Synthese und Oxidation chiraler Aminoverbindungen unter Verwendung verschiedener Katalysatorsysteme

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2014-11-25
Issue Year
2014
Authors
Borchert, Sonja
Editor
Abstract

This thesis deals with the synthesis of pharmaceutically relevant compounds using varying catalytic systems. The focus will be on the synthesis and oxidation of chiral amino-derivatives.

  1. Enantioselective synthesis of chiral β-amino acid derivatives via organocatalytic aza-Michael addition: The first topic attends to the synthesis of β-amino acid derivatives via organocatalysed aza-Michael-reaction. Based on the results obtained by Weiß regarding the synthesis of enantioenriched β-amino acid-derivatives via phasetransfer-catalysed aza-Michael addition, the ee-value of the product 3a was enhanced from 20% to 37% without loss in the yield of the isolated product. This was achieved simply by changing the base. Instead of sodium hydroxide (12.5 M aqueous solution) potassium hydroxide (as a 50% aqueous solution) was used. The enantioenriched product was isolated in 80% yield. The increased enantioselectivity due to change of base arises from the differing freezing points of the aqueous solutions.The 12.5 M sodium hydroxide solution freezes out at about -20°C, whereas the 50% potassium hydroxide solution remains liquid even at -77°C. Furthermore it was demonstrated, that the second binaphthyl system of the chiral ammonium catalyst and the thus resulting rigid structure of the catalyst 17c are crucial factors for the enantioselectivity of the reaction. The more simple catalyst 18 barely showed asymmetric induction in the phasetransfer-catalysed aza-Michael-reaction.
  2. Combination of Palladium catalysis and a biotransformation towards the synthesis of chiral alcohols in a one-pot reaction and further conversion to the chiral amine: The aim of this topic was the efficient synthesis of biaryl alcohol 6 and amine 7. The water-soluble catalyst-system consisting of commercially available palladium chloride and TPPTS proved to be very efficient for the Suzuki cross-coupling reaction of phenylboronic acid (19) and 4‘-iodoacetophenone (4) in aqueous medium. Independent whether the strong base sodium sodium carbonate or the rather weak base sodium bicarbonate was applied in the Suzuki cross-coupling reaction, after stirring for 24 hours at room temperature the biaryl ketone 5 was obtained with >95% conversion. Compared to systems known from the literature, the Suzuki cross-coupling reaction proceeds smoothly without need for high temperature, independent of the base applied. Running the palladium-catalysed reaction at ambient temperature (room temperature) is one important requirement for its combination with the enzymatic reduction in a so-called tandem reaction, in which both reactions proceed simultaneously. Moreover, in a photometric assay, no significant inhibition of the alcohol dehydrogenase was observed by either palladium chloride or TPPTS. This result was confirmed by running the multistep one-pot reaction. When sodium carbonate was applied as a base, the desired biaryl alcohol 5 was obtained with up to ≥95% conversion, in good yield (72%) and always with excellent enantioselectivity of higher >99% ee. Owing to the strong alkalinity of sodium carbonate, the pH had to be adjusted to neutral prior to addition of the enzyme. In order to realise the tandem-reaction, both reactions have to proceed in the same reaction medium, at the same the temperature and at the same pH-value. Sodium bicarbonate, of which a 97 mM aqueous solution was determined pH 8.3, proved to be most compatible. At first the one-pot reaction with sodium bicarbonate as a base was conducted including pH adjustment prior to the addition of the enzyme. The desired biaryl alcohol 6 was obtained with high conversion of up to >95% and excellent enantioselectivity of >99% ee. It was demonstrated, that by adjusting the amount of enzyme in the one-pot reaction according to the remaining activity of the ADH at pH 8, it became unnecessary to adjust the pH to 7 prior to enzyme addition. In doing so, no loss in conversion or enantioselectivity was observed. The desired alcohol 6 was obtained with up to 94% conversion with excellent enantioselectivity. Regarding the tandem reaction mode, the product formation can take