Studies in selectivity of lipases in preparation of cyanohydrins, sugar conjugates and secondary alcohols

Biocatalysis can be applied in organic synthetic chemistry to counter challenges posed by increased demands towards chemo-, regio- and stereoselectivity, not forgetting the need for greener chemistry. During the last 30 years, biocatalysis with the use of enzymes as chiral catalysts has become more common in chemistry laboratories and industrial processes. In this thesis, the use of lipases as versatile biocatalysts in the acylation of alcohols is examined both in the light of literature examples and four original publications. In the first part of the work presented in this thesis lipases were utilized in two examples concerning secondary alcohols. First, the kinetic resolution of heterocyclic aromatic secondary alcohols through transesterification was thoroughly examined including the studies of competing hydrolysis and esterification reactions. In another example, lipases were utilized in the formation of a dynamic systemic resolution (DSR) process which in turn was used as a developmental tool in the optimization of the dynamic kinetic resolution (DKR) of five heterocyclic aromatic cyanohydrins in one pot for the preparation of cyanohydrin esters as single enantiomers. In the second part of the work, the regio- and stereoselectivity of lipases was used to form sugar conjugates of glyceric and β-amino acids. The primary hydroxyl groups of methyl α-D-galacto-, -gluco- and -mannopyranosides were now acylated trough lipasecatalyzed transesterification and enantioselective lipase-catalyzed ring-opening of β- lactams, respectively.

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.

Additions nucléophiles sur des B[beta]-alkoxyaldéhydes a[alpha],a[alpha]-disubstitués formés par une réaction radicalaire de transfert de vinyle intramoléculaire

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Lipase-Catalyzed Kinetic Resolution of (+/-)-Mandelonitrile under Conventional Condition and Microwave Irradiation

The kinetic resolution of (+/-)-mandelonitrile was carried out using lipase from Candida antarctica under conventional condition (orbital shaker) and microwave irradiation in toluene, producing the (S)-mandelonitrile acetate with high selectivity (up to >98% ee, enantiomeric excess). The unreacted (R)-mandelonitrile under microwave irradiation and conventional condition was partially converted into benzaldehyde by spontaneous chemical equilibrium. The (S)-mandelonitrile acetate under microwave irradiation was produced with 92% ee and 35% yield for 8 h of reaction. Conventional transesterification of (+/-)-mandelonitrile in an orbital shaker produced unreacted (R) -mandelonitrile (51% ee) and (S)-mandelonitrile acetate (98% ee) in accordance with Kazlauskas rule for 184 h of reaction.

Enantioselektive Organokatalyse in Epoxidierungen und Cyanhydrinbildungen

In der vorliegenden Arbeit mit dem Titel „Enantioselektive Organokatalyse in Epoxidierungen und Cyanhydrinbildungen“ wurde die Synthese zweier Cyclophan-carbaldimine durchgeführt. Beide Verbindungen bestehen aus einem Glykosyl-Baustein und einem Paracyclophan-Baustein, die über eine Imin-Bindung verbrückt sind. Die Cyclophan-carbaldimine wurden dann als Katalysatoren in einer Reihe von enantioselektiven Reaktionen verwendet. Enantioselektive Reaktionen bilden von zwei spiegelbildlichen Produkten stets eines im Überschuss. Zu diesen Reaktionen zählen die in dieser Arbeit durchgeführten enantioselektiven Epoxidierungen und enantioselektiven Cyanhydrinsynthesen. Die enantioselektiven Epoxidierungen waren dabei als Teil der Totalsynthesen der Naturstoffe Dasyscyphin D und Caripyrin geplant. Diese beiden Naturstoffe zeigten in biologischen Tests am Institut für Biotechnologie und Wirkstoffforschung (IBWF) in Kaiserslautern Aktivität gegen den Reisbrand-Pilz Magnaporthe grisea, der für Ernteverluste in beträchtlichem Ausmaß verantwortlich ist. Das Caripyrin selbst beinhaltet eine Epoxidstruktur. Mittels der oben angeführten Katalysatoren wurde versucht, diese Epoxidstruktur selektiv einzuführen. Dies gelang nicht, aber der Naturstoff konnte mittels Epoxidierung durch m-Chlorperbenzoesäure erstmals dargestellt werden. In mehreren biologischen Vergleichstests am IBWF Kaiserslautern zeigte auch das synthetische Caripyrin mit dem natürlichen Caripyrin vergleichbare biologische Aktivität.rnDas Dasyscyphin D an sich trägt keine Epoxidfunktion. Dennoch spielt sie auch hier eine wichtige Rolle. Innerhalb der geplanten Totalsynthese von Dasyscyphin D sollte die Farnesylseitenkette eines aromatischen Ringes selektiv epoxidiert werden. Durch einen elektrophilen Angriff an dieses Epoxid sollte im Anschluss eine Cyclisierung zum Dasyscyphin-Grundgerüst eingeleitet werden, aus dem dann Dasyscyphin D dargestellt werden sollte. Im Gegensatz zur Caripyrin-Synthese, bei der die selektive Epoxidierung nicht gelang, scheint sie in der Synthese von Dasyscyphin D sattgefunden zu haben, allerdings ist eine Isolierung des Reaktionsproduktes noch nicht gelungen. Folglich konnte das Dasyscyphin D noch nicht erfolgreich synthetisiert werden.rnDie Versuche zur enantioselektiven Cyanhydrin-Synthese waren nicht Bestandteil einer Totalsynthese. Die Cyanhydrine wurden zuerst als Racemate synthetisiert und gaschromatographisch vermessen, um auf diese Weise die exakten Retentionszeiten der einzelnen Enantiomere zu ermitteln. Anschließend wurden die Cyanhydrine dann enantioselektiv dargestellt und ebenfalls gaschromatographisch vermessen. Durch den Vergleich mit den racemischen Cyanhydrinen konnte dabei direkt aus der Reaktionslösung gemessen werden, was erforderlich war, da eine Isolierung der Cyanhydrine unter den gewählten Reaktionsbedingen nicht gelang. Aus den gaschromatographischen Messungen konnten Enantiomerenüberschüsse von bis zu 95 % ermittelt werden. Weiterhin ergaben die Messungen, dass der Arabinosyl-Katalysator im Vergleich mit dem Galactosyl-Katalysator eine geringere Enantioselektivität induziert, was vermutlich auf leichte räumliche Differenzen der beiden Katalysatoren zurückzuführen ist. Ein weiteres wichtiges Ergebnis war, dass beide Katalysatoren, wie geplant, unterschiedliche Enantiomere im Überschuss bilden. Die Glykosyl- und Paracyclophan-Bausteine der beiden Katalysatoren waren so gewählt worden, dass beide Katalysatoren pseudo-Enantiomere bilden. Auf diese Weise sollte eine Einflussnahme auf das gebildete Enantiomer durch die Wahl des entsprechenden Cyclophan-carbaldimin-Katalysators möglich gemacht werden, was, wie bereits erwähnt, gelang.rn

