Application of ene-reductases in the chiral synthesis

Abstract

Im ersten Teil untersuchten wir die Substratakzeptanz des gelben Shewanella Enzyms (SYE-3 & SYE-4). Biotransformationen mit rekombinanten Ganzzellen Expressionssystemen und Zellproteinen von SYE-3 & SYE-4 wurden mit verschiedenen Substraten ([alpha],[beta]-ungesättigten zyklischen Ketonen, ungesättigten Diestern, N-substituierten Imiden) durchgeführt. Die Ergebnisse (Umsatz und EE) wurden durch chirale GC ermittelt. Die Absolutkonfiguration der Produkte wurde durch Vergleich von Größe und Vorzeichen der Optischen Rotation mit Referenzverbingungen festgestellt. In allen Fällen wurden die R-Enantiomere erhalten.<br />Ungesättigte Diester und N-substituierte Imide eigneten sich am besten als Substrate und ergaben die reduzierten Produkte mit hoher Enantioselektivität. Im Vergleich zeigte das Enzym SYE-4 die größere Aktivität. Produkte der Baylis-Hillman Addition und nachfolgender Hydrierung haben wegen ihrer antiproliferativen Wirkung große Bedeutung als Wirkstoffe.<br />Aufgrund des im Substrat vorhandenen stereogenen Zentrums kann erwartet werden, dass die Hydrierung mit einem chiralen Katalysator interessante Informationen liefert, ob die Stereochemie des Endprodukts durch Substrat oder Katalysator bestimmt wird. Grundsätzlich ergibt die Hydrierung der racemischen Ausgansmaterialien mit einem achiralen Katalysator Mischungen von zwei Paaren von racemischen Diastereomeren wobei die Hydroxygruppe und der neu hinzugekommene Methylsubstituent entweder syn oder anti zueinander stehen. Jene Baylis-Hillman Produkte, welche einen elektronenziehenden Rest verbunden mit der Doppelbindung enthalten, erfüllen die Bedingungen für die Bioreduktion mittels Ene-Reduktase (EREDs). Theoretisch sollten in Anwesenheit eines chiralen Katalysators enantiomerenreine syn- und anti-Diasteriomere als 50:50 Mischung erhalten werden. EREDs sind hier als chirale Biokatalysatoren besonders attraktiv, da sie die als Racemat auftretenden Baylis-Hillman Produkte als Substrat akzeptieren. Unter allgemeinen Baylis-Hillman Bedingungen erhielten wir Produkte aus verschiedenen Aldehyden (aliphatische und aromatische) Acrylaten (Methacrylat und Acrylamid) und DABCO in moderaten bis guten Ausbeuten.<br />Die Bioreduktion der Baylis-Hillman Produkte wurde mit ERED's untersucht. Im Falle des Enzyms YqjM wurde syn-Selektivität in der Reduktion der Baylis-Hillman Produkte beobachtet. Die Ursache dieser syn-Selektivität liegt in der Epimerisierung um den Carbinolkohlenstoff während der Reaktion. Im Gegensatz dazu wurden bei der Bioreduktion der aza-Baylis-Hillman Produkte nur anti-Produkte erhalten. Die Bioreduktion dieser Substanzen führte zur stereoselektiven Synthese von [beta]-Aminosäuren. Mehrstufige Eintopfsynthesen haben in den letzten Jahren unter Synthesechemikern viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen, da sich auf diese Weise die strukturelle und funktionelle Komplexität eines Moleküls in einem einzigen Schritt dramatisch erhöhen läßt. Die Komnination von Bioreduktion und Biooxidation ist eine bedeutende Strategie. Die Mikrobielle Bayer-Villiger-Oxidation hat sich zu einer höchst attraktiven Mehtode entwickelt um zu optisch reinen Lactonen zu kommen, sowohl über kinetische Racematspaltung als auch Desymmetrisierung. Die ERED-vermittelte Bioreduktionen von Enonen wurde mit einer nachfolgenden Biortransformation gekoppelt. Besonders attraktiv ist die Kombination der Reduktion von C-C-Doppelbindungen mit einer nachfolgenden Bayer-Villiger Oxidation. Wir haben unlängst geeignete Bayer-Villiger Monooxygenasen (BVMO) identifiziert. Bei der Biooxidation von verschiedenen Terpenonen konnten wir, durch Verwendung von Substratketonen der jeweiligen Konfiguration, alle Enantiomere und Regioisomere "normales" und "abnormales" Lacton) gezielt zugänglich machen. Durch die Kopplung dieser Biotransformation mit einem vorhergehenden Reduktionsschritt konnten einfache und kommerziell verfügbare Terpene direkt in chirale Lactone umgewandelt werden, welche für die Geruchsstoffindustrie eine bedeutende Rolle spielen. An dieser Stelle berichten wir eine Untersuchung der regiodivergenten und enantiokomplementären Eintopf-Redox-Biotransformation enantiomerenreiner Carvone in Lactone.

