German Title: DNA-basierte Liganden zur Anwendung in asymmetrischer Katalyse und Entwicklung von Metall-(deoxy)Ribozymen

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Abstract

The fascinating way nature relies on biomolecules, mostly proteins and sometimes RNA, to carry out sophisticated chemical processes led to more and more efforts to use the concepts of biology for preparing efficient chiral catalysts. The “hybrid catalyst” approach that combines the steric information derived from a protein scaffold with the catalytic activity of transition metal complexes offers a resourceful means of developing semisynthetic metalloenzymes for enantioselective applications. Since the discovery of nucleic acids with enzyme-like functions, the catalytic potential of nucleic acids is being revealed by in vitro selection and evolution of novel ribozymes and DNAzymes. Nucleic acids, especially RNA, appear to be versatile catalysts capable of accelerating a broad range of reactions and exquisitely discriminating between chiral targets. However, while proteins dominated the construction of hybrid catalysts, the application of DNA and RNA in asymmetric catalysis has hardly been explored. This work aimed at exploring the chirality of nucleic acids and generating hybrid catalysts based on DNA and RNA. Towards the development of metallo-(deoxy)ribozymes assisted by combinatorial strategies (e.g., SELEX), a straightforward synthetic way of embedding transition metal complexes in nucleic acids folds was established. DNA sequences carrying mono- and bidentate phosphine ligands as well as P,N-ligands were successfully prepared starting from amino-modified oligonucleotide precursors. The optimized “convertible nucleoside” approach allowed the parallel, high-yielding synthesis of various alkylamino-DNA conjugates differing in length and structure of the spacer. Coupling of amino-oligonucleotides with PYRPHOS, BINAP and PHOX ligands equipped with a carboxyl group led to the incorporation of phosphine moieties at predetermined internal sites. Moreover, the stability of the DNA-tethered BINAP and PHOX was reasonably high, which makes them attractive candidates for the development of transition metal-containing oligonucleotides. To this end, systematic studies on the behavior of phosphine- and PHOX-metal complexes in aqueous medium - a prerequisite of nucleic acid catalysts - were carried out. Two model organometallic transformations were selected that were compatible with the structure and chemistry of nucleic acids. The rhodium(I)-catalyzed 1,4-addition of phenyl boronic acid to 2-cyclohexen-1-one and iridium(I)-catalyzed allylic amination of the branched phenyl allyl acetate, respectively, proceeded efficiently in the presence of phosphorus-based ligands, in aqueous medium, at room temperature and low catalyst concentration. For the first model reaction, the best conversion (80%) was achieved with the isolated [Rh(nbd)BINAP]BF4 complex, in 6:1 dioxane/water, and TEA additive. On the basis of these data, a suitable system for assessing the catalytic potential of the DNA-BINAP ligand was implemented. In the second chosen reaction the in situ formed Ir(I)-PHOX complexes (0.05-0.1 mM) gave rise to racemic, branched allylic amination products in good yields (33-75%), in 3:7 dioxane/water. Kinetic resolution of the racemic substrate was then attempted by employing catalysts generated from the [Ir(cod)Cl]2 precursor and single- and double-stranded DNA-PHOX conjugates. Good conversions were obtained in the presence of G-poor DNA/DNA and RNA/DNA hybrids bearing the PHOX moiety, indicating a potential role of the G-N7 site in the first coordination sphere. With all tested DNA-PHOX conjugates, the levels of enantioselectivity remained modest. The results described in this work provide useful information for understanding the influence of nucleic acid sequence and covalent tethering on the reaction outcome. These are the first reported applications of DNA-based ligands in organometallic catalysis and they build the fundamentals for further development of selective nucleic acid catalysts, by means of rational design and in vitro selection approaches.

Translation of abstract (German)

