Enantio-unselektive Bio-Oxidation in Aminierungskaskaden

Aufgrund der Fortschritte in der Biochemie, der Molekularbiologie und Mikrobiologie, konnte sich die Biokatalyse als eine alternative Technologie für die organische Synthesechemie entwickeln. Zentrale Vorteile der Biokatalyse sind die hervorragenden Eigenschaften der Enzyme wie überragende Regio-, Enantio- und Chemoselektivität. Aufgrund der leichteren Herstellbarkeit der Biokatalysatoren im großen Maßstab über Fermentation, wurde die Biokatalyse eine interessante grüne Alternative für die Chemie. Die Integration von mehreren biokatalytischen Schritten in eine Kaskade ist besonders ansprechend, da diese Möglichkeit ökonomische und umweltrelevante Vorteile bringt, denn die Menge an Chemikalien und Lösungsmittelns, welche für die Reinigung und Aufarbeitung benötigt werden, kann minimiert werden. prim-Amine stellen eine wichtige Klasse von organischen Verbindungen für die Synthesechemie dar. Signifikante Fortschritte wurden kürzlich für die Herstellung dieser Verbindungen erzielt, jedoch fehlt eine direkte stereoselektive Umsetzung von leicht zugänglichen razemischen allylischen sec- Alkoholen zu ungeschützten primären allylischen Aminen. Das Ziel dieses Projektes ist eine künstliche Enzymkaskade zu konstruieren um ausgehend von razemischem allylischen Alkohol optisch reine allylische Amine herzustellen. Da die chemischen Methoden mit Übergangsmetall-Katalysatoren harsche Bedingungen im Vergleich zu Enzymen benötigen, würde eine biokatalytische Methode eine ausgezeichnete Alternative darstellen. Da kein einzelnes Enzyme für die direkte Überführung eines Alkohols zum Amin bekannt ist, wurden verschiedene Enzym-Systeme dafür entwickelt. Alle Methoden basieren auf der Oxidation des Alkohols zum entsprechenden Keton (bzw. Aldehyd), welches in der Folge enzymatisch aminiert wird. Bis heute sind nur wenige Beispiele solcher enzymatischer Oxidations-Reduktions Kaskaden speziell für sekundäre Alkohole beschrieben, die alle entweder durch das thermodynamische Gleichgewicht, welche einen vollständigen Umsatz verhindert, oder durch die Notwendigkeit reiner Enzyme zu verwenden limitiert sind. Da allylische Alkohole aufgrund der zwei reaktiven Gruppen eine spezielle Herausforderung darstellen, stehen diese Alkohole im Zentrum dieses Projekts. Die Aufgaben im Projekt sind (i) die Entwicklung einer Oxidase speziell für allylische Alkohole, die beide Substrat-Enantiomere oxidiert, (ii) die Untersuchung der Kompatibilität der Oxidase(n) mit Enzymen für den Aminierungsschritt und (iii) die Entwicklung einer einfachen allgemeinen Methode für die Herstellung von optisch reinen - chiralen allylischen Aminen aus leicht zugänglichen allylischen Alkoholen; eine allgemeine Methode mit Enzymen würde signifikante Bedeutung gewinnen, da solche Methoden in der Synhtesechemie dringend benötigt werden. Die hier vorgeschlagene Methode ist nicht durch das thermodynamische Gelichgewicht limitiert und wäre breit anwendbar.

prim-Amine, insbesondere allylische Amine, sind eine wichtige Verbindungsklasse in der Chemie. In letzter Zeit wurden große Fortschritte bei der chemischen enantioselektiven Synthese von Allylaminen erzielt. Eine direkte stereoselektive Transformation von racemischen Allylalkoholen wurde jedoch noch nicht beschrieben. Enzyme sind hochselektive Katalysatoren, welche die Bildung von Nebenprodukten minimieren. Darüber hinaus sind sie umweltverträglich ("grün"), da sie aus Aminosäuren bestehen. Insbesondere durch die Verwendung von Enzymen sind die Reaktionsbedingungen mild, was den Energiebedarf senkt. Diese Eigenschaften machen die Enzymkatalyse zu einer vielseitigen und benutzerfreundlichen Plattform für die Herstellung wertvoller Bausteine für die organische Synthese und die medizinische Chemie. Da chemische Verfahren mit Übergangsmetallen als Katalysatoren im Vergleich zu Enzymen im Allgemeinen drastischere Bedingungen erfordern, ist die biokatalytische Aminierung von Alkoholen eine hervorragende Alternative. In diesem Projekt wurde eine Eintopf-Zwei-Enzym-Kaskade konstruiert um ausgehend von den entsprechenden racemischen Alkoholen zu enantiomerenreinen Allylaminen zu gelangen. Ziel des Projekts war es, (i) Enzyme zu finden, die beide Enantiomere racemischer Substrate oxidieren können, (ii) die Verträglichkeit der oxidierenden Enzyme im ersten Schritt der Kaskade mit den aminierenden Enzymen im zweiten Schritt zu untersuchen und (iii) die Entwicklung einfacher und allgemeiner Methoden zur Herstellung von optisch reinen -chiralen Allylaminen aus leicht erhältlichen Allylalkoholen. Es wird erwartet, dass ein allgemeines Protokoll unter Verwendung von Enzymen einen großen Einfluss hat, da Verfahren zur Herstellung von allylischen Aminen in hohem Maße erwünscht sind. Die vorgeschlagene Sequenz ist nicht durch das thermodynamische Gleichgewicht begrenzt und sollte umfangreich und allgemein anwendbar sein. Während des Projekts wurde eine biokatalytische Alternative zum chemischen Verfahren zur Synthese von optisch aktiven prim-allylischen Aminen entwickelt. Zunächst wurden geeignete Enzyme (verschiedene Oxidasen und PQQ-abhängige Dehydrogenase) identifiziert, um racemische sec-allylische Alkohole zu oxidieren. Im nächsten Schritt wurde mit -Transaminasen und verschiedenen Amindonoren eine stereoselektive Aminierung von Allylketon etabliert, die aufgrund der beiden funktionellen Gruppen im Molekül eine besondere Herausforderung für chemische Aminierungsmethoden darstellt. Für verschiedene Allylalkohole wurde eine hohe Umsetzung und ein hoher Enantiomerenüberschuss erhalten.