place either by Suzuki cross-coupling reaction followed by enzymatic reduction or the Suzuki cross-coupling following enzymatic reduction. The latter reaction sequence was examined in more detail as well. The product (R)-6 was obtained in up to 76% conversion. Regarding the tandem-reaction mode, these results were very promising. So it was further investigated, whether one or more components needed in the enzymatic reduction reaction have a negative influence on the Suzuki cross-coupling reaction. The various components, e.g. cofactor NADP+, protein (HSA) or crude enzyme extract were added to the cross-coupling reaction of 4‘-iodoacetophenone (4) and phenylboronic acid (19). The corresponding additive´s concentration was adapted from the biotransformation. It has been found that cofactor and protein only slightly slow down the cross-coupling reaction, whereas large amounts of crude enzyme extract have a strong impact. No product was found at all. Further experiments revealed that the inhibiting effect of the crude enzyme is due to a pH-effect. By increasing the amount of base, the formation of 4‘-phenylacetophenone (5) was favoured. Owing to these results a purified ADH from Lactobacillus kefir was applied in the tandem-reaction. Before it was used on preparative scale, the enzyme was studied spectrophotometrically. Crude extract and purified enzyme showed similiar properties regarding substrate scope and pH dependence. In the presence of the catalyst components Palladium(II) chloride and TPPTS respectively, no significant decrease in enzyme activity was observed for either of the enzyme formulations. For the enzymatic reduction of 4‘-phenylacetophenone on preparative scale, the purified alcohol dehydrogenase from L. kefir revealed differing properties compared to the crude extract. Quantitative conversion was not observed with any of the purified enzyme batches applied. A maximum conversion of 63% was obtained. These results indicate, a lower stability of the purified enzyme under reaction conditions. Enantioselectivity of the enzymatic reduction reaction was always excellent, independent of the source of the enzyme or its formulation. For the chiral products (S)-6 and (R)-6 respectively the enantiomeric excess was determined >99% ee. In terms of the tandem reaction, the purified ADH´s lack of stability turned out to be of minor importance. The product (R)-6 was observed in the 1H-nmr spectrum in up to 70% conversion. This result supports the assumption that product formation in the tandem-reaction mainly proceeds via reaction sequence B: enzymatic reduction followed by Suzuki cross-coupling reaction . Reaction sequence A, enzymatic reduction after the Suzuki cross-coupling reaction seems to be of minor importance under the chosen reaction conditions. Conversion of 70% towards the desired product (R)-6 in the tandem-reaction is close to the maximum conversion of 76%, obtained in the one-pot reaction according to reaction sequence A. The high stability of the catalytically active palladium species created from palladium chloride and TPPTS is remarkable. Even after a reaction time of more than one week an increase of the cross-coupling product was observed. Subsequently the chiral alcohol 6 was converted in a SN2-reaction under Mitsunobu-type reaction conditions, using phthalimide as a nucleophile. After hydrozinolysis the free chiral amine 7 was obtained. Conversion in the first reaction step was very high (up to >95%). After purification by flash chromatography the product (R)-28 was isolated in 47% yield and an enantioselectivity of 95% ee. Besides, the alcohol 6 was isolated as a racemate although it was used as chiral substrate of >99% ee. After conversion of the alcohol (R)-6 into (S)-28 under the same reaction conditions and subsequent purification, the product (S)-28 was isolated in 38% yield with an enantioselectivity of 98% ee. The second reaction, the hydrazinolysis of 28 gave the product rac-7 in up to 86% yield, depending on the work-up procedure. Under non-optimised reaction conditions the chiral amine (S)-7 was isolated in 13% yield and with 98% ee. Further optimisation of the hydrazinolysis or deprotection of 28 under basic reaction conditions might give the chiral amine 7 with higher isolated yield. The enantiomeric purity of 98% ee for the amine (S)-7 is already very high.