Synthese cyclischer Peptide und von Kohlenhydraten abgeleitete Katalysatoren zur enantioselektiven Darstellung von Cyanhydrinen

Der Suche nach neuen Wirkstoffen für den chemischen Pflanzenschutz kommt insbesondere vor dem Hintergrund der steigenden Weltbevölkerung und weniger zur Verfügung stehenden kulturfähigen Ackerflächen eine stetig wachsende Bedeutung zu. Ziel dieser Arbeit war die Synthese von cyclischen Peptiden und Depsipeptiden, die aufgrund ihrer biologischen Aktivität als potentielle Insektizide für den chemischen Pflanzenschutz in Frage kommen. Darüber hinaus sollten von Kohlenhydraten abgeleitete Katalysatoren zur enantioselektiven Cyanhydrinsynthese entwickelt werden, um einen leichten Zugang zu den Bausteinen der Depsipeptide zu ermöglichen. Als vielversprechender Naturstoff mit insektiziden Eigenschaften gilt das cyclische Pentapeptid Cycloaspeptid E, dessen Totalsynthese in 10 Stufen mit einer Gesamtausbeute von 25% erreicht wurde, sodass die Verbindung für biologische Tests bereitgestellt werden konnte. Zusätzlich gelang die Kristallisation der Verbindung, was eine Röntgenstrukturanalyse ermöglichte. Ein Derivat von Cycloaspeptid E sollte 2-Aminonicotinsäure anstelle von Anthranilsäure enthalten. Die Synthese dieser Verbindung wurde auf drei Wegen versucht. Dabei zeigte sich, dass es bei einer zur Totalsynthese des Naturstoffs analogen Strategie zur quantitativen Bildung eines Diketopiperazins kommt. Auf den anderen Routen ließ sich entweder ein Kupplungsschritt nicht realisieren, oder die Verbindung erwies sich unter den gewählten Bedingungen als instabil. Die Darstellung eines 2-Aminonicotinsäure-Derivats von Cycloaspeptid E bleibt daher weiterhin ein ungelöstes Problem, das weiterer Forschung bedarf. Verticilid A1 ist ein cyclisches Depsipeptid, das aufgrund seiner Bindungsfähigkeit an den Ryanodinrezeptor von Insekten, als Leitstruktur für die Suche nach neuen Insektiziden von Interesse ist. Um zu untersuchen, wie wichtig die Esterbindungen im Molekül für die biologische Aktivität sind, sollte das entsprechende Amid-Derivat und das Cyclodepsipeptid mit nur zwei statt vier Esterbindungen hergestellt werden. Hierbei zeigte sich, dass eine zur Darstellung von Verticilid A1 analoge Syntheseroute zu einer ausgeprägten Epimerisierung führt. Eine lineare Synthese der Derivate endet in der Bildung des Diketopiperazins. Weiterhin wurden zwei neue, zueinander pseudoenantiomere Vanadium(IV)-Katalysatoren auf Basis von D-Glucose einerseits und L-Xylose andererseits dargestellt. Diese lassen sich in fünf bzw. 14 Stufen synthetisieren und liefern in der enantioselektiven Katalyse von Mandelsäurenitril Enantiomerenüberschüsse von 89% bzw. 91% bei hohen Ausbeuten. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass im Rahmen dieser Arbeit die Totalsynthese von Cycloaspeptid E erfolgreich durchgeführt wurde, und die Syntheseversuche von weiteren cyclischen Peptiden wichtige Erkenntnisse für weitere Synthesen lieferten. Mit den beiden hergestellten Vanadium(IV)-Komplexen wurden zwei potente, auf Kohlenhydraten basierende Katalysatoren für die enantioselektive Synthese von Cyanhydrinen entwickelt.