Tag der letzten mündlichen Prüfung: 2. November 1999

Die experimentellen Arbeiten zu der vorliegenden Arbeit wurden in der Zeit von November 1995 bis Januar 1999 unter der Anleitung von Prof. Dr. H. Köster am Institut für organische Chemie des Fachbereichs Chemie der Universität Hamburg und soweit nötig bei der Firma Sequenom - Gesellschaft für industrielle Genomanalytik mbH, Hamburg, durchgeführt.

Herrn Professor Dr. Hubert Köster danke ich für die Überlassung des Arbeitsplatzes und des interessanten Themas, für seine stete Diskussionsbereitschaft und seine inspirierenden Visionen.

Den Mitgliedern des Arbeitskreises danke ich für ihre stete Hilfsbereitschaft und das freundschaftliche Klima der Zusammenarbeit.

„Damit das Mögliche entsteht, muß immer wieder das Unmögliche versucht werden.“ Hermann Hesse

Inhalt

Abk  ürzungsverzeichnis  III

I  Einleitung  1

1  Wachsende Bedeutung der DNA-Analytik  1

2  Nachteile klassischer Methoden der DNA-Analytik  3

3  MALDI-TOF Massenspektrometrie zur Analyse von Biomolekülen  4

4  Massenspektrometrie von Nukleinsäuren  7

II  Problemstellung  9

III  Ergebnisse und Diskussion  11

1  Einführung  11

2  Das Pyrrolo 2,3-d pyrimidinsystem  13

2.1  Biologische Bedeutung  13

2.2  Nomenklatur  14

3  Synthese von 7-Deaza-2 -desoxyguanosin und 7-Deaza-2 -desoxyadenosin  15

3.1  Darstellung der Aglykone  15

3.2  Synthese geeigneter Akzeptoren für Glykosidierungsreaktionen  17

3.3  Synthese von Glykosyldonoren  19

3.4  Glykosidierungsreaktionen  23

3.5  Abspaltung der Schutzgruppen aus den Glykosidierungsprodukten  31

4  Chemische Festphasensynthese von Oligodesoxynukleotiden  33

4.1  Die Phosphoamiditmethode  33

4.2  Darstellung von Monomeren für die DNA-Synthese  36

4.3  Benzoyl- und Isobutyryl-Gruppe als exozyklische Aminoschutzgruppen  38

4.4  4-tert-Butylphenoxyessigsäure als Schutzgruppe für exozyklische  

Aminogruppen   42

4.5  Phosphoamiditsynthese  47

4.6  Festphasengebundene Synthese modifizierter Nukleinsäuren  49

5  Enzymatische Darstellung modifizierter Nukleinsäuren  55

5.1  Die Polymerasekettenreaktion  55

5.2  Wahl von Primer-Template-Systemen für die PCR  56

5.3  Wahl einer geeigneten DNA-Polymerase für die PCR  57

5.4  Erfolgreicher Einbau der modifizierten Triphosphate  58

I

5.5 Effektivität des Einbaus von 7-Deazanukleosidtriphosphaten . . . . . . . . . . 58 6 Analytik doppelsträngiger DNA mit Hilfe der MALDI-TOF Massenspektrometrie 63 6.1 Analyse der 103-mer PCR-Produkte aus M13mp18 . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 6.2 Analyse der 99-mer PCR-Produkte aus pHis6Bap . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 6.3 Restriktionsverdau der 99-mer PCR-Produkte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 6.4 Ribomodifizierte Primer zur Darstellung 7-deaza-modifizierter Nuklein-

säuren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 7 Massenspektrometrie einzelsträngiger DNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 7.1 Analytik synthetischer Homopolymere von 7-Deaza-2-desoxyadenosin . 77 7.2 Das Streptavidin-Biotin-System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 7.3 Asymmetrische PCR mit biotinmodifizierten Primern . . . . . . . . . . . . . . . 80 Darstellung und Massenspektrometrie komplett c ⁷ -modifizierter Nuklein-7.4

säuren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 8 DNA-Sequenzanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 8.1 Vermessung einer modifizierten synthetischen DNA-Leiter . . . . . . . . . . . 87 8.2 DNA-Sequenzierung mit Hilfe einer Endonuklease . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 9 Modifikation des Zuckers zur Stabilisierung der DNA . . . . . . . . . . . . . . . 95 9.1 Enzymatische Reaktionen mit 2-Fluoro-2-desoxynukleosidtriphosphaten95 9.2 2-Fluorocytidin in einem synthetischen Oligonukleotid . . . . . . . . . . . . . 96 9.3 Kombination von Basen- und Zuckermodifikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 10 Konzept eines massenspektrometrischen Polymerase-Inkorporations-Assays . . 100 IV Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

V Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

VI Diskussion und Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

VII Experimenteller Teil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

VIII Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175

II

Abkürzungsverzeichnis

3-HPA

A

APS B/W Bio Biotinyl-Bn Benzylbp Basenpaar(e)

Bz C Ci Curie CPG Controlled Pore Glas

chemische Verschiebung (NMR)

ds DCA DCM Dichlormethan DIPEA N,N-Diisopropylethylamin

DMAP DMT DNA DNase I Desoxyribonuklease I DTT Dithiothreitol

J

Extinktionskoeffizient (UV/VIS)

EDTA EE EtBr Ethidiumbromid (5-Ethyl-3,8-diamino-6-phenyl-phenanthridiniumbromid) EtOH Ethanol FAB Fast Atom Bombardment

fwhm G HMDS Hexamethyldisilazan

HOBT HPLC

ib IUPAC m/z Quotient aus Masse und Ladung M Molmasse

MALDI-TOF Matrix Assisted Laser Desorption/Ionization-Time-Of-Flight MeOH Methanol Magnetic Particle Collector ^TM MPC

III

MS N d TP NMR Nuclear Magnetic Resonance

NMWG OD OPC PAGE Polyacrylamid Gelelektrophorese

PCR Pfu PNK RF replikative Form RNA Ribonucleic Acid (Ribonukleinsäure) RP Reversed Phase (Umkehrphase)

RP rpm

ss T Taq Thermus aquaticus

tBPA TBE TE Tris/EDTA TEA Triethylamin TEAA Triethylammoniumacetat

TEMED TFA Tfl Thermococcus literalis TMS Tetramethylsilan Tol Toluoyl-, (4-Methylbenzoyl-)

Tris Tth U Unit (Einheit der Enzymaktivität) UlTma aus Thermotoga maritima isolierte DNA-Polymerase USP universeller Sequenzierprimer v/v Volumen zu Volumen Vent aus Tfl isolierte und in E.coli klonierte und exprimierte DNA-Polymerase VIS visible (Bereich des sichtbaren Lichtes)

IV

I Einleitung

1 Wachsende Bedeutung der DNA-Analytik

Die Desoxyribonukleinsäure (DNA) ist eine der wichtigsten Substanzen überhaupt: Da die genetische Information aller lebender Organismen in ihrer Struktur kodiert wird, ist sie das Molekül des Lebens ^1,2 . Beim Menschen besteht das komplette Genom aus etwa 300,000 Genen auf insgesamt 24 Chromosomen ³ . Jedes Gen kodiert dabei ein bestimmtes Protein, das nach seiner Expression via Transkription und Translation eine bestimmte biochemische Aufgabe in der lebenden Zelle ausübt. Mutationen, d. h. Veränderungen der DNA Sequenz, können in klinisch manifesten Krankheitsbildern resultieren, indem sie zur Expression von Proteinen führen, die eine veränderte biochemische Aktivität zeigen, oder in einigen Fällen diese sogar komplett verlieren. Man unterscheidet verschiedene Arten von Mutationen; diese umfassen Nukleotiddeletion, -insertion oder -austausch (d.h. Punktmutation).

Mehr als 3,000 genetisch bedingte Krankheiten sind inzwischen bekannt ⁴ , darunter z.B. Alzheimer ⁵ , Mukoviszidose (zystische Fibrose ^6,7,8 ), sowie bestimmte Arten der Hämophilie oder der Muskeldystrophie ⁹ . Neben vererbbaren Krankheiten, die auf die Mutation bestimmter Gene zurückzuführen sind, können auch bestimmte Geburtsfehler auf chromosomalen Abnormalitäten beruhen wie z.B. die recht verbreitete Trisomie 21 (eines von 700 Lebendgeborenen betroffen) oder das auf einer Aneuploidie der Geschlechtschromosomen beruhende Klinefelter-Syndrom (XXY, einer von 590 lebendgeborenen Männern). Darüber hinaus gibt es zunehmend Hinweise, daß das Vorhandensein bestimmter DNA-Sequenzen ein Individuum für eine Reihe von Krankheiten besonders prädisponieren kann. So zum Beispiel für Diabetes, Arteriosklerose, Obesitas, eine Reihe von Autoimmunkrankheiten und auch verschiedene Krebsarten wie z.B. Brust-, Gebärmutter- und Lungenkrebs.

Die vollständige Entschlüsselung des menschlichen Genoms ist die Basis, um die Ursachen solcher Krankheiten, die auf genetischen Defekten beruhen, zu verstehen. Dieser enormen Herausforderung für die Naturwissenschaft stellen sich zahlreiche Forschungsgruppen auf der ganzen Welt, die ihre Bemühungen im Rahmen des sogenannten humanen Genom-Forschungsprogramms (Humane Genome Project, HUGO ^10,11,12 ) institutionalisiert haben. Die Teilnehmer haben sich zum Ziel gesetzt, das komplette menschliche Genom bis zum Jahre 2003 zu sequenzieren. Auch wenn der erfolgreiche Abschluß des humanen Genomprojektes oder ähnlich gelagerter Projekte in Landwirtschaft und Tierzucht einen großen Erfolg für die Wissenschaft darstellen wird, so ist aber allein durch das Vorliegen der Sequenz des menschlichen Genoms noch keinerlei Aussage über deren Bedeutung möglich.

