Overcoming Equilibrium Issues with Carbonyl Reductase Enzymes

We report herein the screening, optimisation and scale up to 100 g of a bioreduction process that employs an in situ product removal (ISPR) technique to overcome the inherent equilibrium problem associated with the coupled-substrate approach to biocatalytic carbonyl reduction. This technique allowed the valuable chiral alcohol, (S)-2-bromo-2-cyclohexen-1-ol, to be isolated in 88% yield and 99.8% ee without the need for further purification, validating the general applicability of this experimental setup.

Optimization of an ether series of mGluR5 positive allosteric modulators: Molecular determinants of MPEP site interaction crossover

We report the optimization of a series of non-MPEP site metabotropic glutamate receptor 5 (mGlu5) pos. allosteric modulators (PAMs) based on a simple acyclic ether series. Modifications led to a gain of MPEP site interaction through incorporation of a chiral amide in conjunction with a nicotinamide core. A highly potent PAM, 8v (VU0404251), was shown to be efficacious in a rodent model of psychosis. These studies suggest that potent PAMs within topol. similar chemotypes can be developed to preferentially interact or not interact with the MPEP allosteric binding site.

An efficient Cu(II)-bis(oxazoline)-based polymer immobilised ionic liquid phase catalyst for asymmetric carbon–carbon bond formation

The asymmetric Diels-Alder reaction between N-acryloyloxazolidinone and cyclopentadiene and the Mukaiyama-aldol reaction between methylpyruvate and 1-phenyl-1-trimethylsilyloxyethene have been catalysed by heterogeneous copper(II)-bis(oxazoline)-based polymer immobilised ionic liquid phase (PIILP) systems generated from a range of linear and cross linked ionic polymers. In both reactions selectivity and ee were strongly influenced by the choice of polymer. A comparison of the performance of a range of Cu(II)-bis(oxazoline)-PIILP catalyst systems against analogous supported ionic liquid phase (SILP) heterogeneous catalysts as well as their homogeneous counterparts has been undertaken and their relative merits evaluated.

Reactions of nitrogen nucleophiles with enantiopure cyclohexenyl electrophiles:a stereo- and regio- selective study

The reactions of enantiopure cyclohexene epoxides and trans-1,2-bromoacetates, derived from the corresponding substituted benzene cis-dihydrodiol metabolites, with nitrogen nucleophiles, were examined and possible mechanisms proposed. An initial objective was the synthesis of new 1,2-aminoalcohol enantiomers as potential chiral ligands and synthetic scaffolds for library generation. These apparently simple substitution reactions proved to be more complex than initially anticipated and were found to involve a combination of different reaction mechanisms. Allylic trans-1,2-azidohydrins were prepared by Lewis acid-catalysed ring-opening of cyclic vinyl epoxides with sodium azide via an S(N)2 mechanism. On heating, these trans-1,2-azidohydrins isomerized to the corresponding trans-1,4-azidohydrins via a suprafacial allyl azide [3,3]-sigmatropic rearrangement mechanism. Conversion of a 1,2-azidohydrin to a 1,2-azidoacetate moved the equilibrium position in favour of the 1,4-substitution product. Allylic trans-1,2-bromoacetates reacted with sodium azide at room temperature to give C-2 and C-4 substituted products. A clean inversion of configuration at C-2 was found, as expected, from a concerted S(N)2-pathway. However, substitution at C-4 was not stereoselective and resulted in mixtures of 1,4-cis and 1,4-trans products. This observation can be rationalized in terms of competitive S(N)2 and S(N)2 reactions allied to a [3,3]-sigmatropic rearrangement. cis-1,2-Azidohydrins and cis-1,2-azidoacetates were much more prone to rearrange than the corresponding trans-isomers. Reaction of the softer tosamide nucleophile with trans-1,2-bromoacetates resulted, predominantly, in C-4 substitution via a syn-S(N)2 mechanism. One application of the reaction of secondary amines with allylic cyclohexene epoxides, to give trans-1,2-aminoalcohols, is in the synthesis of the anticholinergic drug vesamicol, via an S(N)2 mechanism. Copyright (c) 2013 John Wiley & Sons, Ltd.

