Diss. ETH No. 15696
Cleft-Type Reeeptors in Molecular Recognition:
Investigation of Nucleobase Complexes in Solution
and in the Solid State
A dissertationsubmitted to the
SWISS FEDERALINSTITUTEOF TECHNOLOGY
ETH ZÜRICH
for the degree of
Doctor of Natural Sciences
Presented by
Raffaella FARAONI
Dottore in Chimica
Universitä La Sapienza di Roma,
Italy
born September30,1974 in Florence, Italy
Acceptedon the recommendation of
Prof. Dr. Frangois Diederich, examiner
Prof. Dr. Hans-Iürg Borschberg,co-examiner
Zürich, 2004
Abstract
Abstract
development of molecular cleft-type reeeptors able to recognize specific
Substrates opened a new branch of molecular recognition. The Observationof natural
phenomena and the necessity of rationalizing noncovalently driven processes still
inspire the forging of new molecules. They flourished in beauty and number, and it
became clear that they can serve as tools for the understanding of specific processes
or forces in a simpler context than those of natural Systems such as proteins or
The
enzymes.
Within the scope of the present work, cleft-type reeeptors have been prepared for the
investigation of the base-pairing process. Moreover, the design of and approach
toward a molecular cleft for the emulation of a catalytic enzyme has been shown.
introduetory Chapter, the principles of molecular recognition are
illustrated by the versatility of a small U-shaped molecule Kemp's triaeid which
In the
-
-
has been converted into hundreds of derivatives for the
recognition of
various
Substrates. Beautiful examples of asymmetrierecognition and biomimetic catalysis
are also discussed with particular emphasison autocatalytic processes, which closely
resemble the replication of nucleic acids.
In the first
reeeptors
part of this Thesis, the preparation of a new class of Rebek imide
is described.
These molecules
are
reminiscent of those prepared
Rebek group for the complexation of 9-ethyladenine(29).
H-bonding
^YtC02h
IV
^7—CO2H
H
by the
1
O-H-N^N^2
—*
/*rr%
_ai ^
|\ 0^_ vS-n—;
¦--in—v
^7~/
/ Stacking interactions
1
Since the importance of aryl stacking in base pairing was ascertained in the course of
these studies, we appended to the imide scaffold a series of heteroaromatics by
amide or ester bonds. These molecules were intended to show the influence of rc-Jt
stacking electrostatics on base-pair structure and orientation. In addition, we
generated cationic host and guest molecules for the investigation of the effects of
cation-rc interactions on the binding of neutral Compounds. These forces have been
11
Abstract
prominent in the regulation of many biological processes. Further, a
suitable and facile route to the synthesis of the terminal alkyne 126 for the
preparation of acetylene-linked Rebek imide reeeptors was developed. The one-pot
conversion of aldehyde 125 into alkyne 126 by a Wadsworth-Horner-Emmons-type
reaction followed by a Sonogashira-type cross-coupling reaction with a haloarene is a
general method for the preparation of acetylenic reeeptors bearing various
heteroaromatic surfaces. Some of these molecules crystallized, and their structures
were confirmed by X-ray analysis. Interesting dimers were observed with the
acetylenic reeeptors 135 and 136, particularly the quinoline derivative 136 that
shown
to be
showed a new dimeric form for this class of imides.
1) cross-coupling
2) oxidative cleavage
<?NH
NH2
aö
N^N
NPMB
:npmb
121
vo
K2C03, MeOH, THF,
125
0°C
—
68%
135
r.t.
126
\
1) cross-coupling
2) oxidative cleavage
^
EL
136
complexation behavior of the newly synthesized molecules with 9ethyladenine was investigated by ^-NMR titration methods in CDC13 or (CDC12)2.
Reeeptors that were not soluble in these non-competitive solvents could not be
analyzed. As a general trend, amide-linked reeeptors are found to bind stronger to
adenine than their ester-linked analogs. This Observation is in agreement with the
previous results of Rebek and is attributed to the partieipation of the more basic
carbonyl group of amides in formation of bifurcated hydrogen bonds with the
adenine amino group. The 1:1 stoiehiometry of the host-guest complexes was
confirmed in all cases. Further, the complex of 9-ethyladenine with the
methylquinolinium reeeptor 109 is stabilized by cation-jt interactions, but
destabilized by stacking with the perfluorinated naphthalene 105. Rebek imide
reeeptors with acetylene-linked ir-stacking platforms eliminate additional hydrogenbonding contributions from analogs with amide linkers, allowing a more aecurate
Separationof the energetic contributions of hydrogen bonding and ji-stacking. The
geometry of complexation was assessed by NOE measurements,when possible, and
The
Abstract
led to the identificationof
mode.
