Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Fakultät für Chemie und Pharmazie der Ludwig-Maximilians Universität München

Synthesis and Characterization of a Metal-Salen Base Pair for the Assembly of Programmed Metal Arrays inside the DNA Double Helix

Synthese und Charakterisierung eines Metall-Salen Basenpaars für den Aufbau von programmierten Metallanordnungen im Inneren von DNA-Doppelhelices

Guido Clever

aus

Bad Neuenahr 2006

1 2 Erklärung

Diese Dissertation wurde im Sinne von § 13 Abs. 3 bzw. 4 der Promotionsordnung der LMU München vom 29. Januar 1998 von Prof. Dr. T. Carell betreut.

Ehrenwörtliche Versicherung

Diese Dissertation wurde selbstständig, ohne unerlaubte Hilfe erarbeitet.

München, den 23.11.06

Guido Clever

Dissertation eingereicht am 24.11.06

1. Gutachter: Prof. Dr. T. Carell 2. Gutachter: Prof. Dr. P. Klüfers

Mündliche Prüfung am 19.12.06

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Ltd. Doolittle: „Wenn Zusammenhänge logisch sind, dann sind sie das unabhängig von ihrem Ursprung.“ Bombe # 20: „Hmmm…“ Dark Star (John Carpenter, 1974)

Meiner Familie und Michi gewidmet.

5 Parts of this work were published or presented on conferences

G. H. Clever, K. Polborn, T. Carell, Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, 7204 - 7208. “A Highly DNA-Duplex-Stabilizing Metal-Salen Base Pair”

G. H. Clever, Y. Söltl, H. Burks, W. Spahl, T. Carell, Chem. Eu. J. 2006, 12, 8708 - 8718. “Metal-Salen-Base-Pair Complexes Inside DNA: Complexation Overrides Sequence Information“

G. H. Clever, T. Carell, Angew. Chem. 2006, in press (DOI: anie.200603099). “Controlled Stacking of 10 inside a DNA Duplex”

K. Tanaka*, G. H. Clever*, Y. Takezawa, Y. Yamada, C. Kaul, M. Shionoya, T. Carell, Nature Nanotech. 2006, in press (DOI: 10.1038/nnano.2006.141). „Programmable Self-Assembly of Metal Ions inside Artificial DNA Duplexes“

G. H. Clever, T. Carell, Coll. Symp. Ser. (M. Hocek, Ed), Vol 7, p. 389 - 391. Institute of Org. Chem and Biochem., Academy Of Sciences of the Czech Rep., Prague 2005. “Assembly of a Highly DNA-Duplex-Stabilizing Metal-Salen Base Pair”

Poster presentations on JCF meeting, Heidelberg 2004 (poster prize); ORCHEM, Bad Nauheim 2004; Nanobionics III, Marburg 2005; NAC XIII, Prague 2005; Summer School FrontChem, Tokyo 2006; Int. COE Symposium, Tokyo 2006.

Oral presentations on Volkswagen Foundation meeting, Aachen 2005; “Roche Symposium for Leading Scientists of the next decade”; Basel 2005, FCI stipend meeting, Munich 2006.

6 Table of contents

1 Summary ...... 9

2 Zusammenfassung...... 13

3 Introduction...... 16 3.1 Bionanotechnology...... 16 3.1.1 Structure and function of biopolymers...... 16 3.1.2 Nature as paragon for nanotechnology ...... 18 3.1.3 Examples of oligonucleotide-based nanoscale objects ...... 20 3.2 Hypermodification of the DNA backbone and bases ...... 27 3.3 Metal coordination inside/to nucleic acids ...... 28 3.3.1 Metal coordination to unmodified DNA...... 28 3.3.2 The metal-base pair concept and examples...... 30 3.4 Coordination chemistry: salen complexes and metal stacking ...... 37 3.4.1 Monomeric and oligomeric salen complexes...... 37 3.4.2 Interaction of metal-salen complexes with DNA ...... 39 3.4.3 Metal stacks and arrays in solid state structures and in solution...... 39

4 Part I: Coordination of metals inside the DNA duplex...... 43 4.1 Aims of project (part I) ...... 43 4.2 Synthesis of nucleosides ...... 44 4.2.1 Synthesis of the salicylic aldehyde nucleobase...... 44 4.2.2 Synthesis and X-ray structure of a monomeric Cu2+-salen-base pair.. 54 4.2.3 Attempts to prepare a hydroxyphenyl-oxazoline nucleoside ...... 58 4.2.4 Incorporation of an oxazolinylidene-indolone nucleoside into DNA..... 60 4.2.5 Synthesis of 3’-O-met