Die faszinierende Art und Weise, in der die Natur auf Biomoleküle - meist Proteine und teilweise RNA - zurückgreift um anspruchsvolle chemische Prozesse auszuführen, hat zu immer mehr Bemühungen geführt, die Konzepte der Biologie für die Herstellung effizienter chiraler Katalysatoren zu nutzen. Die Verbindung dreidimensionaler Proteinstrukturen mit der katalytischen Aktivität von Übergangsmetallkomplexen ist eine interessante Herangehensweise in der Synthese sogenannter Hybrid-Katalysatoren für enantioselektiven Anwendungen. Seit der Entdeckung von Nukleinsäuren mit enzym-ähnlichen Funktionen wurde deren katalytisches Potential durch in vitro Selektion und Evolution neuer Ribozyme und DNAzyme deutlich gezeigt. Nukleinsäuren, insbesondere RNA, sind demnach vielseitige Katalysatoren, die in der Lage sind eine breite Palette an Reaktionen zu beschleunigen und außerordentlich gut zwischen chiralen Zielmolekülen zu unterscheiden. Während Proteine die Entwicklung von Hybrid- Katalysatoren jedoch weitgehend beherrschen, wurde die Anwendung von DNA oder RNA in der asymmetrischen Katalyse bisher kaum untersucht. Das Ziel dieser Arbeit war die Synthese von Hybrid-Katalysatoren auf Basis eines DNA und RNA Gerüstes. Für die kombinatorisch-gestützte Entwicklung von Metallo-Ribozymen und -Deoxyribozymen (z. B. mittels SELEX) wurde ein direkter Syntheseweg zum Einbau von Übergangsmetall-Komplexen in Nukleinsäurestrukturen etabliert. DNA Sequenzen welche ein- und zweizähnige Phosphin-Liganden sowie P,N-Liganden tragen, wurden ausgehend von amino-modifizierten Oligonukleotid Vorstufen erfolgreich synthetisiert. Der optimierte Ansatz mittels sogenannter „convertable nucleosides“ erlaubt die parallele Synthese verschiedener alkylamino-DNA Konjugate, welche sich in Länge und Struktur der Spacer unterscheiden. Die Kopplung der Amino-Oligonukleotide mit PYRPHOS-, BINAP- und PHOX-Liganden, welche mit einer Carboxylgruppe ausgestattet sind, führt zum Einbau der Phosphin Bausteine an einer zuvor festgelegten Stelle im Nukleotidstrang. Ferner macht die hohe Stabilität der DNA-gebundenen BINAP und PHOX Liganden diese zu attraktiven Kandidaten für die Entwicklung von Oligonukleotiden, die Übergangsmetall-Komplexe enthalten. Zu diesem Zweck wurden systematische Studien zum Verhalten von Phosphin- und PHOX-Metallkomplexen im wässrigen Medium durchgeführt - eine Voraussetzung für Katalysatoren auf Nukleinsäurebasis. Zwei metallorganische Transformationen, die mit der Struktur und den chemischen Eigenschaften von Nukleinsäuren kompatibel sind, wurden als Modellreaktionen ausgewählt. Die Rhodium(I)-katalysierte 1,4-Addition von Phenylborsäure zu 2-Cyclohexen-1-on und die Iridium(I)-katalysierte allylische Aminierung des verzweigten Phenylallylacetats verliefen erfolgreich in Anwesenheit von phosphorbasierten Liganden, in wässrigem Medium, Raumtemperatur und niedriger Katalysatorkonzentration. Für die erste Modellreaktion wurde die beste Umsetzung mit dem isolierten [Rh(nbd)BINAP]BF4 Komplex in 6:1 Dioxan/Wasser und unter TEA Zugabe erzielt (80 %). Auf Grundlage dieser Daten wurde ein geeignetes System erstellt, um das katalytische Potential von DNA-BINAP Liganden zu beurteilen. Bei der zweiten Modellreaktion führte der in situ gebildete Ir(I)-PHOX Komplex (0.05-0.1 mM) in 3:7 Dioxan/Wasser zu guten Ausbeuten (33-75 %) der racemischen, verzweigten Aminierungsprodukte. Bei der kinetischen Auflösung racemischer Substrate wurden Katalysatoren verwendet, die aus dem [Ir(cod)Cl]2-Vorstufe und einfach- und doppelsträngigen DNA-PHOX Konjugaten hergestellt wurden. Gute Umsätze wurden in Anwesenheit von G-armen DNA/DNA und RNA/DNA Hybriden, die eine PHOX Gruppe tragen, erzielt, was auf eine mögliche Funktion der G-N7 Position in der ersten Koordinationsspähre hindeutet. Die Enatioselektivität blieb jedoch bei allen getesteten DNA-PHOX Konjugaten gering. Die Ergebnisse dieser Arbeit bieten hilfreiche Informationen für das Verständnis darüber, welchen Einfluss die Nukleinsäuresequenz und die kovalente Verknüpfung auf den Ausgang der Reaktion haben. Dies ist der erste Bericht über die Anwendungen von DNA-basierten Liganden in der metallorganischen Katalyse und setzt den Grundstein für die weitere Entwicklung selektiver Nukleinsäurekatalysatoren mittels der Methodik des rationalen Designs und der in vitro Selektion.