DE112008001507T5

DE112008001507T5 - Neue Hybridverbindungen von Nukleobasen und organischen Redox-Molekülen und ihre Verwendung

Info

Publication number: DE112008001507T5
Application number: DE112008001507T
Authority: DE
Inventors: Simona Carmen Asaftel
Original assignee: OSNABRUECK, University of; Universitat Osnabrueck
Current assignee: OSNABRUECK, University of; Universitat Osnabrueck
Priority date: 2007-06-07
Filing date: 2008-06-06
Publication date: 2010-05-12
Also published as: WO2008148560A1; EP2014659A1

Abstract

Hybridverbindung mit i) einer Einheit einer Purin- oder Pyrimidin-Nukleobase oder einem Dervivat davon, ii) einer redox-aktiven Einheit und iii) einer Spacereinheit, die die Nukleobaseeinheit mit der redox-aktiven Einheit verbindet, wobei die Spacereinheit ausgewählt ist aus der Gruppe von C₁-C₁₂ Alkyl-, C₂-C₁₂ Alkenyl-, C₂-C₁₂ Alkinyl- oder Arylgruppe oder eine (CH₂CH₂-O)_n-Gruppe, wobei n eine ganze Zahl von 1 bis 100 ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf neue Verbindungen, genauso wie Verfahren zur Synthese dieser. Diese Verbindungen umfassen eine redox-aktive Gruppe, z. B. eine 4,4'-Bipyridin (Viologen), eine 1,2'-Di(4-pyridyl)ethan, eine 2.7-Diazapyren oder eine 2,9-Diazaperylen Gruppe und eine N-heterozyklische Nukleobase (HB). Diese Nukleobasengruppe und die redoxaktive Gruppe sind über eine Abstandsgruppe (Spacer) miteinander verbunden. besonders bevorzugt sind Viologen-Derivate als redox-aktive Gruppe. Weiterhin bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Verfahren zur Herstellung dieser Hybridverbindungen. Die vorliegende Erfindung richtet sich weiterhin auf eine elek-trochrome Vorrichtung, wie eine Elektrode, unter Verwendung der elektrochromen Verbindungen als elektrochromes Material. Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung Nukleinsäuremoleküle, wobei die Hybridverbindungen mit der Nukleobasengruppe in Form von Derivaten der Nukleotide oder Nukleoside vorhanden sind.
Stand der Technik
Nukleobasen sind als Teile von RNA und DNA bekannt. Diese Nukleobasen schließen Cytosin, Guanin, Adenin, Thymin, Uracil, Xanthin und Hypoxanthin ein. Adenin, Guanin, Inosin, Xanthin und Hypoxanthin genauso wie modifizierte Derivate davon gehören zu der Molekülklasse der Doppelringe, so genannte Purine, Cytosin, Thymin und Uracil gehören zu der Klasse der Pyrimidine. Als integraler Bestandteil dieser Nukleinsäuren haben die Basen eine zentrale Rolle, sie tragen z. B. die genetische Information. Modifizierte Basen, wie Aza- und Deazapurinen sind allgemein bekannte Derivate dieser Nukleobasen, die in der Natur vorkommen und verschiedene chemische und biologische Eigenschaften besitzen. In diesem Zusammenhang wird Bezug genommen auf die Veröffentlichungen von Rosemeyer, H., Chemistry and Biodiversity 2004, 1, 361–401, Lagoja, I. M., Chemistry and Biodiversity 2005, 2, 1–50 und Grierson, D. S., Bioorg. Med. Chem., 2006, 14, 3987–4006. Nukleobasen als Teil der Nukleotide, die DNA, RNA und anderen Nukleinsäuremoleküle ausbildenden, stellen sehr nützliche Einheiten in der Nukleinsäurechemie und -biologie dar. Im Bereich der Diagnostik werden z. B. Nukleinsäuremoleküle weit verbreitet als Nachweiseinheiten, die mit radioaktiven Isotopen oder Fluoreszenzeinheiten markiert sind, eingesetzt.
Elektrochrome Materialien, die ihre optischen Eigenschaften in Antwort auf ein elektrisches Feld ändern und die in ihrem Originalzustand durch Anlegen eines umgekehrten Feldes zurückkehren können, werden in mindestens fünf Hauptfamilien eingeteilt:

– Metalloxidsysteme
– Preussisch Blau-Systeme
– Leitende Polymere
– Metallopolymere und Phthalcyanine
– Bipyridiniumsalze, insbesondere Viologene.

Diese Materialien haben wesentliche Vorteile, wie eine kleine Umschaltspannung, einen hohen Kontrast zwischen den farbigen Zuständen, eine hohe Farbreinheit in diesem Zustand und ein reversibles Färben oder Entfärben.
Verschiedene elektrochrome Verbindungen sind im Stand der Technik beschrieben. Z. B. offenbart die WO 2004/067673 elektrochrome Verbindungen auf Basis von Viologenen. Viologene sind diquaternäre Derivate des 4,4'-Bipyridyls. Der Name stammt von der Tatsache, dass diese Klasse von Verbindungen zum radikalen Monokation einfach reduziert werden kann und dadurch intensiv blau gefärbt ist. Die weitere Reduktion führt zur einer gelblichen Verbindung. Diquaternäre Derivate des 2,2'-Bipyridins ergeben ein grünes Radikalanion.
Die verschiedenen Anwendungsbereiche von Viologenen sind z. B. Monk, P. M. S., John Valley and Sons, Qichester, 1998 beschrieben. Einer dieser bekanntesten Vertreter dieser Viologenfamilie ist das so genannte Paraquat (1,1'-Dimethyl-4,4'-bipyridindichlorid), ein potentes Kontaktherbizid.
Die drei Oxidationsstufen des 4,4'-Bipyridin sind im Folgenden gezeigt:
Schema 1: Redoxstadien der Viologene
Aufgrund der drei unterschiedlichen Oxidationsstufen der 1,1'-Disubstituierten 4,4'-bipyridinium Verbindungen und der hohen Reversibilität der Redoxvorgänge sind die Viologene von besonderem Interesse. Die stabilste Form des Viologens ist das farblose Dikationstadium auf der linken Seite des oben gezeigten Schemas (Mortimer, R. J., Chemical Society, Reviews, 1997, 26(3), 147–156).
Ein reduktiver Elektronentransfer auf das Dikation resultiert in der Bildung blauvioletter Radikalkationen (Ein-Elektronen-Transfer). Ein zweifacher Elektronentransfer auf das Dikation führt zu gelb gefärbten Molekülen. Wie oben ausgeführt, erlaubt die Verwendung von Viologenen die Produktion von stabilen elektrochromen hochauflösenden Bildern.
Die Stabilität dieser verschiedenen Formen der Viologene beruht auf der Delokalisierung des Radikalelektrons über die gesamte π-Struktur des Bipyridinkerns, die R- und R'-Substituenten tragen üblicherweise einige dieser Ladung.
Wie oben ausgeführt, sind Viologene in z. B. der WO 2004/067673 beschrieben, diese bezieht sich auf Viologenverbindungen zusammengesetzt aus einer 4,4'-Dipyridinium Einheit, die mit einer Phosphonateinheit substituiert ist, diese Phosphonateinheit beinhaltet an der Position 1 eine Gruppe und weist die gleiche oder eine verschiedene Gruppe an der 1'-Position auf, diese decken nicht den gesamten Bereich des sichtbaren Lichts ab. Die in der WO 2004/067673 offenbarten Verbindungen sind Benzyl-, Naphtyl- oder Phenyl-Derivate an der 1'-Position der Bipyridinium-Derivate. Die dort beschriebenen Verbindungen zeigen im reduzierten Zustand lediglich eine grüne oder blau bis schwarze Farbe.
Zurzeit wurden keine Viologenderivate oder andere elektrochrome Materialien beschrieben, die eine orange oder rote Färbung im reduzierten Zustand aufweisen.
Weiterhin wurde bis heute keine Verbindungen beschrieben, die die Eigenschaften von Nukleobasen oder Derivaten davon und elektrochrome Komponenten kombinieren. Von diesen Verbindungen wird angenommen, dass sie als Marker- oder Reportermoleküle in der Nukleinsäureanalyse eingesetzt werden können.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft neue Hybridmoleküle, die dadurch gekennzeichnet sind, dass sie redox-aktive Gruppe(n) oder Einheit(en) kovalent verknüpft mit Purin- oder Pyrimidin-Nukleobaseneinheit(en) über Abstandseinheit(en), die die Nukleobaseneinheit(en) mit den redox-aktiven Einheit(en) verbindet, aufweisen.
Die vorliegende Erfindung richtet sich weiterhin auf Zwischenprodukte dieser Hybridmoleküle genauso wie auf die Herstellung dieser Hybridmoleküle umfassend eine Purin- oder Pyrimidin-Nukleobase und eine redox-aktive Einheit, die über eine Abstandseinheit miteinander verknüpft sind genauso wie Zwischenprodukte hiervon. Diese Hybridanteile, die auch als Hybrideinheiten bezeichnet werden, können als autonome Einheiten vorliegen oder können Teile von Molekülen sein, insbesondere dendritischen Einheiten, wie den Dendrimeren, die über Verbindungsgruppen mit Kernmolekülen verknüpft sind.
Die vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung von erfindungsgemäßen Hybridverbindungen mit einer Purin- oder Pyrimidin-Nukleobaseneinheit oder Derivaten hiervon. Dieses Verfahren umfasst den Schritt des Umsetzens dieser Purin- oder Pyrimidin-Nukleobase oder Derivaten hiervon mit einer Abstandseinheit. Diese Abstandseinheit hat mindestens zwei reaktive Gruppen, wobei die Umsetzung der Abstandseinheit mit der Nukleobase oder einem Derivat hiervon ein Zwischenprodukt ergibt, bestehend aus dieser Nukleobase und der Abstandseinheit mit einer verbleibenden reaktiven Gruppe. Diese Abstandseinheit ist an ein N- oder C-Atom, das in der Purin- oder Pyrimidin-Nukleobase oder Derivaten hiervon vorhanden ist, gebunden.
In einer weiteren Ausführungsform bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein elektrochromes Material, umfassend die Hybridverbindungen oder Moleküle umfassend erfindungsgemäße Hybrideinheiten genauso wie Polymere umfassend diese Hybrideinheiten.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine elektrochrome Vorrichtung umfassend das erfindungsgemäß elektrochrome Material, wie eine Elektrode.
Weiterhin stellt die vorliegende Erfindung Nukleotid- oder Nukleosidderivate zusammengesetzt aus den Hybridmolekülen und einem Zuckerrest, der phosphoryliert sein kann, bereit. Diese Nukleotide können ein Teil von Nukleinsäuren, wie sie hierin beansprucht werden, sein; diese Nukleinsäuremoleküle sind insbesondere in der Bestimmung von Nukleinsäuren, z. B. in der Diagnostik alleine oder als Teil von Nukleinsäuren für medizinische und pharmazeutische Anwendungen, nützlich.
Kurze Beschreibung der Abbildungen
1: 1 zeigt die Ergebnisse erhaltend nach Ionaustausch HPLC des Oligomers 5'-D(TTTGGGGTTTT)-3' in der Anwesenheit einer erfindungsgemäßen Verbindung, nämlich 1-Ethyl-4-pyridin-4-pyrridiniumbromid, wie im Experiment 1 beschrieben.
2: 2 zeigt das Vis-Spektrum einer Lösung einer erfindungsge mäßen Verbindung, nämlich Verbindung 7 wie in Schema 16 gezeigt, im reduzierten Zustand. Die Messung wurde bei 0 V gestartet und wurde bis –0,600 V fortgesetzt. Die Absorptionsmaxima nahmen zu, wenn das Potential auf ca. –0,500 V erniedrigt wurde.
3: 3 zeigt Daten, erhalten nach zyklischer Voltametrie der Verbindung 7, siehe Schema 16, an einer TlO₂-Elektrode, wie im Experiment 4 beschrieben.
4: 4 zeigt die Daten der zyklischen Voltametrie erhalten für Verbindung 6, wie in Beispiel 1 gezeigt, nämlich 7-(2-Bromethyl)-4-chlor-7H-pyrrolo[2,3-di]pyrimidin gemessen mit einer Glaskarbonelektrode in 1MTBABr/H₂O v = 20 mV.
5: 5 zeigt das Vis-Spektrum der Verbindung 7/TlO₂-Elektrode. Verbindung 7 wird z. B. in Schema 16 gezeigt, im Reduktionszustand in H₂O/TBABr 1M als Funktion des Elektronenpotentials –0,50 bis –0,9 V versus Ag/AgCl. Die eingefügte Figur in der 5 zeigt die Absorption der Elektrode bei 570 nm gegenüber einem Elektronenpotential von –0,50 bis –0,60 V. Details des Experiments sind in Experiment 4 dargestellt.
6: 6 zeigt modifizierte TlO₂-Elektroden mit einem Viologen-Dendrimer der 0. Generation mit drei verschiedenen Endgruppen: a) ethyl-; b) phenyl-; d) 4-chlorpyrrolo[2,3-di]pyrimidin (Verbindung 7 in Schema 16) in der Peripherie (in drei Elektrodenanordnungen: a) und b) MeCn-NeClO4 1 Mol, c) H₂O/TBABr 1 Mol versus AgCl. Gezeigt ist die Wölbung der heterozyklischen Base als Endgruppe und in einem Dendrimer der 0. Generation mit Viologen als Redoxeinheiten, genauso wie die Färbung dieser Elektroden im Vergleich zu bekannten Viologen-Dendrimeren.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Hybridverbindungen mit einer Nukleobase oder Derivaten hiervon, einer redox-aktiven Einheit und einer Abstandsgruppe, die die Nukleobaseneinheit mit der redox-aktiven Einheit verbindet.
Wie hierin verwendet, bezieht sich der Ausdruck „Nukleobaseneinheit” oder „Baseneinheit” auf einen Teil oder eine Komponente der beanspruchten Hybridverbindung, die eine N-heterozyklische Gruppe ist. Insbesondere sind die Nukleobasen N-heterozyklische Gruppen, die in natürlich vorkommenden Nukleosiden oder Nukleotiden vorliegen, nämlich Purin- oder Pyrimidinbasen genauso wie Derivate hiervon, wie Isostere davon, bevorzugt Aza- und Deazapurine oder -pyrimidine. Diese Nukleobaseneinheiten können substituiert sein. In diesem Zusammenhang bedeutet der Ausdruck „wobei diese substituiert sein können” das Vorhandensein von mindestens einem Substituenten von C1-C4 Alkyl, C1-C4 Alkoxy, die geradkettig oder verzweigt sein können und bevorzugt Methyl ist, Trifluoromethyl, Cyano und Nitro, Halogen, wie Fluor, Chlor, Brom oder Jod.
Die Redoxaktivität aufweisende Einheit genauso wie die Nukleobaseneinheit kann ggf. mit einen oder mehreren der oben genannten Substituenten, die gleich oder verschieden sein können, substituiert sein.
Wie hierin verwendet, bezieht sich der Ausdruck „redox-aktive Einheit” oder „Einheit mit Redoxaktivität” auf eine Einheit, die Teil der beanspruchten Hybridverbindung ist. Die redox-aktive Einheit allein oder zusammen mit anderen Teilen der Hybridverbindung kann ein π-konjugiertes System ausbilden. Insbesondere bezieht sich die redox-aktive Gruppe auf Gruppen oder Einheiten bestehend aus 4,4'-Dipyridin, 2,2'-Dipyridin, 1,2-Di(4-pyridin)ethan, 2,7-Diazapyren, 1,3,5-Tris(4-pyridyl)benzen und 2,9-Diazaperylen genauso wie Derivate hiervon, die mit mindestens einem der oben genannten Substituenten substituiert sein können.
Wie hierin verwendet, bezieht sich der Ausdruck „elektrochrom” auf die Eigenschaft der Verbindungen oder von diese Verbindungen enthaltenen Materialien, die einer Farbveränderung unterliegen, wenn eine Spannung einmal angelegt wird und die Farbveränderung beständig ist.
Die hierin beschriebenen Hybridverbindungen zeigen neue chemische, physikalische und biologische Eigenschaften basierend auf den Eigenschaften der jeweiligen Einheiten dieser Hybridverbindungen auf. Weiterhin werden neue, nicht-kollidative Eigenschaften bereitgestellt. Im Folgenden werden jede dieser Einheiten ausführlich beschrieben.
Hybridverbindungen
Das folgende Schema zeigt die Struktur der erfindungsgemäßen Hybridmoleküle, die Hybrideinheiten von höheren Molekülen, wie Dendrimeren, darstellen können. Im Folgenden werden diese Strukturen auch als Hybridverbindungsqzweige bezeichnet. Diese Strukturen sind zusammengesetzt aus einer Nukleobaseneinheit oder N-heterozyklischen Einheit, HB, oder einer speziellen Kopfgruppe, SHG, enthaltend eine Purin- oder Pyrimidin-Nukleobase, eine Abstandseinheit (Spacer), S, und die redox-aktive Gruppe, RG, siehe Schema 2.
Schema 2: Struktur der „Hybridmolekülzweige”
= Spacer (S): Alkyl-, Alkenyl-, Alkinyl-, -(CH₂CH₂O)_n- oder bevorzugt die niederen Alkyl-, Alkenyl- oder Alkinyl- (C₁-C₁₀);
Aryl-, dargestellt durch freie Valenzen;
r. G. = Reaktive Gruppe (r. G.): Halogene (F, Cl, Br, I); -OH, -SH, -NH₂, -S(O)OH;
-COOH, -COX,
-CHO;
HB = heterozyklische Base (siehe Schema 3A);
SHG = spezielle Kopfgruppe (siehe Schemata 3B, 3C)
N-heterozyklische Nukleobasen, HB
Wie oben ausgeführt, ist die erfindungsgemäße Baseneinheit eine N-heterozyklische Baseneinheit, nämlich eine Purin- oder Pyrimidin-Nukleobase oder ein Derivat davon. Diese Derivate der Nukleobase umfassen Aza- und Deaza-Derivate der Purin- und Pyrimidin-Basen. Purin-Nukleobasen schließen Adenin, Guanin, Xanthin und Hypoxanthin ein, während Pyrimidin-Nukleobasen Uracil, Thymin und Cytosin umfassen. Diese Nukleobasen können des Weiteren natürlich vorkommende modifizierte Nukleobasen sein, wie 5-Methylcytosin, Pseudouracil oder 7-Methylguanin.
Bevorzugte Ausführungsformen der N-heterozyklischen Baseneinheiten sind in dem Schema unten gezeigt, nämlich N-heterozyklische Basen der Purin- und Pyrimidin-Klasse genauso wie Aza- und Deaza-Derivate davon. D. h. verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Nukleobaseneinheiten sind gezeigt, die, wenn sie mit einem Abstandsmolekül mit einer terminalen reaktiven Gruppe verknüpft sind, mit einer redox-aktiven Einheit, wie sie hierin definiert ist, verknüpft sein kann.

