Entwicklung eines Donor/Akzeptor-Konzeptes für die asymmetrische Synthese unsymmetrischer Benzoine mit Hilfe ThDP-abhängiger Enzyme

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung eines Konzeptes, mit dem sich unsymmetrische (R)-Benzoine erstmals sehr effizient in einem Syntheseschritt chemoselektiv und in enantiomerenreiner Form erhalten lassen. Die Generierung dieser Verbindungen erfolgt dabei mittels einer durch die ThDP-abhängigen Enzyme Benzaldehyd-lyase (BAL) und Benzoylformiat-decarboxylase H281A (BFD H281A) katalysierten Kreuz-Benzoin-Kondensation. Das erarbeitete Konzept beruht auf der Ausnutzung der elektronischen und sterischen Eigenschaften sowohl der eingesetzten aromatischen Aldehyde als auch der verwendeten Enzyme. Dadurch wird es möglich, dass bei geeigneter Substratkombination und Enzymauswahl ein Aldehyd selektiv als Donor reagiert, während der zweite Aldehyd selektiv als Akzeptor umgesetzt wird. Durch die resultierende asymmetrische Kreuzkupplung wird so chemo- und enantioselektiv ein Produkt erhalten. Zur Etablierung dieses Donor/Akzeptor-Konzeptes wurden verschiedene Screenings durchgeführt, bei welchen im analytischen Maßstab Kombinationen von aromatischen Aldehyden in wässerigem Milieu bei 30°C Enzym-katalysiert umgesetzt wurden. Zum einen konnten mittels dieser Screenings die beiden Enzyme BAL und BFD H281A als Katalysatoren identifiziert werden, welche die selektive Kreuzkupplung zwischen zwei unterschiedlichen aromatischen Aldehyden zu katalysieren vermögen. Des weiteren wurde das Reaktionsverhalten der Aldehyde in Gegenwart unterschiedlicher Reaktionspartner untersucht und darauf aufbauend eine Einteilung in Donoren und Akzeptoren vorgenommen. Zahlreiche unsymmetrische (R)-Benzoine konnten hochselektiv bezüglich Konstitution und Enantiomerenreinheit auch im präparativen Maßstab synthetisiert werden. Reinigung der Rohprodukte durch Umkristallisieren oder Säulenchromatographie lieferte die reinen Substanzen. Durch Röntgen-Kristallstrukturanalyse des Derivates (R)-2-(4-Brom-benzoyloxy)-2-(2-chlor-phenyl)-1-(3,5-dimethoxy-phenyl)-ethanon konnte nachgewiesen werden, dass die enzymatisch generierten Kreuzkupplungsprodukte (R)-konfiguriert sind. Darüber hinaus wurde die CD-Spektroskopie als generelle Methode zur Bestimmung der absoluten Konfiguration sowohl von unsymmetrischen als auch von symmetrischen Benzoinen etabliert. Durch die charakteristische Abfolge von positiven und negativen Cotton-Effekten wird neben der einheitlichen Konfiguration auch eine einheitliche Konformation der Verbindungen nachgewiesen. Ein Zugang zu den (S)-konfigurierten unsymmetrischen Benzoinen konnte durch kinetische Racematspaltung der racemischen Verbindungen mit dem Enzym BAL erhalten werden. Dabei wurde ausgenutzt, dass das Enzym neben der Ligase-Aktivität auch eine Lyase-Aktivität besitzt. Dies ist ein seltenes Beispiel für eine Racematspaltung via C-C-Bindungsspaltung.

<b>Development of a donor-acceptor concept for the asymmetric synthesis of unsymmetrical benzoins by the use of ThDP-dependent enzymes</b><br /> This thesis describes the development of a concept which enables the generation of unsymmetrical and enantiopure (R)-benzoins in one efficient chemoselective synthetic step. The synthesis of these compounds is performed by an enzymatic cross-benzoin condensation using the ThDP-dependent enzymes benzaldehyde lyase (BAL) and benzoylformate decarboxylase H281A (BFD H281A). This concept is taking advantage of the electronic and steric properties of both the aromatic aldehydes and the enzymes. Combining an appropriate pair of benzaldehyde derivatives with an appropriate enzyme it becomes possible to convert one aldehyde selectively as a donor while the other one reacts selectively as an acceptor. The resulting asymmetric and chemoselective cross-coupling leads to one single enantiopure product. In order to establish this concept several screenings on an analytical scale were carried out in which various combinations of aldehydes were converted in the presence of different enzymes in aqueous medium at 30°C. By means of these screenings the potential of the two enzymes BAL and BFD H281A to perform the asymmetric cross-coupling of two different aromatic aldehydes was identified. Moreover, the results obtained concerning the behaviour of the tested aldehydes enabled their classification into donors and acceptors. Various unsymmetrical (R)-benzoins could also be synthesised on a preparative scale. Purification of the crude products was carried out by crystallisation or by column chromatography. By crystal-structure analysis of the derivative (R)-2-(4-bromo-benzoyloxy)-2-(2-chloro-phenyl)-1-(3,5-dimethoxy-phenyl)-ethanone it could be proven that the enzymatically synthesised benzoins are (R)-configurated. Additionally, CD-spectroscopy could be established as a general method to determine the absolute configuration of both symmetrical and unsymmetrical benzoins. Not only the absolute configuration but also the conformation of the benzoins can be derived from the characteristic order of positive and negative Cotton effects. Access to the (S)-configurated unsymmetrical benzoins was obtained by kinetic racemic resolution. Here, the fact that BAL shows a lyase activity additionally to its ligase activity is used. This represents a rare example of a racemic resolution via C-C-bond cleavage.