a
iii
slight preference for the Hoogsteen hydrogen-bonding
NH
¦>
= 205 ± 20 M"
3.1 kcal mol"1
Ka((CDCI2)2)
-AG°
=
109
NH
effect of
V cation-n
interactions
K_((CDCI2)2) 75 ± 1 M"1
-AG" 2.5 kcal mol"1
Ka(CDCI3) 182±7M"1
-AG° 3.0 kcal mol'1
=
=
<?NH
98
=
J
=
= 121 ±4M"1
2.8 kcal mol-1
Ka(CDCI3)
136
-A<3°
^
=
NH
0.0
Ka(CDCI3)
105
-AG°
=
=
M"1
mol"1
26 ± 1
1.9 kcal
investigations of
complexesbetween Rebek imides and 9-ethyladenine. In our opinion, these results
should be of big impact since Rebek imides were co-crystalized with 9-ethyladenine
for the first time. An exclusive preference for the Hoogsteenhydrogen-bondingmode
was observed. The structures obtained here highlight the importance of stacking
interactions in addition to hydrogen bonding, as evidenced in the complex between
the methylquinoliniumreeeptor 109 with adenine. Comparison of the geometrical
parameters of these complexes with those formed by alkyladenine and uracil or
thymine derivatives elueidated by Hoogsteen, Sobel et al, and Rieh et al. revealed
striking similarities. This demonstrates the validity of the Rebek imide reeeptors as
nucleobase congeners and addressesthe importance of the Hoogsteen binding motif.
Another Section of this Thesis is dedicated to the solid-state
Another project detailed in this thesis involves the
design and the synthetic
studies toward a reeeptor that mimics the mode of action of fumarate reductase. The
dicarboxylate binding site of the enzyme is composedof a covalently bound flavin
dinucleotide, a histidine, and two arginine side chains. Based on these observations
and the nature of the interactions involved in the
catalytic system, we planned the
iv
Abstract
building of a molecule (139), which has a flavin isoalloxazine ring as a scaffold and
two rigid arms covalently linked to the flavin each bearing an amidinium group. The
overall structure should provide a cleft with convergent functional groups for the
recognition of the fumarate substrate. The periphery of the molecule is decorated
with dendrimer groups in order to confer water-solubility and a globular shape to
the reeeptor.
^
+H2N
NH
\
NH,+
\
H2N
v^
X..X
9 y
139
O
R=
-^^-n^o^^-
"
o
o
o
/—w—W—\ ^
0
/s
o
0
/
o
0 **.
Molecular modeling confirmed that the cavity has an appropriatesize for hostingthe
dicarboxylate molecule. The synthetic plan was based on the application and
development of metal-catalyzedreactions described by the groups of Buchwald and
Hartwig for the functionalization of the aromatic arms, and on cross-coupling
reactions for the connection of the building blocks. Unfortunately, some of the
intermediatesobtained showed an extraordinaryresistance toward highly reactive
palladium catalysts leading to disappointing results. Further mechanistic studies
will be required in order to explain the outcome of a Suzuki-typereaction between a
bromoflavin and a borate-functionalized xanthene molecule.
Riassunto
V
Riassunto
La nascita e lo sviluppo di recettori molecolarila cui caratteristica e la presenza di
una cavitä in grado di ospitare e riconoscere specifici substrati, ha dischiuso una
nuova branca della chimica supramoleculare. L'osservazionedei fenomeninaturali e
la necessitä di razionalizzare processi guidati da interazioni di tipo non covalente
continua ad ispirare la creazione di nuove molecole. Queste, si sono rivelate uno
strumento utile per la comprensione di particolariprocessi o forze molecolari in
sistemi meno complessi di quelli naturali rappresentati da proteine o enzimi. Nel
presente lavoro recettori dotati di una cavitä per il riconoscimento molecolare sono
stati sintetizzati al fine di investigare il processo di riconoscimento tra nucleobasi
mediante legami idrogeno. In un secondo progetto e stato illustrato il disegno e
sintetico per l'ottenimentodi un recettore cavo per l'emulazione del
1'approccio
funzionamentodi un processo enzimatico.