Schema 3A: heterozyklische Basen (HB) X = N oder CR⁵
Y = N oder CR¹²

= bevorzugte Verknüpfungsposition
”für alle Heterozyklen Purin-Nummerierung und nicht IUPAC-Nummerierung wurde verwendet”
Die Herstellung der im Schema 3A gezeigten N-heterozyklischen Verbindungen ist dem Fachmann bekannt und die meisten dieser Verbindungen sind kommerziell erhältlich. Weiterhin wird Bezug genommen auf die folgenden Publikationen, die die Synthese der oben genannten heterozyklischen Basen beschreiben: F. Seela, N. Ramzaeva, H. Rosemeyer in: „Science of Synthesis, Product Class 17, 2003, Vol. 16, Seiten 945–1108; J. Davoll, J. Chem. Soc. 1960, 131, Robins, J. Am. Chem. Soc. 1956, 78, 784; F. Seela, M. Zulauf, G. Becher, Nucleosides, Nucleotides 1997, 16, 305.
Im obigen Schema 3A sind die Substituenten R¹-R¹² unabhängig voneinander ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus H, Halogen, -OR¹³, -SR¹⁴, -(C₁-C₁₀)-Alkyl, -(C₂-C₁₀)-Alkenyl, -(C₂-C₁₀)-Alkinyl, -NO₂, -NR¹⁵R¹⁶, -COO(C₁-C₄)-Alkyl unter der Voraussetzung, dass R¹³, R¹⁴, R¹⁵, R¹⁶ und R¹⁷ unabhängig ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus -H, -(C₁-C₁₀)-Alkyl, -(C₂-C₁₀)-Alkenyl, -(C₂-C₁₀)-Alkinyl, -(C₂-C₂₂)-Aryl oder Heteroaryl-, einer Schutzgruppe oder einer Reportergruppe.
Eine Schutzgruppe ist eine chemische Gruppe, die an eine funktionelle Einheit gebunden ist (z. B. am Sauerstoff einer Hydroxylgruppe und dabei den Wasserstoff ersetzt), um die funktionale Gruppe vor ungewünschten Reaktionen zu schützen. Eine Schutzgruppe ist weiterhin definiert durch die Tatsache, dass sie entfernt werden kann, ohne die biologische Aktivität des gebildeten Moleküls zu zerstören, hier die Bindung der Nukleinsäure-bindenden Verbindung an eine Nukleinsäure. Geeignete Schutzgruppen sind dem Fachmann bekannt.
Insbesondere bevorzuget Schutzgruppen für z. B. die Hydroxylgruppen sind solche der Tritylgruppe, z. B. Dimethoxytrityl.
Bevorzugte Schutzgruppen an exozyklischen Aminogruppen der Formel I sind Acylgruppen, am meisten bevorzugt Benzoyl (Bz), Phenoxyacetyl (Pac) oder Acetyl oder Formyl und die N,N-dialkylformamidin-Gruppe, bevorzugt die Dimethyl-, Diisobutyl- und die Di-n-butylformamidin-Gruppe.
Bevorzugte O-Schutzgruppen in OR¹³ sind die Aroyl-, die Acyl- und die Silyl-Gruppen. Von diesen ist am meisten bevorzugt die Benzoyl-Gruppe. Bevorzugte Silyl-Gruppen sind Trialkylsilyl-Gruppen, wie Triethylsilyl und Triisopropylsilyloxymethyl (TOM) [X. Wu, S. Pitsch, Nucleic Acids Res. 1998, 26, 4315].
Reportergruppen sind im Allgemeinen Gruppen, die die Hybridverbindung von dem Rest der Flüssigkeit unterscheidbar machen. Diese Unterscheidung kann erreicht werden entweder durch Auswahl der Reportergruppe aus der Gruppe von direkt oder indirekt nachweisbaren Gruppen oder aus Gruppen, von immobilisierten oder immobilisierbaren Gruppen. Direkt nachweisbare Gruppen sind z. B. Fluoreszenzverbindungen, wie Flureszein oder dessen Derivate, wie Hexachlorfluoreszein und Hexafluorfluoreszein, Rhodamine, BODIPY Farbstoffe, Psoralene, Squaraine, Porphyrine, fluoreszierende Partikel, biolumizierende Verbindungen, wie Acridiniumester und Luminal oder die Cyaninfarbstoffe, wie CY-5. Beispiele solcher Verbindungen sind offenbart in der EP 0 680 969 . Weitere Spinmarkierungen, wie TEMPO, elektrochemisch nachweisbare Gruppen, Ferrocene, Viologene, Schwermetallchelate und elektro-chemiluminesierende Markierungen, wie Ruthenium Bispyridyl-Komplexe und Naphtochinone, Quencher-Farbstoffe, wie Dabcyl und Nuklease-aktive Komplexe, z. B. von Fe und Cu, sind als nachweisbare Gruppen nützlich. Indirekt nachweisbare Gruppen sind Gruppen, die durch andere Einheiten erkannt werden, die direkt oder indirekt markiert sind. Beispiele solcher indirekt nachweisbaren Gruppen sind z. B. Haptene, wie Digoxigenin oder Biotin.
Diese Alkyl-, Alkenyl- und Alkinylgruppen können unsubstituiert oder substituiert durch ein oder mehrere Gruppen sein, unter Vorraussetzung, dass diese Gruppen ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus -Halogen, -SH, -S, -(C1-C8)-Alkyl, -(C1-C8)-Alkoxy, -OH, NR¹⁵R₁₆, -C(=O)R¹⁷, -NH-C(=O)NR¹⁵R¹⁶, -NH-C(=S).
Diese Alkyl-, Alkenyl- oder Alkinylgruppen können entweder linear, verzweigt oder in zyklischer Form angeordnet sein. Im Falle von NR¹⁴R¹⁵, können R¹⁴ und R¹⁵ so ausgewählt sein, dass sie zusammen mit dem Stickstoffatom einen 5- oder 6-gliedrigen Ring ausbilden.
In dem unten dargestellten Schema (Schema 3B) werden spezifische Ausführungsformen der so genannten speziellen Kopfgruppe (SHG) mit N-heterozyklischen Basen gezeigt. Diese gezeigten N-heterozyklischen Basen sind besonders bevorzugte Ausführungsformen der Nukleobaseneinheit.

