Studies on chemoenzymatic synthesis: Lipase-catalyzed acylation in multistep organic synthesis
Hietanen, Ari (2012-11-30)
Studies on chemoenzymatic synthesis: Lipase-catalyzed acylation in multistep organic synthesis
Hietanen, Ari
(30.11.2012)
Annales Universitatis Turkuensis D 1036 Turun yliopisto
Julkaisun pysyvä osoite on:
https://urn.fi/URN:ISBN:978-951-29-5139-0
https://urn.fi/URN:ISBN:978-951-29-5139-0
Kuvaus
Siirretty Doriasta
Tiivistelmä
In this thesis, biocatalysis is defined as the science of using enzymes as catalysts in
organic synthesis. Environmental aspects and the continuously expanding repertoire of
available enzymes have firmly established biocatalysis as a prominent means of
chemo-, regio- and stereoselective synthesis. Yet, no single methodology can solve all
the challenges faced by a synthetic chemist. Therefore, the knowledge and the skills to
combine different synthetic methods are relevant.
Lipases are highly useful enzymes in organic synthesis. In this thesis, an effort is being
made to form a coherent picture of when and how can lipases be incorporated into nonenzymatic
synthesis. This is attempted both in the literature review and in the
discussion of the results presented in the original publications contained in the thesis.
In addition to lipases, oxynitrilases were also used in the work. The experimental part
of the thesis comprises of the results reported in four peer-reviewed publications and
one manuscript. Selected amines, amino acids and sugar-derived cyanohydrins or their
acylated derivatives were each prepared in enantio- or diastereomerically enriched
form. Where applicable, attempts were made to combine the enzymatic reactions to
other synthetic steps either by the application of completely separate sequential
reactions with isolated intermediates (kinetic and functional kinetic resolution of
amines), simultaneously occurring reactions without intermediate isolation (dynamic
kinetic resolution of amino acid esters) or sequential reactions but without isolating the
intermediates (hydrocyanation of sugar aldehydes with subsequent
diastereoresolution). In all cases, lipase-catalyzed acylation was the key step by which
stereoselectivity was achieved. Lipase from Burkholderia cepacia was a highly
selective enzyme with each substrate category, but careful selection of the acyl donor
and the solvent was important as well. Tutkimuksia kemoentsymaattisista synteeseistä: Lipaasien katalysoima asylaatio
monivaiheisessa orgaanisessa synteesissä
Tässä väitöskirjassa biokatalyysillä tarkoitetaan entsyymien käyttöä katalyytteinä
orgaanisessa synteesissä. Ympäristöystävällisyys ja jatkuvasti laajeneva saatavilla
olevien entsyymien kirjo ovat vakiinnuttaneet biokatalyysin kemo-, regio- ja
stereoselektiivisen synteesin keskeiseksi keinoksi. Kuitenkaan mikään yksittäinen
menetelmä ei pysty ratkaisemaan kaikkia synteesikemistin kohtaamia haasteita. Näin
ollen eri synteesimenetelmien yhdistämiseen tarvittavat tiedot ja taidot ovat olennaisia.
Lipaasit ovat orgaaniseen synteesiin erityisen hyvin soveltuvia entsyymejä. Väitöskirjassa
pyritään muodostamaan kokonaisvaltainen kuva siitä, milloin ja miten lipaaseja voidaan
hyödyntää perinteisen synteesin osana. Tätä päämäärää tavoitellaan sekä kirjallisuuskatsauksessa
että väitöskirjaan sisältyvissä alkuperäisjulkaisuissa. Lipaasien lisäksi työssä
hyödynnettiin oksinitrilaasi-entsyymejä. Väitöstyön kokeellinen osa koostuu tuloksista,
jotka on raportoitu neljässä vertaisarvioidussa tutkimusartikkelissa ja yhdessä toistaiseksi
julkaisemattomassa käsikirjoituksessa. Tutkimuskohteiksi valitut amiinit, aminohapot ja
sokeriperäiset syanohydriinit tai niiden asyloidut johdannaiset valmistettiin enantio- tai
diastereomeerisesti rikastuneessa muodossa. Soveltuvin osin tutkittiin mahdollisuutta
yhdistää entsymaattisia reaktioita synteesin muihin vaiheisiin joko suorittamalla reaktiot
täysin erillisinä välituotteet eristäen (amiinien kineettinen ja funktionaalinen kineettinen
resoluutio), samanaikaisina reaktioina eristämättä välituotteita (aminohappoestereiden
dynaaminen kineettinen resoluutio) tai erillisinä reaktioina mutta eristämättä välituotteita
(sokerialdehydien hydrosyanaatio ja tätä seuraava diastereoresoluutio). Kussakin
tapauksessa lipaasin katalysoima asylaatio oli keskeinen stereoselektiivisyyden määräävä
reaktio. Burkholderia cepacia -bakteerista eristetty lipaasi oli hyvin selektiivinen entsyymi
kullekin lähtöaineluokalle, mutta myös asyylinluovuttajan ja liuottimen huolellinen
valitseminen oli tärkeää.