1

Es wird sich daher eine zweite Phase des vergleichenden Sequenzierens und der Katalogisierung der genetischen Varianz zwischen den verschiedenen Individuen anschließen müssen ¹³ . Das hiermit verbundene immens hohe Probenaufkommen erfordert Verfahren, die eine schnelle und kostengünstige DNA-Analytik ermöglichen. Für diese zweite Phase rechnet man mit einem Zeitbedarf von ca. 40 Jahren bei weiterer Anwendung etablierter Verfahren.

Nimmt man an, daß lediglich ein Promille aller Nukleotide heterozygot ist, bedeutet dies, daß die Nukleotidsequenz zweier verglichener Gene bei unterschiedlichen Individuen niemals identisch sein wird, ohne das es sich hierbei um eine Mutation im eigentlichen Sinne handelte ¹⁴ . In den meisten Fällen wird sich daher ein Phänotyp nicht einfach aufgrund einer einzigen spezifischen Veränderung der Nukleotidsequenz zuordnen lassen. Ein Phänotyp wird viel häufiger auf einer ganzen Reihe von unterschiedlichen Veränderungen in einem oder mehreren Genen beruhen. Zu entwickelnde Methoden der DNA-diagnostischen Zuordnung von Krankheitsbildern werden also in solchen Fällen darauf angewiesen sein, das gesamte Gen, oder sogar mehrere Kombinationen von Genen, auf Mutationen hin zu untersuchen ¹⁵ . Diese Anforderungen können kaum mit konventionellen auf Gelchromatographie oder Hybridisierung basierenden Sequenzierverfahren in einer angemessenen Zeit und mit der notwendigen Präzision bewältigt werden.

Statistische Überlegungen zeigen, das bereits relativ kurze Nukleinsäuresequenzen verwendet werden können, um normale und defekte Gene in höheren Organismen eindeutig zu identifizieren. Viren und andere infektiöse Mikroorganismen (z.B. Bakterien, Pilze, Hefen und Protisten) enthalten Nukleinsäuresequenzen, die sich von denen des Trägerorganismus unterscheiden lassen. Daher lassen sich infizierte Organismen allein auf Grundlage dieser spezifischen DNA Sequenzen entdecken und identifizieren ^16,17 . DNA Sequenzen können sogar als individueller Fingerabdruck dienen, um verschiedene Individuen derselben Spezies zu unterscheiden ¹⁸ . Eine Methode, die z.B. zur Aufklärung von Sexualdelikten in Form des DNA-Fingerprinting seit einiger Zeit in die moderne Forensik Einzug genommen hat ^19,20 . Durch diese vielfältigen Anwendungen ergibt sich zusätzlich ein großer Bedarf für schnelle, zuverlässige und preiswerte Verfahren zur DNA-Analytik mit möglichst hohem Probendurchsatz.

2

2 Nachteile klassischer Methoden der DNA-Analytik

Voraussetzung für die stetig zunehmende Rolle, die Methoden zur DNA-Analyse ²¹ in Grund-lagenforschung und klinischer Diagnostik spielen, war die Entwicklung effizienter Techniken zur spezifischen Vervielfältigung von DNA. Eine der wichtigsten Entwicklungen auf diesem Gebiet stellt die Polymerase-Ketten-Reaktion (PCR) dar. Diese 1985 von Mullis und Saiki vorgestellte Methode ^22,23 erlaubt die selektive Vervielfältigung des in der jeweiligen Fragestellung interessanten Analytmoleküles, eines spezifischen DNA-Fragmentes (auch als Template oder Matrize bezeichnet), aus einer heterogenen Population von DNA-Sequenzen. In der Theorie kann man ausgehend von einem einzigen DNA-Molekül in kurzer Zeit ohne großen Aufwand Kopien in jeder gewünschten Menge anfertigen. Insbesondere die Entdekkung thermostabiler DNA Polymerasen (z.B. aus Thermus aquaticus) hat erheblich zur Verbesserung des Prozesses beigetragen ²⁴ . Die zunehmende Bedeutung der Pathogendetektion auf Nukleinsäure-Basis wird durch aktuelle Änderungen im Verordnungswesen zur Blutproduktsicherheit unterstrichen. So müssen seit dem 01.04.1999 alle in Deutschland in den Verkehr gebrachten Blutprodukte mittels geeigneter Nukleinsäure Amplifikationstechniken, also z.B. der PCR, auf die Nachweisbarkeit des Genoms von Hepatitis C überprüft werden ²⁵ .

Ungeachtet der geschilderten Fortschritte und der Bedeutung der DNA Diagnostik ist ihr Einsatz im Routinebetrieb klinischer Laboratorien im Vergleich zu immunologischen Methoden noch immer eingeschränkt. Hauptursache hierfür sind die bisher nur schwer zu automatisierenden und arbeitsintensiven Verfahren ²⁶ . Zum Nachweis von DNA gibt es eine Reihe von Methoden. So können Nukleinsäuresequenzen mit Hilfe der Gelelektrophorese durch Vergleich der Mobilität eines amplifizierten Nukleinsäure-Fragmentes mit einem bekannten Standard oder durch Hybridisierung ^27,28 mit einer zu der zu identifizierenden komplementären Nukleinsäuresequenz identifiziert werden.

Die Identifizierung ist jedoch bei diesen Methoden stets nur indirekt und erfordert die Anwesenheit einer wie auch immer gearteten Reporterfunktionalität, die mit hoher Nachweisempfindlichkeit detektiert werden kann. Solche Funktionalitäten sind z.B. Radioaktivität, wobei insbesondere die Isotope ³² P und ³⁵ S zum Einsatz kommen, Fluoreszenz ²⁹ oder Chemilumineszenz ³⁰ . Radioaktives Markieren ist mit Gefahren für Mensch und Umwelt verbunden, und die Intensität des erzeugten Signals nimmt im Laufe der Zeit, in Abhängigkeit von der Halbwertzeit des zur Markierung verwendeten Isotopes, ab. Andere Arten der Markierung (z.B. Fluoreszenz) haben den Nachteil geringerer Empfindlichkeit und abnehmender Signalstärke, wenn Laser hoher Intensität zur Anregung verwendet werden.

3

Darüber hinaus sind die Vorgänge von Labelling, Elektrophorese und anschließender Detektion zeitaufwendig, mühsam und vor allem fehlerbehaftet. Insbesondere die Elektrophorese ist äußerst anfällig für Fehler, da Größe bzw. Molekulargewicht einer Nukleinsäure nicht direkt mit der Mobilität korrelieren, welche hier aber als Messgröße verwendet wird. Man kennt eine Vielzahl sequenzspezifischer Effekte, Sekundärstrukturen und anderer Interaktionen mit der Gelmatrix, die Artefakte hervorrufen ^31,32 .

3 MALDI-TOF Massenspektrometrie zur Analyse von Biomolekülen

Die Massenspektrometrie stellt ein Verfahren dar, um distinkte Moleküle zu „wägen“. Sie zählt daher wohl unbestritten zu den heute leistungsfähigsten Methoden der instrumentellen Analytik in der organischen Chemie und hat sich zum Nachweis und bei der Identifizierung unterschiedlichster Substanzen bis in den extremen Spurenbereich als Methode der Wahl etabliert. Es ist nicht verwunderlich, daß mit zunehmender Bedeutung der Biochemie und Biotechnologie in den letzten Jahren immer wieder versucht wurde, den Einsatzbereich massenspektrometrischer Verfahren durch neue Ionisierungstechniken auf biochemisch relevante Substanzklassen zu erweitern, an denen die klassische Elektronenstoßionisation (EI) oder auch die chemische Ionisation (CI) scheitern. Bei diesen und verwandten Verfahren erfolgt die Ionisation bei reduziertem Druck in der Gasphase. Die Voraussetzung dafür ist, daß sich die Probe unzersetzt verdampfen läßt, was aber bei den meisten polaren, thermisch labilen und sehr großen Biomolekülen mit ihrem fast nicht existenten Dampfdruck nur äußerst selten gegeben ist.

Seit den 70er ^33,34 Jahren werden Laser in der organischen Massenspektrometrie eingesetzt. Die Laserdesorption (LD) gelang allerdings zunächst nur bei relativ kleinen Molekülen und hatte daher wenig praktische Bedeutung. Überwunden wurde dies durch die fast zeitgleiche Einführung des matrixunterstützten Laserdesorptionsverfahrens (MALD) durch Hillenkamp und Karas ^35,36,37 bzw. Tanaka ³⁸ im Jahre 1988. Da sowohl die Laserdesorption seit den 70er Jahren als auch die TOF-Technologie sogar schon seit den 50er Jahren bekannt waren, ist die enorme Zeitverzögerung kaum begreiflich, bis eine Kombination der beiden Methoden endlich Einzug in die moderne Massenspektrometrie gefunden hat.

Bei dieser Methode wird die zu untersuchende Probe mit einem 100- bis 1000 fachen Überschuß einer sogenannten Matrix verdünnt, auf einem Probenteller kokristallisiert und im Hochvakuum des Massenspektrometers einem intensiven Impuls kurzwelliger Laserstrahlung von wenigen Nanosekunden Dauer ausgesetzt. Typische Matrixsubstanzen sind kleinere aromatische Säuren, wie etwa Nikotinsäure, Sinapinsäure oder Dihydroxybenzoesäure (DHB ³⁹ ),

4

die mit ihren %-Elektronensystemen Licht im Wellenlängenbereich des jeweils verwendeten

Lasers absorbieren können ⁴⁰ . Bei den zur Anwendung kommenden Lasern handelt es sich häufig um Impulsfestkörperlaser (Nd-YAG-Laser im Wellenlängenbereich von 355 bzw. 266 nm) oder um Stickstoff-Gaslaser (mit einer Wellenlänge von 337 nm), wie in allen im Rahmen dieser Arbeit verwendeten Massenspektrometern. Die Einkopplung der für die Desorption notwendigen Energie erfolgt über die resonante elektronische Anregung der Matrixmoleküle.

