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Design and optimization of (chemo-)enzymatic processes for the synthesis of hydroxynitriles and their derivatives

Leemans Martin, Laura ORCID

ß-amino alcohols are important building blocks for the synthesis of active pharmaceutical ingredients, where enantiopurity is often crucial. Despite the availability of a range of chiral ß-amino alcohols from a chiral pool, there is a growing demand for new enantioselective synthetic routes to ß-amino alcohols and their derivatives. In this thesis, an asymmetric 2-step chemo-enzymatic cascade that converts 4-anisaldehyde into the ß-amino alcohol derivative (S)-tembamide ((S)-4) has been developed. The first step consists in a concurrent bi-enzymatic synthesis of (S)-4-methoxymandelonitrile benzoate ((S)-3), catalyzed by immobilized Manihot esculenta hydroxynitrile lyase (MeHNL) and Candida antarctica lipase A (CALA). To accomplish this, each biocatalytic reaction was studied separately in search for a window of compatibility and potential cross-interactions between the two reactions were identified. In a second step, the nitrile group is catalytically reduced to give (S)-4, via an acyl transfer of the amino ester formed upon hydrogenation. To achieve hydrogenation of the nitrile moiety with highest chemoselectivity and enantioretention, various parameters such as the catalyst nature and reaction temperature were studied. Finally, after optimization of the chemo-enzymatic cascade, a preparative synthesis of (S)-tembamide was performed. The optimized enzymatic cascade afforded intermediate 3 in 80% yield and 99% e.e.. However, due to the low chemoselectivity of the hydrogenation reaction, the total isolated yield of tembamide was 15%, albeit with excellent enantiopurity (98% e.e.). The developed strategy might be transferrable to the synthesis of other N-acyl-ß-amino alcohols with potential biomedical properties. Furthermore, this is the first reported example of a successful combination of an HNL and a lipase in concurrent fashion. Additionally, using site-saturation mutagenesis, it was attempted to improve the cyanolytic activity of halohydrin dehalogenase from Ilumatobacter coccineus YM16-304 (HheG) in order to enable the preparative synthesis of ß-cyanohydrins starting from cyclic epoxides and acyclic disubstituted epoxides.

Enantiomerenreine ß-Aminoalkohole werden häufig als Bausteine in der Synthese von Pharmawirkstoffen benötigt. Deshalb besteht ein großer Bedarf, neue enantioselektive Syntheserouten zur Herstellung von vicinalen Aminoalkoholen und deren Derivaten zu entwickeln. Innerhalb dieser Arbeit wurde eine chemo-enzymatische Kaskade zur Herstellung des enantiomerenreinen N-Acyl-ß-aminoalkohols (S)-Tembamid ausgehend von 4-Anisaldehyd erfolgreich entwickelt. Im ersten Schritt der entwickelten Kaskade erfolgt zunächst die Umwandlung von 4-Anisaldehyd in (S)-4-Methoxymandelnitrilbenzoat durch Kombination der Hydroxynitrillyase MeHNL aus Manihot esculenta sowie der Lipase CALA aus Candida antarctica in einer simultanen, bienzymatischen Reaktion. Um dies zu erreichen, wurden zunächst beide Enzymreaktionen separat untersucht, um geeignete Reaktionsbedingungen für deren Kombination zu identifizieren, sowie zur Untersuchung möglicher Kreuzinhibierungen. Im zweiten Kaskadenschritt wird die Cyanogruppe des Intermediates (S)-4-Methoxymandelnitrilbenzoat katalytisch reduziert, wobei nach intramolekularem Acyltransfer (S)-Tembamid entsteht. Um die Hydrierung der Cyanogruppe mit höchster Chemoselektivität und Enantioretention zu erzielen, wurden verschiedene Reaktionsparameter wie Katalysatorart, Reaktionstemperatur und Wasserstoffdruck eingehend untersucht. Auf diese Weise gelang nach weiterer Optimierung der Gesamtkaskade die Herstellung von (S)-Tembamid im präparativen Maßstab. Unter optimierten Bedingungen wurde das Zwischenprodukt des bienzymatischen Reaktionsschrittes, (S)-4-Methoxymandelnitrilbenzoat, in 80% Ausbeute mit 99% Enantiomerenüberschuss (ee) erhalten und nach Abtrennung flüchtiger Bestandteile direkt im zweiten Kaskadenschritt eingesetzt. Aufgrund der geringen Chemoselektivität der Hydrierungsreaktion wurde das Endprodukt (S)-Tembamid nur mit 15% isolierter Ausbeute erhalten, jedoch bei gleichbleibend hoher Enantiomerenreinheit (98% ee). Die entwickelte Kaskadenstrategie ist dabei grundsätzlich auch auf die Synthese anderer N-Acyl-ß-aminoalkohole übertragbar.  Um die präparative Herstellung von ß-Cyanohydrinen ausgehend von cyclischen Epoxiden sowie vicinal disubstituierten, acyclischen Epoxiden zu ermöglichen, wurde in einem weiteren Teilprojekt versucht, die cyanolytische Aktivität der Halohydrindehalogenase HheG aus Ilumatobacter coccineus YM16-304 durch Sättigungsmutagenese zu verbessern. 

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Leemans Martin, L., 2020. Design and optimization of (chemo-)enzymatic processes for the synthesis of hydroxynitriles and their derivatives. https://doi.org/10.24355/dbbs.084-202008171516-0
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