Baeyer-Villiger monooxygenase mediated kinetic resolutions towards aroma compounds

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit sollten vier verschiedene cyclische Ketone als Vorstufen für Riechstoffe aus der Lac-ton-Kategorie hergestellt und auf Sub-stratakzeptanz durch zehn verschie-dene Bayer-Villiger Monooxygenasen getestet werden. Anschließend sollten die Daten der Parallelreaktionen an-hand einer repräsentativen präparati-ven Fermentation überprüft und bes-tätig werden.<br />Die erste Gruppe besteht aus den zwei Quercus-Lactonen. Ihr Name leitet sich vom lateinischen Ausdruck für Eiche ab, die Hauptfundorte sind neben der Eiche selbst alkoholische Getränke welche in Eichenfässern ge-reift oder gelagert wurden. Sie erhiel-ten aus diesem Grund auch die Namen Whisky- und Cognac-Lactone.<br />Die Synthese der entsprechen-den Ketone stellte sich mit den aus-gewählten Methoden als de facto un-mögliches Unterfangen heraus. Aus diesem Grund wurde eine Modellstruk-tur für diese 2,3-disubstituierten Cyc-lobutanone hergestellt. Diese Verbin-dung ist literaturunbekannt und hat an sich interessante Aromaeigenschaften. Es konnte anhand dieses Ketons die prinzipielle Substratakzeptanz von allen verwendeten Baeyer-Villiger Mo-nooxygenasen gezeigt werden.<br />Die zweite Gruppe von Aroma-stoffen besteht aus zwei Hauptge-ruchskomponenten der Mango-Frucht; diese werden im Rahmen dieser Arbeit als Mango-Lactone bezeichnet. Eines der beiden findet sich in der Literatur als Jasmin-Lacton, ein Hauptbestand-teil des ätherischen Öles der Jasmin-pflanze. Dieser Aromastoff verleiht allerdings auch hunderten anderen Pflanzen und Früchten einen charak-teristischen Geruch. Das zweite Man-go-Lacton ist ein Strukturisomer des Jasmin-Lactons mit ähnlichen aber deutlich unterscheidbaren olfaktori-schen Eigenschaften.<br />Beide Keton-Vorstufen wurden von allen Stämmen als Substrat akzep-tiert und die präparativen Experimen-te konnten in hohen Ausbeuten mit hervorragenden Enantioselektivitäten realisiert werden.<br />Der dritte Teil der Arbeit be-handelt einen eher allgemeinen An-satz zur Erweiterung der biooxidativen Methode auf Lactone mittlerer und höherer Ringgröße. Beginnend mit 2-substituierten Cycloheptanonen wird dieses Projekt in der Zukunft fortgeführt.<br />Das Ziel ist die Untersuchung der Anwendbarkeit der enzymatischen Baeyer-Villiger-Oxidation zur Synthese von makrocyclischen Lactonen, die in der Herstellung von Moschusdüften eine große Rolle spielen.<br /> Zusammenfassend kann man behaupten, dass biokatalytische Me-thoden eine wegweisende Technologie in der Optimierung von Naturstoffsyn-thesen darstellen.<br />

In this thesis four precursor ketones for odorant lactones should be screened for substrate acceptance with 10 recombinant microorganisms expressing Baeyer-Villiger monooxy-genases. In the case of promising re-sults, preparative kinetic resolutions of the racemic ketone substrates were performed.<br />The first two aroma compound targets represent wide spread odorants: the Quercus lactones. Deriving from the latin term for oak tree, they are found in alcoholic beverages aged in oak vats, therefore nicknamed the Cognac and the Whisky lactones.<br />As the synthesis of the corresponding ketone precursors proved to be virtu-ally impossible by the chosen meth-ods, a model structure for 2,3-di¬substituted cyclobutanones was pre-pared. A kinetic resolution screening and preparative experiment with this literature unknown compound and odorant of itself was performed and substrate acceptance of this molecule class by all Baeyer-Villiger monooxy-genases could be proved.<br />The second aroma compound class synthesized in this thesis are two key flavor components of the mango fruit, therefore named the mango lactones. One of them is generally known in lit-erature as jasmine lactone, a main constituent of jasmine essential oil but also making up hundreds of other aromas of natures plants and fruits. The second mango lactone is a struc-tural isomer of jasmine lactone with similar but distinguishable odour properties.<br />Both ketones were accepted by all strains in the kinetic resolution screening and preparative experi-ments could be established with ex-cellent yields and enantioselectivities.<br />The third part of the thesis covers a rather general approach of expansion of the microbial oxidation methodol-ogy towards medium and large ring size lactones. This study was initiated within this work with the screening and transformation of some 2-substituted cycloheptanones and is subject of an ongoing investigation.<br />The goal of this project would be the assessment of the capabilities of the enzymatic Baeyer-Villiger oxidation in the construction of macrocyclic lac-tones used in the synthesis of musk odorants. So far, positive and inter-esting results could be obtained from the cycloheptanone series.<br />It remains to be said that the results of this thesis prove that biocatalytic methods are a pioneering methodol-ogy in the optimization of natural product synthesis towards green chemistry.<br />