Abbildung 1: Schematische Darstellung der wichtigsten Elemente eines MALDI-TOF

Massenspektrometers

Die zunächst von den Matrixmolekülen aufgenommene elektronische Anregungsenergie wird in extrem kurzen Zeiten in das Gitter des Festkörpers relaxiert und bewirkt dort eine starke Störung und Aufweitung. Was folgt, ist ein Phasenübergang weit außerhalb des thermischen Gleichgewichtes, der wohl am ehesten als explosive Auflösung eines Mikrobereiches des Probenfestkörpers zu beschreiben ist ⁴¹ , wobei neben den Matrix- auch die Probenmoleküle unzersetzt freigesetzt werden. Erst jetzt erfolgt durch Protonentransfer mit photoionisierten, d.h. radikalischen Matrixmolekülen die Bildung von elektrisch geladenen Probenmolekülen. In einem elektrostatischen Feld werden nun je nach Polarität positive oder negative Ionen von der Probenoberfläche in Richtung des Analysators beschleunigt. Bei den in Kombination mit der matrixunterstützten Laserdesorption eingesetzten Massenanalysatoren handelt es sich in der Regel um Flugzeitmassenspektrometer (TOF = time of flight), bei denen die Massen-

5

bestimmung über eine sehr genaue elektronische Messung der Zeit, die zwischen dem Start der Ionen in der Quelle bis zum Eintreffen am Detektor vergeht, erfolgt. Eine deutliche Verbesserung der Massenauflösung erhält man dabei durch Verwendung eines Ionenreflek-tors ^42,43 zur Verlängerung der Flugstrecke (vgl. Abbildung 1 zum schematischen Aufbau eines MALDI-TOF Massenspektrometers) ⁴⁴ .

Mit Hilfe der matrixunterstützten Laserdesorption/Ionisation (MALDI), als einer „weichen“ Desorptions- und Ionisationsmethode, in Verbindung mit einem Flugzeitmassenspektrometer gelang der Massenspektrometrie endlich der Durchbruch auch in der biochemischen Analytik. Die MALDI-TOF Massenspektrometrie entwickelt sich seitdem zunehmend zu einer Alternative zu den in der Biochemie/Molekularbiologie etablierten Methoden der Molekulargewichtsbestimmung. Diese Methode bringt im Vergleich zur Molekulargewichtsbestimmung über Gelfiltration, Gelelektrophorese oder Dichtegradientenultrazentrifugation eine Reihe entscheidender Vorteile mit sich:

• Kürzere Analysendauer bei minimaler Probenvorbereitung

• Minimaler Probenbedarf (Attomol für Proteine)

• Hohe Massengenauigkeit und -auflösung

• Reproduzierbarkeit

• Die Verwendbarkeit auch für Probengemische

• Einfach zu interpretierende Massenspektren, da wenig Fragmentierung beobachtet wird

• Separation und Detektion in einem Arbeitsgang

Insbesondere in Bereichen mit hohem Probenaufkommen bietet die MALDI-TOF MS im Vergleich zu gelelektrophoretischen Verfahren einen enormen Vorteil durch das hohe Automatisierungspotential des Verfahrens. MALDI hat sich in kürzester Zeit zu einem wirkungsvollen Werkzeug in der biologischen Massenspektrometrie entwickelt ⁴⁵ . Insbesondere bei der Charakterisierung von Proteinen und Peptiden hat MALDI bedingt durch den hohen verfügbaren Massenbereich seine Stärken bewiesen, es wurden Proteine mit Molmassen über 200,000 g/mol detektiert ⁴⁶ . Ursprünglich vor allem zur Protein- und Peptidanalytik entwickelt, haben zahlreiche Modifikationen der Technik den erfolgreichen Transfer auch auf eine Vielzahl anderer organischer Biopolymere ^47,48 wie Oligosaccharide/Kohlenhydrate, Ganglioside und Oligonukleotide, ebenso wie auf synthetische organische Polymere mit Molekulargewichten von bis zu 1.5 Millionen g/mol ermöglicht ^49,50 .

6

4 Massenspektrometrie von Nukleinsäuren

Die Analyse von Nukleinsäuren ist mit besonderen Schwierigkeiten verbunden, da es sich hierbei um äußerst polare Biopolymere handelt, die nur sehr schwer zu verdampfen sind. Daher waren Verfahren, die auf einer Desorption mittels Fast Atom Bombardement (FAB) oder Plasma Desorption (PD) beruhten, auf die Detektion synthetischer Oligonukleotide sehr geringer Masse beschränkt ^51,52 . Auch der MALDI-Prozeß erwies sich bei dieser Substanzklasse als nicht trivial und zudem äußerst abhängig von der verwendeten Matrix. Ein Matrixgemisch aus 3-Hydroxypikolinsäure (3-HPA ⁵³ ) und Pikolinsäure ⁵⁴ erlaubte es erstmals, auch längere DNA-Stränge zu detektieren ⁵⁵ ; wobei trotz hoher Analytmenge und großem Aufwand bei der Probenvorbereitung nur eine sehr geringe Auflösung und Signalintensität erzielt werden konnte. Erste Ergebnisse mit kleineren Oligodesoxynukleotiden haben zur Erforschung der Einsatzmöglichkeiten der Massenspektrometrie für DNA-Screening und -Sequenzierung ermutigt ⁵⁶ .

Es ist bekannt, daß DNA in Lösung nur eine begrenzte chemische Stabilität besitzt, wobei die N-glykosidische Bindung zwischen einer Purinbase und der Zuckereinheit die höchste Hydrolyseempfindlichkeit aufweist. So findet man spontane Depurinierung mit nachfolgender Hydrolyse der Phosphodiesterbindung an den so entstandenen apurinischen Stellen unter physiologischen Bedingungen in Lösung erstaunlich häufig. Ein ähnliches Phänomen beobachtet man auch bei der MALDI-TOF Massenspektrometrie von Oligodesoxyribonukleotidfragmenten als einen entscheidenden Beitrag zur Verschlechterung der detektierten Signale. Insbesondere bei Oligodesoxynukleotiden mit hohem Desoxyguanosinanteil wurde das Auftreten von Signalen niedrigerer Massen, die durch Depurinierung verursacht wurden, beobachtet ⁵⁷ . Als illustratives Beispiel zeigt Abbildung 2 das Massenspektrum eines 19-mer PCR-Primers. Neben dem Signal des Molekülions von (M+H) ⁺ = 5822 u ist eine Serie von Fragmentierungssignalen zu sehen.

Um die bei der DNA-Sequenzierung nach den Verfahren von Maxam/Gilbert ⁵⁸ oder Sanger ^59,60,61 eingesetzte zeitaufwendige Gelelektrophorese zur Analyse der Produkte der Sequenzierreaktion durch die bedeutend schnellere, empfindlichere und aussagekräftigere Methode der Molmassenbestimmung mit Hilfe der Massenspektrometrie ersetzen zu können, müssen u.a. noch wesentliche Vorgänge bei der Desorption und Ionisation von DNA besser verstanden werden. Insbesondere im Bereich höherer Massen (Moleküle mit 200-300 Nukleotiden) liegen sowohl Massenauflösung als auch Nachweisgrenze um mindestens eine Größen-ordnung unter den Werten, die man für das Sequenzieren benötigt ^62,63 .

7

Abbildung 2: Massenspektrum eines 19-mer Oligonukleotids, das als Primer in

der Polymerasekettenreaktion verwendet wird. Das Signal bei M = 5822 u steht

für das einfach protonierte (M+H) ⁺ Molekülion. Begleitet wird das Signal von den

Tochterionen I und II, welche aus Depurinierung hervorgegangene Fragmentionen

darstellen [(M-A+H) ⁺ und (M-A-G+H) ⁺ ].

Möchte man die Massenauflösung nachhaltig verbessern, gibt es unterschiedliche Ansätze. Enormen Einfluß auf die erzielten Ergebnisse hat die Wahl der verwendeten Matrix, mit der die Analytlösung kokristallisiert wird ^64,65,66 . Ein wichtiger Ansatzpunkt ist sicherlich die Optimierung des MALDI-Prozesses selbst durch die Entwicklung neuer Geräte. Sehr große Fortschritte konnten z.B. mit der Technik der verzögerten Fokussierung (delayed ion extraction, DE) erzielt werden ^67,68 . Allerdings bietet diese Methode nur im Bereich geringerer Massen bis ca. 10,000 g/mol entscheidende Vorteile.

Neben der Optimierung dieser äußeren Parametern, bietet sich aber auch die Stabilisierung des zu untersuchenden Moleküls durch chemische Modifikation an. Diese Strategie bietet den entscheidenden Vorteil, daß so auch auf bereits vorhandenen Massenspektrometern bessere Meßergebnisse erhalten werden können. Mit diesem Aspekt soll sich nun die hier vorliegende Arbeit beschäftigen:

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II Problemstellung

Bei der Depurinierung von Nukleotiden in Lösung wurde das Vorliegen eines niedrigen pH-Wertes als beschleunigender Faktor beobachtet ^69,70 . In Abbildung 3 ist das Modell eines A 1 -Mechanismus vorgestellt, wie er für die säurekatalysierte Hydrolyse von Desoxypurinnukleosiden angenommenen wird ^71,72,73 . Nach diesem Modell wird die hydrolytische Spaltung der N-glykosidischen Bindung durch Protonierung am N ⁷ -Atom der Purinbase eingeleitet. Das protonierte Nukleosid dissoziiert in dem sich anschließenden, geschwindigkeitsbestimmenden Schritt zum freien Purin und einem Carbeniumion. Letzteres reagiert sofort mit Wasser zur freien Desoxyribose. Ersetzt man das N ⁷ -Stickstoffatom des Purinringsystem durch eine Methineinheit, erwartet man eine erhöhte Stabilität eines solchen Nukleosides gegen saure Hydrolyse, da die initiale Protonierung an N ⁷ nun nicht mehr möglich ist. Tatsächlich beobachtet man in Lösung eine drastisch erhöhte Stabilität von 7-Deazapurinnukleosiden ⁷⁴ gegenüber saurer Hydrolyse.

