New Avenues towards Carbohydrate-Based Chiral Building Blocks and Structure Elucidation of Oligosaccharides from Biomass

Abstract

Synthetischer Teil:Kohlenhydrate (Zucker) sind die größte Klasse von Biomolekülen in der Natur und stellen eine erneuerbare, enantiomerenreine Ressource dar. Aufgrund ihrer verschiedenen Kohlenstoffkettenlängen, hohen Dichte an Stereozentren und nahezu perfekter Enantiomerenreinheit, machen sie zu attraktiven Ausgangsmaterialien für die Totalsynthese. Trotzdem sehen sie kaum Verwendung in der Literatur, hauptsächlich weil es kaum generelle und einfach handzuhabende Strategien gibt, Zucker sinnvoll zu derivatisieren. Darüber hinaus wird Kohlenhydratchemie oft als wenig zuverlässig und technisch schwer beschrieben. Diese Arbeit adressiert diese Probleme in zwei Publikationen.Im ersten Projekt wird eine kurze und generelle Route beschrieben, um von Pentosen einfach zu Cyclopentanonen und Cyclopentenonen zu gelangen. Ausgehend vom entsprechenden Methylpyranaosid führt Benzylschützung, Hydrolyse, Wittig Olefinierung und DMP-Oxidation zu einem Molekül, mit einem Aldehyd und α,β-ungesättigtem Ester. Diese Zwischenstufe kann mittels intramolekularer NHC-katalysierter Stetter Reaktion zu einem Cyclopentanon Ring zyklisiert werden. Während der Zyklisierung wird die Stereoinformation von drei Stereozentren des Ausgangszuckers erhalten. Die Route kann für alle Standard-Pentosen angewendet werden und führt in allen Fällen zu exzellenten Ausbeuten (bis zu 97%). Außerdem wird eine Vielzahl verschiedener Ester akzeptiert. In einem optionalen Schritt kann selektiv eine Benzylgruppe eliminiert werden, um zu Cyclopentenonen zu gelangen. Diese Elimination kann parallel zur Zyklisierung oder sequenziell durchgeführt werden.Im zweiten Projekt wurde die Wittig Olefinierung von Kohlenhydraten mittels mechanochemischer Reaktionsführung untersucht. Traditionelle Wittig-Reaktionen am anomeren Zentrum des Zuckers in der Flüssigphase, leiden unter schlechter Reaktionskinetik, weil das Mutarotationsgleichgewicht weit auf der Ringseite liegt. Typischerweise benötigen solche Reaktionen hohe Temperaturen und lange Reaktionszeiten, sowie minutiösen Ausschluss von Wasser. Wir konnten zeigen, dass mittels mechanochemischer Aktivierung, diese Reaktionen deutlich beschleunigt werden können, und gute Ausbeuten innerhalb einer Stunde unter Atmosphärenbedingungen erreichbar sind. Wir haben die Methode an einer Vielzahl von Kohlenhydraten mit verschiedensten relativen Stereokonfigurationen getestet und konnten zeigen, dass gute Ausbeuten ebenfalls mit verschiedenen Schutzgruppen, sowie nur teilgeschützten Zuckern erzielbar sind. Diese Arbeit erweitert die verfügbaren Möglichkeiten, um Kohlenhydrate in synthetisch wertvolle Bausteine zu verwandeln.Strukturaufklärungsteil:Im Kontext von Klimawandel und Verknappung von fossilen Ressourcen erfährt die Chemie aktuell einen Wandel hin zu „Grünen Technologien“. Traditionell petrochemische Produkte werden immer öfter aus erneuerbaren Quellen hergestellt, oder mit alternativen Substanzen ersetzt. Daher ist es essenziell, die Prozesse zur Gewinnung von Chemikalien aus biologischen Systemen zu verbessern und zu erforschen. Im Zuge dessen, werden Stoffwechselwege untersucht, und untersucht welche Gensequenzen und damit verbunden Enzyme am Auf- und Abbau von Naturstoffen beteiligt sind. In diesem Licht ist die NMR-Spektroskopie ein wichtiges analytisches Werkzeug, um die Struktur von Zwischen- und Endprodukten von Stoffwechselpfaden aufzuklären. In dieser Arbeit sind 4 Publikationen enthalten in denen NMR als Analysetechnik eingesetzt wurde, um enzymatische Reaktionen und deren Produkte zu analysieren.Im ersten Projekt wird eine neuartige Acyltransferase beschrieben, welche hydrophile Substrate in wässrigen Medien akzeptiert, und somit die Acetylierung von Glukosebasierten Oligomeren ermöglicht. NMR-Analytik konnte zeigen, dass die Acetylierung spezifisch für die O6-Position am nicht-reduzierenden Zucker ist, und dass Glucose, Maltose und Maltotriose dabei sehr effizient umgesetzt werden.Zwei weitere Projekte fokussieren sich auf maritime Polysaccharide Ulvan (ein komplexes Polymer das aus vielen seltenen Zuckern zusammengesetzt ist) und Xylan (verschieden gebundene Xyloseeinheiten), welche von Makroalgen gewonnen werden können. Hierbei war das Ziel der Gruppe von Uwe Bornscheuer (Universität Greifswald) den Stoffwechsel der Algen beim Abbau dieser Polymere besser zu verstehen, um dadurch seltene Zucker aus der Algenbiomasse gewinnen zu können. Es wurden eine Vielzahl beteiligter Enzyme identifiziert und isoliert. Durch systematische, schrittweise Anwendungen verschiedener Enzymkombinationen wurde die Biomasse verdaut. Die entstandenen Produkte wurden an uns übergeben, und mittels NMR und MS strukturell aufgeklärt. So konnten die Funktionen und genauen Schnittmuster dieser Enzyme aufgeklärt werden.Die letzte Publikation befasst sich mit einem neuartigen antifungalen Stoff, „Ilicicolin K“, welchen wir erstmals in der Literatur beschrieben haben. Der Stoff wurde durch Aktivierung des eigentlich abgeschalteten Genclusters für Ilicicoline im Pilz Trichoderma reesei erzeugt und isoliert. Die mikrobielle Arbeit wurde von der Birner-Grünberger Gruppe durchgeführt, die volle Strukturaufklärung war unsere Aufgabe. Der neue Stoff wurde auf seine Effektivität als Anti-Pilz-Mittel untersucht und zeigte vielversprechende Testergebnisse.Insgesamt zeigen die 4 Publikationen, wie wichtig interdisziplinäre Kooperationen zwischen Biologie und organisch-chemischer Analytik sind, um erneuerbare Ressourcen besser nutzbar zu machen.