  3. Enzymatic oxidation of natural amino acids into α-keto acids: In a third topic it was investigated, whether naturally occuring amino acids like L-valine are interesting substrates for the synthesis of α-keto acids. An enzymatic oxidation process was developed for the selective conversion of L-valine 8a (25 mM) to the corresponding keto acid 9a by a leucine dehydrogenase from Bacillus cereus. This enzyme requires NAD+ as a cofactor, which is reduced to NADH while the amino acid is oxidised. NADH was regenerated in situ. For this purpose two different approaches were studied: first a NADH-oxidase from Lactobacillus brevis (enzymatic cofactor regeneration), second the water-soluble iron-porphyrin Fe-TSPP (10) (biomimetic cofactor regeneration). The leucine dehydrogenase from Bacillus cereus and the NADH-oxidase from Lactobacillus brevis showed good activity at pH 8. It was established to examine the conversion of L-valine 8a into keto valine 9a by 1H-NMR spectroscopy. This analytical method for the determination of conversion is only limited, when higher amounts of the iron porphyrin Fe-TSPP (10), which is used for cofactor regeneration, are present. When only small quantities of Fe-TSPP or the NADH-oxidase are applied for the cofactor regeneration, 1H-NMR spectroscopy is a very convenient and quick method to determine conversion. In the case of the enzymatic oxidation of L-valine (8a) using NOx-catalysed in situ cofactor regeneration, conversion of up to 94% towards the desired product 9a was observed via 1H-nmr spectroscopy afer a reaction time of 24 hours. Reproducibility was very good, when the same enzyme batch was used. The reaction course was almost identical. Transferability was only difficult, when different enzyme batches were used. The results obtained with biomimetic in situ cofactor regeneration (Fe-TSPP) were not as good as those achieved with NADH-oxidase for cofactor regeneration. Even after a reaction time of several days, a maximum conversion of 70% was reached. The fact, that an increase in product formation was observed for several days, implies a high long-term stability of the leucine dehydrogenase under reaction conditions. Reproducibility was very good, when the same enzyme batch was used. The reaction course was almost identical. Transferability was only difficult, when different enzyme batches were used. The results obtained with biomimetic in situ cofactor regeneration (Fe-TSPP) were not as good as those achieved with NADH-oxidase for cofactor regeneration. Even after a reaction time of several days, a maximum conversion of 70% was reached . The fact, that an increase in product formation was observed for several days, implies a high long-term stability of the leucine dehydrogenase under reaction conditions.
Abstract

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung pharmazeutisch relevanter Verbindungen unter Verwendung verschiedener Katalysatorsysteme, wobei der Fokus auf der Synthese und Oxidation chiraler Aminoverbindungen liegt.

  1. Enantioselektive Synthese chiraler β-Aminosäurederivate durch organokatalysierte Aza-Michael-Reaktion: Ziel dieses Teilkapitels war es mittels organokatalysierter Aza-Michael-Reaktion β-Aminosäurederivate herzustellen. Ausgehend von den Ergebnissen von Weiß zur Synthese enantiomerenangereicherter β-Aminosäurederivate mittels Phasentransfer-katalysierter Aza-Michael-Reaktion, konnte der ee-Wert des Produkts 3a von 20% auf 37% ee gesteigert werden indem an Stelle von 12.5 M Natronlauge 50%-ige Kalilauge als wässrige Phase eingesetzt wurde. Das enantiomerenangereicherte Produkt 3a konnte mit 80% isoliert werden. Die Verbesserung der Enantioselektivität der Aza-Michael-Reaktion zur Synthese des Produkts 3a durch den Wechsel der Base ist auf den unterschiedlichen Gefrierpunkt der beiden Lösungen zurückzuführen. Während der Gefrierpunkt der 12.5 M Natronlauge -20°C beträgt, liegt der Gefrierpunkt von 50%-iger Kalilauge unterhalb von -77°C. Zudem konnte gezeigt werden, dass das zweite Binaphthylsystem und die daraus resultierende starre Struktur des Katalysators 17c ausschlaggebend für die Enantioselektivität ist. Der einfachere Katalysator 18 zeigte kaum asymmetrische Induktion in der Phasentransfer-katalysierten Aza-Michael-Reaktion.