^H 2 N

HO

Abbildung 3: Darstellung eines möglichen Mechanismus zur säurekatalysierten Depurinierung

von 2-Desoxyguanosin in wässriger Lösung

Man kann sich leicht vorstellen, daß die auch bei der Desorption und Ionisation von Proben im MALDI-Prozeß zu beobachtende Depurinierung auf einen ähnlichen Mechanismus zurückzuführen ist und zwar infolge einer Wechselwirkung der DNA-Probe mit der sauren Matrix (z.B. 3-Hydroxypikolinsäure) oder durch intramolekularen Protonentransfer ausgehend vom Phosphatrückgrat des Oligonukleotides.

9

Im Rahmen dieser Arbeit sollte daher untersucht werden, welche Auswirkungen ein anteiliger Austausch von 2-Desoxyadenosin und -guanosin durch die entsprechenden C ⁷ -Isosteren auf das Verhalten eines Oligodesoxynukleotides unter den Bedingungen der Laserdesorption hat. Das Ersetzen des N ⁷ -Stickstoffes durch eine Methineinheit bewirkt das Fehlen eines Akzep-tors für Wasserstoffbrückenbindungen pro Purinbase. Neben schärferen Signalen durch geringere Fragmentierung, insbesondere bei längeren Oligonukleotiden, könnte dies auch ein verändertes Desorptions- und Ionisationsverhalten des Moleküls mit sich bringen.

Um zu modifizierten Nukleinsäuren zu gelangen, sollten in Rahmen dieser Arbeit zwei Wege parallel verfolgt werden (vgl. Abbildung 4):

Zum einen die enzymatische Synthese modifizierter Nukleinsäuren, z.B. unter Verwendung der Triphosphate 7-Deaza-A d TP und 7-Deaza-G d TP als Substrate in enzymatischen Reaktionen wie der Polymerasekettenreaktion (PCR) an Stelle von A d TP und G d TP. Allerdings hatten Untersuchungen von Seela ⁷⁵ gezeigt, daß bei Verwendung der Taq DNA-Polymerase 7-Deaza-A d TP nicht als Substrat akzeptiert wird, so daß zunächst geeignete Enzyme gefunden werden mußten. Weiterhin sollten geeignete Methoden der Probenaufbereitung und -konditionierung für die MALDI-TOF Massenspektrometrie weiterentwickelt werden.

Ein weitere Aufgabe bestand in der chemische Darstellung von Oligodesoxynukleotiden durch Verwendung von basenmodifizierten Synthesebausteinen. Hierzu sollten die Nukleoside 7-Deaza-2-desoxyadenosin und 7-Deaza-2-desoxyguanosin dargestellt und anschließend in die mit passenden Schutzgruppen versehenen, als Synthesebausteine in der chemischen Oligodesoxynukleotidsynthese verwendeten, Phosphoamidite ⁷⁶ überführt werden. Die so hergestellten Oligodesoxynukleotide könnten dann direkt zur Untersuchung in MALDI-TOF Massenspektrometrie verwendet werden. Vor allem aber könnten sie als Oligonukleotidprimer zusammen mit modifizierten Triphosphaten in enzymatischen Reaktionen eingesetzt werden. Nur mit dem Einsatz modifizierter Primer wäre es möglich, das Ziel der Herstellung vollständig basenmodifizierte Nukleinsäuren zu erreichen.

10

III Ergebnisse und Diskussion

1 Einführung

Der Weg zur Bearbeitung der oben beschriebenen Problemstellung ist zusammenfassend in Abbildung 4 in Form eines Flußdiagramms festgehalten. Um zu modifizierten, synthetischen Nukleinsäuren zu gelangen, müssen zunächst die entsprechenden Synthone für die chemische DNA-Synthese dargestellt werden. Mit diesen Aspekten beschäftigt sich der folgende Abschnitt der Arbeit. Daran schließt sich ein Kapitel über die chemische DNA-Synthese an, gefolgt von der enzymatischen Darstellung modifizierter Nukleinsäuren. Die Arbeit setzt sich fort mit der ausführlichen Beschreibung und Diskussion der Auswirkungen der gewählten Modifikationen auf die Eigenschaften von Nukleinsäuren bei der MALDI-TOF Massenspektrometrie in verschiedenen Anwendungen wie PCR-Analytik und DNA-Sequenzierung, wobei unterschiedliche Verfahren zur Probenkonditionierung sowie weitere chemische Modifikationen diskutiert werden.

Um zu basenmodifizierten Synthesebausteinen für die chemische Synthese von Oligodesoxynukleotiden zu gelangen, benötigt man zunächst das jeweilige Nukleosid in präparativen Mengen. Im Gegensatz zum N ⁷ -Deazaadenosin (Tubercidin, Abbildung 5: 31) ist sein 2-Desoxyanalogon 35 (vgl. Abbildung 18) bisher nicht aus natürlichen Quellen isoliert worden. Nur die Triphosphate, 7-deaza-A d TP und -G d TP, die durch enzymatische Synthese

relativ leicht aus der jeweiligen Riboform zugänglich ²⁰ sind, können im molaren Maßstab für

enzymatische Reaktionen käuflich erworben werden. Daher blieb für diese Arbeit nur der Weg der Totalsynthese der modifizierten 2-Desoxynukleoside. Dies gelingt ganz allgemein durch Glykosidierung geeigneter 7H-Pyrrolo[2,3-d]pyrimidine mit einem entsprechenden Desoxy-ribosyldonor, in der Regel einer Halogenose ⁷⁷ . Nach weiterer Umwandlung des Reaktionsproduktes in das gewünschte Nukleosid wird dieses mit für die chemische Oligodesoxynukleotidsynthese geeigneten, d.h. die exozyklischen Aminogruppe mit einer basen- und die 5-Hydroxyl-Gruppe mit einer säurelabilen, Schutzgruppe versehen. Schließlich gelangt man durch Umsetzung der noch freien 3-OH Gruppe mit N,N-Diisopropyl-cyanoethyl-phospho- chloriditzum Phosphoamiditderivat als Baustein für die chemische DNA-Synthese.

HO

Abbildung 5: Tubercidin und von dieser Struktur abgeleitete Nukleosidantibiotika: 31 = Tuber-

cidin, 31a = Toyocamycin, 31b = Sangivamycin, 31c: Struktur des Nukleosides Q (Queuosin) bzw.

Q* (31d+e).

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2 Das Pyrrolo[2,3-d]pyrimidinsystem

2.1 Biologische Bedeutung

Das Pyrrolo[2,3-d]pyrimidinringsystem, das formal als das Ergebnis der Kondensation eines Pyrrolringes mit einem Pyrimidinring gesehen werden kann, wurde zuerst in der Natur gefunden. Obschon der Stammheterozyklus bereits 1911 ⁷⁸ synthetisiert wurde, gewinnt diese Verbindungsklasse erst ab 1955 in der Literatur an Bedeutung. Im Jahre 1955 wurde aus Streptomyces toyocaensis von Nishimura et al. ⁷⁹ das erste Nukleosid-Antibiotikum isoliert, bei dem gezeigt werden konnte, daß es das Pyrrolo[2,3-d]pyrimidinringsystem enthielt - es wurde Toyocamycin genannt. Durch Totalsynthese und Vergleich mit der aus natürlichen Quellen isolierten Substanz konnte bewiesen werden, daß es sich um 4-Amino-7-(-D-ribo-furanosyl)pyrrolo[2,3-d]pyrimidin-5-carbonitril (Abb. 5: 31a) handelte ⁸⁰ . Das zweite Pyrrolo-[2,3-d]pyrimidinnukleosid, das isoliert wurde, war Tubercidin (31). Es wurde 1957 von Anzai und Mitarbeitern ^81,82 aus Streptomyces tubercidus gewonnen. Auf Grund der großen Ähnlichkeit zu den Purinen, dem natürlichen Auftreten seiner Derivate und der ungewöhnlichen biologischen Eigenschaften entwickelten sich bald große Aktivitäten zur Totalsynthese und biologischen Evaluation ^83,84 dieses Ringsystems, die sich bis in die Gegenwart fortsetzen ^85,86 .

In den darauffolgenden Jahren gelang es, eine Vielzahl von derivatisierten 7-Deazapurinnukleosiden zu isolieren und zu synthetisieren, darunter auch solche die 7-Deazaguanosin als Stammverbindung besitzen. Eine besondere Bedeutung besitzen hierbei die Nukleoside Q (31c) und Q* (31d+e). Die Struktur dieser Nukleoside ist ungewöhnlich, da sie in der Seitenkette am C-7 ein Cyclopentendiol enthalten. Das hypermodifizierte Nukleosid Q nimmt die erste Position, auch Wobble-Position ^87,88 , des Anti-Codons von E.coli Transfer-RNA und der vieler anderer Organismen ⁸⁹ inklusive des Menschen ein. In bestimmten tRNA wird das Nukleosid durch Glycosyltransferasen weiter zum Q* modifiziert ⁹⁰ . Die Verbindung kann nur von Eubakterien de novo synthetisiert werden ⁹¹ und stellt somit für alle Eukarioten einen essentiellen Bestandteil der Nahrung dar. Noch nicht vollständig geklärt ist die Beobachtung, daß in vielen Tumoren keine oder nur zu geringem Anteil Q-haltige tRNA gefunden wird ^92,93 .