organic synthesis. Environmental aspects and the continuously expanding repertoire of
available enzymes have firmly established biocatalysis as a prominent means of
chemo-, regio- and stereoselective synthesis. Yet, no single methodology can solve all
the challenges faced by a synthetic chemist. Therefore, the knowledge and the skills to
combine different synthetic methods are relevant.
Lipases are highly useful enzymes in organic synthesis. In this thesis, an effort is being
made to form a coherent picture of when and how can lipases be incorporated into nonenzymatic
synthesis. This is attempted both in the literature review and in the
discussion of the results presented in the original publications contained in the thesis.
In addition to lipases, oxynitrilases were also used in the work. The experimental part
of the thesis comprises of the results reported in four peer-reviewed publications and
one manuscript. Selected amines, amino acids and sugar-derived cyanohydrins or their
acylated derivatives were each prepared in enantio- or diastereomerically enriched
form. Where applicable, attempts were made to combine the enzymatic reactions to
other synthetic steps either by the application of completely separate sequential
reactions with isolated intermediates (kinetic and functional kinetic resolution of
amines), simultaneously occurring reactions without intermediate isolation (dynamic
kinetic resolution of amino acid esters) or sequential reactions but without isolating the
intermediates (hydrocyanation of sugar aldehydes with subsequent
diastereoresolution). In all cases, lipase-catalyzed acylation was the key step by which
stereoselectivity was achieved. Lipase from Burkholderia cepacia was a highly
selective enzyme with each substrate category, but careful selection of the acyl donor
and the solvent was important as well.
monivaiheisessa orgaanisessa synteesissä
Tässä väitöskirjassa biokatalyysillä tarkoitetaan entsyymien käyttöä katalyytteinä
orgaanisessa synteesissä. Ympäristöystävällisyys ja jatkuvasti laajeneva saatavilla
olevien entsyymien kirjo ovat vakiinnuttaneet biokatalyysin kemo-, regio- ja
stereoselektiivisen synteesin keskeiseksi keinoksi. Kuitenkaan mikään yksittäinen
menetelmä ei pysty ratkaisemaan kaikkia synteesikemistin kohtaamia haasteita. Näin
ollen eri synteesimenetelmien yhdistämiseen tarvittavat tiedot ja taidot ovat olennaisia.
Lipaasit ovat orgaaniseen synteesiin erityisen hyvin soveltuvia entsyymejä. Väitöskirjassa
pyritään muodostamaan kokonaisvaltainen kuva siitä, milloin ja miten lipaaseja voidaan
hyödyntää perinteisen synteesin osana. Tätä päämäärää tavoitellaan sekä kirjallisuuskatsauksessa
että väitöskirjaan sisältyvissä alkuperäisjulkaisuissa. Lipaasien lisäksi työssä
hyödynnettiin oksinitrilaasi-entsyymejä. Väitöstyön kokeellinen osa koostuu tuloksista,
jotka on raportoitu neljässä vertaisarvioidussa tutkimusartikkelissa ja yhdessä toistaiseksi
julkaisemattomassa käsikirjoituksessa. Tutkimuskohteiksi valitut amiinit, aminohapot ja
sokeriperäiset syanohydriinit tai niiden asyloidut johdannaiset valmistettiin enantio- tai
diastereomeerisesti rikastuneessa muodossa. Soveltuvin osin tutkittiin mahdollisuutta
yhdistää entsymaattisia reaktioita synteesin muihin vaiheisiin joko suorittamalla reaktiot
täysin erillisinä välituotteet eristäen (amiinien kineettinen ja funktionaalinen kineettinen
resoluutio), samanaikaisina reaktioina eristämättä välituotteita (aminohappoestereiden
dynaaminen kineettinen resoluutio) tai erillisinä reaktioina mutta eristämättä välituotteita
(sokerialdehydien hydrosyanaatio ja tätä seuraava diastereoresoluutio). Kussakin
tapauksessa lipaasin katalysoima asylaatio oli keskeinen stereoselektiivisyyden määräävä
reaktio. Burkholderia cepacia -bakteerista eristetty lipaasi oli hyvin selektiivinen entsyymi
kullekin lähtöaineluokalle, mutta myös asyylinluovuttajan ja liuottimen huolellinen
valitseminen oli tärkeää.
Kokoelmat
- Väitöskirjat [2763]