Studies on chemoenzymatic synthesis: Lipase-catalyzed acylation in multistep organic synthesis

In this thesis, biocatalysis is defined as the science of using enzymes as catalysts in organic synthesis. Environmental aspects and the continuously expanding repertoire of available enzymes have firmly established biocatalysis as a prominent means of chemo-, regio- and stereoselective synthesis. Yet, no single methodology can solve all the challenges faced by a synthetic chemist. Therefore, the knowledge and the skills to combine different synthetic methods are relevant. Lipases are highly useful enzymes in organic synthesis. In this thesis, an effort is being made to form a coherent picture of when and how can lipases be incorporated into nonenzymatic synthesis. This is attempted both in the literature review and in the discussion of the results presented in the original publications contained in the thesis. In addition to lipases, oxynitrilases were also used in the work. The experimental part of the thesis comprises of the results reported in four peer-reviewed publications and one manuscript. Selected amines, amino acids and sugar-derived cyanohydrins or their acylated derivatives were each prepared in enantio- or diastereomerically enriched form. Where applicable, attempts were made to combine the enzymatic reactions to other synthetic steps either by the application of completely separate sequential reactions with isolated intermediates (kinetic and functional kinetic resolution of amines), simultaneously occurring reactions without intermediate isolation (dynamic kinetic resolution of amino acid esters) or sequential reactions but without isolating the intermediates (hydrocyanation of sugar aldehydes with subsequent diastereoresolution). In all cases, lipase-catalyzed acylation was the key step by which stereoselectivity was achieved. Lipase from Burkholderia cepacia was a highly selective enzyme with each substrate category, but careful selection of the acyl donor and the solvent was important as well.

Tutkimuksia kemoentsymaattisista synteeseistä: Lipaasien katalysoima asylaatio monivaiheisessa orgaanisessa synteesissä Tässä väitöskirjassa biokatalyysillä tarkoitetaan entsyymien käyttöä katalyytteinä orgaanisessa synteesissä. Ympäristöystävällisyys ja jatkuvasti laajeneva saatavilla olevien entsyymien kirjo ovat vakiinnuttaneet biokatalyysin kemo-, regio- ja stereoselektiivisen synteesin keskeiseksi keinoksi. Kuitenkaan mikään yksittäinen menetelmä ei pysty ratkaisemaan kaikkia synteesikemistin kohtaamia haasteita. Näin ollen eri synteesimenetelmien yhdistämiseen tarvittavat tiedot ja taidot ovat olennaisia. Lipaasit ovat orgaaniseen synteesiin erityisen hyvin soveltuvia entsyymejä. Väitöskirjassa pyritään muodostamaan kokonaisvaltainen kuva siitä, milloin ja miten lipaaseja voidaan hyödyntää perinteisen synteesin osana. Tätä päämäärää tavoitellaan sekä kirjallisuuskatsauksessa että väitöskirjaan sisältyvissä alkuperäisjulkaisuissa. Lipaasien lisäksi työssä hyödynnettiin oksinitrilaasi-entsyymejä. Väitöstyön kokeellinen osa koostuu tuloksista, jotka on raportoitu neljässä vertaisarvioidussa tutkimusartikkelissa ja yhdessä toistaiseksi julkaisemattomassa käsikirjoituksessa. Tutkimuskohteiksi valitut amiinit, aminohapot ja sokeriperäiset syanohydriinit tai niiden asyloidut johdannaiset valmistettiin enantio- tai diastereomeerisesti rikastuneessa muodossa. Soveltuvin osin tutkittiin mahdollisuutta yhdistää entsymaattisia reaktioita synteesin muihin vaiheisiin joko suorittamalla reaktiot täysin erillisinä välituotteet eristäen (amiinien kineettinen ja funktionaalinen kineettinen resoluutio), samanaikaisina reaktioina eristämättä välituotteita (aminohappoestereiden dynaaminen kineettinen resoluutio) tai erillisinä reaktioina mutta eristämättä välituotteita (sokerialdehydien hydrosyanaatio ja tätä seuraava diastereoresoluutio). Kussakin tapauksessa lipaasin katalysoima asylaatio oli keskeinen stereoselektiivisyyden määräävä reaktio. Burkholderia cepacia -bakteerista eristetty lipaasi oli hyvin selektiivinen entsyymi kullekin lähtöaineluokalle, mutta myös asyylinluovuttajan ja liuottimen huolellinen valitseminen oli tärkeää.