Die enzymatische Variante der Friedel-Crafts Alkylierung

Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungsreaktionen stellen eine der wichtigsten Reaktionstypen der organischen Synthesechemie dar, da diese zum Aufbau größere und komplexere Moleküle aus kleineren Bausteinen führen. Die klassisch-chemische Friedel-Crafts-Alkylierungsreaktion, eine C-C-Bindungsreaktion, hat zwei große Nachteile, erstens liefert die Reaktion eine Produktmischung aus Regioisomeren und mehrfach-substituierten Aromaten und zweitens kommt beim Einsatz von primären Alkylhalogeniden und Alkoholen als Alkylierungsmittel zu Umlagerungen dieser Alkylresten. Die Katalysatoren dieser Reaktion sind (gesundheits-)schädlich und sehr ätzend. Aus dem Standpunkt der "grünen Chemie" sollte diese Reaktion durch eine umweltfreundliche Variante ersetzt werden. Aus reaktions-mechanistischer Sicht gibt es Enzyme, die in der Lage sind eine elektrophile Substitution an einem Aromaten zu katalysieren. Hierbei handelt es sich meistens um S-Adenosyl-L-Methionin (wichtigster Methyldonor der Natur) abhängige Methyltransferasen, die in der Lage sind die Übertragung einer Methylgruppe auf einem aromatischen Substrat zu beschleunigen. Im Zuge der Untersuchungen konnte am Beispiel von zwei Methyltransferasen, die in zwei Streptomyceten Spezies an der Biosynthese von Antibiotika "Coumermycin A1 " und "Novobiocin" beteiligt sind, die Substratbreite dieser Enzyme zum Teil erforscht werden. Es wurde erstens gezeigt, dass diese Enzyme andere Substrate außer ihrer natürlichen Substrate umsetzen können und zweitens ist die Alkylierung nicht auf Methylierung der Substrate beschränkt. Beim Vorliegen von Cofaktor-analoga, die synthetisch hergestellt wurden, können größere Alkylreste wie zum Beispiel Allyl-, Propargyl- und Benzylreste übertragen werden. Dies allein verbreitert das Einsatzgebiet dieser Enzyme, neben der hervorragenden (Regio)Selektivität dieser biologischen Katalysatoren. Auch bei mehrfachem Überschuss an Cofaktor wurden nur monosubstituierte Produkte detektiert, keine Umlagerungen der Alkylsubstituenten konnte beobachtet werden und ebenso wurden keine Regioisomere gebildet. Die Umsätze sind bei entsprechender Reaktionszeit fast vollständig. Erwähnenswert ist noch, dass Monomethylnaphthaline, die über diese Methode in einem Einschritt-transformation darstellbar sind, in eine rein-chemische Synthese nur über mehrere, teilweise drastische Reaktionsschritte zugänglich gemacht werden können. Dieses Konzept könnte als den Beginn einer "grünen" und selektiven Friedel-Crafts-Alkylierungsreaktion dienen. Dieses Konzept soll im Rahmen dieses Antrages weiter erforscht werden, die chemische und biochemische Charakterisierung der Enzyme sollen zur Aufklärung dieser Reaktion beitragen. Das vorgeschlagene Konzept der Cofactor-regeneration soll den Einsatz dieser Cofactor-abhängigen Reaktion in der Biokatalyse ermöglichen bzw. einen ersten Ansatz dazu liefern.

Die Natur benützt S-Adenosyl-L-methionin-(SAM oder AdoMet) abhängige Methyltransferasen für die Übertragung von Methylgruppen auf organische Substrate. In dem Projekt wurden die natürlichen Enzyme CouO und NovO als nützliche Katalysatoren für solche biokatalytischen Alkylierungsreaktionen untersucht. In Zusammenarbeit mit dem Strukturbiologen Prof. Karl Gruber (Universität Graz) wurde die Struktur von CouO aufgeklärt und der Reaktionsmechanismus untersucht. Die Immobilisierung des Cofaktors SAM an einer festen Matrix wurde untersucht, um das Problem der Cofaktor-Regenerierung zu lösen.