Schema 3B: ausgewählte pharmakologisch aktive Kopfgruppen (spezielle Kopfgruppen SHG).

= bevorzugte Verknüpfungsposition.

Die Synthese der N-heterozyklischen Nukleobaseneinheiten, wie sie im obigen Schema dargestellt sind, sind dem Fachmann wohl bekannt. Diese Verbindungen sind des Weiteren kommerziell erhältlich. Verfahren zur Synthese dieser Verbindungen sind z. B. beschrieben in R. J. Suhadolnik, Wiley-New York, 1979; F. Seela, H. Rosemeyer, in: „Recent Advances in Nucleosides, Chemistry and Chemotherapy" (Ed.; Chu C. K.), Elsevier 2002.
In dem folgenden Schema (Schema 3C) werden weitere N-heterozyklische Einheiten dargestellt. Diese N-heterozyklischen Einheiten basieren auf Purin- oder Pyrimidin-Derivate und stellen Beispiele für SHG, wobei diese pharmakologisch aktive Gruppen darstellen, dar.

Schema 3C: ausgewählte azyklische Phosphonat-Analoga als Kopfgruppen (spezielle Kopfgruppen SHG)

= bevorzugte Verknüpfungsposition

Abstandseinheiten (Spacer)
Die Abstandseinheiten beziehen sich auf einen Teil oder eine Komponente der beanspruchten Hybridverbindung, die die Baseneinheit mit der redox-aktiven Einheit verbindet. Der Spacer ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einer linearen oder verzweigten Alkyl-, Alkenyl- oder Alkinylgruppe mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen bzw. 2 bis 10 Kohlenstoffatomen, einer Arylgruppe oder einer (CH₂CH₂-O)_n-Gruppe, wobei n eine ganze Zahl von 1 bis 100 ist. Bevorzugt hat die Alkyl-, Alkenyl- oder Alkinylgruppe 1 bis 6 (2 bis 6) Kohlenstoffatome, bevorzugter 1 bis 4 (2 bis 4) Kohlenstoffatome. Die Arylgruppe kann z. B. eine Benzolgruppe oder eine Phenylgruppe sein. Die Abstandseinheit hat mindestens zwei reaktive Gruppen, die sich bevorzugt an den terminalen Enden der Abstandsgruppe befinden. Diese terminalen reaktiven Gruppen können identisch oder verschieden sein. Bevorzugt ist die reaktive Gruppe ein Halogensubstituent, wie Chlorid, Bromid oder Iodid. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die Abstandseinheit eine disubstituierte aromatische Verbindung, wie 1,4-Dibromomethylbenzol. Die Umsetzung dieser Abstandseinheit enthalten zwei terminale reaktive Gruppen mit der N-heterozyklischen Base oder der speziellen Kopfgruppe enthaltend den N-Heterozyklus ist in dem Schema unten dargestellt.
Schema 4: Spacer und reaktive Gruppen
Die aktivierten Spacereinheiten enthaltend zwei reaktive Gruppen, wie oben dargestellt, werden mit der Baseneinheit zur Monoalkylierung umgesetzt und somit wird eine reaktive Zwischenverbindung erhalten, bestehend aus Base und dem Abstandsmolekül mit einer terminalen reaktiven Gruppe. Um eine Alkylierung dieser Basenmoleküle zu ermöglichen, sind stark basische Bedingungen notwendig. Normalerweise würde die redox-aktive Einheit, wie die Viologeneinheit, in einer stark basischen Umgebung reduziert oder abgebaut werden. Daher ist es notwendig diese Baseneinheit mit dem Spacer zuerst umzusetzen und anschließend das Zwischenprodukt zusammengesetzt aus dem Spacer und der Baseneinheit mit der redox-aktiven Einheit umzusetzen.
In einer Ausführungsform benötigt die Abstandseinheit ein Ausweiten des konjugierten π-Elektronensystems der Einheit mit Redoxaktivität. In anderen Ausführungsformen erlaubt das Spacermolekül ein Entkoppeln der Nukleobaseneinheit von dem π-Elektronensystem der Einheit mit Redoxaktivität, wenn gewünscht. Im Falle der Verwendung einer Spacereinheit mit C1 bis C2-Alkyl- oder -Alkenylgruppen kann eine elektronische Resonanz zwischen der redoxaktiven Einheit und der Baseneinheit(en) erreicht werden. Das Variieren des Spacers und/oder der Nukleobaseneinheit(en) erlaubt daher die Kontrolle der Farbe der elektrochromen Verbindung.
Bevorzugt ist der Spacer mit der Nukleobaseneinheit über ein N-Atom ist der Nukleobaseneinheit verknüpft; z. B. im Falle von Purin-Nukleobasen ist der Spacer mit der Purin-Nukleobase an der Position 9 oder im Falle einer Pyrimidin-Nukleobase mit dem N-Atom an der Position 1 verknüpft. In einer anderen Ausführungsform ist der Spacer mit der Nukleobase über ein C-Atom dieser Nukleobase durch C-Alkylierung verknüpft. Weiterhin kann eine Verknüpfung zwischen dem Spacer und der Nukleobaseneinheit durch eine kovalente Verknüpfung über ein O- oder S-Atom erzielt werden, wenn spezielle Kopfgruppen verwendet werden.
Redox-aktive Gruppen
Die redox-aktive Gruppe kann eine redox-aktive Gruppe sein, wie sie im Schema unten dargestellt ist.
Schema 5: redox-aktive Gruppen
D. h., die redox-aktive Gruppe ist bevorzugt ein 4,4'-Dipyridin, ein 2,2'-Dipyridin, ein 1,2-Di(4-pyridyl)ethan, ein 2,7-Diazapyren, ein 1,3,5-Tris(4-pyridyl)benzen und ein 2,9-Diazaperylen oder Derivate davon, die ein- oder mehrfach substituiert sein können. Im Schema 5 ist R wie R1 bis R12 im Schema 3A definiert.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die redox-aktive Gruppe 4,4'-Bipyridin. Die Charakterisierung von 4,4'-Bipyridin- und 2,7'-Diazapyren-Einheiten als elektrochrome Verbindungen kann z. B. gefunden werden in: F. Würthner, A. Sauter und J. Schilling, „Synthesis of Diazadibenzoperylenes and Characterization of Their Structural, Optical, Redox, and Coordination Properties", J. Org. Chem., 2002, 67, 3037–3044.
Verbindungen, wie die Diazapyren, Diazaperylen, Bipyridin, 1,2-Di(4-pyridyl)ethan können das konjugierte π-Elektronensystem auf die redox-aktive Einheit begrenzen oder das konjugierte π-Elektronensystem auf die Nukleobasen in Abhängigkeit von den verwendeten Spacereinheiten und den verwendeten Substituenten erweitern. Die Erweiterung des konjugierten π-Elektronensystem kann das Adsorptionsspektrum (Farbe) der Verbindung genauso wie das Redoxpotential der Verbindungen beeinflussen. Während z. B. Dialkyl substituiertes Bipyridinium-Salz oder Benzyl substituiertes Bipyridinium-Salz blau ist, ist Diaryl substituiertes Bipyridinium-Salz grün. Weiterhin können spezifische Substituenten, die an eine der verschiedenen Einheiten vorhanden ist, das π-Elektronensystem oder das Adsorptions- und Emissionsspektrum beeinflussen, und somit das emittierte Licht verändern.
Die Strategie zur Synthese der neuen Hybridverbindungen gemäß der vorliegenden Erfindung kann sich unterscheiden in Abhängigkeit von der späteren Anwendung dieser Hybridverbindungen.
Im Bereich der Elektrochromie ist ein Koppeln an Oberflächen von Trägermaterial in kaskadenartiger Weise gewünscht. Zu diesem Zweck können die Hybrideinheiten vorab synthetisiert werden und anschließend mit weiteren Kerneinheiten gekoppelt werden und diese Einheiten können an nukleophilen oder elektrophilen Ankergruppen, die eine spätere Verknüpfung an mesoporöse Trägermaterialien erlauben, verknüpft werden. Solche Trägermaterialien können z. B. sein In₂O₃/SnO₂ = ITO; F/SnO₂ = FTO; Sb₂O₃/SnO₂ = ATO; TiO₂, Au, mesoporöse Silikate M41S, wie MCM41 oder MCM48, Zeolite usw.
In einer weiteren Ausführungsform führt die Synthese zur Herstellung von Dendrimeren. Wenn Dendrimere synthetisiert werden, werden funktionale Moleküle mit kaskadenartigen Aufbau gebildet, wobei die redox-aktive Einheit und die redox-aktive Peripherie sterisch und/oder elektronisch voneinander isoliert sind. In Abhängigkeit von ihren strukturellen Aufbau können die Dendrimere in zwei Gruppen unterteilt werden: i) die Base als funktionale Einheit ist im Kern des Dendrimers lokalisiert und ii) die Base ist in der Peripherie oder im gesamten dendritischen Gerüst lokalisiert.
Die Hybridmoleküle können z. B. an eine feste Schicht, wie Halbleiter na nokristallines TiO₂ in monomolekularen Schichten über Alkylphophonatgruppen als Kopplungsgruppen, verknüpft sein. Die TiO₂ Nanokristalle sind auf eine Indiumoxidschicht gesintert und diese Schichten führen zur Herstellung von transparenten Elektroden, die ihre Farbe schnell und effizient nach Änderung der Ladung der Elektrode verändern können.
Verbindungen, die weiterhin eine funktionale Gruppe aufweisen, können synthetisiert werden; diese Hybridverbindungen können zur Stabilisierung von komplexen Nukleinsäurestrukturen, z. B. G-Tetraden, verwendet werden.
Die Hybrideinheiten können weiterhin zur Herstellung von Markermolekülen zum Nachweis von Nukleinsäuren verwendet werden.
Die erfindungsgemäßen Verbindungen können aus mindestens zwei Nukleobaseneinheiten, die gleich oder voneinander verschieden sein können, zusammengesetzt sein. Im Falle von mindestens zwei Nukleobaseneinheiten können die Hybridverbindungen als symmetrische Hybridverbindungen oder asymmetrische Hybridverbindungen vorhanden sein. Im Falle von symmetrischen Hybridverbindungen sind die Nukleobaseneinheiten identisch oder verschieden, während im Falle von asymmetrischen Hybridverbindungen eine unidirektionale Substitution auftritt, wobei eine Nukleobase an einer Seite der redox-aktiven Einheit vorhanden ist und eine zweite Gruppe, z. B. eine Ankergruppe, wie Methoxysilanyl, Ethoxysilanyl, Epoxysilanyl, Phosphonat, Salizylat, Benzoat, Benzoylreste oder Alkyl-, Benzyl- oder Arylreste, auf der anderen Seite vorhanden sind. Erfindungsgemäß werden Verbindungen der allgemeinen Struktur i) oder ii), wie in dem Schema unten dargestellt (Schema 6), bereitgestellt.
In der Route i) des Schemas 6 sind Beispiele für symmetrische Verbindungen gezeigt. D. h. zwei der Hybrideinheiten sind kovalent mit einer Kerneinheit verbunden, wie unten ausführlich dargestellt. In der Route ii) des Schemas 6 sind Beispiele für asymmetrische Verbindungen dargestellt.