Toluene Dioxygenase Catalysed synthesis and reactions of cis-diol metabolites derived from 2 and 3-methoxy phenols

Using toluene dioxygenase as biocatalyst, enantiopure cisdihydrodiol and cis-tetrahydrodiol metabolites, isolated as their ketone tautomers, were obtained from meta and ortho methoxyphenols. Although these isomeric phenol substrates are structurally similar, the major bioproducts from each of these biotransformations were found at different oxidation levels. The relatively stable cyclohexenone cis-diol metabolite from meta methoxyphenol was isolated, while the corresponding metabolite from ortho methoxyphenol was rapidly bioreduced to a cyclohexanone cis-diol. The chemistry of the 3-methoxycyclohexenone cis-diol product was investigated and elimination, aromatization, hydrogenation, regioselective O-exchange, Stork−Danheiser transposition and O-methylation reactions were observed. An offshoot of this technology provided a two-step chemoenzymatic synthesis, from meta methoxyphenol, of a recently reported chiral fungal metabolite; this synthesis also established the previously unassigned absolute configuration.

Aza-annulation of enaminones with itaconic anhydride:kinetic preference for exocyclic enamide products

Enaminones react with itaconic anhydride in methylene chloride at room temperature to give exocyclic enamides sis the major products. These can be readily equilibrated to the thermodynamically more stable endocyclic enamides. In substrates where the exocyclic isomer could not be formed only intractable materials were produced from this reaction. An intermediate in this two step process was detected and identified by proton and C-13 NMR spectroscopy. In two cases chiral enaminones were employed and the relative stereochemistry at the new chiral centre in the product was established by a crystal structure of compound 27.

Toluene dioxygenase-catalysed oxidation route to angular cis-monohydrodiols and other bioproducts from bacterial metabolism of 1,2-dihydrobenzocyclobutene and derivatives

A mutant strain (UV4) of the soil bacterium Pseudomonas putida, containing toluene dioxygenase, has been used in the metabolic oxidation of 1,2-dihydrobenzocyclobutene 12 dagger and the related substrates 1,2-dihydrobenzocyclobuten-1-ol 13 and biphenylene 33. Stable angular cis-monohydrodiol metabolites (1R,2S)-bicyclo[4.2.0]octa-3,5-diene-1,2 7, (1S,2S,8S)-bicyclo[4.2.0]octa-3,5-diene-1,2,8-triol 8 and biphenylene-cis-1,8b-diol 9, isolated from each of these substrates, have been structurally and stereochemically assigned. The structure, enantiopurity and absolute configuration of the other cis-diol metabolites, (2R,3S)-bicyclo[4.2.0]octa-1(6),4-diene-2,3-diol 14 and cis-1,2-dihydroxy-1,2-dihydrobenzocyclobutene 16, and the benzylic oxidation bioproducts, 1,2-dihydrobenzocyclobuten-1-ol 13, 1,2-dihydrobenzocyclobuten-1-one 15 and 2-hydroxy-1,2-dihydrobenzocyclobuten-1-one 17, obtained from 1,2-dihydrobenzocyclobutene and 1,2-dihydrobenzocyclobuten-1-ol, have been determined with the aid of chiral stationary-phase HPLC, NMR and CD spectroscopy, and stereochemical correlation. X-Ray crystallographic methods have been used in the determination of absolute configuration of the di-camphanates 27 (from diol 7) and 32 (from diol 9), and the di-MTPA ester 29 (from diol 14) of the corresponding cis-diol metabolites. The metabolic sequence involved in the formation of bioproducts derived from 1,2-dihydrobenzocyclobutene 12 has been investigated.

X=Y-ZH COMPOUNDS AS POTENTIAL 1,3-DIPOLES .43. METAL-ION CATALYZED ASYMMETRIC 1,3-DIPOLAR CYCLOADDITION REACTIONS OF IMINES AND MENTHYL ACRYLATE

Metallo-azomethine ylides, generated from imines by the action of amine bases in combination with LiBr or AgOAc, undergo cycloaddition with both 1R, 2S, 5R- and 1S, 2R, 5S-menthyl acrylate at room temperature to give homochiral pyrrolidines in excellent yield. The stronger the base the faster the cycloaddition and the greater the yield with: 2-t-butyl-1,1,3,3-tetramethylguanidine > DBU > NEt(3) X-Ray crystal structures of representative cycloadducts establish that the absolute configuration of the newly established pyrrolidine stereocentres is independent of the metal salt and the size of the pyrrolidineC(2)-substituent for a series of aryl and aliphatic imines.

