Enzyme und die Phosphat-Phosphonat-Umlagerung

a-Substituerte Phosphonsäuren sind eine große Gruppe phosphororganischer Verbindungen mit verschiedenen biologischen Eigenschafte. Analoga von Aminosäuren inhibieren Enzyme, was sie zu interessanten Strukturen and der Grenze zwischer organischer Chemie und Biochemie macht. Zwei Strategien werden kombiniert, um zahlreiche Verbindungen herzustellen. Der erste Ansatz basiert auf hydrolytischen Enzymen, die die kinetische Racematspaltung von a-Acetoxyphosphonaten ermöglichen. Die optisch aktiven a-Hydroxyphosphonate werden auf chemischem Weg in andere a-substituierte Phosphonate und Phosphonsäuren übergeführt. Die zweite Strategie - eine neuartige - ist die Umlagerung von Phosphonaten und S-Alkylthiophosphaten in a- Hydroxy- und a-Mercaptophosphonate. Die Isomerisierung von S-Alkylthiophosphaten, eine unbekannte Reaktion, wird gründlich untersucht. Die Reaktionsbedingungen, die konfigurative Stabilität der intermediären Thioarbanionen und die Stereochemie (Retention oder Inversion) der Umlagerung werden studiert. Basen, die für die enantioselektive Metallierung von Phosphonsäurederivaten geeignet sind, soll gefunden werden. Einige der hergestellten Verbindungen dienen speziellen Zwecken wie der Synthese der Phosphonsäureanaloga der Asparagin-, Glutaminsäure und der entsprechenden Amide. Ein a-Hydroxyphosphonat, das auch am Phosphor chiral ist, ermöglicht die Bestimmung der Stereochemie der Phosphonat-Phosphat-Umlagerung. Die enantiomerenreinen a-Hydroxy- ß-oxopropylphosphonsäuren werden bei der Isolierung jenes Enzymes benötigt, das bei der Biodegradation des klinisch eingesetzten Antibiotikums Fofomycin die P-C-Bindung spaltet. ß- Aminophosphonsäuren, die sich von L-t-Butylglycin ableiten, werden als Auxiliare für die chirale HPLC getestet werden. Schwefelhältige a-Aminophosphonsäuren werden auf ihre inhibierende Wirkung (potentielle Herbizide) auf die Phenylalaninammoniak-Lyase untersucht. Ein Teil der Anwendungen wird mit kompetenten Kooperationspartnern im In- und Ausland (Prof. Lindner - Österreich, Prof. Amrhein - ETH Zürich, Dr. Quinn - Großbritannien) erforscht.

Das Ziel des Projekts war die Synthese chiraler Phosphonate und Phosphonsäuren, die ein Kohlenstoffatom enthalten, an das ein Phosphor und ein weiteres Heteroatom wie Sauerstoff, Stickstoff oder Schwefel gebunden ist. Die Startmaterialien für diese Verbindungen waren racemische 1- und einige 2-Hydroxyphosphonate, die als Chloracetate unter Verwendung hydrolytischer Enzyme wie Lipasen und Proteasen in einem Zweiphasensystem in die Enantiomeren gespalten wurden. Die Lipasen hydrolysierten bevorzugt die (S)-Ester, die Proteasen die (R)- Ester. Die (S)-1-Hydroxyphosphonate mit einem hohen Enantiomerenüberschuss wurden mittels Mitsunobu- Reaktion in 1-Azidophosphonate bzw. via 4-Nitrobenzolsulfonate in 1-Thiocyanatophosphonate übergeführt, in beiden Fällen unter Inversion der Konfiguration. Die Azide wurden reduziert, deblockiert und lieferten (R)-1- Aminophosphonsäuren. Wir stellten ein Vielzahl her, von denen einige Phosphonsäureanaloga proteinogener Aminosäuren sind. Phosphonsäureanaloga des Phenylalanins sind potentielle Inhibitoren der Phenylalanin- ammoniak-Lyase and wurden in Kooperation mit Prof. Amrhein und Prof. Retey auf ihre herbiziden Eigenschaften getestet. Die 1-Thiocyanatophosphonate wurden zur Minimierung der Racemisierung unter sehr milden Bedingungen zu 1-Mercapto-phosphonaten reduziert. Die Deblockierung der Phosphonatgruppe war bisher nicht möglich, obwohl die entsprechenden Mercaptophosphonsäuren als Metallionen-komplexierende Verbindungen, die bestimmte Enzyme inhibieren, von großem Interesse sind. Das chirale 1-Hydroxy-3-butenylphosphonat, das durch sigmatrope Umlagerung erhalten wurde, erwies sich als sehr vielseitiges Ausgangmaterial für die Synthese einer Reihe von Amino-phosphonsäuren. Andere Zugänge zu 1-Mercapto- und 1-Aminophosphonaten waren die S-Alkylthiophosphat-1- Mercaptophosphonat- und Phosphoramidat-1-Aminophosphonat-Umlgerung. Erstere wurde von uns entdeckt und gründlich untersucht. Ihre Anwendungsbreite und Stereochemie wurden eingehend untersucht. Das chirale, deuterierte S-Hexylthiophosphat wurde umgelagert um zu zeigen, dass die Metallierung einen hohen primären kinetischen Isotopeneffekt aufweist und die Wanderung des Phosphors vom Schwefel zum Kohlenstoff stereospezifisch ist. Die Phosphoramidat-1-Aminophosphonat-Umlgerung wurde verwendet, um zum ersten Mal chirale, tertiäre 1- Aminobenzylphosphonsäuren aus chiralen sekundären Benzylaminen herzustellen. Diese Umlagerungen werden durch starke Basen induziert und laufen über konfigurativ stabile, kurzlebige 1-Thio- und 1-Aminoalkyllithium- Verbinunden unter Retention der Konfiguration ab.