Im Falle von asymmetrischen Hybridverbindungen mit einer Nukleobase, einem Spacer und einer redox-aktiven Einheit sind diese Hybrideinheiten nicht an eine gemeinsame Kerneinheit gekoppelt, sondern enthalten eine redox-aktive Einheit einer Gruppe, die die Kopplung mit anderen Materialien, z. B. mit Trägermaterialien, erlaubt. Gruppen zur Kopplung der Hybrideinheit sind z. B. Alkylphosphonsäure, Benzoesäure, Salizylsäure oder Silanderivate, die eine chemische Verknüpfung mit dem Material erlauben. Die Derivatisierung einer Oberfläche wird Schicht für Schicht unter Verwendung von alternierenden elektrophilen und nukleophilen funktionalen Einheiten durchgeführt. Dies erlaubt den Aufbau von 2D- oder 3D-polymeren Filmen auf der Oberfläche.
Kernmoleküle/Kerneinheiten
Die Hybridverbindungen oder Hybrideinheiten, wie sie oben beschrieben sind, können kovalent an Kerneinheiten verknüpft sein, um so asymmetrische unidirektionale Moleküle oder symmetrische bidirektionale oder multidirektionale Dendrimere der 0. Ordnung auszubilden. Ausführungsformen dieser Kerneinheiten sind im folgenden Schema (Schema 7) gezeigt.
Die Kerneinheit ist bevorzugt mit mindestens einer oder mehreren Verbindungseinheiten, die bevorzugt terminal elektrophile oder nukleophile Gruppen aufweisen, z. B. ein Halogenatom oder eine Aminogruppe, verbunden. Diese reaktiven Verbindungseinheiten erlauben eine spätere Verknüpfung mit den redox-aktiven Einheiten der Hybrideinheit. In dem unten dargestellten Schema sind Verbindungseinheiten als Alkylketten dargestellt. Sie sind aber nicht auf diese begrenzt. Die Kerneinheiten haben bevorzugt ein, zwei, drei oder vier Verbindungseinheiten, die im Falle von aromatischen Kerneinheiten symmetrische Gruppen des Typs darstellen: C1, C3, D2H, D3H und, im Falle von aliphatischen Kernen, symmetrische Gruppen 34. Schema 7: Kern oder Verbinder zur Verbindung mit den Redoxeinheiten
R, R': ein oder mehrere Substituenten aus der Gruppe Alkyl, Alkenyl, Alkinyl, OR, SR, (R=H, Alkyl), NR¹R², (R¹, R²: Alkyl);
r. G. = Reaktive Gruppen, hier bevorzugt Halogene, insbesondere bevorzugt Br;
X = Halogene
Wenn Kerneinheiten mit Initiatoraktivität verwendet werden, können bi- oder multidirektionale dendritische Hybridmoleküle gebildet werden (0. Ordnung), analoge Verbindungen können unter Verwendung von linearen Kerneinheiten des aromatischen Typs, wie im Schema unten dargestellt, erhalten werden:
Schema 8
Die kaskadenartigen Moleküle können entweder ausgehend vom Kern, dem Initiatorkern in Richtung Peripherie (divergente Synthese) oder ausgehend von den dendritischen Verzweigungen zum Kern (konvergente Synthese) synthetisiert werden. Durch Wiederholen der Syntheseschritte kann eine Multiplikation der Zahl der Verzweigungen und der Zahl der terminalen Gruppen erreicht werden. Somit kann eine nächste Generation der Dendrimere erhalten werden. Das exponentielle Wachstum kann unter Verwendung von Molekülen mit nur einer reaktiven Funktion, so genannte Terminationsgruppen oder Endgruppen, siehe Schema 9, begrenzt werden.
Schema 9 r. G. = reaktive Gruppen: bevorzugt Halogene (F, Cl, Br, I);
-OH, -NH₂, -COOH, -COX,
-CHO;
R = ein oder mehrere Substituenten aus der Gruppe der Alkyle
Hybridverbindungen für die kovalente Verknüpfung an mesoporöses Trägermaterial
In dem unten gezeigten Schema (Schema 10) wird ein Beispiel für die Synthese von asymmetrischen, unidirektionalen Hybridverbindungen gezeigt, die über eine Ankergruppe an feste Trägermaterialien in monoklonale Schichten gekoppelt werden können. Die Moleküle müssen mindestens eine Ankergruppe enthalten, die an ein mesoporöses Trägermaterial absorbieren können, wie ITO, FTO, ATO, TiO₂, AU, MCM41, Zeolite usw.
Besonders bevorzugte Ankergruppen sind Benzoat, Salizylat, Silanderivate, wie 4-[2-[Trichlorsilyl)ethyl]-pyridin, [(Chloromethyl)phenyl-ethyl]-trimethoxysilan, (y-Aminopropyl)trimethoxysilan, (γ-Aminopropyl)triethoxysilan, [(γ-Aminopropyl)dimethyl)]-ethoxysilan, (δ-Aminobutyl)-triethoxysilan, [(γ-Aminopropyl)diisopropyl]ethoxysilan, Vinyltrimethoxysilan, γ-Glycidoxypropyltrimethoxysilan, Thiolderivative. Weiterhin bevorzugt ist eine Phosphonatgruppe als Ankergruppe, insbesondere für TiO₂-Material.
Schema 10 X = bevorzugte Halogene (F, Cl, Br, I); -COX, -COOH;
r. G. = reaktive Gruppen: bevorzugt Halogene (F, Cl; Br, I);
-OH, -NH₂, -COOH, -COX,
-CHO;
Unter Verwendung dieser Hybrideinheiten können verschieden Strukturarten ausgebildet werden. D. h., es ist möglich Variationen in der Zahl der Hybrideinheiten genauso wie in der Zahl der Ankergruppen zu haben. Weiterhin ist es möglich Verbindungen, mit unidirektionaler ein oder zwei Ankergruppen zu erhalten oder die eine dendritische Struktur mit einer Vielzahl von Ankergruppen aufweisen.
Verbindungen enthaltend eine Bipyridineinheit mit einer Phosphonatrest sind allgemein z. B. in der WO 2004/067673 beschrieben. Erfindungsgemäße spezifische Bindung mit einer Phosphonatankergruppe sind aber dort nicht ausgeführt.
Als Trägermaterialien sind Materialien wie TiO₂ oder ATO geeignet, da diese Materialien Oberflächen aufweisen, die bis zu dem 100-fachen größer sind als die Oberfläche von ITO- oder FTO-Glas. Diese Substrate oder Trägermaterialien für Elektroden sind z. B. gesinterte TiO₂-Anatase oder Fluorzinoxidglas (FTO)(150°C). Diese Substratarten für Elektroden haben Mesoporen mit einem Durchmesser von 10 bis 30 nm. Erfindungsgemäße Hybridmoleküle, enthaltend Ankergruppen, werden mit der Oberfläche dieser Materialien verbunden und, wenn gewünscht, kreuzvernetzt. Dadurch können transparente Elektroden, die eine effiziente und schnelle Farbveränderung aufgrund einer Veränderung der Ladung aufzeigen, erhalten werden. Im Falle einer Verwendung von Abstandseinheiten mit C1- und C2-Einheiten, kann eine elektrische Kopplung zwischen der redox-aktiven Einheit und der Baseneinheit erreicht werden. Dadurch kann eine Variation der Farbe der elektrochromen Einheit durch Variieren der Nukleobase erzielt werden.
Um eine kovalente Schicht für Schicht Fixierung einer alternierenden redox-aktiven Einheit und einer Nukleobaseneinheit auf der Oberfläche zu erreichen, können Verbindungen verwendet werden, wie sie im Schema unten gezeigt sind (Schema 11). Die Synthese dieser Verbindungen ist in Schema 10 gezeigt. Die allgemeine Synthese dieser Verbindungen ist im Schema 12 gezeigt, Schema 13 zeigt ein Beispiel des verallgemeinerten Schemas.
Schema 11
Schema 12
Für die Herstellung der Hybridmoleküle umfassend die Baseneinheit, die redoxaktive Einheit und die Ankergruppe, kann z. B. eine Alkylphosphonsäureester, wie im Schema 10 gezeigt, oder eine Suzuki-Miyaura-Reaktion (Schema 12) durchgeführt werden, zum Verknüpfen eines 1,3-Di(brommethyl)phenyl verzweigten Moleküls, enthaltend zwei reaktive Gruppen mit der heterozyklischen Baseneinheit. Die Verbindungen können nach saurer Hydrolyse der Phosphonsäureestergruppe, die an ein mesoporöses Trägermaterial fixiert sein kann, z. B. eine TiO₂-Oberfläche, erhalten werden, und erlaubt somit eine Immobilisierung der elektroaktiven Verbindungen auf der mesoporösen Elektrode.
Dies wird durch Ausbilden einer selbst organisierenden Monoschicht auf der inneren Oberfläche eines mesoporösen Trägermaterials erzielt. Diese Schicht kann kreuzvernetzt werden und kann in Richtung des Zentrums dieser Kerne durch Substitutions-, Kondensations- oder Elektropolymerisationsreaktionen aufgebaut werden. Diese kaskadenartigen Reaktionen erlauben die Möglichkeit des Ausbildens von redox-aktiven Filmen mit einer hohen Gedächtniskapazität auf den Elektroden, um somit die Verwendung dieser im Bereich der Biosensoren zu ermöglichen.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verbindungen ist in den Schemata 13 und 14 unten dargestellt, wobei eine Trimethoxysilylalkylgruppe als Ankergruppe anstelle eines Alkylphosphonats verwendet wird. Die Nukleobase kann einen Crosslinker C aufzeigen, wie in Schemata 13 und 14 gezeigt. Die Synthese des Spacers und des 2,7-Diazapyren mit terminalen reaktiven Gruppen wird z. B. beschrieben in Deventers N. et. al., Chem. Mat. 1999, 11, 2837.
Schema 13
Schema 14
Hybridverbindungen erhalten durch C-Alkylierung der Nukleobaseeinheit.
Die Schemata 15A und 15B zeigen die Synthese von erfindungsgemäßen Hybridmolekülen, wobei die kovalente Verknüpfung zwischen der heterozyklischen Baseneinheit und der redox-aktiven Gruppe über einen Spacer durch C-Alkylierung der Base erreicht wird. In diesem Fall ist der erste Schritt der Syn these eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verknüpfung zwischen einem geeigneten Nukleobasederivat, z. B. ein Derivat mit einer Jodgruppe und einem Alkyl-, Alken-1-yl- oder Alkin-1-yl-Verbindung mit einer terminalen reaktiven Gruppe, bevorzugt einen Halogensubstituenten (siehe Schemata 15A oder 15B). Die verwendeten Verfahren zur Synthese sind dem Fachmann bekannt und z. B. beschrieben in F. Seela, N. Ramzaeva, H. Rosemeyer, Science of Synthesis, Product Class 17: Purines, Vol. 16, pp. Derivate gemäß der vorliegenden Erfindung können aus den Nukleobasen, wie sie im Schema 3A oben gezeigt sind, erhalten werden.
Anwendungsbereiche
Die erfindungsgemäßen Hybridverbindungen können in verschiedenen Bereichen verwendet werden, z. B. als elektrochrome Verbindungen. Weiterhin können die erfindungsgemäßen Verbindungen als Nukleoside genauso wie als Verbindungen mit antibakterieller, antiviraler und antifungaler Aktivität verwendet werden. D. h., die erfindungsgemäßen Verbindungen können das aktive Prinzip von pharmazeutischen Zusammensetzungen sein, insbesondere von pharmazeutischen Zusammensetzungen zur Behandlung infektiöser Erkrankungen, z. B. viraler Erkrankungen, wie HIV1- oder HIV2-Infektionen, HSV-Infektionen, SIV- oder FIV-Infektionen oder Infektionen mit dem Coxsackievirus.