EFFICIENT SYNTHESIS OF 3-SUBSTITUTED LACTAMS USING MEERWEIN ESCHENMOSER CLAISEN [3,3] SIGMATROPIC REARRANGEMENTS

3-Allyl substituted five, six, and seven membered ring lactams are readily available in good yields and reasonable selectivity by a formal Meerwein Eschenmoser Claisen [3,3] rearrangement, using the readily available N,N-dialkylalkoxymethylene iminium salts and lithium alkoxides derived from allyl alcohols.

Interactions between pyrazole derived enantiomers and Chiralcel OJ: Prediction of enantiomer absolute configurations and elution order by molecular dynamics simulations

The separation of enantiomers and confirmation of their absolute configurations is significant in the development of chiral drugs. The interactions between the enantiomers of chiral pyrazole derivative and polysaccharide-based chiral stationary phase cellulose tris(4-methylbenzoate) (Chiralcel OJ) in seven solvents and under different temperature were studied using molecular dynamics simulations. The results show that solvent effect has remarkable influence on the interactions. Structure analysis discloses that the different interactions between two isomers and chiral stationary phase are dependent on the nature of solvents, which may invert the elution order. The computational method in the present study can be used to predict the elution order and the absolute configurations of enantiomers in HPLC separations and therefore would be valuable in development of chiral drugs.

Chemoenzymatic synthesis of enantiopure hydroxy sulfoxides derived from substituted arenes

Enantiopure β-hydroxy sulfoxides and catechol sulfoxides were obtained, by chemoenzymatic synthesis, involving dioxygenase-catalysed benzylic hydroxylation or arene cis-dihydroxylation and cis-diol dehydrogenase-catalysed dehydrogenation. Absolute configurations of chiral hydroxy sulfoxides were determined by X-ray crystallography, ECD spectroscopy and stereochemical correlation. The application of a new range of β-hydroxy sulfoxides as chiral ligands was examined.

Catalisadores ou precursores de espécies activas à base de molibdénio

Atendendo à produção de epóxidos em larga escala e à sua importância como intermediários versáteis, muita atenção tem sido dada à epoxidação de olefinas. Destaca-se a implementação do processo industrial de epoxidação de propileno em fase líquida com tBHP, usando complexos de molibdénio como catalisadores homogéneos (Halcon-ARCO). Neste trabalho foram investigados novos complexos à base de molibdénio como catalisadores (ou precursores) para epoxidação de olefinas em fase líquida. Foi objecto de estudo a identificação das espécies activas e a estabilidade dos catalisadores através da sua separação no final das reacções catalíticas, caracterização e reutilização. Escolheu-se como reacção modelo a epoxidação do ciscicloocteno com tBHP (em decano, tBHPdec), a 55 ºC. Estendeu-se o estudo dos desempenhos catalíticos a diferentes substratos, oxidantes, solventes e métodos de aquecimento. A maior actividade catalítica foi observada para os complexos [MoO2Cl2L2] (L=ligando dialquilamida), mais estáveis e fáceis de manusear que [MoO2Cl2] e complexos análogos com L {THF, MeCN} (Cap. 2). A partir destes complexos podem-se formar in situ espécies activas intermediárias do tipo [(MoO2ClL2)2(μ-O)]. O complexo [MoO2(Lzol)], Lzol= ligando oxazolina quiral (Cap. 3), é um catalisador estável e versátil, activo para a epoxidação de diversas olefinas (selectividades elevadas para epóxidos, mas enantioselectividades baixas), desidrogenação oxidativa de álcoois e sulfoxidação de sulfuretos. O catalisador foi também reciclado eficientemente, usando um líquido iónico (LI). O complexo iónico [MoO2Cl{HC(3,5-Me2pz)3}]BF4 (Cap.4) converteu-se nos complexos activos [{MoO2(HC(3,5-Me2pz)3)}2(μ-O)](BF4)2, [Mo2O3(O2)2(μ-O){HC(3,5-Me2pz)3}] e [MoO3{HC(3,5-Me2pz)3}]; quando dissolvido num LI, o catalisador foi reciclado com sucesso. A presença de água e o meio oxidante influenciaram a formação destas espécies. Os complexos [CpMo(CO)3Me] (Cap.5) e [CpMo(CO)2(η3- C3H5)] (Cap.6) originaram espécies activas similares (baseado nos testes catalíticos e nos espectros FT-IR ATR dos sólidos recuperados). Para [Cp'Mo(CO)2(η3-C3H5)], a influência do Cp' na actividade catalítica sugeriu a formação de espécies activas com este ligando. A partir dos complexos [Mo(CO)4L] formaram-se in situ catalisadores estáveis, que podem ser heterogéneos: para L=2-[3(5)-pirazolil]piridina formou-se [Mo4O12L4]; para L=[3- (2-piridil)-1-pirazolil]acetato de etilo formou-se [Mo8O24L4] (Cap.7). O uso de microondas (MO) como método de aquecimento em vez de um banho de óleo (BO) resultou no aumento da velocidade da reacção catalítica, devido ao aquecimento mais rápido da mistura reaccional (Caps. 5 e 7). A utilização da solução aquosa de tBHP em vez de tBHPdec era preferível, porque excluía o decano do sistema reaccional e mantinham-se elevados os rendimentos em epóxido (Caps. 2 e 6); optimizou-se o desempenho catalítico removendo a água das misturas reaccionais (Caps. 4 e 7). O melhor resultado para a epoxidação de limoneno foi observado para [CpMoCO3Me]: 88% de rendimento em epóxido (2 h, 55 ºC, método de aquecimento MO).

