Ausflüge zu regio- und stereoselektiven Reaktionen an Naturstoffen

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1 Ausflüge zu regio- und stereoselektiven Reaktionen an Naturstoffen René Csuk

2 Einleitung Naturstoffe: hohe molekulare Komplexizität mehrere/viele stereogene Zentren Zentren ähnlicher Reaktivität empfindliche Zentren stereochemische Labilität Aminosäuren Triterpen-carbonsäuren Monosaccharide Maradolipid

3 Einleitung Selektivität (in chemoenzymatischen Reaktionen) Stereoselektivität Enantio- und Diastereoselektivität (meist sp 3 -Zentren) Prochiralitäts- und Meso-Konzepte Topizität Regioselektivität Für Hydrolysen: 95 % Stereo nur 5 % Regio (CAS )

4 Aminosäuren Erster (und einfachster) Fall: Synthese von enantiomerenreinem o, m, oder p- fluorsubstituiertem N-Acetyl-phenylalanin aus den racemischen Ethylestern Bestandteil antitumoraktiver Peptide, von Angiotensin II- und Gramicidin A-Analogen D-Enantiomere ca. 7-8 x teurer als Racemate Methode: kinetische Racematspaltung durch Ester-hydrolyse ph-stat-methode; 10 Enzyme, Hefe und lyophilisierte Hefe (Saccharomyces cerevisiae Hansen ex Heyen) J. Fluorine Chem. 1988, 39,

5 Aminosäuren Vorteile lyophilisierter Hefe: Einfache Herstellung Leicht handzuhabendes Pulver mit langer Lagermöglichkeit ohne signifikante Aktivitätsverluste Enthält einen nahezu vollständigen Satz aller Hefeenzyme der expon. Wachstumsphase (also auch membran-gebundene Enzyme und Cofaktoren) Weniger Enzyminaktivierung als bei Acetonpulvern Leichte Aufarbeitung

6 Aminosäuren ph-optimum am Beispiel von p-fluor-phe-oet: (lyophilisierte Hefe, ph-stat-bedingungen, 25 C)

7 Aminosäuren Methode: kinetische Racematspaltung durch Esterhydrolyse ph-stat-methode; 10 Enzyme, Hefe und lyophilisierte Hefe (Saccharomyces cerevisiae Hansen ex Heyen) 2 2

8 Aminosäuren Resolution Classical approach ph-stat Bedingungen (Titration der freigesetzten Säure entspricht dem Umsatz) Substrat- und zeitaufwändig, verläßlich, Gute Vorarbeit für ein späteres up-scaling. Prof. Dr. R. Csuk - NCCJapan

9 Aminosäuren Resolution classical approach acid-part of ester is the product ph-stat-titration R*-COOR' enzyme R*-COOH + R*-COOR' + R'OH alcohol-part of ester is the product R'-COOR* enzyme R'-COOH + R'-COOR* + R*OH Prof. Dr. R. Csuk - NCCJapan 2007 ph-stat-titration 9

10 Aminosäuren Kinetische Racematspaltung (4 = NAc-Phe-OEt) CO 2 Et NHAc lyby 6-8 h CO 2 Et H NHAc + AcHN H COOH F F F

11 Aminosäuren Kinetische Racematspaltung 2 2 Ausbeute und Enantiomerenreinheit (HPLC) ortho: 40% Ester, (35% Säure); ee: > 99% (94%) meta: 38 % Ester (38% Säure); ee: > 99% (93%) para: 43 % Ester (36% Säure); ee: > 99% (93%) unsubst.: 42% Ester (37% Säure); ee: > 99 % (94%)

12 Triterpencarbonsäuren Problem: Trennung von Ursol- und Oleanolsäure: Vorhanden: ein ca. 60:40-Gemisch Tetrahedron Lett. 2011, 52,

13 Triterpencarbonsäuren a) mcpba, DCM, 25 C, 24 h oder HCOOH, H 2 O 2, 25 C, 24 h SC, SiO 2, Hex/EE 5:3

14 Triterpencarbonsäuren Vorteile des Verfahrens: Einfache Durchführung einschließlich scaling-up Keine vorangehende Derivatisierung nötig Billige Reagenzien Einfache chromatografische Aufarbeitung (Versuche der Aufarbeitung durch Kristallisation in Bearbeitung) Gewinnung sowohl der Ursolsäure als auch der Oleanolsäure (in Bearbeitung) möglich.

