Regulation der transkriptionellen Aktivität der Isoformen des Drosophila-melanogaster-Ecdysteroid-Rezeptors (EcR) [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Christian Tremmel

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SYNTHESIS, BASE-RECOGNITION AND SELF-ASSEMBLY OF NUCLEOSIDE/OLIGOTHIOPHENE CONJUGATES Dissertation Zur Erlangung des Doktorgrades Dr. rer. nat. der Fakultät für Naturwissenschaften der Universität Ulm      vorgelegt von Anja Jatsch Ulm, 2010 Amtierender Dekan: Prof. Dr. Axel Groß 1. Gutachter: Prof. Dr. Peter Bäuerle 2. Gutachter: PD Dr. Ulrich Ziener Tag der Promotionsprüfung: 29.06.2010 Universität Ulm, Fakultät der Naturwissenschaften, 2010 I Acknowledgements - Danksagung ACKNOWLEDGEMENTS - DANKSAGUNG Herrn Prof. Dr. Peter Bäuerle danke ich herzlich für die Aufnahme in den Arbeitskreis, die herausfordernde und interessante Themenstellung sowie für die hervorragenden Arbeitsbedingungen und die Möglichkeit zur Teilnahme an zahlreichen Konferenzen. Herrn PD Dr. Ulrich Ziener, Institut für Organische Chemie III und Markomolekulare Chemie, danke ich für die freundliche Übernahme des Zweitgutachtens. Frau Dr. Elena Mena-Osteritz danke ich für ihre stete Diskussionsbereitschaft in allen theoretischen Fragestellungen und die Durchführung vieler semi-empirischer Berechnungen zur Entwicklung der Modelle. Ferner danke ich Frau Dr. Marta Udranpilleta und Herrn Dr. Alexey Kopyshev für die Aufzeichnung der AFM Bilder. Herrn Dr. Markus Wunderlin, Herrn Dr.
Publié le : vendredi 1 janvier 2010
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SYNTHESIS, BASE-RECOGNITION AND SELF-
ASSEMBLY OF NUCLEOSIDE/OLIGOTHIOPHENE
CONJUGATES






Dissertation
Zur Erlangung des Doktorgrades Dr. rer. nat.
der Fakultät für Naturwissenschaften
der Universität Ulm
 
 
 
 
 
vorgelegt von
Anja Jatsch
Ulm, 2010

















Amtierender Dekan: Prof. Dr. Axel Groß
1. Gutachter: Prof. Dr. Peter Bäuerle
2. Gutachter: PD Dr. Ulrich Ziener
Tag der Promotionsprüfung: 29.06.2010

Universität Ulm, Fakultät der Naturwissenschaften, 2010 I Acknowledgements - Danksagung
ACKNOWLEDGEMENTS - DANKSAGUNG

Herrn Prof. Dr. Peter Bäuerle danke ich herzlich für die Aufnahme in den Arbeitskreis, die
herausfordernde und interessante Themenstellung sowie für die hervorragenden
Arbeitsbedingungen und die Möglichkeit zur Teilnahme an zahlreichen Konferenzen.
Herrn PD Dr. Ulrich Ziener, Institut für Organische Chemie III und Markomolekulare
Chemie, danke ich für die freundliche Übernahme des Zweitgutachtens.
Frau Dr. Elena Mena-Osteritz danke ich für ihre stete Diskussionsbereitschaft in allen
theoretischen Fragestellungen und die Durchführung vieler semi-empirischer Berechnungen
zur Entwicklung der Modelle.
Ferner danke ich Frau Dr. Marta Udranpilleta und Herrn Dr. Alexey Kopyshev für die
Aufzeichnung der AFM Bilder.
Herrn Dr. Markus Wunderlin, Herrn Dr. Udo Werz und Herrn Ulrich Ziegler danke ich für
die schnelle und zuverlässige Aufnahme unzähliger Massen- und NMR-Spektren.
Mein Dank gilt ebenso allen Mitarbeitern des Instituts für Organische Chemie II und Neue
Materialien für das angenehme Arbeitsklima, insbesondere meinen beiden Laborkolleginnen
Stefanie Potratz und Ilona Stengel, sowie Eva Schilllinger für die freundschaftliche
Arbeitsatmosphäre. Ein besonderer Dank geht an Martina Gatys für das Korrekturlesen dieser
Arbeit und ihre Freundschaft vor allem außerhalb des Labors.
Sascha Erhardt und Melanie Bader danke ich für ihre zahlreichen Ergebnisse während ihrer
Mitarbeiterpraktika und insbesondere Melanie Bader für die Durchführung ihrer Diplomarbeit
auf dem Gebiet der Nukleosid-funktionalisierten Oligothiophene.
Herrn Dr. Günther Götz und Frau Dr. Maria Heuschmid danke ich für ihre Unterstützung in
vielen organisatorischen Fragestellungen.
Mein ganz besonderer Dank gilt meinem Freund Marcel für seine stete Geduld,
Aufmunterung und Unterstützung in dieser Zeit.
Nicht zuletzt möchte ich meinen Eltern für ihre finanzielle und moralische Unterstützung
während meines Studiums und meiner Doktorarbeit danken.