Receptores de aniões baseados em azacalix[4]arenos e isoftalamidas

Nesta tese, desenvolvida no âmbito do Programa Doutoral em Química da Universidade de Aveiro, foram desenvolvidos novos receptores sintéticos construídos a partir da plataforma macrocíclica tetraazacalix[2]areno[2]triazina ou do fragmento de isoftalamida. Ambas as unidades estruturais foram decora-das com grupos de reconhecimento molecular baseados em grupos amida e/ou ureia com o objectivo de actuarem como receptores selectivos de aniões com importância biológica ou farmacológica, incluindo acetato, oxalato, malo-nato, succinato, glutarato, diglicolato, L- e D-NHBoc-alanina, (S)- e (R)-fenilpro-panoato, (S,S)- e (R,R)-tartarato, fumarato, maleato, Cl-, HCO3-, H2PO4-, HSO4- e SO42-. No Capítulo 1 é efectuada uma revisão bibliográfica dos desenvolvimentos recentes na síntese, caracterização estrutural e aplicações de receptores fun-cionais relacionados com os desenvolvidos no âmbito desta tese, com especial incidência para aqueles que foram estudados como receptores de aniões. Neste domínio, enquanto que receptores derivados da isoftalamida têm sido bastante estudados ao longo das últimas décadas, o desenvolvimento de receptores de aniões inspirados em heteracalix[2]areno[2]triazinas ainda se encontra a dar os primeiros passos. No Capítulo 2 é apresentada a síntese de quatro novos macrociclos derivados de tetraazacalix[2]areno[2]triazina incorporando um ou dois braços de L-alanina (A1, A2) ou de L-leucina (L1, L2) nos anéis benzénicos, e derivados com grupos amida como unidades de reconhecimento. Adicionalmente, são também apresentados dois novos azacalix[2]areno[2]triazinas contendo um (U1) ou dois (U2) braços com grupos ureia substituídos com um grupo (S)-metilbenzílico. Foram ainda preparados os macrociclos A2Me4 e U2Me4 por metilação dos átomos de azoto em ponte de A2 e U2, os quais foram posterior-mente utilizados em estudos de associação. Os compostos sintetizados foram caracterizados através de técnicas espectroscópicas, complementadas por difracção de raios X de cristal único no caso de U2Me4. O Capítulo 3 contempla os estudos de reconhecimento molecular entre os macrociclos A2Me4 e U2Me4 e os aniões derivados de ácidos mono- e dicarbo-xílicos alifáticos, ácidos carboxílicos isoméricos (enantiómeros e isómeros geométricos), aminoácidos e polioxaniões acima referidos, excepto HCO3-. Os estudos de associação foram realizados através de técnicas de titulação por RMN 1H com determinação das respectivas constantes de afinidade. Todas as associações