Verschiedene Arbeitsgruppen berichteten im Laufe ihrer Forschung mit diesen Verbindungen, daß einige der 7-Deazanukleoside ein sehr hohes klinisches Potential nicht nur als Antibiotika und Virustatika ⁹⁴ , sondern auch als Zytostatika für den Einsatz gegen bestimmte Krebserkrankungen besitzen. So wies Tubercidin zum Beispiel eine hohe Zytotoxizität in Kulturen von Maus-L1210-Leukämiezellen ⁹⁵ auf. Ebenso wird die Verwendung bestimmter 7-Deazanukleotide in der Entwicklung wirksamer Antisense ⁹⁶ -Oligonukleotide diskutiert ^97,98,99 . So groß die Euphorie bei der Entdeckung neuer Wirkstoffleitstrukturen häufig ist, so wurden

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doch nur wenige Pyrrolo[2,3-d]pyrimidinnukleoside tatsächlich für weitergehende klinische Studien ausgewählt, darunter das in Abbildung 5 dargestellte Sangivamycin (31b). Das National Cancer Research Institute (USA) förderte daher Studien der zweiten klinischen Phase bezüglich seiner Wirksamkeit gegen Darmkrebs, Gallenblasenkrebs und akuter myelogener Leukämie (AML) beim Menschen ¹⁰⁰ . Diese Verbindung scheint darüber hinaus auch gegenüber L1210- und P388-Leukämie sowie dem Lewis-Lungenkarzinom ¹⁰¹ wirksam zu sein.

Die biologische Wirkung ist in diesen Fällen darauf zurückzuführen, daß das Nukleosidantibiotikum im Polynukleotidverband die Basenpaarungseigenschaften von Nukleinsäuren verändert und bei der ribosomalen Proteinbiosynthese die Codon/Anticodon-Wechselwirkung beeinflußt ¹⁰² . Vor kurzem wurden auch N ⁷ -Deaza-2-desoxypurinnukleotide für den Einsatz in der Krebschemotherapie als eine neue Klasse von Telomerase-Inhibitoren ¹⁰³ vorgeschlagen. Bei der Telomerase handelt es sich um eine terminale Transferase, die nur in Krebszellen Aktivität zeigt und dort eine bedeutende Rolle für Chromosomenorganisation und -stabilität übernimmt.

2.2 Nomenklatur

Man bezeichnet den Heterozyklus Pyrrolo[2,3d]pyrimidin auch als 7-Deazapurin oder 7-Carbapurin, um zu verdeutlichen, daß man sich dieses Molekül als ein Purin vorstellen kann, in dem formal das N ⁷ -Atom des Puringerüstes durch eine Methingruppe ersetzt wurde.

Die Numerierung des Purins unterscheidet sich wie in Abbildung 6 dargestellt von der des Pyrrolo[2,3-d]pyrimidin. Bei letzterem erhalten, wie von IUPAC vorgeschlagen, C-Atome in Anellierungsposition die Bezifferung des vorhergehenden peripheren Atoms unter Zusatz eines kleinen Buchstabens zur Kennzeichnung der Brückenpositionen. Beim Purin hingegen werden alle Atome gleichwertig durchnumeriert. Aus Gründen der Konformität mit der vorhandenen Literatur wurde auch in dieser Arbeit die unterschiedliche Numerierung für Pyrrolo[2,3-d]pyrimidin- und Purinderivate beibehalten. 3 Synthese von 7-Deaza-2-desoxyguanosin und 7-Deaza-2-desoxyadenosin

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3.1 Darstellung der Aglykone

Ein einfacher Weg, der zur Verbindungsklasse der Pyrrolo[2,3-d]pyrimidine führt, geht auf eine Arbeit von Davoll ^104,105,106 zurück. Durch Ringsynthese wurden 4-Aminopyrimidine dargestellt, die in der 5-Position eine als Acetal geschützte Acetaldehydgruppe trugen. Die durch saure Hydrolyse freigesetzten Aldehyde ließen sich anschließend zu den korrespondierenden Pyrrolo[2,3-d]pyrimidinen zyklisieren (vgl. Abbildung 7).

Zur Synthese von 4-Amino-5-(2,2-diethoxyethyl)pyrimidinen wurde von 2-Cyano-4,4-diethoxybuttersäureethylester (1) ausgegangen, der leicht durch Alkylierung von Cyanessigsäureethylester mit Bromacetaldehyddiethylacetal in Gegenwart von Kaliumcarbonat und einer katalytischen Menge Natriumiodid in 40-50 % Ausbeute erhalten werden konnte. Die Kondensation des Nitrils mit Guanidin oder Thioharnstoff in ethanolischem Natriumethylat lieferte die Pyrimidinderivate 2,6-Diamino-5-(2,2-diethoxyethyl)pyrimidin-4-ol ¹⁰⁷ (2) in 50 %iger und 6-Amino-5-(2,2-diethoxyethyl)-2-mercaptopyrimidin-4-ol ¹⁰⁸ (3) in 62 %iger Ausbeute. Die Betrachtung der ¹ H-NMR Daten (vgl. Tabelle 1, S.18) legt nahe, daß in Verbindung 3 die Carbonylgruppe im Gegensatz zu 2 nicht als Enol vorliegt, da nur für letztere das Signal einer Hydroxylgruppe im ¹ H-NMR-Spektrum zu finden war. Somit müßte der Name in Abweichung von der Literatur korrekterweise 6-Amino-5-(2,3-diethoxyethyl)-2-mercapto-pyrimidin-4-on lauten.

Eine anschließende Behandlung von 2 mit 0.2 mol/L Salzsäure bei Raumtemperatur bewirkte den Ringschluß zum 2-Amino-3,7-dihydropyrrolo[2,3-d]pyrimidin-4-on (4) nach drei Stunden in 83 % Ausbeute. Die Synthese von 5 aus 3 gelang entsprechend nach 24 Stunden in 90 % Ausbeute. Das ¹ H-NMR-Spektrum (vgl. Tabelle 1) zeigte für letztere Verbindung stets das Signal einer Hydroxylgruppe in 4-Position. Verbindung 5 sollte daher abweichend von der Literatur korrekterweise als 3,7-Dihydro-2-mercapto-pyrrolo[2,3-d]pyrimidin-4-ol bezeichnet werden. Reduktive Entschwefelung von 5 mit Raney-Nickel in verdünnter ammoniakalischer Lösung führte schließlich zu 2-unsubstituiertem 7-Deazahypoxanthin (6) als Basenprecursor für 7-Deaza-2-desoxyadenosin in 70 %iger Ausbeute. Die dreistufige Synthese von 7-Deazaguanin (2-Amino-3,7-dihydropyrrolo[2,3-d]pyrimidin-4-on, 4) gelang in insgesamt 15-20 %iger Ausbeute. 7-Deazahypoxanthin (3,7-Dihydropyrrolo[2,3-d]pyrimidin-4-on, 6) konnte ganz analog in vierstufiger Synthese mit einer Ausbeute von 10-15 % dargestellt werden.

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2-Amino-3,7-dihydropyrrolo-

[2,3-d]pyrimidin-4-on, 4

Abbildung 7: Darstellung von 2-Amino-3,7-dihydropyrrolo[2,3-d]pyrimidin-4-on und 3,7-

Dihydropyrrolo[2,3-d]pyrimidin-4-on

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3.2 Synthese geeigneter Akzeptoren für Glykosidierungsreaktionen

3,7-Dihydro-4H-pyrrolo[2,3-d]pyrimidin-4-on-derivate werden in basischen Medien bevorzugt am N ³ -Atom methyliert ¹⁰⁹ und scheiden somit als Vorstufe für die Synthese von Nukleosiden aus. Voraussetzung für eine selektive 7-Alkylierung ist daher der Schutz des tautomeriefähigen Lactams. Außerdem kann man durch geeignete Substitution des Aglykons die Löslichkeit in organischen Lösungsmitteln erhöhen. Unter diesen Randbedingungen als besonders geeignet haben sich 4-Chlorverbindungen erwiesen, die im Anschluß an die N-Glykosidierung leicht in das gewünschte 7-Deazaguanin bzw. 7-Deazaadenin-Derivat überführt werden konnten.

Die Chlorierung von 7-Deazaguanin zu 2-Amino-4-chlor-7H-pyrrolo[2,3-d]pyrimidin (8) gelingt nach Seela mit Phosphorylchlorid in Gegenwart von N,N-Dimethylanilin nur in mäßiger Ausbeute ¹¹⁰ . Daher wurde zunächst eine von Robins ¹¹¹ beschriebene Methode verwendet, die mit äquimolaren Mengen Phosphorylchlorid in Acetonitril und in Gegenwart von N,N-Dimethylanilin und eines quartären Ammoniumsalzes (TEBA) arbeitet. Es konnten hierbei Ausbeuten von bis zu 76 % erzielt werden, wobei das eingesetzte N,N-Dimethylanilin zur Vermeidung von Ausbeuteverlusten stets am selben Tag frisch destilliert sein mußte.

HN

H 2 N

Abbildung 8: Umwandlung der Purinbasen in geeignete Akzeptoren für eine Glyko-

sidierungsreaktion

17

In Anlehnung an eine Vorschrift von Davoll ¹¹² konnte auch in Phosphorylchlorid bei Gegenwart einer nur katalytischen Menge N,N-Dimethylanilin und ohne Lösungsmittel eine ebenso gute Ausbeute (70 %) an chloriertem Produkt erzielt werden. Aufgrund der recht hohen Toxizität von N,N-Dimethylanilin und des Lösungsmittels Acetonitril ist dieser Variante daher eindeutig der Vorzug zu geben. Ganz entsprechend konnte 4-Chlor-7H-pyrrolo[2,3-d]pyrimidin (7) aus 6 durch Umsetzung mit Phosphorylchlorid in Gegenwart von N,N-Dimethylanilin in 50 - 60 % Ausbeute erhalten werden. Ein Grund für die geringere Ausbeute ist sicherlich das schlechtere Kristallisationsverhalten der Verbindung. Versuche mit anderen Lösungsmittelsystemen haben aber zu keiner weiteren Steigerung der Ausbeute geführt.