II Table of Contents
TABLE OF CONTENTS

1.  Introduction ............................................................................................................ 1 

2.  From π-Conjugated Oligomers to Self-Assembled Nucleic-Acid Derivatives .. 5 
2.1  Oligothiophenes versus Polythiophenes .................................................................. 6 
2.2  Self-Assembly of Alkyl-Substituted Oligothiophenes ............................................. 6 
2.1  Self-Assembly of Oligothiophenes Mediated by Hydrogen Bonds ....................... 11 
2.2  Self-Assembly Mediated by Nucleic-Acid Motifs ................................................ 19 
2.3  Covalent Oligothiophene/Nucleic Acid Conjugates as Sensor Materials .............. 26 

3.  Synthesis of Nucleoside/Oligothiophene Conjugates ........................................ 31 
3.1  Introduction ............................................................................................................ 32 
3.2  Synthesis of Azido-Substituted Nucleosides ......................................................... 35 
3.2.1  Azido-Functionalized Thymidines 38 and 40 ................................... 35 
3.2.2  Synthesis of Azido-Functionalized 2’-Deoxyadenosine 44 and 46 ....................... 37 
3.3   Synthesis of Alkyl-Substituted Bis- Thymidine- and 2’-Deoxyadenosine-
Functionalized Conjugates ..................................................................................... 39 
3.3.1   Synthesis of Diethynylated Alkyl-Functionalized Quaterthiophene 50 ................ 39 
3.3.2  “Click” Reaction of Diethynylated Oligothiophene 48 with Azido-Functionalized
Thymidines 38 and 40 as well as 2’-Deoxyadenosines 44 and 46 ......................... 40 
3.4  Synthesis of Alkyl-Subsituted Mono-Thymidine- and 2’-Deoxyadenosine-
substituted Conjugates ........................................................................................... 44 
3.4.1  Synthesis of Monoethynylated and Alkyl-Functionalized Quaterthiophene 58 .... 44 
3.4.2  “Click” Reaction of Monoethynylated Oligothiophene 58 with Azido-Functio-
nalized Thymidines 38 and 40 as well as 2’-Deoxyadenosines 44 and 46 ............ 46 
3.5  Synthesis of Alkoxy-Substituted Mono-Thymidine- and 2’-Deoxyadenosine-
Functionalized Conjugates ..................................................................................... 49 
3.5.1  Synthesis of Monoethynylated Alkoxy-Functionalized Quaterthiophene Building
Block 53 ................................................................................................................. 49 
3.5.2  “Click” Reaction of Monoethynylated Oligothiophene 77 and Azido-
Functionalized Thymidine 39 as well as 2’-Deoxyadenosine 44 .......................... 52 
3.6  Synthesis of Methylester-Functionalized Quaterthiophenes 83 and 84 ................. 54  III Table of Contents

3.7  Synthesis of Methyl-Protected Thymidine-Functionalized Quaterthiophene 89 ... 56 
3.8  Conclusion ............................................................................................................. 58 

