienten
      Dimerisierung von Anthracen in Tandemduplexeinheiten der
      nicht stattgefunden. Allerdings erwiesen sich sowohl das
      Crosslinking in der Mitte des Duplexes, als auch
      “end-capping” des Duplexes als möglich. Die erzeugten
      intramolekularen Duplexeinheiten zeigten eine hohe
      Schmelztemperatur (Abbildung 8.7B), was im Einklang mit der
      Bildung eines intramolekularen Duplex mit einer
      Haarnadelstruktur steht. In dieser Studie wurden
      GNA-Duplexeinheiten als Gerüst für das Design von
      selbstangeordneten und selbstorganisierten Architekturen
      verwendet. Mehrere Chromophore wurden erfolgreich in
      GNA-Duplexeinheiten eingeführt. GNA erwies sich als und
      generelles Duplexgerüst für die definierte
      Chromophororganisation.