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Verbesserter fC‐Baustein für die Festphasensynthese

5  Ergebnisse und Diskussion

5.1.  Optimierung der Synthese von fC‐ und caC‐haltiger DNA

5.1.8.  Verbesserter fC‐Baustein für die Festphasensynthese

 

Das Design des verbesserten fC‐Monomers erfolgte auf der Grundlage der Standard‐Bedingungen  während der DNA‐Synthese. Die Reaktivität des fC‐Bausteins wird vermutlich vorrangig durch die  elektronenziehende Formylgruppe und den daraus resultierenden elektronenarmen Heterozyklus  geprägt. Eine Maskierung der Formylgruppe sollte daher die Mesomerie des Akzeptorsystems stören  und so die Reaktivität reduzieren. Als weiteres Kriterium wurde die Kompatibilität mit der etablierten  Phosphoramidit‐Syntheseroute85 analog Schema 2d) und e) festgelegt. 

 

 

 

Abbildung 25: Geplante Schutzgruppenstrategie für die Herstellung des verbesserten fC‐Monomers. Dabei soll die in  5‐Position befindliche Formylgruppe durch eine Schutzgruppe maskiert werden, sodass sie keinen störenden Einfluss auf  die DNA‐Synthese nimmt und nach der Synthese einfach regeneriert werden kann. 

 

Um diese Eigenschaften in einem Molekül zu vereinigen, wurde die Maskierung des Aldehyds als  Acylal angestrebt, diese Reaktion ist in Schema 5 dargestellt.  

 

 

 

Schema 5: Acylal geschütztes fC‐Nukleosid. Reaktionsbedingungen sind in Tabelle 2 zusammengefasst. 

 

Diese Reaktion wird durch die Einwirkung von Essigsäureanhydrid und geeigneter Katalysatoren wie  zum  Beispiel  TMSCl,  NaI,  Iod,  Schwefelsäure,  NBS,  ZnCl2  oder  FeCl3  ermöglicht.101  Die  Reaktionsbedingungen für diese Umsetzungen werden in Tabelle 2 zusammengefasst. 

Unter den gewählten Bedingungen konnte das Acylal jedoch nicht erhalten werden. Möglicherweise  verhindert das konjugierte Elektronensystem den nukleophilen Angriff am Carbonyl‐Kohlenstoff  indem es eine intermediär auftretende positive Ladung über den Heterozyklus kompensiert. 

Als  weitere Alternative wurde  die  Schützung als  Acetal evaluiert. Acetale  werden im  Sauren  gespalten, ermöglichen aber durch ihre vielfältigen Substitutionsmöglichkeiten eine Feinjustierung  der chemischen Reaktivität. Diesbezüglich wurden zyklische und azyklische Acetale untersucht.  

Um eine gleichzeitige Einführung geeigneter Schutzgruppen am exozyklischen Amin als auch an der  Formylgruppe zu ermöglichen wurde die Reaktion des Nukleosids mit Dimethylformamidinacetalen  untersucht. Die Reaktion ist in Schema 6 illustriert. 

Diese Eintopf‐Umsetzung führt in einem Reaktionsschritt die in der Oligonukleotidsynthese häufig  eingesetzte  DMF‐Schutzgruppe  ein  und  ermöglicht  zudem  eine  Maskierung  des  Aldehyds. 

Reaktionsbedingungen sind in der Tabelle 2 aufgeführt. Das entstehende Produkt weist einen  weniger elektronenarmen Heterozyklus auf und sollte so die glykosidische Bindung gegenüber sauren  Bedingungen oder Nukleophilen stabilisieren. 

 

   

Schema 6: Die zweifache Schutzgruppenstrategie für das fC‐Monomer. 

 

Die unterschiedlichen Reaktionsführungen (Tabelle 2) und Schutzgruppen lieferten in allen Fällen nur  geringe bis mäßige Ausbeuten und zeigten zum Teil eine Zersetzung des Startmaterials. Aus diesem  Grund musste eine alternative Strategie gewählt werden. 

Diese  basiert  auf  einer  schrittweisen Einführung  der  beiden  Schutzgruppen  am Heterozyklus. 

Zunächst sollte die Formylgruppe durch Einführung eines zyklischen Acetals maskiert werden um in  einem zweiten Schritt die Aminofunktion mit einer Benzoylschutzgruppe zu blockieren (Schema 7). 