4.  Optical and Electrochemical Properties of the Conjugates ............................. 59 
4.1  Alkyl-Substituted Bis-Thymidine- and Bis-2’-Deoxyadenosine-Functionalized
Conjugates .............................................................................................................. 60 
4.1.1  UV/vis and Fluorescence Spectroscopy of Bis-Thymidine- and Bis-2’-
Deoxyadenosine-Functionalized Conjugates ......................................................... 60 
4.1.2  Cyclic Voltammetry of Bis-Thymidine- and Bis-2’-Deoxyadenosine-
Functionalized Conjugates ..................................................................................... 62 
4.2  Alkyl-Substituted Mono-Thymidine- and Mono-2’-Deoxyadenosine-63 
4.2.1  UV/vis and Fluorescence Spectroscopy of Mono-Thymidine- and Mono-2’-
Deoxyadenosine-Functionalized Conjugates ......................................................... 63 
4.2.2  Cyclic Voltammetry of Mono-Thymidine- and Mono-2‘-Deoxyadenosine-
Functionalized Conjugates ..................................................................................... 66 
4.3  Alkoxy-Substituted Mono-Thymidine- and Mono-2’-Deoxyadenosine-Functiona-
lized Conjugates ..................................................................................................... 67 
4.3.1  UV/vis and Fluorescence Spectroscopy of Mono-Thymidine- and Mono-2’-
Deoxyadenosine-Functionalized Conjugates ......................................................... 67 
4.3.2  Cyclic Voltammetry of Mono-Thymidine- and Mono-2’-Deoxyadenosine-
Functionalized Conjugates 69 
4.4  Summary ................................................................................................................ 70 

5.   Molecular Recognition of Nucleoside/Oligothiophene Conjugates via Base-
Pairing ................................................................................................................... 71 
5.1  Introduction ............................................................................................................ 72 
5.2   Determination of Association Constants of Nucleoside/Oligothiophene Conjugates
1by H NMR Spectroscopy ...................................................................................... 73 
5.3  Investigation of Nucleoside/Oligothiophene Conjugates by Electrospray-
Ionization Mass Spectrometry ............................................................................... 78 
5.4  Investigation of Nucleoside/Oligothiophene Conjugates by IR Spectroscopy ...... 80  IV Table of Contents
5.5  Summary ................................................................................................................ 83 

6.  Self-Assembly in Solution .................................................................................... 84 
6.1  Introduction ............................................................................................................ 86 
6.2  Alkyl-Substituted Nucleoside/Oligothiophene Conjugates ................................... 88 
6.2.1  Optical Properties of Bifunctionalized Nucleoside/Oligothiophene Conjugates ... 89 
6.2.1.1   UV/vis and CD Spectroscopy of Bis-Thymidine-Functionalized Quaterthiophene
52 ............................................................................................................................ 89 
6.2.1.2  UV/vis and CD Spectroscopy of Bis-2’-Deoxyadenosine-Functionalized Quater-
thiophene 54 ........................................................................................................... 98 
6.2.1.3  UV/Vis and CD Spectroscopy of Mixtures of Thymidine- and Bis-2’-
Deoxyadenosine-Functionalized Quaterthiophenes 52 and 54 ............................ 106 
6.2.1.4  CD Spectroscopy of Mixtures of Bis-Thymidine-Functionalized Quaterthiophene
52 and Methyl Ester Reference 84 ....................................................................... 111 
6.2.1.5  CD Spectroscopy of Mixtures of Bis-2’-Deoxyadenosine-Functionalized Quater-
thiophenes 5484 ..................................................... 114 
6.2.1.6  UV/Vis and CD Spectroscopy of TBDMS-Protected Bis-2’-Thymidine-
Functionalized Quaterthiophene 51 ..................................................................... 117 
6.2.2  Monofunctionalized Nucleoside/Oligothiophene Conjugates ............................. 120 
6.2.2.1  UV/vis and CD Spectroscopy of Mono-2’-Deoxyadenosine-Functionalized
Quaterthiophene 62 .............................................................................................. 120 
6.2.2.2  UV/vis and CD Spectroscopy of Mixtures of Mono-2’-Deoxyadenosine- and Bis-
Thymidine-Functionalized Quaterthiophenes 62 and 52 ..................................... 125 
6.2.3  Influence of the Purity on the Self-Assembling Process in Solution ................... 128 
6.3  Alkoxy-Substituted Nucleoside/Oligothiophene Conjugates .............................. 130 
6.4  Summary .............................................................................................................. 131 