Verb. 2-H 5-H 6-H NH NH 2 SH OH ^{---------5.55/6.03 ---9.92} 2 ^{---6.18 6.6 10.19/10.94 6.01 ------} 4 ^{---6.25 7.08 11.45 6.46 ------} 8 ^{4.67 ---------6.22 11.87 ---} 3 ^{---6.33 6.72 13.15 ---11.82 11.22} 5 ^{7.84 6.42 7.03 11.76/11.84 ---------} 6 ^{8.57 6.59 7.68 12.6 ---------} 7

Tabelle 1: Chemische Verschiebungen der ¹ H-NMR-Signale der Chromophore (D 6 -DMSO)

Verb. 2-C 4-C 4a-C 5-CH 6-CH 7a-C ^{162.70 162.77 83.31 ------153.29} 2 ^{152.1 158.76 99.79 101.47 116.49 151.05} 4 ^{143.01 158.36 107.57 101.88 123.05 154.50} 8 ^{172.86 161.76 85.67 ------152.07} 3 ^{171.74 157.62 102.23 102.85 118.25 138.26} 5 ^{143.01 158.36 107.57 101.88 120.22 147.98} 6 ^{151.14 152.65 117.42 99.64 129.24 151.31} 7

Tabelle 2: Chemische Verschiebungen der ¹³ C-NMR-Signale der Chromophore (D 6 -DMSO)

18

3.3 Synthese von Glykosyldonoren

3.3.1 Darstellung von 1-Chloro-2-desoxy-3,5-di-O-(para-toluoyl)--D-erythro-pentofuranose

Ein geeigneter Glykosyldonor zur Synthese von Nukleosiden sollte leicht darzustellen sein und eine Kopplungsreaktion mit hohen Ausbeuten bezüglich der Regio- und Stereospezifität ermöglichen. Hierzu muß das C-1 eine gute Abgangsgruppe tragen, und die Hydroxylgruppen an C-3 und C-5 müssen mit geeigneten Schutzgruppen versehen werden. Diese Schutzgruppen sollten unter den alkalischen Bedingungen der Glykosidierungsreaktion stabil, aber anschließend hinreichend leicht wieder abspaltbar sein. Auch der Einfluß der Schutzgruppen auf die Stereokontrolle der Reaktion darf nicht vernachlässigt werden. Die Halogenose 1-Chloro-2-desoxy-3,5-di-O-(para-toluoyl)--D-erythro-pentofuranose (12) hat sich unter diesen Randbedingungen zur Darstellung von 2-Desoxy--D-ribonukleosiden etabliert ¹ , auch wenn sie keineswegs alle gestellten Anforderungen erfüllt.

Die Synthese (vgl. Abb. 9, S. 20) gelang in Anlehnung an einen von Hoffer ¹¹³ beschriebenen dreistufigen Reaktionsweg in 30 - 50 %iger Ausbeute. Hierzu wurde im ersten Schritt Desoxyribose in Methanol in der 1-O-Stellung methyliert und das erhaltene Glykosid (10) anschließend in Pyridin mit Toluoylchlorid an den noch freien 3-OH und 5-OH-Gruppen verestert. Hier ist die Stereochemie am C-1 noch offen, so daß die erhaltene 1-O-Methyl-2-desoxy-3,5-di-O-(para-toluoyl)-D-erythro-pentofuranose (11) als ein Gemisch der beiden anomeren Furanoside vorlag.

Ansätze, die über Nacht bei RT gerührt wurden, lieferten unmittelbar nach der Aufarbeitung ein kristallines Produkt. Hingegen ergaben solche, bei denen die Reaktion zwei Stunden bei 40-50C geführt wurde, meistens 11 zunächst als Sirup, der erst im Verlauf mehrerer Wochen langsam kristallin wurde. Da für die nachfolgende Reaktion ein lösungsmittelfreies Edukt gewünscht war, um möglichst hohe Ausbeuten erzielen zu können, wurde der Weg, der unmittelbar das kristalline Produkt lieferte, bevorzugt. Durch NMR-spektrometrische Analyse wurde bestätigt, daß die Verbindung als Furanosid und nicht als ebenfalls denkbares Pyranosid vorlag. Hierfür war entscheidend, daß die Bildung des Methylethers nur in sehr schwach saurer Lösung, kurzer Reaktionszeit und ohne Zufuhr von Wärme durchgeführt wurde, andernfalls wäre die Bildung des Pyranosides bevorzugt ^114,115 .

Bei der nachfolgenden Umsetzung mit HCl/HOAc entstand, durch den anomeren Effekt gesteuert, schließlich das Halogenid 12 ausschließlich als das thermodynamisch stabilere

-Anomere, welches unter den gewählten Reaktionsbedingungen auskristallisierte. Nicht

umgesetztes Edukt konnte vom erhaltenen Produkt leicht durch Waschen mit eiskaltem Ether abgetrennt werden. Die Wahl anderer Lösungsmittel wie z.B. THF und eine Absenkung der Reaktionstemperatur führten nicht zu einer deutlichen Erhöhung der Reaktionsausbeute unter gleichzeitiger Beibehaltung der Stereokontrolle.

Analog werden auch in der Riboreihe an C 1 halogenierte Riboderivate für die Kopplungsreaktion mit Nukleobasen in der Literatur beschrieben. Durch den stabilisierenden Effekt des C 2 Substituenten bedingt ist es in dieser Substanzklasse möglich Glykosyldonoren herzustellen, die Brom als Abgangsgruppe an C 1 tragen wie z. B. die Verbindung 1-Bromo-2,3,5tris-O-benzyl--D-ribofuranose (20). Trotzdem wurde auch für diese Reaktion später eine Chlorverbindung von Seela als geeigneterer Glykosyldonor aufgrund einer höheren Stereo-und Regioselektivität des Reaktionsverlaufen vorgeschlagen: das 5-O[(1,1-Dimethylethyl)-dimethylsilyl]-2,3-O-(1-methylethyliden)--D-ribofuranosylchlorid (16).

20

3.3.2 Darstellung von 5-O[(1,1-Dimethylethyl)dimethylsilyl]-2,3-O-(1-methylethyl-iden)--D-ribofuranosylchlorid (16)

Zur Synthese des Ribosyldonors 16 wurde im ersten Schritt D-Ribose mit Aceton in Gegenwart von 2,2-Dimethoxypropan und einer katalytischen Säuremenge zusammen mit Molekularsieb 4 Å zu 2,3-O-(1-methylethyliden)-D-ribofuranose ^116,117 (14) umgesetzt. Der bei dieser Reaktionsführung entstehende Anteil an Isosteren war so gering, daß das Rohprodukt ohne weitere Aufreinigung mit tert-Butyldimethylchlorsilan ¹¹⁸ und Imidazol in Dimethylformamid zur 5-O-[(1,1-Dimethylethyl)dimethylsilyl]-2,3-O-(1-methylethyliden)--D-ribofuranose (15) umgesetzt werden konnte. Die Reaktionsausbeute über beide Stufen betrug etwa 50 %.

Durch Isolierung und erneute Umsetzung von nicht umgesetztem 14 konnte die Gesamtausbeute auf gut 80 % gesteigert werden. Eine noch höhere Ausbeute dürfte durch die Verwendung des von Johnson ¹¹⁹ kürzlich beschriebenen, deutlich reaktiveren Silylierungsreagenzes N,O-Bis(tert-butyldimethylsilyl)acetamid zu erzielen sein, das zu diesem Zeitpunkt jedoch nicht käuflich zu erwerben war. Die Umsetzung zum reaktiven Chlorid 16 erfolgte schließlich

in THF bei -78 C stereoselektiv durch Umsetzung mit Tris(dimethylamino)phosphan

(HMPT) und Tetrachlorkohlenstoff ¹²⁰ . Die Verbindung wurde ohne weitere Aufreinigung unmittelbar für nachfolgende Reaktionen eingesetzt.

21

3.3.3 Darstellung von 1-Bromo-2,3,5-tris-O-benzyl--D-ribofuranose Auch das Bromoribofuranosylderivat 21 wurde wie auch das Chlorid 16 aufgrund seiner äußerst geringen Stabilität in situ dargestellt. Dies geschah durch Umsetzung von 2,3,5-Tris-O-benzyl-1-O-para-nitrobenzoyl--D-ribofuranose (20) mit einer Lösung von Bromwasserstoff in Dichlormethan ¹²¹ . Die Ausgangsverbindung 20 konnte dabei in vierstufiger Synthese in insgesamt 15 - 20 % Ausbeute aus D-Ribose (13) erhalten werden. Dazu wurde zunächst die 1-O-Position als Methylether durch Umsetzung von D-Ribose in Methanol in Gegenwart von Molsieb und einer katalytischen Säuremenge zu 1-O-Methyl-D-ribose (17) geschützt.

Das ¹³ C-NMR-Spektrum deutete auf ein gleichzeitiges Vorliegen von Furanosid und Pyranosid, wobei letzteres deutlich überwog. In der nächsten Stufe entstand hingegen durch das Einführen sterisch anspruchsvoller Substituenten bevorzugt die Furanoseform. Das kristalline Produkt wurde dann an den verbleidenden Hydroxylgruppen mit Benzylchlorid und KOH zum Benzylether 18 umgesetzt. In 0.1 mol/L Salzsäure wurde der Methylether wieder gespalten und die erhaltene 2,3,5-Tris-O-benzyl-D-ribofuranose (19) konnte schließlich in den Nitro-

benzoylester 20 überführt werden. Das -Anomere wurde als kristalliner Feststoff erhalten, so

daß in der folgenden Reaktion 21 anomerenrein dargestellt werden konnte.

22

3.4 Glykosidierungsreaktionen

3.4.1 Darstellung von Desoxyribonukleosidderivaten

Klassische, auf Schwermetallkatalyse ¹²² beruhende Verfahren zur Glykosidierung von Purinen bieten sich bei Pyrrolo[2,3-d]pyrimidinen nicht an ⁷⁴ , da sich diese Verbindungen durch eine deutlich reduzierte Reaktivität auszeichnen. Dies ist bei einem Vergleich der beiden aromatischen Ringsysteme leicht einzusehen:

Da das freie Elektronenpaar des Pyrrolstickstoffes Bestandteil des aromatischen %-Systems

ist, kann eine Glykosidierung in dieser Position nur erfolgreich sein, wenn das in situ generierte Anion der Nukleobase verwendet wird. Dieses stellt im Gegensatz zur neutralen Base ein gutes Nukleophil dar. Das Anion kann als Intermediat mit Hilfe von flüssig-flüssig ¹²³ oder festflüssig Phasentransferkatalyse oder direkt in einem aprotischen Lösungsmittel unter Einwirkung von starken Basen erzeugt werden. Durch Umsetzung mit einer Halogenose ist auf diesem Wege eine regio- und stereoselektive Knüpfung der N-glykosidischen Bindung zu erreichen.