Weiterhin erlauben die C-alkylierten Nukleobasen die Verwendung dieser Nukleobasen als Teil von Nukleosiden und Nukleotiden. Diese Nukleoside und Nukleotide können in Nukleinsäuresyntheseverfahren, wie sie im Stand der Technik bekannt sind, eingesetzt werden. Z. B. können diese Nukleotide in Oligonukleotiden eingefügt werden und diese Oligonukleotide können als Proben in der Nukleinsäureanalytik, wie auf Nukleinsäure-basierende Nachweisverfahren, wie Diagnostik-Verfahren usw., z. B. auf Basis einer Hybridisierung von mindestens zwei Nukleinsäuremolekülen, eingesetzt werden.
Weiterhin sind die erfindungsgemäßen Verbindungen als analytische Werkzeuge oder Mittel z. B. als Teil von Biosensoren oder Vorrichtungen für die Nukleinsäureanalyse nützlich.
D. h., die Nukleinsäuremoleküle enthaltend erfindungsgemäße Hybridverbindungen sind nützlich zum Nachweis der Bindung von Bindungspartnern, die die redox-aktiven Gruppen als Reporter- oder Markergruppen verwenden. Der Nachweis dieser Marker- oder Reportergruppe kann erzielt werden durch Messen der Farbe oder durch das elektrische Potential unter Verwendung von z. B. UV-Licht oder Laser- oder Zyklovoltametrie. Veränderungen in der maximalen Wellenlänge λmax oder des Stromflusses erlauben die Bestimmung der Bindung der erfindungsgemäßen Nukleinsäuremoleküle mit einem Bindungspart ner. D. h., es wird eine potente Alternative für die derzeit verwendeten Selektionssysteme basierend auf Fluoreszenz oder Radioaktivität bereitgestellt.
Die erfindungsgemäßen Hybridverbindungen werden im Folgenden mit Hilfe von Beispielen weiter beschrieben, ohne dass diese die vorliegende Erfindung einschränken. Die Beispiele werden lediglich zur weiteren Darstellung bereitgestellt und der Fachmann erkennt jede Modifikation, Veränderung usw. ohne den Schutzumfang des Erfindungsgegenstandes zu verlassen.
Beispiele
Synthese der erfindungsgemäßen Verbindung
Beispiel 1
Synthese von 7-(2-Bromoethyl)-4-chloro-7H-pyrrolo[2,3-d]pyrimidin
Zu einer Suspension von 4 g NaH und 2 g (13 mmol) 4-Chloro-7H-pyrrolo[2,3-d]pyrimidin in 10 ml frisch destilliertem DMF wurden 242 g (1.3 mol) 1,2-Dibromethan in 10 ml DMF zugetropft. Die Suspension wurde drei Tage bei 70°C unter Rückfluss gekocht. Der ausgefallene weiße Niederschlag wurde vom erkalteten Reaktionsgemisch abfiltriert und die Mutterlauge eingeengt. Der Rückstand wurde in Chloroform gelöst und durch Säulenchromatographie aufgereinigt (Kieselgelsäule, 35 × 3,5 cm, Petrolether/Ethylacetat (4:1, v/v) als Eluent). Die erste Fraktion enthielt 4-Chlor-7vinyl-7H-pyrrolo[2,3-d]pyridin (Rf = 0,67) und die zweite Fraktion die Titelverbindung 7-(2-Bromoethyl)-4-chloro-7H-pyrrolo[2,3-d]pyrimidin (Rf = 0,42). Die Produkt enthaltenen Fraktionen wurden am Rotationsverdampfer eingeengt und das Lösungsmittel abgezogen. Nach Trocknen im Vakuum für 24 h erhielt man 2.15 g (8,2 mmol, 63%) reines Produkt als leicht gelbes Pulver.
¹H-NMR(500 MHz, CDCl₃): δ(ppm) = 8.58 (s, 1H, H-C(6)), 7.34 (t, ³J[H,H] = 5.0 Hz, 1H, H-C(2)), 6.55 (d, ³J[H,H] = 2.5 Hz, 1H, H-C(5)), 4.67 (t, ³J[N,H] = 5.0 Hz, 2H, H-C(8)), 3.76 (t, ³J[H,H] = 5.0 Hz, 2H, H-C(9)).
¹³C-NMR(500 MHz, CDCl₃): δ(ppm) = 150.09 (C2), 149.68 (C7a), 144.16 (C4), 129.74(C6), 121.11(C4a), 100.82 (C5), 46.97 (C8), 30.00(C9).
Beispiel 2
Synthese von 2-Amino-7-[bromomethyl]-4-chloro-7H-pyrrolo[2,3-d]pyrimidin
Zu einer Suspension von 4 g NaH und 2.2 g (13 mmol) 2-Amino-4-chloro-7H-pyrrolo[2,3-d]pyrimidin in 10 ml frisch destilliertem DMF wurde 242 g (1.3 mol) 1,2-Dibromoethan in 10 ml DMF zugetropft. Die Suspension wurde drei Tage bei 70°C unter Rückfluss gekocht. Der ausgefallene weiße Niederschlag wurde vom erkalteten Reaktionsgemisch abfiltriert und die Mutterlauge eingeengt. Der Rückstand wurde in Chloroform gelöst und mittels Säulenchromatographie aufgereinigt (Kieselgelsäule, Petrolether/Ethylacetat (2:1, v/v) als Eluent). Die erste Fraktion wurde verworfen, und die zweite Fraktion, die 2-Amino-7-(bromomethyl)-4-chloro-7H-pyrrolo[2,3-d]pyrimidin (Rf = 0,42) enthält, wurde gesammelt und das Lösungsmittel abgezogen. Nach Trocknen im Vakuum für 24 h erhielt man 1.84 g (6.6 mmol, 51.4%) reines Produkt als gelbliches Pulver.
¹H-NMR(250 MHz, d₆-DMSO): δ(ppm) = 7.22 (d, ³J[H,H] = 5.0 Hz, 1H, H-C(6)), 6.71 (s, 2H, H₂N), 6.30 (d, ³J[H,H] = 5.0 Hz, 1H, H-C(5)), 4.41 (t, ³J[N,H] = 12.5 Hz, 2H, H-C(8), 3.83 (t, ³J[H,H] = 12.5 Hz, 2H, H-C(9)).
¹³C-NMR (250 MHz, d₆-DMSO): δ(ppm) = 159.33 (C2), 153.54 (C7a), 151.21 (C4), 126.35 (C6), 108.63 (C4a), 98.55 (C5), 45.35 (C8), 31.30 (C9).
Beispiel 3
Synthese von 1-(2-[4-Chloro-7H-pyrrolo[2,3-d]pyrimidin-7-yl)ethyl])-1'-[(2-diethoxyphosphoryl)ethyl]-4,4'-bipridinium Dibromid.
1-[2-(Diethoxyphosphory)ethyl]-4-pyridin-4-ylpyridinium Bromid (87 mg, 0.21 mmol) wurde in 10 ml MeCN gelöst und mit 89.5 mg (0.34 mmol) 7-(2-Bromoethyl)-4-chloro-7H-pyrrolo[2,3-d]pyrimidin versetzt. Das Gemisch wurde 14 Tage unter Rückfluss gekocht. Nach drei Tagen bildeten sich erste Kristalle aus. Vom erkalteten Reaktionsgemisch wurde der braune Feststoff abfiltriert, mit Ether gewaschen und getrocknet. Die Mutterlauge wurde vollständig eingeengt und der Rückstand getrocknet, anschließend in MeOH aufgenommen und mit Ether über Nacht bei +4°C auskristallisiert. Nach Trocknen im Vakuum für 24 h erhielt man 89.4 mg (0.13 mmol, 64%) als gelbliches Pulver.
¹H-NMR(250 MHz, D₂O): δ(ppm) = 9.06 (t, ³J[H,H] 15.1 Hz, H2), 8.68 (t, ³J[NH] = 12.0 Hz, 1H), 8.33 (dd, ³J[N,H] = 5.0 Hz, ³J[H,H] = 7.5 Hz, 2H), 8.22 (d, ³J[H,H] = 5.0 Hz, 2H), 8.13 (q, ³J[H,H] = 6.7 Hz, 2H), 7.47 (q, ³J[H,H] = 10.0 Hz, 1H), 6.72 (s, 1H), 5.09 (s, 2H), 4.89 (s, 2H), 4.78 (t, ³J[H,H] = 10.0 Hz, 2H), 4.01 (q, ³J[H,H] = 5.0 Hz, 4H), 2.29 (t, ³J[NH] = 7.5 Hz, 2H), 1.11 (t, ³J[H,H] = 7.5 Hz, 6H).
¹³C-NMR (250 MHz, d₆-DMSO): δ(ppm) = 154.5 (C7a-B), 152.4 (C4-B), 151.1 (C4'-Bipy), 150.5 (C2-B), 149.7 (C4-Bipy), 146.2 (CH-2',3'-Bipy), 145.8 (CH-4',5' Bipy), 130.8 (C6-B), 127.3 (CH-2,3-Bipy), 127.0 (CH-4,5-Bipy), 117.7 (C4a-B), 101.6 (C5-B), 64.2 (C1-Ethyl-Phosph-C-N, ²J = [C,P] = 6.5), 61.5 (C1-Ethyl-B), 58.2 (C1-Ethyl-Phosph-O-C), 45.5 (C2-Ethyl-Base), 29.3 (C2-Ethyl-Posphonat-P-C), 26.1 (C1-Ethyl-Phosph-P-C, ¹J[C,P] = 133,7 Hz), 16.1 (C2-Ethyl-Phosphonat-O-C, ³J[C,P] = 5,6 Hz).
Beispiel 4
Synthese von 7-(2-Chlorethyl)-2-methylthio-7H-pyrrolo[2,3-d]pyrimidin-4-on
1. Schritt: 4-Methoxy-2-methylthio-7H-pyrrolo[2,3-d]pyrimidin (500 mg, 2,56 mmol), suspendiert in Dichlorethan (20 ml), wurde zu einer Lösung von Tetrabutylammoniumhydrogensulfat (0,7 g, 2,5 mmol) in 50% wässrigen Natriumhydroxid hinzugefügt und mit einem Vibromixer für drei Stunden bei Raumtemperatur gerührt. Nach Trennung der Schichten wurde die wässrige Phase zweimal mit Dichlormethan extrahiert. Die kombinierten organischen Schichten wurden zur Trockne eingedampft, in Ethanol gelöst, mit Aktivkohle entfärbt und filtriert. Nach Zugabe von Wasser wurden farblose Nadeln (175 mg) mit einem Schmelzpunkt von 86–87°C erhalten. Eine Säulenchromatographie mit einem Feststoff (Silicagel, CH₂Cl₂) ergab zwei Zonen, die erste davon enthielt ein bis-Ethylen-Nebenprodukt. Aus der langsameren Migrationszone wurde die Titelverbindung 7-(2-chlorethyl)-4-methoxy-2-methylthio-7H-pyrrolo[2,3-d]pyrimidin (155 mg, 24%) isoliert und aus EtOH/H₂O kristallisiert.
Schmelzpunkt 90°C
TLC (Silicagel, CH₂Cl₂): Rf 0,76
UV(MeOH): λ_max 282, 238 nm (ε, 13,88, 19,300)
Anal. Calcd. für C₁₀H₁₂N₃OSCl (257,747): C, 46,60%, H, 4,69; H, 16,30. Gefunden: C, 46,77; H, 4,81; N, 16,35
¹H-NMR(250 MHz, CDCl₃): δ(ppm) = 2,61 (3H, s, SCH₃); 3,87 (2H, t, CH₂N, J = 6,0 Hz); 4,10 (3H, s, OCH₃); 4,50 (2H, t, CH₂Cl, J = 6,0 Hz); 6,43 (1H, d, H-C(6), J = 4,0 Hz).
¹³C-NMR(250 MHz, CDCl₃): δ(ppm) = 14,3 (SCH₃); 42,7 (CH₂Cl); 47,0 (CH₂N); 53,72 (OCH₃); 99,1 (C-5); 102,9 (C-4a); 125,2 (C-6); 153,6 (C-7a); 163,2 (C-2); 164,6 (C-4)
2. Schritt: 7-(2-Chlorethyl)-4-oxy-methylthio-7H-pyrrolo[2,3-d]pyrimidin (150 g, 0,58 mmol) wurde in einer Mischung von 50 ml Dioxan und 15 ml auf 0,5 NHCl gelöst und unter Rückfluss für 6 Stunden gehalten. Nach Neutralisation durch Zugabe von festen NH₄HCO₃ wurde die Lösung eingeengt, bis die Kristallisation startete. Das Präzipitat wurde abfiltriert und auf eine Silicagelsäule (3,5 × 40 cm) aufgebracht. Diese wurde mit CH₂Cl₂/MeOH (9:1, v/v) eluiert und ergab eine Hauptzone, die das reine 7-(2-Chlorethyl)-2-methylthio-7H-pyrrolo[2,3-d]pyrimidin-4-on als farblose Kristalle enthielt (120 mg, 85%).
Schmelzpunkt 196°C
TLC (Silicagel, CHCl₃-MeOH, 9:1, v/v): R_f 0,7
UV(MeOH): λ_max 271, 286 nm (ε, 10,500, 10,650)
Anal. Calcd. für C₉H₁₀N₃OSCl (243,72): C, 44,35, H, 4,14; N, 17,24. Gefunden: C, 44,76; H, 4,26; N, 17,64
¹H-NMR (250 MHz, CDCl₃): δ(ppm) = 2,54 (3H, s, SCH₃); 4,01 (2H, t, CH₂N, J = 6,5 Hz); 4,43 (2H, t, CH₂Cl, J = 6,0 Hz); 6,39 (1H, d, H-C(6), J = 3,5 Hz); 12,16 (1H, s, NH).
¹³C-NMR(250 MHz, CDCl₃): δ(ppm) = 12,8 (SCH₃); 43,3 (CH₂Cl); 46,0 (CH₂N); 101,5 (C-5); 104,4 (C-4a); 122,8 (C-6); 147,5 (C-7a); 154,8 (C-5); 158,6 (C-2)
Beispiel 5
Synthese von 7-(2-Carboxyethyl)-4-chloro-2-methoxy-7H-pyrrolo[2,3-d]pyrimidin
