A chemo-enzymatic cascade for the production of enantiopure aminoalcohols

Calderini, Elia ORCID

The increasing demand for “greener” processes made enzymatic or chemo-enzymatic cascades a very popular approach. Combining different reactions in one pot without intermediate purification steps represents numerous advantages compared to the classic approach. In classic organic synthesis, longer operation time is needed and lower yields are typically reached when subsequent reactions are run separately. In cascade reactions, the elimination of work-up steps in between reactions reduces the amount of waste improving the environmental impact of a given process. Furthermore, a combination of chemical and enzymatic catalysts allows to access the complete set of reactions available for organic synthesis. The combination of individual reaction steps in one pot, however, poses also challenges as reaction conditions are often not directly compatible and requires extensive optimization for a successful cascade. In this thesis, a novel chemo-enzymatic cascade for the synthesis of enantiopure aliphatic amino alcohols starting from non-terminal alkenes was established. Optically active amino alcohols are important building blocks of pharmaceuticals as well as agrochemicals and find also application in cosmetic or food industry. The new synthetic route is based on the combination of three reaction steps: 1) chemical or enzymatic epoxidation of alkenes, 2) enzymatic ring opening of formed epoxides by halohydrin dehalogenases (HHDHs) using azide as nucleophile and 3) chemical hydrogenation of the azido alcohol to the corresponding amino alcohol. Identification of suitable catalysts exhibiting opposite enantioselectivity in the epoxidation and regioselectivity in epoxide ring opening enabled the selective synthesis of both enantiomers of the amino alcohol products. The individual reactions were separately optimized first. Afterwards, a fine tuning of respective reaction conditions was performed to achieve sufficient isolated yields and enantiopurity in the cascade runs on preparative scale. Additionally, the catalytic scope of HHDHs for application in organic synthesis was further expanded by in depth characterization of the regio- and enantioselectivity of 22 enzymes in the epoxide ring opening of racemic, vicinally di-substituted trans-epoxides. Moreover, using rational protein design, first mutants of the halohydrin dehalogenase HheG from Ilumatobacter coccineus could be obtained that display enhanced enantioselectivity in epoxide ring opening.

Die zunehmende Nachfrage nach umweltfreundlicheren Verfahren macht enzymatische und chemo-enzymatische Kaskaden zu einem vielversprechenden Ansatz. Das Kombinieren verschiedener Reaktionsschritte in einem Topf ohne Zwischenreinigungsschritte bietet gegenüber dem klassischen Ansatz mehrere Vorteile. Durch Vermeiden von Aufarbeitungsschritten für Reaktionsintermediate sind Kaskadenreaktionen zeitlich effizienter und liefern meist höhere Gesamtausbeuten. Darüber hinaus wird die Abfallmenge erheblich reduziert, wodurch die Umweltfreundlichkeit des Prozesses insgesamt steigt. Gleichzeitig bringen Kaskadenreaktionen aber auch Herausforderungen mit sich, da Reaktionsbedingungen häufig nicht direkt kompatibel sind und somit eine umfassende Optimierung erfordern.

In der vorliegenden Arbeit wurden chemo-enzymatische Kaskaden zur Synthese von enantiomerenreinen aliphatischen Aminoalkoholen ausgehend von nicht-terminalen Alkenen entwickelt. Optisch aktive Aminoalkohole sind wichtige Bausteine zur Herstellung von Pharmazeutika bzw. Agrochemikalien und finden ebenfalls in der Kosmetik- oder Lebensmittelindustrie Anwendung. Der neu entwickelte Syntheseweg basiert auf der Kombination von drei Reaktionsschritten: 1) chemische bzw. enzymatische Epoxidierung der Alkene, 2) enzymatische Ringöffnung der gebildeten Epoxide durch Halohydrindehalogenasen (HHDHs) mit Azid als Nukleophil und 3) chemische Hydrierung der Azidogruppe zur Aminogruppe. Durch Identifikation geeigneter Katalysatoren mit entgegengesetzter Enantioselektivität in der Epoxidierung und Regioselektivität in der Epoxidringöffnung war es möglich entgegengesetzte Aminoalkoholenantiomere selektiv herzustellen. Für die Kombination der verschiedenen Reaktionsschritte in einer Kaskade wurden die einzelnen Reaktionen zunächst separat optimiert und anschließend eine Feinabstimmung der jeweiligen Reaktionsbedingungen durchgeführt, um ausreichend Produktausbeute mit entsprechender Enantiomerenreinheit zu erzielen.

Darüber hinaus wurde der Anwendungsbereich von HHDHs in der organischen Synthese durch eine eingehende Charakterisierung der Regio- und Enantioselektivität von 22 Enzymen in der Epoxidringöffnung racemischer, vicinal disubstituierter trans-Epoxiden erweitert. Zudem wurden erste Studien zur Steigerung der Enantioselektivität der Halohydrindehalogenase HheG aus Ilumatobacter coccineus mittels rationalem Proteindesign durchgeführt.

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Calderini, Elia: A chemo-enzymatic cascade for the production of enantiopure aminoalcohols. 2019.

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