7.  Self-Assembly on Surfaces ................................................................................ 134 
7.1  Introduction .......................................................................................................... 136 
7.2  AFM Investigation of Bifunctionalized Quaterthiophenes 54 and 52 ................. 137 
7.2.1  AFM Investigation of 2’-Deoxyadenosine-Functionalized Quaterthiophene 54 . 137 
7.2.2  AFM Investigation of Thymidine-Functionalized Quaterthiophene 52 .............. 141  V Table of Contents
7.2.4  Summary .............................................................................................................. 151 
7.3  AFM Investigation of Monofunctionalized Quaterthiophenes ............................ 153 
7.3.1  AFM Investigation of 2’-Deoxyadenosine-Functionalized Quaterthiophene 61 . 153 
7.3.2  AFM Investigation of Thymidine-Functionalized Quaterthiophene 59 .............. 155 
7.3.3  AFM Investigation of Methyl Ester Quaterthiophene 83 .................................... 157 
7.3.4  AFM Investigation of a Mixture of 2’-Deoxyadenosine- and Thymidine-
Functionalized Quaterthiophenes 59 and 61 ........................................................ 160 
7.4  Summary .............................................................................................................. 165 

8.  Experimental Section ......................................................................................... 167 

References ........................................................................................................... 205 

Summary ............................................................................................................. 211
Zusammenfassung .............................................................................................. 219

Publications ........................................................................................................ 228
Presentation on Congresses ............................................................................... 229
Curriculum Vitae ............................................................................................... 230




VI Abbreviations
A adenosine
ACN acetonitrile
AFM atomic force microscopy
AM1 Austin Model 1
BuLi n-butyllithium
C cytidine
CD circular dichroism
CI chemical ionization
DCC N,N'-dicyclohexylcarbodiimide
DCE dichloroethane
DCM dichloromethane
DCTB (2-[(2E)-3-(4-tert-butylphenyl)-2-methylprop-2-enyliden]malononitril)
DFT density functional theory
DHB 2,5-dihydroxybenzoic acid
DIPA di-iso-propyl amine
DMAP 4-dimethylaminopyridine
DMF N,N-dimethylformamide
DMSO dimethylsulfoxide
DNA deoxyribonucleic acid
EDC 1-ethyl-3-[3-dimethylaminopropyl]carbodiimide
EI electron ionization
ESI electron spray ionization
EtOH ethanol
Fc ferrocene
Fl fluorescence
G guanosine
GPC gel permeation chromatography
HOMO highest occupied molecular orbital
HOPG highly oriented pyrolytic graphite
HPLC high performance liquid chromatography
HRMS high resolution mass spectrometry
IR infrared
K association constant a
LAH lithium aluminium hydride
LC liquid crystalline Abbreviations VII

MALDI matrix-assisted laser desorption ionization
Me methyl
MeOH methanol
M.p. melting point
MS mass spectrometry
NMR nuclear magnetic resonance
NOE Nuclear Overhauser effect
NOESY hauser exchange spectroscopy
OFET organic field effect transistor
OLED organic light emitting diode
OPV oligo(p-phenylenevinylene)
OSC organic solar cell
ox oxidation
P3HT poly(3-hexylthiophene)
PBI perylene bisimide
PEDOT poly(3,4-ethylenedioxythiophene)
PrOH n-propanol
PTSA para-toluenesulfonic acid
red reduction
RT room temperature
SNP single nucleotide polymorphism
ssDNA single stranded deoxyribonucleic acid
STM scanning tunneling microscope
T thymidine
TBAHFP tetrabutylammonium hexafluorophosphate
TBDMS tert-butyldimethyl silyl
TE buffer trisaminomethane ethylenediaminetetraacetic acid
TEA triethyl amine
THF tetrahydrofurane
TMS trimethyl silyl
TOF time of flight
UV/vis ultraviolett/visible

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