Chemoenzymatic one-pot reaction sequence for the production of chiral alcohols and amines

Abstract

Chemoenzymatische mehrstufige 'Eintopf' Prozesse stellen ein attraktives Konzept in der Synthesechemie dar. Durch die reduzierte Anzahl an Aufarbeitungs- und Reinigungs- schritten führt die Kombination von Bio- und Chemokatalyse zu einer deutlich verbesserten Prozesseffizienz. In dieser Arbeit werden sowohl sequentielle, als auch simultane chemoenzymatische Eintopf-Kaskaden-Reaktionen vorgestellt, die die Kombination von metallkatalysierten (Pd/Cu) Kupplungseaktionen bzw. goldkatalysierten Hydratisierungsreaktionen mit einer nachfolgenden enzymatischen Transformation der neu geschaffenen funktionellen Gruppe beinhalten. Dieser Prozess wird untersucht durch die Verwendung enantiodivergenter Alkoholdehydrogenasen zur Hertsellung von enantiomerenreinen Alkoholen bzw -Transaminasen zur Herstellung von Aminen. Die simultane Kaskadenreaktion wurde in wässrigem Medium durch Verwendung zweier durch eine Polymer-membran getrennten Reaktionskammern durchgeführt. Dieser Reaktionsaufbau erlaubt Substrat-konzentrationen von 100 mM ohne jegliche Verdünnung oder andere Zwischenschritte vor der nachfolgenden enzymatischen Reaktion. Um die Vielseitigkeit dieser Methode zu demonstrieren, wurden diverse chirale Alkohole in moderaten bis hohen Ausbeuten und exzellenter optischer Reinheit hergestellt. Des Weiteren wurde eine äußerst einfache, sequentielle Methode durch die Kombination von goldkatalysierten Hydratisierungs-reaktionen mit enzymatischen Reduktions-reaktionen für die chemoenzymatische Herstellung von enantiomerenreinen Alkoholen entwickelt. Hierbei dient das Lösungsmittel des metallkatalysierten Schrittes als Cosubstrat für die nachfolgende Biotransformation. In diesem Fall bedarf es keiner räumlichen Trennung zwischen Metalkatalysator und der enzymatischen Teilreaktion. Somit wurde eine ökonomisch attraktive Strategie entwickelt, in der die gesamte Reaktionsmischung des ersten Schrittes im zweiten Schritt der chemoenzymatischen Kaskadenreaktion verwendet werden kann.

Chemoenzymatic multistep one pot processes offer a highly attractive concept in synthetic chemistry. Due to the minimized number of workup and purification steps, the combination of bio- and chemocatalytic reactions in a one pot fashion gives rise to significantly improved overall process efficiency. In this thesis sequential and simultaneous chemoenzymatic one pot cascade reactions are presented by combining a metal (Pd/Cu) catalyzed coupling reaction or a gold catalyzed hydration reaction, both generating a ketone, with a subsequent enzymatic transformation of the newly created functional group. This is investigated by applying enantiodivergent alcohol dehydrogenases for the production of enantiopure alcohols, or -transaminases for the production of enatiopure amines, respectively. The simultaneous cascade was performed in an aqueous system using two different compartments seperated by a polymer membrane, which enabled an overall reaction concentration of up to 100 mM substrate without dilution or any other intermediate step before the biocatalytic transformation. To demonstrate the versatility of the developed method, both enatiomeric forms of the respective chiral alcohols were produced in moderate to high yields and excellent enantiomeric purities. Further, an extremely straightforward method for the chemoenzymatic production of enantiopure alcohols in a sequential mode was developed by combining a gold catalyzed hydration of alkynes with an enzymatic reduction. Within this process, the solvent of the metal catalyzed transformation serves as cosubstrate for the subsequent biotransformation. In this case no spatial separation of the metal catalyst from the enzymatic part of the reaction was required and an economical attractive strategy was developed, in which the overall reaction mixture of the first step can be employed in the second step of the desired chemoenzymatic one-pot cascade reaction