1. Schritt: 4-Chloro-2-methoxy-7H-pyrrolo[2,3-d]pyrimidin (500 mg, 2,7 mmol) und Tetrabutylammoniumhydrogensulfat (92 mg, 0,27 mmol) wurden in einer Mischung von 20 ml 50% a. q. Natronhydroxid/10 ml Benzol/10 ml Dimethoxyethan gelöst und mit einem Vibromixer für fünf Minuten bei Raumtemperatur gerührt. Anschließend wurde Ethyl-3-brompropionat (3,35 ml, 27 mmol) hinzugefügt und die Mischung wurde für eine weitere Stunde gemischt. Nach Trennen der Schichten wurde die wässrige Phase dreimal mit Benzol extrahiert. Die kombinierten organischen Phasen wurden mit Wasser gewaschen, zur Trocknung eingeengt, in MeOH gelöst und mit Aktivkohle entfärbt. Nach Zugabe einiger Tropfen Wasser kristallisierte das Ester das 4-Chloro-7-(2-ethoxycarbonylethyl)-2-methoxy-7H-pyrrolo[2,3-d]pyrimidin als farblose Nadeln (635 mg, 83%).
Schmelzpunkt 71–72°C
TLC(Silicagel, CHCl₃): Rf 0,4
UV(MeOH): λ_max 278, 295 nm (ε, 4,300, 5,200)
Anal. Calcd. für C₁₂H₁₄N₃O₃Cl (283,721): C, 50,80; H, 4,97; N, 14,81. Gefunden: C, 50,94; H, 4,92; N, 14,92
¹H-NMR (250 MHz, CDCl₃): δ(ppm) = 1,09 (3H, t, CH₃-Ester, J = 7,0 Hz); 2,90 (2H, t, CH₂N, J = 7,0 Hz); 3,94 (3H, s, OCH₃); 4,01 (2H, q, CH₂-Ester); 4,38 (2H, t, CH2C=O, J = 7,0 Hz); 6,48 (1H, d, H-C(5), J = 4,0 Hz); 7,48 (1H, d, H-C(6), J = 4,0 Hz).
¹³C-NMR (250 MHz, CDCl₃): δ(ppm) = 13,9 (CH₃-Ester); 33,9 (CH₂C=O); 39,8 (CH₂-Ester); 54,8 (OHC₃); 60,2 (CH₂N); 98,7 (C-5); 112,3 (C-4); 129,4 (C-6); 151,6 (C-7a); 152,8 (C-2); 160,6 (C-4a); 170,7 (C=O).
2. Schritt: 4-Chloro-7-(2-ethoxycarbonylethyl)-2-methoxy-7H-pyrrolo[2,3-d]pyrimidin (500 mg, 1,76 mmol) wurden in einer Mischung von 20 ml mit EtOH/20 ml 1N NaOH gelöst und für 30 Minuten bei Raumtemperatur gerührt. Nach Lösen mit Wasser wurde die Reaktionsmischung durch Zugabe von Amberlit IR-120 (H⁺-Form, Glaselektrode) neutralisiert. Nach Filtration wurde das Ionenaustauschharz abfiltriert und kräftig mit EtOH/H₂O (1:1, v/v) gewaschen und das Filtrat wurde zur Trockne eingedampft. Der Rest wurde in einer kleinen Menge von Wasser gelöst und 7-(2-Carboxyethyl)-4-chloro-2-methoxy-7H-pyrrolo[2,3-d]pyrimidin wurde durch Zugabe einiger Tropfen von Eisessig kristallisiert. Farblose Nadeln (368 mg, 82%);
Schmelzpunkt 140–4142°C
TLC (Silicagel, 0,25 M aq LiCl): Rf 0,5
UV(MeOH): λ_max 277, 278, 297 nm (ε, 29,700, 4,500, 4,900)
Anal. Calcd. für C₁₀H₁₀N₃O₃Cl (255,667): C, 46,98; H, 3,94; N, 16,44. Gefunden: C, 46,87; H, 3,97; N, 16,34
¹H-NMR(250 MHz, d₆-DMSO): δ(ppm) = 2,82 (2H, t, CH₂N, J = 7,0 Hz); 3,96 (3H, s, OCH₃); 4,37 (2H, t, CH₂C=O, J = 7,0 Hz); 6,50 (1H, d, H-C(5), J = 4,0 Hz); 7,50 (1H, d, H-C(6), J = 4,0 Hz).
Beispiel 6
Synthese von 1-{2-[4-Chloro-7H-pyrrolo[2,3-d]pyrimidin-7-yl)ethyl])-1'-[(2-diethoxyphosphory)ethyl]-4-(2-pyridin-4-yl)ethyl)pyridinium Dibromid.
1-[2-(Diethoxyphosphory)ethyl]-4-(2-pyridin-4-ylethyl)pyridinium Bromid [DA-SA] (150 mg, 0.34 mmol) und 182 mg (0.7 mmol) 7-(2-Bromoethyl)-4-chloro-7H-pyrrolo[2,3-d]pyrimidin wurden in 20 ml MeCN gelöst und 7 Tage bei 70°C gerührt. Nach einigen Stunden färbt sich die Lösung tief rot, und nach zwei Tage fiel ein dunkelroter Niederschlag aus. Vom erkalteten Reaktionsgemisch wurde der dunkelrote Feststoff abfiltriert, mit Ether gewaschen und im Hochvakuum getrocknet. Zur weiteren Reinigung wurde das Produkt in 15 ml Wasser gelöst. Es fiel ein dunkler – violetter Niederschlag aus. Dieser wurde abfiltriert, und der Rückstand mehrmals mit 20 ml Wasser im Ultraschallbad behandelt. Die wässerige Phase wurde auf die Hälfte des Volumens eingeengt und mit 6 ml einer 10 proz. NH₄PF₆ Lösung versetzt. Nach Trocknung wurde der Feststoff in 10 ml MeCN gelöst und zu 8 ml Tetrabutylammoniumbromid (5% in MeCN)) Lösung getropft. Der ausgefallene dunkelrote Niederschlag wurde abfiltriert, der Feststoff in MeOH aufgenommen und mit Ether über Nacht bei +4°C ausgefällt. Nach Trocknen im Vakuum für 24 h erhielt man 34 mg (0.05 mmol, 14%) als dunkel-rotes Pulver.
¹H-NMR(250 MHz, d₆-DMSO): δ(ppm) = 9.50 (b, 1H), 8.78 (d, ³J[H,H] = 12.5 Hz, 2H), 8.61 (d, ³J[H,H] = 5.0 Hz, 2H), 7.81 (m, 4H), 7.47 (q, ³J[H,H] = 10.0 Hz, 1H), 6.34 (b, 1H), 5.41 (b, 2H), 4.86 (b, 2H), 3.80 (b, 4H), 3.42 (b, 2H), 3.22 (b, 2H), 2.61 (m, 4H), 1.05 (t, ³J[H,H] = 6.9 Hz, 6H).
Beispiel 7
Synthese von 1-(2-(4-Chloro-7H-pyrrolo[2,3-d]pyrimidin-7-yl)ethyl]}-4,4'-bipyridinium Bromid
4,4'-Bipyridyl (25 mg, 0.16 mmol) und 416 mg (1.6 mmol) 7-(2-Bromoethyl)-4-chloro-7H-pyrrolo[2,3-d]pyrimidin wurden in 20 ml MeCN gelöst und 6 Stunden bei 70°C gerührt. Am Ende der Reaktionszeit ist die Lösung ist trüb-gelb. Das Gemisch wurde vollständig eingeengt, der ölige Rückstand in 10 ml Wasser aufgenommen und solange mit im Ultraschallbad behandelt, bis ein weißes Pulver entstand. Dieses wurde filtriert und noch 3 mal mit Wasser im Ultraschallbad behandelt. Die wässrige Phasen wurden vereinigt, über Cellite filtriert und bis zur Trockne eingeengt. Der hellgelbe Feststoff wurde im Vakuum getrocknet. Man erhielt 34.5 mg (0.07 mmol, 44%) 1-{2-[4-Chloro-7H-pyrrolo[2,3-d]pyrimidin-7-yl)ethyl]}-4,4'-bipyridinium Bromid.
¹H-NMR (250 MHz, d₆-DMSO): δ(ppm) = 8.59 (d, ³J[H,H] = 5.0 Hz, 2H), 8.45 (t, ³J[H,H] = 10.0 Hz, 2H) 8.32 (d, ³J[H,H] = 2.5 Hz, 1H), 8.02 (d, ³J[H,H] = 7.5 Hz, 2H) 7.58(t, ³J[H,H] = 10.0 Hz, 2H), 7.43 (t, ³J[H,H] = 5.0 Hz, 1H) 6.51 (d, ³J[H] = 2.5 Hz, 1H), 4.99 (t, ³J[N,H] = 10.0 Hz, 2H), 4.81 (q, ³J[H,N] = 15.0 Hz, 2H).
¹³C-NMR(250 MHz, d₆-DMSO): δ(ppm) = 154.9 (C7a-B), 152.4 (C4-B), 150,8 (C4'-Bypi), 150.3 (C2-B), 149.7 (CH-2',3'-Bipy), 145.4 (CH-4',5' Bipy), 142.2 (C4-Bipy), 130.9 (C6-B), 126.3 (CH-2,3-Bipy), 122.4 (CH-4,5-Bipy), 117.6 (C4a-B), 99.8 (C5-B), 61.5 (C1-Ethyl-B), 45.6 (C2-Ethyl-Base),
Beispiel 8
Synthese von 1,1'-bis-[2-[4-Chloro-7H-pyrrolo[2,3-d]pyrimidin-7-yl)ethyl])-4,4'-bipyridinium Dibromid
4,4'-Bipyridyl (50 mg, 0.32 mmol) und 250 mg (0.96 mmol) 7-(2-Bromoethyl)-4-chloro-7H-pyrrolo[2,3-d]pyrimidine wurden in 20 ml MeCN gelöst und 24 Stunden bei 70°C gerührt. Das Produkt fiel als hellbrauner Niederschlag aus. Das erkaltete Reaktionsgemisch wurde filtriert, 3 mal mit MeCN und Ether gewaschen und getrocknet. Die Mutterlauge wurde vollständig eingeengt und der Rückstand getrocknet. Die vereinigten Feststoffe wurden in 15 ml Wasser aufgenommen und mit 6 ml NH₄PF₆ 10% Lösung gefällt. Der ausgefallene braune Niederschlag wurde filtriert, mit H₂O gewaschen und im Hochvakuum getrocknet. Zur weiteren Reinigung wurde das Produkt in 10 ml MeCN gelöst und in 10 ml aq. TBABr (5%) zugetropft. Die Niederschlag wurde filtriert und gründlich mit MeCN gewaschen (3 mal in Ultraschallbad). Es fiel ein weißer Niederschlag aus. Der Feststoff wurde filtriert, und die Lösung in RV eingeengt. Nach Trocknung im Hochvakuum erhielt man 48.3 mg (0.07 mmol, 22%) 1,1'-Bis-{2-[4-chloro-7H-pyrrolo[2,3-d]pyrimidin-7-yl)ethyl]}-4,4'-bipyridinium Dibromid als hellgrünes Pulver.
¹H-NMR(250 MHz, d₆-DMSO): δ(ppm) = 9.15 (d, ³J[H,H] = 5.0 Hz, 4H), 8.51 (d, ³J[H,H] = 5.0 Hz, 4H) 8.32 (s, 2H), 7.75 (d, ³J[H,H] = 5.0 Hz, 2H), 6.72 (d, ³J[H,H] = 2.5 Hz, 2H), 5.16 (s, 4H), 4.98 (s, 4H).
¹³C-NMR (250 MHz, d₆-DMSO): δ(ppm) = 150.9 (C2,2'-B), 150.2 (C4,4',7a,7a'-B), 148.8 (C4,4'-Bipy), 131.4 (C6,6'-B), 126.9 (CH-2,3,5,6,2',3',5',6'-Bipy), 116.6 (C4a,4a'-B), 99.5 (C5,5'-B), 60.7 (C1-Ethyl-B), 45.3 (C2-Ethyl-Base),
Beispiel 9
Synthese von 1,1',1''-[Benzene-1,3,5-triyltris(methylene)]-tris-[1'-7-(2-ethyl)-4-chloro-7H-pyrrolo[2,3-d]pyrimidin-7-yl)ethyl]-4,4'-bipyridinium Hexachlorid
Zu einer gerührten Lösung aus 104 mg (0.4 mmol) 7-(2-Bromoethyl)-4-chloro-7H-pyrrolo[2,3-d]pyrimidine in 10 ml MeCN wurde eine Lösung aus 81 mg (0.08 mmol) 1,1',1''-[benzol-1,3,5-triyltris(methylene)tris](4-pyridin-4-ylpyridinium Trihexafluoro-phosphat in 16 ml MeCN in 1 ml Portionen über ein Zeitraum von 4 Stunden zugetropft. Es wurde insgesamt drei Tage bei 70°C unter Rückfluß gekocht. Das erkaltete Reaktionsgemisch wurde langsam zu 15 ml einer gerührten Tetrabuthylammoniumchlorid Lösung (5% in MeCN) zugetropft. Der ausgefallene gelbliche Niederschlag wurde abfiltriert und 3 mal mit je 10 ml MeCN und 3 mal mit je 10 ml CH₂Cl₂ gewaschen. Nach Trocknen für 24 h im Vakuum erhielt man 87 mg (0.067 mmol, 84%) 1,1',1''-[benzene-1,3,5-triyltris(methylene)]-tris-[1'-7-(2-ethyl)-4-chloro-7H-pyrrolo[2,3-d]pyrimidin-7-yl)ethyl]-4,4'-bipyridinium Hexachlorid als braunes Pulver.
¹H-NMR(250 MHz, D₂O): δ(ppm) = 9.80 (d, ³J[H,H] = 7.5 Hz, 6H), 9.20 (d, ³J[H,H] = 7.5 Hz, 6H), 8.92 (s,3H), 8.81 (d, ³J[H,H] = 7.5 Hz, 6H), 8,67 (d, ³J[H,H] = 7.5 Hz, 6H), 7.92 (d, ³J[H,H] = 2.5 Hz, 3H), 7.78 (s,3), 6.93 (d, ³J[H,H] = 7.5 Hz, 3H), 5.97 (s, 6H), 4.80 (t, ³J[N,H] = 5.0 Hz, 6H), 4.02 (t, ³J[H,H] = 12.5 Hz, 6H).
¹³C-NMR (250 MHz, D₂O): δ(ppm) = 153.3 (C2 x3-B) 152.1 (C7a x3-B), 149.5 (C4 x3-B), 145.1 (C4 x3 Bipy), 143.8 (C4' x3 Bipy, 134.8 (C-3,5,6-Benz.), (CH-2,4,6-Benz.), 126.9 (CH-Bipy) 126.6 (CH-Bipy) 110.3 (C 4a x3-B), 96.9 (C5 x3-B), 62.9 (C1-Benzyl.), 46.1 (C1 x3-Ethyl-B), 42.3 (C2 x3-Ethyl-Base),
Beispiel 10
Synthese von 1,1',1''-[Benzene-1,3,5-triyltris(methylene)]tris-[1'-2-amino-7-(2-ethyl)-4-chloro-7H-pyrrolo[2,3-d]pyrimidin7-yl)ethyl]-4,4'-bipyridinium Hexabromid