 

   

Schema 7: Alternative Syntheseroute über ein zyklisches Acetal mit anschließender Einführung eines Benzylamids 

 

Letztlich konnte die in Tabelle 2 gelisteten Reaktionsführungen im Falle von Ethandiol als Nukleophil  nur sehr geringe Mengen des Produkts liefern. Bessere Ergebnisse lieferte Propandiol, welches durch 

Acetalbildung einen Sechsring erzeugt. Dieser Dialkohol konnte bereits als Schutzgruppe in der  Festphasensynthese  eingesetzt werden.102  Allerdings  wurde die  Stabilität der  Schutzgruppe  in  genannter Arbeit nicht belegt, da auch freie Aldehyde in der Regel mit der Festphasensynthese  kompatibel sind. Diese Kompatibilität wirkt sich bei einer teilweisen Spaltung des Acetals während  der Detritylierung günstig aus.103,104 

Die Optimierung der Reaktionsbedingungen wurde gemeinsam mit Arne Schröder im Arbeitskreis  Prof. Carell durchgeführt. Dabei lieferte ausschließlich die Verwendung von TiCl4 als Lewissäure gute  Ergebnisse.105 

   

  Ausgangsverbindung  Zielverbindung  Reagentien und 

Bedingungen  Ergebnis  1 

 

   

 

Ac2O, H2SO4 (katalytisch),  3 h, RT 

Keine 

Produktbildung 

2  Ac2O, FeCl3 (katalytisch), 1 h, 

0 °C 

Keine 

Produktbildung 

3  Ac2O, ZnCl2 (katalytisch), 1 h, 

0 °C 

Keine 

Produktbildung 

4  Ac2O, I2 (katalytisch), 3 h, RT  Keine 

Produktbildung 

 

Propandiol, 

Triethylorthoformiat,  Tetrabutylammonium‐

bromid, 16 h, RT 

Keine 

Produktbildung 

6  Propandiol, Amberlite IR120, 

72 h, RT, Benzol 

Produktbildung  (Spuren) 

7  Propandiol, CeCl3 

(katalytisch), 16h, RT 

Produktbildung  (Spuren)  8 

Propandiol, 

p‐Toluolsulfonsäure, 14 h,  Reflux, Benzol 

Produktbildung  (Spuren) 

Ethandiol, 

p‐Toluolsulfonsäure, 14 h,  Reflux, Benzol 

Produktbildung  (Spuren) 

   

  Ausgangsverbindung  Zielverbindung  Reagentien und 

Bedingungen  Ergebnis  10 

   

N,N‐Dimethylformamid‐

dimethylacetal, Molsieb 3 Å,  16 h, 60 °C, Methanol 

Produktbildung  (Spuren)  11 

N,N‐Dimethylformamid‐

diethylacetal, Molsieb 4 Å,  MeOH, 36 h, RT 

unvollständiger  Umsatz 

12  2‐N,N‐Dimethylamino‐1,3‐

dioxan, Aceton, 36 h 

Produktbildung  (Spuren) 

13 

 

2‐N,N‐Dimethylamino‐1,3‐

dioxan, p‐Toluolsulfonsäure,  Propandiol, Toluol, 70 °C,  16 h 

Produkt wurde  im Gemisch mit  Edukt erhalten 

14 

2‐N,N‐Dimethylamino‐1,3‐

dioxan, p‐Toluolsulfonsäure,  Propandiol, 

Triethylorthoformiat, 60 °C,  72 h 

Produkt wurde  im Gemisch mit  Edukt erhalten 

15 

 

CeCl3, Triethylorthoformiat,  EtOH, 48 h 

unvollständiger  Umsatz,  Produkt isoliert 

16  CeCl3, Triethylorthoformiat, 

Propandiol, 48 h 

unvollständier  Umsatz,  Produkt isoliert 

 

Tabelle 2:Zusammenfassung der Reaktionsbedinungen für die Umsetzung des fC‐Nukleosids zum Acylal sowie Acetal. 

 

Die darauffolgende Etablierung der Aminoschutzgruppe wurde im Rahmen dieser Arbeit nicht mehr  angestrebt. Die Arbeit wurde von Arne Schröder (Arbeitskreis Prof. Carell) fortgesetzt. Dabei fand er  heraus, dass die Benzoyl‐Schutzgruppe am Amin eine Methoxysubstitution in para‐Stellung erfordert  um die Stabilität der Schutzgruppe zu erhöhen. Die typischerweise eingesetzte Benzoylschutzgruppe  erwies sich in diesem System als zu instabil.  

Der Baustein (Abbildung 26) wurde im Arbeitskreis Carell vollständig geschützt hergestellt und in  DNA‐Stränge eingebaut.105  

 

   

Abbildung 26: Die neueste Generation des fC‐Monomers für die automatisierte Festphasensynthese liefert bisher  unerreichte Reinheit des Rohprodukts und ermöglicht daraus resultierend ausgezeichnete Ausbeuten 

 

Mit diesem Baustein konnte durch Arne Schröder (Arbeitskreis Prof. Carell) erstmals DNA hergestellt  werden,  die  sequenztreu  und  hochspezifisch  alle  epigenetisch  relevanten  Derivate  des  Desoxycytidins enthält. Darüber hinaus liefert der Baustein hervorragende Ausbeuten bei der DNA‐

Synthese und ermöglicht hochreine RP‐Chromatogramme nach Abspaltung der Schutzgruppen. Die  oben beschriebenen, idealen Eigenschaften eines Monomers konnten auf diese Weise in einem  Phosphoramidit‐Baustein realisiert werden. Der Baustein ist aufgrund seines robusten Designs und  der  beispiellosen  Qualität  der  synthetischen  DNA  auch  bei  kommerziellen  Anbietern,  wie  Glen Research (Katalognummer 10‐1564) und Link (Katalognummer 2548) von hohem Interesse.