In first part we studied the substrate acceptance of Shewanella yellow enzyme (SYE-3 & SYE-4). Biotransformations with recombinant whole cell expression systems and cell protein of SYE-3 & SYE-4 were performed with different substrates ([alpha],[beta]-unsaturated cyclic ketones, unsaturated diesters, N-substituted imides). The results (conversion and ee) were rationalized by chiral GC. Absolute configuration of these products was determined by comparing the values and sign of optical rotation with reference compounds. In all cases R-enantiomers were obtained. Unsaturated diesters and N-substituted imides were the best substrates and gave reduced products with high enantioselectivity. SYE-4 enzyme showed greater activity as compared to SYE-3 enzyme.<br /> Products of Baylis-Hillman addition and subsequent hydrogenation have importance in drugs with antiproliferative activity. Due to the already established stereocentre in the substrate the hydrogenation with chiral catalysts should provide interesting information as to whether the stereochemistry in the final product is governed by the substrate or by the catalyst. Principally, the hydrogenation of racemic material with an achiral catalyst may afford a mixture of two pairs of racemic diastereomers where the hydroxy group and the newly created methyl substituent are placed either in a syn- or an anti-arrangement. These Baylis Hillman products having a double bond attached with an electron withdrawing group fulfill the requirement for bioreduction using ene-reductases. Theoretically in the presence of a chiral catalyst reduction products will be enantiomerically pure syn and anti diastereoisomers in 50:50 mixture. EREDs as chiral biocatalysts are particularly appealing for bioreducing these types of substrates having a racemic centre. Applying general Baylis Hillman conditions we were able to synthesize different adducts using aldehyde (aromatic and aliphatic), acrylate (methyl acrylate and acrylamide) and DABCO in good to moderate yields. The bioreduction of Baylis Hillman products was studied with EREDs. In case of YqjM enzyme syn selectivity was observed in bioreduction of all Baylis Hillman products. The reason for syn selectivity lies in the epimerization around the carbinol carbon during the reaction.<br />On the other hand, only anti products were isolated from the bioreduction of aza Baylis Hillman products. The bioreduction of aza Baylis Hillman products led to the stereoselctive synthesis of [beta]-amino acids.<br />Multi-step one-pot reactions have caught attention of synthetic chemists in recent years as such transformations allow for increasing dramatically the structural and functional complexity of a chemical entity in a single operation. The combination of bioreduction with biooxygenation is an important strategy. The microbial Baeyer-Villiger biooxidation has become a highly attractive methodology to access optically pure lactones in both kinetic resolution and desymmetrization processes. ERED mediated bioreductions of enones was coupled with subsequent biotransformations. A particularly appealing combination is the reduction of an activated C=C double bond with subsequent Baeyer-Villiger oxidation. We have recently identified suitable Baeyer-Villiger monooxygenases (BVMOs) to access all enantiomers and regioisomers ("normal" and "abnormal" lactones) for the biooxidation of various terpenones depending on the absolute configuration of the substrate ketone. By linking this biotransformation with a preceding reduction step, simple and commercially available terpenes were directly converted to chiral lactones of significant interest to the fragrance industry. Herein, we are reporting a study on regiodivergent and enantiocomplementary one pot redox biotransformations of enantiomerically pure carvones into lactones.<br />