Nel Capitolo introduttivo sono illustrati i principi del riconoscimento
molecolare con l'ausilio di una molecola di piccole dimensioni caratterizzatada una
forma ad U, l'acido tricarbossilicodi Kemp. La modificazione chimica di questa
molecola estremamente versatile ha permesso la creazione di centinaia di nuovi
sistemi per il riconoscimento molecolare. Inoltre sono riportati esempi di
riconoscimento asimmetrico e catalisi biomimetica con particolare enfasi per i
processi di autocatalisi, in virtü della loro stretta somiglianza con il processo di
replicazione degli acidi nucleici.
Nella prima parte di questa Tesi viene descrittala preparazione di una nuova
classe di molecole conosciute con il nome di immidi di Rebek. Queste molecole,
somiglianti a quelle preparate dal gruppo di Rebek, sono destinate alla formazione di
complessi unimolecolaricon la 9-etiladenina (29).
H-bonding
-C02H
"V-co
C02H
C02H
H
O—H-N-^jU-N=_,z29
—-
>Cä^SN
N_H-<
n
___|
9
\
Stacking interactions
VI
Riassunto
l'importanza dell'interazione fra gruppi arilici (n-stacking) nel
processo di accoppiamento di nucleobasi e giä stata ampiamente dimostrata nel
corso di questi studi, abbiamo deciso di sintetizzare una serie di nuove immidi di
Rebek caratterizzate dalla presenza di gruppi eteroaromatici attaccati alla struttura
immidica attraverso legami ammidici o esterei. La creazione di queste nuove
Dal momento che
molecole ha permesso di appurare rinfluenza dei fattori elettrostatici, dovuti alle
interazioni aromatiche,sulla struttura e l'orientamento del complesso tra nucleobasi.
Sono state anche sintetizzate molecole dotate di carica positiva sia nel recettore (host)
che nel substrato (guest) per investigare gli effetti delle interazioni catione-sistema
aromatico (cation-Jt interactions) sulla complessazione di composti neutri. Infatti, e
stato dimostrato che queste forze giocano un ruolo di primo piano nella regolazione
di molti processi biologici. La preparazione di recettori ammidici che posseggono
una funzione acetilenica come ponte tra il sistema aromatico e quello immidico ha
richiesto lo sviluppo di una nuova via sintetica di facile realizzazione per la
preparazione dell' alchino terminale 126. La conversione diretta in un unico
passaggio dall'aldeide 125 all'alchino 126 medianteuna reazione di tipo Wadsworth-
appropriato alogenuro
aromatico come co-reagente, si e rivelata un metodo generale per la preparazione di
Horner-Emmonsseguita da
una
reazione di Sonogashira
con un
recettori contenenti una funzione acetilenica che differiscanonella natura del sistema
eteroaromatico. Alcune di queste molecole hanno formato facilmente dei cristalli di
dimensione appropriataper la determinazione della struttura cristallina a raggi X.
1) cross-coupling
2) oxidative cleavage
N2
NPMB
fe-
121
K2C03, MeOH, THF,
125
0 °C —r.t.
68%
NH
NH
aö
N^^N
CiL
\\'
3MPM
126
\
1) cross-coupling
2) oxidativecleavage
135
^
NH
136
I recettori 135 e 136 hanno fornito delle strutture dimeriche di rilievo, in particolare il
derivato chinolinico 136 ha dato luogo ad una forma dimerica mai osservata prima in
questa classe
di immidi.
Riassunto
II
complessi tra le nuove molecole sintetizzate e la 9seguito con spettroscopia NMR tramite metodi di titolazione in
comportamento
etiladenina
e
stato
vn
dei
CDC13 o (CDC12)2. I recettori che non si sono dimostrati solubili in questi solventi non
hanno potuto essere analizzati. In generale, i recettori con gruppi funzionali
ammidici hanno dimostrato una maggiore affinita per l'adenina rispetto ai loro
analoghi
esterei,
in accordo
con
quanto giä evidenziato
da Rebek.
Questa
osservazionee stata attribuita alla maggior basicitä del gruppo carbonilico ammidico
rispetto a quello estereo che pertanto sarebbe piü propenso alla formazione di legami
idrogeno biforcati con il gruppo amminico dell'adenina. In tutti i complessi
esaminatiil rapporto stechiometrico e stato determinato essere di tipo 1:1. Si e inoltre
potuto determinare che il complesso dell'adenina con il recettore metilchinolinico 109
h stabilizzato dall'interazione tra il sistema aromatico dell'adenina con la carica
positiva del recettore,
perfluorinato 105.