Zu einer gerührten Lösung aus 110 mg (0.4 mmol) 2-Amino-7-[bromomethyl]-4-chloro-7H-pyrrolo[2,3-d]pyrimidine in 10 ml MeCN wurde eine Lösung aus 81 mg (0.08 mmol) 1,1',1''-[benzol-1,3,5-triyltris(methylene)tris](4-pyridin-4-ylpyridinium trihexafluorophosphat in 16 ml MeCN in 1 ml Portionen über ein Zeitraum von 4 Stunden zugetropft. Es wurde insgesamt drei Tage bei 70°C unter Rückfluß gekocht. Das erkaltete Reaktionsgemisch wurde filtriert, 3 mal mit MeCN und Ether gewaschen und getrocknet. Die Mutterlauge wurde voll ständig eingeengt und der Rückstand getrocknet. Die vereinigten Feststoffe wurden in 15 ml Wasser aufgenommen und mit 6 ml NH₄PF₆ 10% Lösung gefällt. Es wurde mehrmals mit Wasser gewaschen und 48 h im Vakuum getrocknet. Anschließend wurde eine Anionenaustauschchromatographie von 103 mg eines Br^–/PF^– ₆ Mischsalzes des Rohproduktes und 8 ml TBABr (5%) Lösung durchgeführt. Man erhielt 96 mg (0.058 mmol, 72%) 1,1',1''-[Benzene-1,3,5-triyltris(methylene)]tris-[1'-2-amino-7-(2-ethyl)-4-chloro-7H-pyrrolo[2,3-d]pyrimidin-7-yl)ethyl]-4,4'-bipyridinium Hexabromid als rosa Pulver.
¹H-NMR(250 MHz, D₂O): δ(ppm) = 9.11 (t, ³J[H,H] = 17.5 Hz, 3H), 8.93 (d, ³J[H,H] = 7.5 Hz, 8H), 8.59 (s, 6H), 8.31 (d, ³J[H,H] = 5.0 Hz, 8H), 7.91 (t, ³J[H,H] = 12.5 Hz, 8H), 7.66 (d, ³J[H,H] = 5.0 Hz, 3H), 7.41 (s, 3H), 5.86 (s, 6H), 4.78 (s, 6H), 3.22 (s, 6H).
¹³C-NMR (250 MHz, D₂O): δ(ppm) = 157.1 (C2 x3-B) 153.9 (C7a x3-B), 149.5 (C4 x3-B), 144.9 (C4 x3 Bipy), 144.4 (C4' x3 Bipy, 136.1 (C-3,5,6-Benz.), 131.3 (CH-2,4,6-Benz.), 126.9 (CH-Bipy) 123.8 (CH-Bipy) 116.7 (C4a x3-B), 97.8 (C5 x3-B), 62.6 (C1-Benzyl.), 58.9 (C1 x3-Ethyl-B), 45.1 (C2 x3-Ethyl-Base),
Experiment 1
In einem ersten Versuch wurde die Wechselwirkung zwischen dem Viologenmolekül 1-Ethyl-4-pyridin-4-ylpyridiniumbromid und dem Oligonucleotid 5'-d(TTTT GGGG TTTT) untersucht. Dieses Oligomer bildet in Gegenwart von K⁺-Ionen Tetraden, nicht jedoch in Gegenwart von Li⁺ Ionen. Tetraden und die damit im Gleichgewicht stehenden Einzelstränge lassen sich simultan durch Ionenaustausch-HPLC nebeneinander detektieren. Führt man eine Ionenaustauschchromatographie des Oligomeren in 1M LiCl, 25 mM TRIS-HCl, 1 mmol EDTA, pH 8, in Gegenwart des Viologens 1-Ethyl-4-pyridin-4-ylpyridinium bromid – aber in Abwesenheit von K⁺-Ionen durch – so zeigt das HPLC Profil (1) neben dem Einzelstrang auch die Tetrade.
Experiment 2
Im zweiten Vorversuch wurde ein Dendrimer 0. Ordnung mit aufgesetzten Basen an der Peripherie synthetisiert. Wenn die dendritischen „Äste” zuerst syn thetisiert und dann um einen Kern herum angeordnet werden, so wird von einer „konvergenten Synthese” gesprochen (C. Hawker, J. M. J. Frechet, „Journal of the Chemical Society-Chemical Communications", 1990, p. 1010; T. M. Miller, T. X. Neenan, „Chemistry of Materials", 1990, 2, p. 346). Die Synthese für die Generation 0 ist in Schema 13 dargestellt und entspricht einer „divergenten Synthesestrategie”, vom Zentrum zur Peripherie (N. Ardoin, D. Astruc, „Bulletin de Ia Societe Chimique de France, 1995, 132, pp. 875–909; G. R. Newkome, C. N. Moorefield, F. Vögtle, „Dendritic Molecules: Concepts, Syntheses, Perspectives", VCH, Weinheim, 1996). Der innere trifunktionale Initiatorkern 3 wurde entweder aus einem Mesitylenderivat mit N-Bromsuccinimid (NBS), Route I. a, (F. Vögtle, M. Zuber, R. G. Lichtenthaler, Chemische Berichte, 1973, 106, pp. 717–718) oder aus käuflicher Trimesinsäure, Route I. b, (W. P. Cochrane, P. L. Pauson, T. S. Stevens, Journal of the Chemical Society, Perkin Transaction, 1968, pp. 630-632; A. J. Y. Lan, R. O. Heuckeroth, Journal of the American Chemical Society, 1987, 109, 2738–2745) synthetisiert. 1,3,5,-Tris(brommethyl)benzol 3 ist als Initiatorkern geeignet, da sich hier 4,4'-Bipyridiniumeinheiten besonderes gut mit benzylischen Halogeniden über eine Menschutkin-Reaktion alkylieren lassen (D. B. Amabilino, R. P. Ashton, M. Belohradsky, F. M. Raymo, J. F. Stoddart, Journal of the Chemical Society Series, Chemical Communications, 1995, pp. 751–753). Die drei peripheren nucleophilen Stickstoffatome in Verbindung 4 sind die reaktiven Positionen, die sich mit Alkyl-, Benzyl- oder Phenyl-Halogeniden quantitativ umsetzen lassen. Die Peripherie des Dendrimers besteht aus substituierten Pyrrolo[2,3-d]pyrimidin-Einheiten, die zuvor mit 1,2-Dibromoethan umgesetzt wurden (Route I. c.). Abschließend wurde die nullte Generation 7 durch Alkylierung des Vorläufer 4 mit dem alkylierten Pyrrolo[2,3-d]pyrimidin 6 in MeCN über 50% Ausbeute erhalten.
Auf Grund ihrer Redoxeigenschaften können Viologen-Einheiten mittels Spektroelektrochemie untersucht werden, da sie ihre Farbe mit dem Redoxzustand ändern. Die monomeren Viologene zeigen typischerweise im UV-VIS-Spektrum Absorptionsmaxima im Bereich ca. 300 bis 750 nm. Benzylisch substituierte Viologene zeigen typische Absorptionsmaxima bei 401 nm (ε =28900 M-1 cm^–1), 608 nm (ε = 11700 M^-1 cm^-1), phenylisch substituierte Viologene zeigen typische Absorptionsmaxima bei 446 nm (ε = 29000 M^–1 cm^–1), 714 nm (ε = 15600 M^–1 cm^–1). Im Falle der Pimere verschieben sich die Maxima noch ca. 370 nm und 550 nm, zusätzlich tritt im langwelligen Bereich bei ca. 900 nm, eine neue Bande auf, die dem Charge-Transfer-Komplex zu zuschreiben ist.
Experiment 3
Im dritten Vorversuch wurden die neuen Hybridmoleküle 7 (Schema 16) mit einem Viologen-Grundgerüst spektroelektrochemisch mit der Hilfe einer speziellen Zelle bestehend aus einer geteilten Zelle mit 1 cm Kavette in Arbeitselektrodenbereich untersucht. Die Arbeitselektrode war 0,073 g graphitioierter Kohlenstofffilz. GFA-5 ist ca. 0,073 m₂ BET Fläche von bGL Carbon, die elektroklinisch aktive Fläche ist nicht bekannt. Dabei wurden die Absorptionsspektren der Verbindung 7 (Schema 13) bei unterschiedlichen Potentialen aufgenommen. Das Potential wurde schrittweise um ca. 100 mV erniedrigt und die Gleichtgewichtseinstellung abgewartet, um dann ein Spektrum aufzunehmen. Die spektroelektrochemischen Messungen von Verbindung 7 (c = 1 mM) wurden in H₂O mit 1M TBABr (Tetrabutylammoniumbromid) als Leitsalz bei RT, in drei Elektrodensystem, vs. Ag/AgCl durchgeführt. Vor jeder Messung wurde die Lösung durch Spülen mit Argon von Sauerstoff befreit. Die Messung wurde bei 0 V begonnen und bis –0.600 V durchgeführt. Die Absorptionsmaxima liegen bei 595 nm (ε_max = 50400 M^–1 cm^–1), 630 nm (ε_max = 49200 M^–1 cm^–1), und 700 nm (ε_max = 40200 M^–1 cm^–1), und nehmen mit Potentialerniedrigung bis ungefähr –0.500 V zu (2).
Die Farbe der Lösung ist tief grün im reduzierten Zustand und gelb im oxidierten Zustand.
Experiment 4
Im vierten Vorversuch wurde die Verbindung 7 an einer TiO₂-Elektrode adsorbiert und untersucht.
Kolloidales TiO₂ wurde auf 10 mm × 10 mm FTO Glasselektroden (F-dotiertes SnO₂ 15 Ω/cm²) als Paste von LOF Industries beschichtet unter Verwendung des Doctor-Blade-Verfahrens, um ~5 μm dicke Filme zu erhalten (Litersture: F. Campus., et. al. Electrochromic devices based an surface-modified nanocrystalline TiO2 thin-film electrodes, Solar Energy Materials and Solar Cells. 1999, 56(3–4), 281–297.). Die TiO₂ Elektrode wurde einer 1 mmol Lösung in H₂O des Pyrrolo[2,3-d]pyrimidin-Derivats 7 ausgestattet mit Viologeneinheiten für eine Stunde bei Raumtemperatur ausgesetzt und dann mit Wasser gewaschen.
Die spektroelektrochemischen und CV-Messungen von 7 auf TiO₂ wurden in drei Elektrodenanordnung (Referenz Ag/AgCl) in einem 1 m TBABr in H₂O durchgeführt. Zyklische Voltammetrie der 7 auf TiO₂ Elektrode zeigte reversible Wellen (3).
Das Reduktionspotential wurde mit –0.551 V bestimmt und ist typisch für Viologeneinheiten, da das Redoxpotential von Pyrrolo[2,3-d]pyrimidin Einheiten 6 (Schema 16) sehr negativ ist (–1.764 V gemessen mit einer Glascarbonelektrode, 4).
Die modifizierte Elektrode von 7 (Monolager) zeigte eine intensive rote Färbung aufgrund des neuen Pyrrolo[2,3-d]pyrimidin bypiridin-Salzes kombiniert mit einer Verstärkung aufgrund der monokristallinen TiO₂-Elektrode und ist daher interessant für elektrochrome Anwendungen. Die Färbung der transparenten TiO₂-Elektrode kann verstärkt werden durch Kreuzvernetzungsreaktion.
Spektroelektrochemie von 7 auf TiO₂ ist möglich, da es schnell reagiert ( 5). Die Spektralveränderungen als Funktion des angelegten Potentials ist wie folgt: zwischen 540 and 700 nm nimmt die Absorption von 7 auf TiO2-Elektrode mit abnehmenden Potential zu (bis –0.6 V); eine weitere Abnahme des Potentials (–0.6 to –1 V) nahm die Absorption zwischen 380 and 570 nm signifikant zu.
6 zeigt den Effekt einer heterozyklischen Base als Endgruppe in einem Dendrimer (0. Generation) mit Viologen als Redoxeinheiten genauso wie die Färbung dieser Elektroden im Vergleich mit bekannten Viologen-Dendrimeren.
In 6a zeigt die Elektrode eine blaue Farbe – typisch für adsorbierte Alkylviologene mit unterbrochener π-Konjugation in 6b zeigt sie eine grüne Farbe – typisch für absorbierte Phenylviologene, wobei sich das π-Elektronensystem über das Bipyridin hinaus auf die Arylreste erstreckt. In 6c zeigt die Elektrode eine rote Farbe für das neu kombinierte π-Elektronensystem. Die neue Verbindung 7 besteht aus einer Kombination zwischen einem blauen Viologen und einem Pyrrolo[2,3-d]pyrimidin Derivat, wobei die π-Konjugation durch einen Ethylrest überbrückt ist. Trotz erheblicher Erweiterung des π-Elektronensystems besitzt das Pyrrolo[2,3-d]pyrimidin einen starken Einfluss auf das Absorptionsspektrum wie auch auf die Lage der Redoxpotentiale (–0.550 mV) im Vergleich zu einem Dendrimer nullter Ordnung mit Ethylresten an der Peripherie (6a).
Zusammenfassung
Die vorliegende Erfindung betrifft neue Verbindungen genauso wie neue Verfahren zur Synthese dieser, diese Verbindungen umfassen eine redox-aktive Gruppe, z. B. ein 4,4'-Bipyridin (Viologen), eine 1,2'-Di(4-pyridyl)ethan, eine 2,7-Diazapyren oder eine 2,9-Diazaperylen Gruppe und eine N-heterozyklische Nukleobase (HB), auch als Base bezeichnet.

