Biokatalytische Friedel-Crafts-ähnliche Acylierung

Die Friedel-Crafts Acylierung stellt nach wir vor eine der meistuntersuchten Reaktionen in der organischen Synthesechemie dar. Ihre breite Anwendbarkeit unterstreicht die herausragende Rolle dieser Reaktion in der Synthese komplexer Moleküle. Nichtsdestotrotz wäre es wünschenswert, diese Reaktion etwa ökologisch zu verbessern, um die Mengen an reaktiven Chemikalien zu reduzieren (z.B.:Acylchloride, Anhydride). Weiters sind regioselektive Acylierungen durch gängige Ansätze oft nur schwer zu realisieren. Die Biokatalyse könnte hier eine echte Alternative bieten, sofern ein geeignetes Enzym vorhanden ist. Das rührt erstens daher, dass es sich bei Biokatalysatoren umhochselektive Katalysatoren handelt. Zweitens erlauben Biokatalysatoren sicherere Reaktionen in Wasser/Puffer durch zu führen; man vermeidet/reduziert damit die Verwendung organischer Lösungsmittel. Drittens sind Enzyme biologisch abbaubar (daher grün), da sie ausschließlich aus Aminosäuren aufgebaut sind. Schließlich sind die Reaktionsbedingungen mild (z.B.: 20-40C), was hilft, die Entstehung von Nebenprodukten zu minimieren, und den Energieaufwand reduziert. Bis jetzt wurde eine biokatalytische Friedel-Crafts Reaktion an nicht-natürlichen Aromatenunseres Wissens nach noch nicht beschrieben. Vorstudien in unserem Labor haben gezeigt, dass eine spezielle Klasse von Enzymen (Acetyltransferasen) für eine Anwendung in der organischen Chemie durch Katalyse einer Friedel-Crafts-ähnlichen Reaktion geeignet wären (Schema 1). Die biokatalytische Variante könnte eine Alternative zur chemischen Friedel-Crafts Acylierung darstellen. Im Projekt soll die biokatalytische Methode getestet und ausgebaut, sowie ein breites Spektrum von aromatischen Verbindungen getestet werden, welche in wertvolle Bausteine für die organische und medizinische Chemie transformiert werden. In einem weiteren Schritt wird die Bio-Friedel-Crafts- Reaktion mit anderen Enzymen in einer Kaskade gekoppelt, um zu optisch reinen Alkoholen und Aminen zu gelangen. Weiters wird das Spektrum der umgesetzten nicht-natürlichen Verbindungen mittels Protein-Engineering erweitert werden. Schema 1. Biokatalytische Friedel-Crafts-ähnlicheReaktion.

Die Friedel-Crafts Acylierung stellt nach wir vor eine der meistuntersuchtesten Reaktionen in der organischen Synthesechemie dar. Ihre breite Anwendbarkeit unterstreicht die herausragende Rolle dieser Reaktion in der Synthese komplexer Moleküle. Trotzdem basiert die chemische Reaktion auf den harten Reaktionsbedingungen (z. B. hohe Temperaturen, organische Lösungsmittel) und gefährlichen Reagenzien (z. B. Acylchloriden, Anhydriden), was aufgrund der großen Menge an produziertem gefährlichen Abfall für industrielle Anwendungen häufig nicht empfohlen wird. Während des Projekts wurde die Reaktion ökologisch verbessert, indem eine biokatalytische Alternative zum chemischen Prozess entwickelt wurde. Zunächst wurde ein geeignetes Enzym (Acyltransferase) identifiziert, das ein großes Spektrum aromatischer Verbindungen umwandeln kann. Erstens sind Enzyme hochselektive Katalysatoren, die die Bildung von Nebenprodukten minimieren. Zweitens sind sie biologisch abbaubar ("grün"), da sie ausschließlich aus Aminosäuren aufgebaut sind. Drittens wurde die entwickelte Methode in einem Wasser / Puffersystem ausgeführt, wobei organische Lösungsmittel vermieden wurden. Viertens sind die Reaktionsbedingungen mild (zwischen 20 bis 35 C), was den Energieverbrauch minimiert. Diese Eigenschaften machen die Enzymkatalyse zu einer vielseitigen und benutzerfreundlichen Plattform für die Herstellung wertvoller Bausteine für die organische Synthese und medizinische Chemie. Um das Substratspektrum zu erweitern, wurde ein Protein-Engineering-Ansatz durchgeführt. Strukturbasierte molekulare Modellierung führte zur Identifizierung mehrerer Aminosäuren durch deren Austausch es möglich war, zuvor nicht zugängliche nicht-natürliche Verbindungen umzusetzen. Die Eigenschaften von Acyltransferase-Varianten könnten aus industrieller Sicht sehr interessant sein.