ma e
destabilizzato dall'interazione
NH
con
il naftalene
~N
= 205 ± 20 M"1
3.1 kcal mol"1
K_((CDCI2)2)
-A<3°
109
NH
M"1
mol"1
Ka(CDCI3) 182±7M"1
-AG0 3.0 kcal mol"1
-AG°
"P
effect of
\- cation-rc
interactions
Ka((CDCI2)2)
<*?.NH
=
98
=
=
75 ± 1
2.5 kcal
=
J
=
K_(CDCI3)
136
-A<3°
=
121
2.8 kcal
=
4M"1
mol"1
±
NH
0-~^J~~~^~~^
.M^>JK
T T F
105 F
K_(CDCI3) 26
=
-AG°
=
±
1 M"1
1.9 kcal mol"
Nel caso dei recettori con legame acetilenico, il contributo del legame idrogeno
addizionale esistente negli analoghi di tipo ammidico e eliminato. Pertanto, 6
possible separare in maniera accurata il contributo energetico del legame idrogeno
da quello dell'interazione aromatica nella formazione del complesso. I fattori
la formazione dei complessi sono stati determinati
nei casi in cui ciö si sia rivelato possibile, ed ha condotto
geometrici che dominano
mediante misure di NOE,
Vlll
Riassunto
alla identificazione di
una
moderata
preferenza per
il
legame idrogeno di tipo
Hoogsteen.
Un'altra Sezione di questa Tesi e dedicata all' investigazione dei complessi tra
le immidi di Rebek e la 9-etiladenina nello stato solido. A nostro giudizio questi
risultati dovrebbero risultare di grosso interesse dal momento che per la prima volta
le immidi di Rebek sono state co-cristallizate con la 9-etlladenina. In questo caso, e
stata osservata una preferenza esclusiva per il legameidrogeno di tipo Hoogsteen. Le
strutture ottenute sottolineanol'importanza delle interazioni aromatiche oltre a
quelle di legame idrogeno, come appunto evidenziato nel complesso formato dal
la 9-etiladenina. Paragonando i parametri
geometricidi questi complessi con quelli formati dalla alchiladenina con derivati di
recettore
metilchinolinico
109
con
uracile e timina elucidati da Hoogsteen, Sobel e Rieh, sono State trovate somiglianze
quasi sbalorditive. Tutto ciö dimostra ancor di piü la validitä dei recettori immidici
di Rebek come analoghi di nucleobasi e sottolinea l'importanzadel legame idrogeno
di tipo Hoogsteen.
Un altro
recettore e
progetto descritto in questo lavoro di Tesi consiste nel disegno di un
negli studi di sintesi per il suo ottenimento. Tale recettore e stato ideato
di mimare le modalitä di azione dell'enzimafumarato reduttasi. II sito
di legame dicarbossilicodell'enzimae composto da una flavina dinucleotidica legata
covalentemente,una catena laterale istidinica e due argininiche. In seguito all'attento
con l'intento
della natura delle interazioni coinvolte nel sistema catalitico <§ stata pianificata
la costruzione di una molecula (139) in cui l'anello isoallossazinico della flavina
rappresenta una piattaforma che sorregge due braccia rigide ad essa attaccate con
legami covalenti. Ognuna delle due braccia e funzionalizzata con un gruppo
esame
ammidinico. La struttura nel suo insieme dovrebbe formare una cavitä in cui i
gruppi funzionali convergono a riconoscere il fumarato, substrato dell'enzima. La
periferia della molecola e adornata con dendrimeri in modo da conferire solubilitä in
acqua e una forma globulare al recettore.
Riassunto
\
H,N
NH
\
IX
H2N
NH
^
^
JLa.
N' 'N
139
r^\/—\
R=
^^n^AT^T^
I
O
o
0
o^
o
Modelli molecolarihanno confermato che la cavitä della molecola e sufficientemente
grande per ospitare il dicarbossilato. Lo Schema sintetico e basato sull'applicazionee
lo sviluppo di reazioni catalizzateda metalli, descritte da Buchwald e Hartwig, per la
funzionalizzazionedelle due braccia aromatiche e su reazioni di cross-coupling, per la
condensazione delle molecole di partenza. Tuttavia, alcuni degli intermedi ottenuti
hanno dimostrato una straordinaria resistenza anche a catalizzatori del palladio
altamente reattivi ed hanno portato a risultati piuttosto deludenti. Ulteriori studi
meccanicistici
saranno
necessari
prima di poter spiegare l'esito di una reazione di
tipo Suzuki tra una bromoflavina ed una molecola di xantene funzionalizzata con un
estere boronico.