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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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- EP 0680969 [0041]

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Claims

Hybridverbindung mit i) einer Einheit einer Purin- oder Pyrimidin-Nukleobase oder einem Dervivat davon, ii) einer redox-aktiven Einheit und iii) einer Spacereinheit, die die Nukleobaseeinheit mit der redox-aktiven Einheit verbindet, wobei die Spacereinheit ausgewählt ist aus der Gruppe von C₁-C₁₂ Alkyl-, C₂-C₁₂ Alkenyl-, C₂-C₁₂ Alkinyl- oder Arylgruppe oder eine (CH₂CH₂-O)_n-Gruppe, wobei n eine ganze Zahl von 1 bis 100 ist.
Hybridverbindung nach Anspruch 1, wobei die redox-aktive Einheit ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus 4,4'-Bipyridin, 2,2'-Dipyridin, 1,2-Di(4-pyridyl)ethan, 2,9-Diazaperylen, 2,7-Diazapyren, 1,3,5-Tris(4-pyridyl)benzen oder Derivaten hiervon, die substituiert sein können.
Hybridverbindung nach Anspruch 2, wobei die redox-aktive Einheit ein 1,1'-disubstituiertes 4,4'-Dipyridin ist.
Hybridverbindung nach Anspruch 3, wobei der Spacer eine C₁-C₂ Alkyl- oder C₂ Alkenyl-Gruppe ist.
Hybridverbindung nach einem der vorherigen Ansprüche, die mindestens zwei Purin- oder Pyrimidin-Nukleobaseeinheiten, die gleich oder verschieden voneinander sein können, aufweist.
Hybridverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, weiterhin enthaltend eine Kerneinheit, die mindestens zwei Hybrideinheiten aus i) der Nukleobaseeinheit, ii) der redox-aktiven Einheit und iii) einer Spacereinheit, die die Nukleobaseeinheit mit der Redoxeinheit verbindet, verknüpft.
Hybridverbindung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Spacereinheit die Ausbildung von konjugierten π-Systemen zwischen der Nukleobaseeinheit und der redox-aktiven Einheit ermöglicht.
Verfahren zur Herstellung von Hybridverbindungen mit i) einer Einheit aus Purin- oder Pyrimidin-Nukleobase oder ein Derivat hiervon, ii) einer redoxaktiven Einheit und iii) einer Spacereinheit umfassend den Schritt von a) Umsetzen dieser Nukleobase oder dem Derivat davon mit einem Spacer-Molekül, wobei dieses Spacer-Molekül mindestens zwei reaktive Gruppen aufweist, um ein Zwischenprodukt zu erhalten, bestehend aus der Nukleobase oder des Derivats und einer Spacereinheit, wobei diese Spacereinheit eine reaktive Gruppe aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8, weiter umfassend den Schritt b) Umsetzen des Zwischenprodukts bestehend aus Nukleobaseeinheit und Spacereinheit, wobei die Spacereinheit eine reaktive Gruppe aufweist, mit einer redox-aktiven Einheit, um Verbindungen nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Spacereinheit ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus C₁-C₁₂ Alkyl-, C₂-C₁₂ Alkenyl-, C₂-C₁₂ Alkinyl- oder Aryl-Gruppe oder einer (CH₂CH₂-O)_n-Gruppe, wobei n eine ganze Zahl von 1 bis 100 ist.
Elektrochemisches Material umfassend Hybridverbindungen nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Polymer umfassend Hybridverbindungen mit einer Einheit von i) einer Nukleobase oder ein Derivat hiervon, ii) einer Redoxeinheit und iii) einer Spacereinheit, die die Nukleobaseeinheit mit der Redoxeinheit verbindet, wie in einem der Ansprüche 1 bis 7 definiert.
Dendrimer zusammengesetzt aus Hybridverbindungen nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Dendrimer nach Anspruch 13, wobei das/die Kernmoleküle) mit den Verbindungen mit i) einer Nukleobaseeinheit, ii) einer Redoxeinheit und iii) einer Spacereinheit, die die Nukleobaseeinheit mit der Redoxeinheit verbindet, über eine Verbindungsgruppe verknüpft sind.
Dendrimer nach Anspruch 14, wobei die Verbindungseinheit ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus C₁-C₁₂ Alkyl-, Alkenyl-, Alkinyl- oder Aryl-Gruppe oder (CH₂CH₂-O)_n-Gruppe, wobei n eine ganze Zahl von 1 bis 100 ist.
Elektrochrome Einrichtung, insbesondere einer Elektrode, umfassend eine Schicht eines elektrochromen Materials umfassend die Verbindungen nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Elektrochrome Vorrichtung nach Anspruch 16, weiter umfassend TiO₂-Nanokristalle gesintert auf Indiumzinnoxidschichten.
Hybridmoleküle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Einheit der Nukleobase oder dessen Derivat eine Nukleosid- oder Nukleotideinheit ist oder Derivate hiervon.
Nukleinsäuremolekül umfassend ein Hybridmolekül nach Anspruch 18.
Biosensor enthaltend ein Hybridmolekül nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder 18, oder ein Nukleinsäuremolekül nach Anspruch 19 oder ein elektrochromes Material nach Anspruch 11 oder Dendrimere oder Polymere nach Ansprüchen 12 bis 15.