  2. Kombination von Palladiumkatalyse mit einer Biotransformation zur Synthese chiraler Alkohole in einer Eintopfreaktion und weitere Umsetzung zum chiralen Amin: Ziel dieses Teilkapitels war es eine effiziente Herstellung von Biarylalkohol 6 und Amin 7 zu entwickeln. Das wasserlösliche Katalysatorsystem, das aus den kommerziell erhältlichen Verbindungen Palladiumchlorid und TPPTS hergestellt wurde, erwies sich als höchst effizient für die Kupplung von Phenylboronsäure (19) und 4‘-Iodacetophenon (4) in wässrigem Medium. Unabhängig davon, ob die Reaktion in Anwesenheit der starken Base Natriumcarbonat oder der schwachen Base Natriumhydrogencarbonat durchgeführt wurde, wurde nach einer Reaktionszeit von 24 Stunden bei Raumtemperatur ein vollständiger Umsatz (>95%) erzielt.Im Vergleich zu bereits bekannten Systemen konnte, unabhängig von der verwendeten Base, auf hohe Temperaturen für die Suzuki-Kupplung verzichtet werden. Dies stellt eine wichtige Voraussetzung für die Kombination mit der enzymatischen Reduktion in einer Tandemreaktion dar. Darüber hinaus konnte in Photometertests keine (signifikante) Inhibierung der ADHs durch Palladiumchlorid oder TPPTS beobachtet werden. Dies bestätigte sich bei Durchführung der Mehrstufen-Eintopfreaktion. Wurde Natriumcarbonat als Base verwendet, so konnten die gewünschten Biaryl-Alkohole 5 mit hohem Umsatz von bis zu ≥95%, in guten Ausbeuten (72%) und mit stets exzellenter Enantioselektivität von >99% ee erhalten werden. Aufgrund der starken Baszität von Natriumcarbonat musste vor Enzymzugabe der pH-Wert auf pH 7 eingestellt werden. Um eine Tandemreaktion zu realisieren ist es nötig, dass beide Reaktionen neben dem gleichen Reaktionsmedium und der gleichen Reaktionstemperatur auch bei demselben pH Wert durchgeführt werden können. Dabei hat sich Natriumhydrogencarbonat mit einem pH-Wert von 8.3 in 97 mM Natriumhydrogencarbonat-Lösung als die am Besten geeignete Base herausgestellt. Zunächst wurde auch hier in der Eintopfreaktion vor Enzymzugabe der pH-Wert adjustiert. Dabei konnte der gewünschte Biaryl-Alkohol 6 mit hohem Umsatz von 95% und exzellenter Enantioselektivität von >99% ee erhalten werden. Es wurde gezeigt, dass bei einer Anpassung der Enzymmenge an die Aktivität bei pH 8 in der Eintopfreaktion auf die pH-Adjustierung vor Enzymzugabe verzichtet werden kann, ohne Einbußen im Umsatz hinnehmen zu müsen. Es wurde ein Umsatz von bis zu 94% bei exzellenter Enantioselektivität von >99% ee erzielt. Im Hinblick auf eine Tandemreaktion, in der die Produktbildung sowohl über eine Suzuki-Kupplung mit anschließender enzymatischer Reduktion als auch über die enzymatische Reduktion mit anschließender Suzuki-Kupplung erfolgen kann, wurde auch die zweite mögliche Reaktionssequenz untersucht. Dabei konnte das Produkt (R)-6 mit bis zu 76% Umsatz erhalten werden. Da diese Ergebnisse im Hinblick auf eine Tandemreaktion vielversprechend waren, wurde untersucht, ob eine oder mehrere Komponenten aus der enzymatischen Reduktion einen negativen Einfluss auf die Suzuki-Kupplung haben. Dafür wurden die verschiedenen Komponenten (Cofaktor NADP+, HSA, Rohextrakt) in den Mengen zur Suzuki-Kupplung von 4‘-Iodacetophenon (4) mit Phenylboronsäure (19) zugesetzt, in denen sie auch in der Eintopfreaktion eingesetzt wurden. Dabei zeigte sich, dass der Cofaktor und HSA die nur zu einer geringen Verlangsamung der Suzuki-Kupplung führen, während dieser Effekt bei große Mengen an Rohextrakt deutlich bemerkbar ist. In weiteren Experimenten wurden Hinweise gefunden, dass die inhibierende Wirkung des Rohextrakts auf einen pH-Effekt