estudadas apresentaram uma estequiometria receptor-substrato 1:1 com excepção das associações formadas entre A2Me4 e U2Me4 com H2PO4- (1:2). Os complexos A2Me4∙SO42- e U2Me4∙(H2PO4-)2 são os mais estáveis com constantes de associação de 7,4 × 104 M-1 e superior a 105 M-2, respectivamente. O reconhecimento dos dicarboxilatos ocorreu através dos dois braços do macrociclo, com os aniões com grupos carboxilato separados por cadeias alifáticas mais compridas (glutarato e diglicolato) apresentando um melhor ajuste aos braços de A2Me4 e U2Me4. Não foi observado reconheci-mento enantiosselectivo de aniões. Em contraste, as constantes de afinidade para as associações com os aniões dos isómeros cis (maleato) e trans (fumarato) do ácido but-2-enodióico, de 89 e 4920 M-1 para A2Me4 e 481 e 4007 M-1 para U2Me4, respectivamente, sugerem selectividade de ambos os receptores para o fumarato. No Capítulo 4 é descrita a síntese de nove receptores acíclicos incorporando a unidade de isoftalamida (Iso-1 a Iso-9) e braços laterais com grupos de reconhecimento de aniões. Enquanto que o receptor Iso-1 possui como unida-des de reconhecimento apenas grupos amida, os receptores Iso-2, Iso-3, Iso-5, Iso-6, Iso-7 e Iso-9 possuem grupos amida e ureia, e os derivados Iso-4 e Iso-8 grupos amida e sulfonilureia. Em cada um destes compostos, os grupos de reconhecimento estão separados por uma cadeia etilénica cuja flexibilidade confere um melhor ajuste com os aniões. Os derivados de isoftalamida preparados foram caracterizados através de técnicas espectroscópicas. No Capítulo 5 são apresentados os estudos de associação realizados por técnicas de titulação por RMN 1H entre Iso-1, Iso-2, Iso-4, Iso-6 e Iso-8 com os aniões H2PO4-, HCO3-, Cl- e oxalato. Os receptores Iso-1, Iso-2 e Iso-6 apresentaram maior afinidade para o dianião, com valores de Kass de 6100, 7800 e 9800 M-1 respectivamente, e menor para Cl- (17 < Kass < 19 M-1). Foram sempre formadas associações mais estáveis com H2PO4- (294 < Kass < 427 M-1) comparativamente a HCO3-, sendo que a associação mais forte com este últi-mo foi determinada com Iso-2 (Kass = 95 M-1). As moléculas de Iso-4 e Iso-8 sofreram desprotonação dos grupos sulfonilureia na presença de todos os aniões excepto de Cl-. No Capítulo 6 apresentam-se as conclusões gerais e no Capítulo 7 descrevem-se os procedimentos experimentais e também os dados espectroscópicos dos produtos obtidos.

Transformações organocatalíticas e mediadas por metais de transição na síntese de novos heterociclos nitrogenados e ciclo-hexanos