15 Monosaccharide 1 Ziel: Synthese von (5-O-Acetyl)-1,2-Oisopropyliden-ß-L-idofuranurono-6,3-lacton aus dem entsprechenden -D-Glucurono-6,3-lacton. Ein Gemisch der 5-Acetate lässt sich durch Behandeln des leicht zugänglichen 5-O-Acetyl- -Dglucurono-lactons mit Pyridin/Wasser erzeugen. ABER: die chromatographische Trennung ist äußerst mühsam. Carbohydr. Res. 1987, 168, C9-C11

16 Monosaccharide 1 Zielstellung 1: Stereoselektive Hydrolyse von glucooder ido-konfiguriertem Acetat Zielstellung 2: Regioselektive Hydrolyse des Acetats und NICHT des hydrolyse-empfindlicheren Lactons.

17 Monosaccharide 1 Umsetzung von 1+3 mit der Lipase aus Aspergillus sp. (AP6, Amano): 81% an 2 und 97 % an 3 (rückgewonnen) Umsetzung von 1+3 mit PLE, CC, PPL, oder LyBY: 74-78% an 4 und 95 % an 1 (rückgewonnen)

18 Monosaccharide 1 Selektivität: Acetat./. Ethylester./. furanoides Lacton: NaOMe (cat.) in MeOH: 35 % Ausbeute an 6 Chemoenzymatisch: LY 15 h, -CT: 10 h, PLE: inaktiv CC, AP6: 4 h, 89 % Ausbeute an 6.

19 Monosaccharide 2 Ziel: Selektive Entacetylierung von Levoglucosantriacetat (2) an den Positionen 2 oder 3 oder 4. Chemische Entacetylierung: Acylgruppenwanderung!! Alternative: chemoenzymatisch Untersucht: 12 Enzyme, ph-stat. Zt. Naturforsch. 1988, 43B,

20 Monosaccharide 2 Ergebnisse (jeweils ph = 7; R 1 = R 2 = R 3 = Acetyl) Abspaltung 4-O-Acetyl: PLE, 69 % Abspaltung 3-O-Acetyl: Lipase wheat germ, 67 % Abspaltung 2-O-Acetyl: Lip. Rhizopus javanicus, 47 %

21 Maradolipid Primäre Mono- und Diester der, -Trehalose sind Bestandteile der äußeren Membran von Mycobakterien Bestandteile der Dauerlarven von Caenorhabdis elegans (überstehen lange Phasen der Austrocknung); unsym. primäre Diester: S.g. Maradolipide Bisherige Synthesen benötigten Schutzgruppen. Tetrahedron Lett. 2013, 54,

22 Maradolipid Alle bisherigen Synthesen benötigten Schutzgruppen; Ziel: Schutzgruppenfreie Synthese

23 Maradolipid

24 Maradolipid Vorteile des Verfahrens: Selektive Monoacylierung an OH-C(6) der Trehalose möglich. Selektive symmetrische Diacylierung regioselektiv an OH-C(6) und OH-C(6 ) der Trehalose möglich. Gemischte (unsymmetrische) Diacylierung regioselektiv an OH-C(6) und OH-C(6 ) der Trehalose möglich. Billige Edukte: Vinylester bzw. die freien Carbonsäuren.

25 Zusammenfassung Die Zeit der Hefe ist noch nicht vorbei. Die Verwendung von lyophilisierter Hefe kann eine Alternative zu klassischen Enzymen und lebender Hefe sein. Das Potential regioselektiver chemoenzymatischer Reaktionen wird vielfach unterschätzt und ist bei weitem nicht ausgeschöpft. Auch komplexe Naturstoffe können selektiv und sanft in guten Ausbeuten (tw. ohne Schutzgruppen) umgesetzt werden.