zurückzuführen ist. Durch vermehrte Basenzugabe konnte die Bildung von 4‘-Phenylacetophenon (5) begünstigt werden. Auf Grund dieser Ergebnisse wurde eine gereinigte ADH aus Lactobacillus kefir in der Tandemreaktion verwendet. Diese wurde in 10 mM Kpi-Puffer pH 8 gelagert und zunächst im Photometer untersucht bevor sie präparativ eingesetzt wurde. Dabei zeigte sich, dass der Rohextrakt und das gereinigte Enzym vergleichbare Eigenschaften bzgl. Substratbreite und Aktivitätsverlust in Abhängigkeit vom pH-Wert aufweisen. In Additiv-Versuchen konnte gezeigt werden, dass die Katalysatorkomponenten Palladiumchlorid und TPPTS keine signifikante Inhibierung der gereinigten ADH aus Lactobacillus kefir zur Folge haben. In präparativen Ansätzen zur Reduktion von 4‘-Phenylacetophenon, weist die gereinigte ADH Unterschiede zum Rohextrakt auf. Mit keiner Charge der gereinigten ADH aus Lactobacillus kefir konnte ein vollständiger Umsatz erreicht werden. Im besten Fall wurde ein Umsatz von 63% erzielt. Dies deutet auf Stabilitätsprobleme der gereinigten ADH unter den Reaktionsbedingungen hin. Die Enantioselektivität der enzymatischen Reduktion war, unabhängig von der eingesetzten ADH und deren Formulierung stets exzellent. Das Produkt (S)-6 bzw. (R)-6 wurde stets mit einem ee Wert von >99% erhalten. In Bezug auf die Tandemreaktion war die mangelnde Stabilität der gereinigten ADH aus L. kefir von untergeordneter Priorität. Im 1H-NMR-Spektrum konnte das Produkt (R)-6 mit bis zu 70% beobachtet werden. Dies stützt die Theorie, dass in der Tandemreaktion die Sequenz enzymatische Reduktion und anschließende Suzuki-Kreuzkupplung höhere Relevanz hat als die Sequenz Suzuki-Kupplung mit anschließender enzymatischer Reduktion. Der Umsatz von 70% zum Produkt (R)-6 in der Tandemreaktion liegt sehr nahe an dem in der Eintopfreaktion mit veränderter Sequenz erhaltenem Umsatz von 76% und dem maximal erzielten Umsatz von 83% für die Kupplung von rac-1-(4-Iodphenyl)ethanol (rac-29) mit Phenylboronsäure (19). Bemerkenswert ist die hohe Stabilität des aus Palladiumchlorid und TPPTS gebildeten Katalysators unter den gewählten Reaktionsbedingungen. Selbst nach einer Reaktionszeit von mehr als einer Woche konnte noch eine Steigerung an Kupplungsanteilen beobachtet werden. Anschließend wurde der chirale Alkohol 6 mittels SN2-Reaktion unter Mitsunobu-Bedingungen mit Phthalimid als Nukleophil umgesetzt. Nach anschließender Hydrazinolyse wurde das freie Amin 7 erhalten. Der Umsatz im ersten Schritt, der nukleophilen Substitution, war mit bis zu >95% Umsatz sehr gut. Nach säulenchromatographischer Reinigung konnten maximal 47% Produkt (R)-28 mit einem ee-Wert von 95% isoliert werden. Zusätzlich wurde nach säulenchromatographischer Reinigung das Substrat, der Alkohol 6, als Racemat isoliert, auch wenn dieser als chirales Edukt (S)-6 mit einem ee-Wert von >99% eingesetzt wurde. Nach Umsetzung des (R)-Alkohols (R)-6 als Substrat in der nukleophilen Substitution und anschließender säulenchromatographischer Reinigung konnte das Produkt (S)-28 mit 38% und einem ee-Wert von 98% isoliert werden. Im zweiten Schritt, der Hydrazinolyse des Intermediats 28, konnte das saubere Produkt rac-7 je nach Aufarbeitung mit bis zu 86% isoliert werden. Das chirale Produkt (S)-7 konnte unter nicht optimierten Bedingungen mit 13% und einem ee-Wert von 98% erhalten werden. Durch weitere Optimierung der Hydrazinolyse oder alternativ der basischen Entschützung von 28 kann das chirale Amin 7 möglicherweise mit besserer Ausbeute erhalten werden. Die Enantiomerenreinheit des Amins ist mit 98% ee bereits sehr hoch.