Der Einsatz von Nukleobaseanionen oder -ionenpaaren in der Nukleosidchemie geht auf Arbeiten von Holy ¹²⁴ und Goto ¹²⁵ zurück, die diese erstmals zur Synthese von Ribonukleosiden einsetzten. Die Glykosidierung von Pyrrolo[2,3-d]pyrimidinen via in situ erzeugter Pyrrolylanionen wurde erstmals mit NaH in DMF beschrieben ⁷⁴ . Im Gegensatz zum Purinsystem ist der Ort der Glykosidierung im Pyrrolring eindeutig, da nur noch ein Stickstoffatom vorhanden ist. Dies ändert allerdings nichts an der Tatsache, daß es im Pyrimidinring über die Atome N ¹ und N ³ zur Bildung von unerwünschten Verknüpfungsprodukten kommen kann. Durch spezielle Reaktionsführung stehen auch das C-7 in 7-Deazapurinen bzw. das C-9 in

23

9-Deazapurinen für eine Glykosidierungsreaktion zur Verfügung. Man gelangt auf diesem Wege zur Verbindungsklasse der C-Nukleoside ^126,127 .

Von Seela wurde 1983 eine Methode zur diastereoselektiven Synthese von 2-Desoxy--Dribonukleosiden mit Hilfe der Phasentransferkatalyse in einem zweiphasigen System aus 50 % Natronlauge und Dichlormethan in Gegenwart quartärer Ammoniumsalze vorgestellt ¹²⁸ , wobei mit Hilfe eines Vibromixers eine intensive Vermischung der Phasen erreicht wurde. 1988 wurde von Seela eine Variante der fest-flüssig Phasentransferkatalyse vorgestellt, die sich eines Kryptanden, Tris-[2-(2-methoxyethoxy)ethyl]amin (TDA-1) ¹²⁹ als Katalysator, Kaliumhydroxid als Base und Acetonitril als aprotischem Lösungsmittel bedient. Hierbei kam es zu deutlich besseren Ausbeuten in der Glykosidierungsreaktion. Auch Kronenether wie 18-Krone-6 eignen sich als Katalysatoren ¹³⁰ . Die Reaktion verdient erst jetzt wirklich die Bezeichnung „diastereoselektiv“, da nun im Gegensatz zur ursprünglichen Variante praktisch

kein ungewünschter Anteil mehr an -Anomeren beobachtet wird.

1984 stellten Kazimierczuk und Robins ein “Sodium salt glycosylation” genanntes Verfahren vor, daß sich Natriumhydrid als Base bedient und Acetonitril als aprotisches Lösungsmittel einsetzt ¹³¹ . Auch für diese Methode wurde 1988 von einer im Vergleich zu früheren Veröffentlichungen deutlich gesteigerte Ausbeute bei der Synthese von 22 berichtet ¹³² . Erstaunlicherweise sollte dies allein durch eine deutliche kürzere Reaktionszeit (zwei statt 16 Stunden) möglich sein. Es verwundert daher nicht, daß im Rahmen dieser Arbeit Ausbeuten erzielt wurden, die mehr denen der ursprünglich für diese Methode beschriebenen entsprechen. Durch Glykosidierung der 4-Chlor-pyrrolo[2,3-d]pyrimidine 7 und 8 mit 1-Chlor-3,5-di-O-(ptoluoyl)--D-erythro-pentofuranose 12 konnten regio- und diastereoselektiv die kristallinen Verknüpfungsprodukte 4-Chloro-7-(2-desoxy-3,5-di-O-para-toluoyl--D-erythro-pentofura-nosyl)pyrrolo[2,3-d]pyrimidin (22) und 2-Amino-4-chloro-7-(2-desoxy-3,5-di-O-para-toluoyl--D-erythro-pentofuranosyl)pyrrolo[2,3-d]pyrimidin (23) erhalten werden (vgl. Abb. 13). Nicht umgesetzte Purinbase konnte aus dem Reaktionsansatz säulenchromatographisch teilweise zurückgewonnen und für weitere Reaktionen eingesetzt werden.

Es liegt die Annahme nahe, daß die Phasentransferglykosidierung einem S N 2-Mechanismus mit einer Waldenumkehr der Konfiguration am 1-C-Atom folgt ¹³³ . Nach anderen in der Literatur beschriebenen Modellen ist ein S N 2-Mechanismus allerdings nicht zwingend zur Erklärung des diastereoselektiven Reaktionsverlaufes notwendig (vgl. Abb. 15). Bei einer deutlichen Erhöhung der eingesetzten Menge an Phasentransferkatalysator überschreitet die

Ausbeute an -Anomer schnell die an erwünschtem -Anomer. Dieses kann entweder auf

24

Abbildung 13: Reaktionen mit 1-Chloro-2-desoxy-3,5-di-O-(para-toluoyl)--D-erythro-

pentofuranose

25

eine beschleunigte Equilibrierung der Anomeren der Halogenose oder aber auf einen Wechsel des Reaktionsmechanismus von S N 2 nach S N 1 zurückgeführt werden ¹³⁴ . Bei allen Glykosidierungsansätzen wurden stets dünnschichtchromatographisch zwei Nebenprodukte mit einer geringeren Polarität als die gebildeten Nukleoside in unterschiedlicher Ausprägung detektiert. Insbesondere bei Ansätzen, bei denen die Ausbeute an Glykosidierungsprodukt besonders niedrig war, wurden diese zum Hauptprodukt. Es wurde offensichtlich ein Teil der Halogenose oder des geschützten Nukleosids unter den basischen Reaktionsbedingungen der Glykosidierung deacyliert. Die freigesetzte Toluylsäure liegt dann als Anion vor und kann mit dem Nukleobasenanion in der nukleophilen Reaktion an der Halogenose konkurrieren. Da im Verlauf der Reaktion die Konzentration des Methylbenzoatanions stetig wächst, kann auch ein weiterer Zusatz an Halogenose den noch nicht umgesetzten Heterozyklus nicht mehr glykosidieren, da nun sofort die Nebenreaktion (vgl. Abb. 14) zu 12a und b überwiegt. Unter diesem Gesichtspunkt ist auch die Tatsache zu bewerten, daß die Ausbeute mit zunehmender Größe des Glykosidierungsansatzes zurückging. Zur Darstellung größerer Mengen des Nukleosides war es somit erforderlich, daß viele kleine Reaktionsansätze (3 mmol Base) gefahren wurden.

Ein möglicher Ansatz zur Optimierung der Glykosidierungsreaktion wäre der Einsatz einer Halogenose mit weniger basenlabilen Schutzgruppen. Die Wahl einer anderen Schutzgruppe ist aber nicht trivial, da die 3- und 5-OH- Schutzgruppen entscheidenden Einfluß auf das Anomerenverhältnis und die Reaktionsausbeute haben, wie Untersuchungen von Wierenga und Skulnick ¹³⁵ bei Lewis-Säure-Katalyse zeigten. Die Verwendung der Benzylschutzgruppe würde daher den Nachteil mit sich bringen, daß nun sowohl - als auch -Anomer entstehen

können, da diese Gruppe keinen anomer dirigierenden Effekt besitzt. Der Einfluß der Schutzgruppen ist dabei nicht allein sterischer Natur, sie üben vielmehr auch einen Nachbargruppen-effekt aus. Wie in Abbildung 15 verdeutlicht, kann das - bzw. -Anomere entweder über ein

intermediäres Acyloxonium-Ion (26a bzw. 26b), wenn dieses durch Beteiligung der Nachbargruppen gebildet werden kann, oder aber durch direktes Abfangen des primären Oxonium-Ions (26) entstehen. Dieses ist z.B. bei Verwendung der Benzyl-Schutzgruppe der Fall, die somit nur eine geringe Stereokontrolle ausübt.

26

Vergleicht man die ¹ H-NMR-Spektren der Purinnukleoside (27, 28, Abbildung 13) mit denen ihrer 7-Deazahomologen (22, 23), findet man die oben beschriebenen unterschiedlichen Elektronendichten der Heteroaromaten in unterschiedlichen chemischen Verschiebungen bestätig. Sehr leicht konnte bei den Reaktionen mit Purinbasen mit Hilfe der ¹ H-NMR-Spektrometrie (vgl. Tabelle 3) zugeordnet werden, welches Isostere entstand war. Das über das N ⁷ -Atom verknüpfte Nukleosid 27a zeigt eine im Vergleich zum entsprechenden N ⁹ -Verknüpfungsprodukt deutlich höhere chemische Verschiebung an 1-H und 2-H. Insbesondere unterscheidet sich diese Verbindung von den übrigen Nukleosiden durch eine geringere Differenz der chemischen Verschiebung von H 2a und H 2b aus. Charakteristisch für

die erfolgreiche Bildung des -Anomeren ist darüber hinaus die pseudo-Triplett-Formation

des 1-H-Signales und die besonders deutliche Tieffeldverschiebung des Signales des 2-H a -Protons.