Synthetic Part:Carbohydrates are the largest class of biomolecules in nature and constitute a renewable, enantiopure chiral pool. Their variable chain lengths, high density of stereocentres and typically near perfect ee make them attractive starting materials for total synthesis. Nevertheless, they remain underrepresented, largely because general, easy-to-use derivatisation strategies are missing and carbohydrate chemistry is often regarded as delicate and unreliable. This dissertation addresses these limitations, highlighted in two publications.In the first project, a concise and general route from pentoses to substituted cyclopentanones and cyclopentenes is developed. Starting from the corresponding methyl pyranosides, benzyl protection, hydrolysis, Wittig olefination and DMP oxidation provide a versatile cyclisation precursor bearing an aldehyde and an α,β-unsaturated ester. Intramolecular cyclisation affords substituted cyclopentanones, transferring three chiral centres from the parent sugar into the new scaffold. The sequence is applicable to all four common D-pentoses, delivers up to 97% yield, and tolerates a variety of ester groups. Selective benzyl elimination further enables access to cyclopentene derivatives in either a one-pot or a sequential protocol.In the second project, the Wittig olefination of carbohydrate-derived substrates is translated to a mechanochemical regime in a ball mill. Traditional solution-phase Wittig reactions at the anomeric position suffer from poor kinetics due to the mutarotational equilibrium and typically require prolonged reaction time, reflux conditions and rigorous exclusion of water. Under mechanochemical conditions, excellent yields are achieved within 1 h, under ambient conditions, for all major stereochemical configurations, as well as for fully and partially protected sugars. A broad range of Wittig salts is competent at the anomeric position, including transformations not previously reported in solution. Together, these studies expand the toolbox for converting readily available carbohydrates into synthetically versatile building blocks.Structure Elucidation Part:In the context of climate change and limited fossil resources, chemistry is experiencing a much-needed shift towards “green technologies”, in which products of petrochemical origin are increasingly replaced by substitutes from renewable resources. In this light, it is crucial to learn how to source chemicals from biological origin. To facilitate this transition, metabolic pathways of biological systems are investigated by identifying gene clusters responsible for specific pathways, expressing the encoded enzymes, and testing their function and reactivity. Structure elucidation of reaction products from enzymatic digestions is key to understanding how enzymes interact with their natural substrates and with each other. NMR spectroscopy is one of the most important analytical techniques for elucidating the structure of organic molecules.Within this thesis, four contributions in the area of enzymatic reactions on carbohydrates and related natural products are presented. The first project describes a newly engineered acyltransferase that accepts hydrophilic substrates in aqueous media and enables efficient acetylation of alcohol functions. Using NMR analysis of several glucose-based oligosaccharides, we identified and assigned the corresponding acetylation patterns.Two further projects focus on the polysaccharides ulvan (a complex polymer bearing many rare sugars) and xylan (a mixed-linked xylose-based polymer) derived from macroalgae. Understanding how algal metabolism builds up and decomposes these structures is essential for harvesting rare sugars from biomass. The Bornscheuer group in Greifswald identified, expressed and isolated numerous enzymes related to ulvan and xylan metabolism and performed enzymatic digestions of the native polymeric substrates. The resulting oligosaccharidic fragments were provided to us for detailed NMR analysis, allowing us to determine which sugar patterns are recognised by which enzyme and to piece together the corresponding degradation cascades.The final contribution focuses on a new antifungal compound, “Ilicicolin K”, which we first described after collaboration partners of the Birner-Grünberger group activated the corresponding biosynthetic pathway in Trichoderma reesei. Following isolation by preparative HPLC and full structure elucidation via NMR, the compound was tested for antifungal potency and showed promising activity.Overall, this thesis underlines the importance of interdisciplinary collaboration between biology and organic-chemistry-based analytics for advancing the utilisation of renewable biological resources and for developing new synthetic methodologies.