  3. Enzymatische Oxidation natürlicher Aminosäuren zu α-Ketosäuren: Ziel dieses Teilkapitels war es am Beispiel von L-Valin zu zeigen, dass natürliche α-Aminosäuren interessante Bausteine zur Herstellung von α-Ketosäuren darstellen. Es konnte ein enzymatischer Oxidationsprozess entwickelt werden, in dem L-Valin mittels Leucindehydrogenase aus Bacillus cereus selektiv zur Ketosäure 9a oxidiert wurde. Als Cofaktor wird NAD+ benötigt, das während der Oxidation der Aminosäure zu NADH reduziert wird. Dieses wurde in situ regeneriert. Hierfür wurden zwei Methoden getestet. Zum Einen eine NADH-Oxidase aus Lactobacillus brevis (enzymatische Cofaktorregenerierung) und zum Anderen das wasserlösliche Eisenporphyrin Fe-TSPP (biomimetische Cofaktorregenerierung). Die Leucindehydrogenase aus Bacillus cereus und die NADH-Oxidase aus Lactobacillus brevis zeigten gute Aktivität bei pH 8. Für Umsetzungen von L-Valin (8a) zu Ketovalin (9a) konnte Analytik mittels 1H-NMR-Spektroskopie etabliert werden. Lediglich in Gegenwart höherer Mengen des Eisen(III)-Porphyrins Fe-TSPP (10) zur Cofaktorregenerierung wurde die Umsatzbestimmung ungenau. In Gegenwart kleinerer Mengen an Fe-TSPP (10) oder bei Verwendung der NADH-Oxidase aus Lactobacillus brevis zur Cofaktorregenerierung stellt 1H-NMR-Spektroskopie eine sehr gute und schnelle Methode dar. Im Fall der Oxidation von L-Valin (8a) unter NOx-vermittelter in situ Cofaktorregenerierung wurde im 1H NMR-Spektrum nach 24 Stunden ein Umsatz von bis zu 94% beobachtet. Darüber hinaus war die Reproduzierbarkeit (Verwendung derselben Enzymcharge) gegeben. Die Kurven waren nahezu deckungsgleich. Lediglich die Übertragbarkeit bei Verwendung unterschiedlicher Enzymchargen ist schwierig. Die bei der Oxidation von L-Valin (8a) unter biomimetischer in situ Cofaktorregenerierung (Fe-TSPP) erzielten Ergebnisse, blieben hinter den unter NOx-vermittelter Cofaktorregenerierung erzielten Ergebnissen zurück. Selbst nach einer Reaktionszeit von mehreren Tagen wurde lediglich ein Umsatz von rund 70% erzielt (siehe Abbildung 6.10). Die Tatsache, dass über mehrere Tage eine weitere Produktbildung beobachtet werden konnte, deutet auf eine bemerkenswerte Langzeitstabilität der LeuDH unter Reaktionsbedingungen hin. Darüber hinaus wurde der Einfluss verschiedener Faktoren auf das System aus Leucindehydrogenase und NADH-Oxidase untersucht, z.B. Rührgeschwindigkeit, Cofaktorkonzentration, Enzymmengen, FAD-Konzentration, Produktinhibierung, etc. Dabei konnte nicht eindeutig ein den Prozess limitierender Faktor bestimmt werden. Die Hinweise aus Photometertests bezüglich einer Produktinhibierung der LeuDH konnten in präparativen Ansätzen nicht bestätigt werden konnten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Prozess zur Oxidation von L-Valin etabliert. Dabei konnte bei 25 mM Substratkonzentration bis zu 94% Umsatz zum Produkt 9a erzielt werden.
DOI
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