Bei der Glykosidierung von Purinen (Darstellung von 27 und 28) lieferte die Natriumhydridmethode erheblich bessere Ausbeuten als die Umsetzung im Zweiphasensystem mit NaOH als Base in der wäßrigen Phase. Es wurde daher zunächst die Natriumhydridmethode zur Darstellung von 22 und 23 angewendet. Wirklich zufriedenstellende Ausbeuten wurden damit jedoch nur bei der Darstellung von 22 erzielt (bis zu 75%). Hingegen gelang die Synthese von 23 nach der Methode der fest-flüssig Phasentransferkatalyse unter Verwendung von KOH als Base und eines Kryptanden als Phasentranferkatalysator deutlich besser, wenn auch nur mit

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einer Ausbeuten von etwa 55 %. Dieser Wert lag aber immerhin 15 % höher als der, der für diese Verbindung nach der Natriumhydridmethode erzielt werden konnte. Die niedrigeren Reaktionsausbeuten bei der Glykosidierung von 7-Deazaguanin überraschen nicht, weist dieses doch im Gegensatz zum 7-Deazaadenin eine exozyklische Aminogruppe auf. Gerade bei Verwendung einer sehr starken Base wie Natriumhydrid entsteht somit sicherlich nicht mehr ausschließlich das gewünschte Pyrrolylanion.

6.4 2.7 2.7 5.47 4.78 4.55 --------- 12() ------------------8.57 6.59 7.68 --- 7 ---------------------6.25 7.08 6.46 8 6.99 2.99 3.38 5.98 4.84 4.78 8.86 6.96 8.17 --- 22 6.55 2.85 3.15 5.95 4.73 4.73 ------8.86 28 6.55 2.65 2.99 5.68 4.59 4.50 ---6.38 7.34 6.76 23 6.75 2.95 3.50 5.95 4.72 4.72 8.84 ---8.86 --- 27 6.99 3.11 3.27 5.86 4.79 4.69 8.97 ---9.26 --- 27a

Tabelle 3: ¹ H-NMR-Spektren der Glykosidierungsprodukte und deren Vorstufen, D 6 -DMSO

Abschließend betrachtet stellte sich die Umsetzung mit der Halogenose 12 als noch sehr verbesserungfähig dar. Die Verbindung ist sehr instabil, da sie aufgrund der fehlenden 2-OH Funktion leicht HCl eliminiert, und muß deshalb in kleinen Mengen stets frisch dargestellt werden und der Umgang mit gasförmigen HCl entspricht auch unter dem Gesichtspunkt des Arbeitschutzes nicht mehr unbedingt den heute angestrebten “sauberen” Synthesemethoden.

In einer jüngeren Veröffentlichung wurde die Verwendung von Pentenylribosiden, insbesondere Pent-4-enyl-2-O-benzoyl-3,5-O-(tetraisopropyldisiloxan-1,3-diyl)-D-erythro-pentofuranose (Abbildung 16, 66) als Glykosidierungsreagenz vorgeschlagen ¹³⁶ . Diese Verbindung ist sehr leicht darzustellen und ist auch bei längerer Lagerung stabil. Der Weg zu Desoxynukleosiden würde nach Abspaltung der 2-O-Benzoyl-Gruppe (die Verwendung von 2-Desoxyderivaten führt, wie weiter oben diskutiert, zum Verlust der stereochemischen Kontrolle in der Glykosidierungsreaktion) durch Barton-Desoxygenierung eröffnet. Allerdings entsprechen die Ausbeuten der mit N-Iodsuccinimid/Trifluormethansulfonsäure katalysierten Reaktion noch nicht den mit der Halogenose 12 erzielten (s.u.), so daß zunächst geeignetere Katalysatoren für die Glykosidierungsreaktion gefunden werden müßten.

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Es ist außerdem bekannt, daß die in der Riboreihe beschriebene Glykosidierung von 1-O-Acylriboverbindungen mit silylierten Purinen in Gegenwart von Trimethylsilyltrifluoressig-

säure in der 2-Desoxyreihe immer zu unterschiedlich großem Anteil an - neben dem gewünschten -Anomeren ¹³⁷ führt.

3.4.2 Glykosidierungsreaktionen in der Riboreihe

Die in der Literatur dargestellten Wege zu Ribonukleosiden der 7-Deazapurinreihe bedienen sich der Halogenose 1-Bromo-2,3,5-tris-O-benzyl--D-ribofuranose, die frisch aus dem in vierstufiger Synthese wie in Abbildung 11 beschrieben zugänglichen Precursor 2,3,5-Tris-O-benzyl-1-para-nitrobenzoyl--D-ribofuranose (20) hergestellt wurde. Liefert diese Verbindung bei elektronenreicheren Purinen und Purinderivaten hohe Ausbeuten, so sind diese in der Reihe der 7-Deazapurine nur recht mäßig. Als Alternative wurde in späteren Veröffentlichungen die Halogenose 4-Chlor-5-O[(1,1-dimethylethyl)-dimethylsilyl]-2,3-O-(1-methylethyliden)--ribofuranose (16) als Glykosyldonor beschrieben. In Gegenwart von Tetra-

chlorkohlenstoff und HMPT ^138,139 wird bei -78 C selektiv das -Anomere der Halogenose 16

gebildet, welches ohne weitere Aufarbeitung für die Glykosidierungsreaktion eingesetzt wird.

Da HMPT zu den wenigen Substanzen zählt, bei denen die kanzerogene Wirkung beim Menschen als erwiesen gilt, ist diese Reaktion zwar vom Verlauf sehr elegant, aber nur bedingt empfehlenswert. Die beiden Methoden zur Darstellung von Ribonukleosiden (vgl. Abbildung 17) bergen den Nachteil, daß die reaktiven Glykosyldonoren jeweils unmittelbar vor einer Reaktion dargestellt werden müssen, da sie nicht oder nicht lange gelagert werden können.

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Als Alternative bot sich daher eine von Wirsching ¹⁴⁰ zur Synthese von thiomodifizierten Nukleosidderivaten vorgestellte Methode an, von der gezeigt werden konnte, daß sie auch auf die Synthese von 7-Deazapurindukleosiden anwendbar ist. So konnte mit der Verbindung 2,3,5-Tris-O-benzyl-1-para-nitrobenzoyl--D-ribofuranose (20) in Gegenwart von Trimethyl-silyltrifluormethansulfonat eine Umsetzung beobachtet werden. Allerdings lagen die Ausbeuten noch unter 20 %. Gelingt es aber einen geeigneten Katalysator für die Reaktion zu entwickeln, könnte diese Art der Reaktionsführung eine äußerst elegante Alternative zu den bisher in der Literatur verwendeten Methoden darstellen. Bei Verwendung der Benzoyl- an Stelle der Benzylschutzgruppe in 2-Position wäre, wie oben ausgeführt, sehr leicht der Weg auch in die 2-Desoxyreihe möglich, so daß auf die Verwendung der labilen Halogenose 12 verzichtet werden könnte.

TBDMSO

TBDMSO

Abbildung 17: Glykosidierungsreaktionen in der Riboreihe mit unterschiedlichen

Glykosyldonoren

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3.5 Abspaltung der Schutzgruppen aus den Glykosidierungsprodukten 3.5.1 Synthese von 7-Deaza-2-desoxyadenosin

Während die Entschützung der Hydroxylgruppen von 22 mit verdünntem Natriummethoxid in Methanol bereits unter milden Bedingungen möglich ist, erfordert die gleichzeitige Substitution des 4-Chloratoms durch Ammoniak recht drastische Bedingungen. Nach Umsetzung

von 22 in einem Tischautoklaven bei einer Temperatur von 130 C und einer Reaktionsdauer von 60 h in einer bei 0 C gesättigten Lösung von Ammoniak in Methanol und in Gegenwart

von Molsieb (0,3 nm) konnte 7-Deaza-2-desoxyadenosin (35) nach säulenchromatographischer Reinigung und erneuter Umsetzung nicht reagierten Eduktes in bis zu 80 %iger Ausbeute isoliert werden. Hierbei mußte auf wasserfreie Reaktionsbedingungen geachtet werden, um eine mögliche Konkurrenzreaktion zum 7-Deaza-2-desoxyinosin zu verhindern.

TolO

TolO

3.5.2 Synthese von 7-Deaza-2-desoxyguanosin (38)

Die 4-Chlor-Position von Pyrrolo[2,3-d]pyrimidinnukleosiden ist für eine nukleophile Substitution weniger gut zugänglich als der korrespondierende Substituent in einem Purinderivat. Dies führt dazu, daß die benötigten Reaktionsbedingungen um 23 in 38 zu überführen etwas weniger sanft sind. Die direkte Umwandlung durch Natronlauge führte zu schlechten Ergebnissen. Schonender ist die Entschützung mit verdünnter Natriummethanolatlösung. Die selektive Abspaltung der Toluoylgruppen erfolgte in 0.1 mol/L Natriummethoxid bei Raumtemperatur und man erhielt die noch an C-4 chlorsubstituierte Verbindung 36. Eine Entschützung der Hydroxylgruppen war als ungewollte Nebenreaktion auch zu beobachten, als ein Glykosidierungsansatz nach Filtration über Nacht stehengelassen wurde, ohne das Lösungsmittel abzudestillieren. Vor diesem Hintergrund erscheinen in der Literatur vorgeschlagene Reaktionszeiten von 12 bis 24 h für die Glykosidierungsreaktionen als weniger sinnvoll und die Beobachtung höherer Ausbeuten an 23 bei einer Verkürzung der Reaktionszeit als verständlich.

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Erhitzte man 23 mit 0.5 mol/L Natriummethoxid in Methanol unter Rückfluß oder ließ mit einer 1 molaren Lösung bei Raumtemperatur über Nacht stehen, so erfolgte nukleophile Substitution des Chloratomes in 4-Position. Auf diese Weise wurde 37 in 68 % Ausbeute erhalten. Im Falle des Purinnukleosides 27 gelang diese Reaktion bereits innerhalb von 2 h bei RT. 36 und 37 lieferten dann in einer anschließenden Reaktion nach Erhitzen unter Rückfluß mit 2 mol/L Natronlauge 7-Deaza-2-desoxyguanosin (38) in jeweils etwa 80 %iger Ausbeute. Aufgrund etwas günstigerer chromatographischer Eigenschaften der Zwischenverbindung ist allerdings der Weg über 37 vorzuziehen.

HO

Abbildung 19: Wege zur Überführung des Glykosidierungsproduktes 23 in die Zielverbindung

38 (7-Deaza-2-desoxyguanosin)

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