Nas últimas décadas a quiralidade tornou-se essencial na conceção, descoberta, desenvolvimento e comercialização de novos medicamentos. A importância da quiralidade na eficácia e segurança dos fármacos tem sido globalmente reconhecida tanto pelas indústrias farmacêuticas como pelas agências reguladoras de todo o mundo. De forma a produzir eficazmente medicamentos seguros e dar resposta à demanda da indústria de compostos enantiomericamente puros, a pesquisa de novos métodos de síntese assimétrica, assim como o desenvolvimento estratégico dos métodos já disponíveis tem sido um dos principais objetos de estudo de diversos grupos de investigação tanto na academia como na indústria farmacêutica No primeiro capítulo desta dissertação são introduzidos alguns dos conceitos fundamentais associados à síntese de moléculas quirais e descritas algumas das estratégias que podem ser utilizadas na sua síntese. Apresenta-se ainda uma breve revisão bibliográfica acerca dos antecedentes do grupo de investigação e sobre a ocorrência natural, atividade biológica e métodos de síntese e transformações de compostos do tipo (E,E)-cinamilidenoacetofenona. O segundo capítulo centra-se na adição de Michael enantiosseletiva de diversos nucleófilos a derivados de (E,E)-cinamilidenoacetofenona. Inicialmente descreve-se a síntese de derivados de (E,E)-cinamilidenoacetofenona através de uma condensação aldólica de acetofenonas e cinamaldeídos apropriadamente substituídos. Estes derivados são posteriormente utilizados como substratos na adição de Michael enantiosseletiva de três diferentes nucleófilos: nitrometano, malononitrilo e 2-[(difenilmetileno)amino]acetato de metilo. Nestas reações são utilizados diferentes organocatalisadores de forma a induzir enantiosseletividade nos aductos de Michael para serem utilizados na síntese de compostos com potencial interesse terapêutico. É descrita ainda uma nova metodologia de síntese de Δ1-pirrolinas através de um procedimento one-pot de redução/ciclização/desidratação mediada por ferro na presença de ácido acético de (R,E)-1,5-diaril-3-(nitrometil)pent-4-en-1-onas com bons rendimentos e excelentes excessos enantioméricos. O terceiro capítulo centra-se no estabelecimento de novas rotas de síntese e transformação de derivados do ciclo-hexano. Após uma breve revisão bibliográfica, são descritas três metodologias enantiosseletivas distintas, sendo que a primeira envolve a utilização de organocatalisadores e catalisadores de transferência de fase derivados de alcaloides cinchona. Os derivados do ciclo-hexano foram obtidos a partir da reação entre as (E,E)-cinamilidenoacetofenonas e o malononitrilo com bons rendimentos, mas baixas enantiosseletividades independentemente do catalisador utilizado. De forma a contornar este problema e uma vez que a formação do derivado do ciclo-hexano envolve inicialmente a formação in-situ do aducto de Michael, a segunda e terceira metodologias de síntese envolvem a utilização dos aductos de Michael enantiomericamente puros preparados no segundo capítulo. Assim, a reação do (S,E)-2-(1,5-diaril-1-oxopent-4-en-3-il)malononitrilo com os derivados de (E,E)-cinamilidenoacetofenona organocatalisada pela hidroquinina permitiu obter os compostos pretendidos com excelentes excessos enantioméricos. A utilização de um catalisador de transferência de fase não foi tão eficiente em termos de enantiosseletividades obtidas na reação entre as (R,E)-1,5-diaril-3-(nitrometil)pent-4-en-1-onas e os derivados de (E,E)-cinamilidenoacetofenona, apesar de estes terem sido obtidos em bons rendimentos. A preparação destes derivados levou ainda à idealização de uma nova metodologia de síntese de análogos do ácido γ-aminobutírico (GABA) devido à presença de um grupo nitro em posição gama relativamente a um grupo carboxílico. No entanto, apesar de terem sido testadas várias metodologias, não foi possível obter os compostos pretendidos. No quarto capítulo apresenta-se uma breve revisão bibliográfica acerca da ocorrência natural, atividade biológica e métodos de síntese de derivados de di-hidro- e tetra-hidropiridinas, assim como um enquadramento teórico acerca das reações pericíclicas utilizadas na síntese dos compostos pretendidos. Inicialmente é descrita a preparação de N-sulfonilazatrienos substituídos através da condensação direta de derivados de (E,E)-cinamilidenoacetofenona e sulfonamidas. Estes compostos são posteriormente utilizados na síntese de derivados de 1,2-di-hidropiridinas através de uma aza-eletrociclização-6π por duas metodologias distintas: utilização de organocatalisadores quirais e utilização de complexos metálicos de bisoxazolinas. Na síntese das tetra-hidropiridinas os N-sulfonilazatrienos são utilizados como dienos e o étoxi-eteno como dienófilo numa reação hetero-Diels-Alder inversa utilizando também os complexos metálicos de bisoxazolinas como catalisadores. Todos os novos compostos sintetizados foram caracterizados estruturalmente recorrendo a estudos de espetroscopia de ressonância magnética nuclear (RMN), incluindo espetros de 1H e 13C e estudos bidimensionais de correlação espetroscópica homonuclear e heteronuclear e de efeito nuclear de Overhauser (NOESY). Foram também efetuados, sempre que possível, espetros de massa (EM) e análises elementares ou espetros de massa de alta resolução (EMAR) para todos os novos compostos sintetizados.

Novos polímeros conjugados baseados em calixarenos contendo fontes quirais de origem natural: síntese, propriedades e aplicações sensoriais

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Química e Biológica