close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Eine biokatalytische Henry-Reaktion Ц die Hydroxynitrillyase aus Hevea brasiliensis katalysiert auch Nitroaldolreaktionen.

код для вставкиСкачать
Zuschriften
Enzymatische Synthesen
DOI: 10.1002/ange.200504230
Eine biokatalytische Henry-Reaktion – die
Hydroxynitrillyase aus Hevea brasiliensis
katalysiert auch Nitroaldolreaktionen**
Thomas Purkarthofer, Karl Gruber,
Mandana Gruber-Khadjawi, Kerstin Waich,
Wolfgang Skranc, Daniel Mink und Herfried Griengl*
Hydroxynitrillyasen (HNLs) bilden eine vielfltige Familie
von Enzymen. Sie katalysieren die reversible Spaltung von aHydroxynitrilen und werden zur Herstellung von enantiomerenreinen Cyanhydrinen aus Aldehyden oder Ketonen
und Blausure eingesetzt.[1]
Mehrere dieser Enzyme aus verschiedenen pflanzlichen
Quellen wurden zur Synthese einer großen Anzahl von Cyanhydrinen mit hervorragender Stereoselektivitt – sowohl
mit R- als auch mit S-Konfiguration – verwendet.[2] Als eine
m0gliche Erweiterung dieses Ansatzes haben wir den Austausch der Blausure durch andere Nucleophile und deren
Addition an Carbonylverbindungen in Betracht gezogen.
Unter Ber2cksichtigung des Mechanismus dieser Biotransformation[3] schienen Nitroalkane besonders vielversprechend, da sie in Bezug auf Molek2lgr0ße und pKS-Wert mit
Blausure (pKS 9) hinreichend vergleichbar sind. Die
Reaktion der Nitroalkane mit Carbonylverbindungen – die
Nitroaldol- oder Henry-Reaktion – ist eine wertvolle Methode zur C-C-Kupplung. Sie dient zur Synthese von vicinalen
Nitroalkoholen, die ihrerseits leicht in wichtige Intermediate
wie 1,2-Aminoalkohole oder a-Hydroxycarbonsuren 2berf2hrt werden k0nnen.[4]
Am Beginn unserer Untersuchungen haben wir durch die
Hydroxynitrillyase aus Hevea brasiliensis (HbHNL) kataly[*] Dr. T. Purkarthofer, Prof. K. Gruber, Dr. M. Gruber-Khadjawi,
DI K. Waich, Prof. H. Griengl
Angewandte Biokatalyse – Kompetenzzentrum GmbH
Petersgasse 14, 8010 Graz (5sterreich)
Fax: (+ 43) 316-873-8740
E-mail: office.orgc@tugraz.at
Dr. W. Skranc
DSM Fine Chemicals Austria
F&E-Zentrum Linz
St.-Peter-Straße 25, 4021 Linz (5sterreich)
Dr. D. Mink
DSM Research
Advanced Synthesis, Catalysis & Development
P.O. Box 18, 6160 MD Geleen (Niederlande)
[**] Wir danken Prof. Bernard Golding, University of Newcastle, fFr
seine wertvollen BeitrGge zu diesem Projekt sowie der 5sterreichischen ForschungsfHrderungsgesellschaft (FFG), dem Land Steiermark, der Steirischen WirtschaftsfHrderung (SFG) und der Stadt
Graz fFr finanzielle UnterstFtzung im Rahmen des Kplus-Programms.
Hintergrundinformationen zu diesem Beitrag sind im WWW unter
http://www.angewandte.de zu finden oder kHnnen beim Autor
angefordert werden.
3532
2006 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim
Angew. Chem. 2006, 118, 3532 –3535
Angewandte
Chemie
sierte Additionen von Nitromethan an Aldehyde studiert.
Aus der Reaktion von Benzaldehyd und Nitromethan konnte
2-Nitro-1-phenylethanol mit einem Enantiomeren2berschuss
von 92 % in 63 % Ausbeute erhalten werden (Tabelle 1). Als
Tabelle 1: Durch HbHNL katalysierte stereoselektive Addition von Nitromethan an Aldehyde.[a]
R
CH3(CH2)5
Ausb. [%]
ee [%][b]
63
92
46
18
77
28
57
72
25
89
reichen im Durchschnitt einige hundert Einheiten des
Enzyms aus, um Carbonylverbindungen innerhalb weniger
Stunden in die entsprechenden a-Hydroxynitrile zu 2berf2hren. Es m2ssen aber 4000 Einheiten eingesetzt werden, um
in Nitroaldolreaktionen innerhalb von 48 Stunden akzeptable
Ausbeuten zu erzielen. Zur Untersuchung der Substratvielfalt
bez2glich des Carbonylacceptors wurden einige reprsentative Aldehyde HbHNL-katalysiert in die Nitroalkohole
2berf2hrt (Tabelle 1).
Die analoge Addition von Nitroethan an Benzaldehyd
f2hrt zur Bildung zweier neuer Stereozentren (Tabelle 2) und
verlangt daher gute Diastereokontrolle, die sich besonders im
Falle der Henry-Reaktion als schwierig erwiesen hat.[10] Die
HbHNL-katalysierte Reaktion von Nitroethan und Benzaldehyd lieferte ein Diastereomerengemisch von 2-Nitro-1phenylpropanolen (1 a–4 a) in 67 % Ausbeute.
Tabelle 2: HbHNL-katalysierte stereoselektive Addition von Nitroethan
an Benzaldehyd.[a]
[a] TBME = tert-Butylmethylether. [b] Die Absolutkonfiguration der
Produkte wurde durch Vergleich der Drehwerte mit Literaturdaten bestimmt (siehe Hintergrundinformationen).
einziges Nebenprodukt wurden kleine Mengen (10–15 %) des
durch Eliminierung entstandenen 1-Nitro-2-phenylethens
gefunden. In Abereinstimmung mit der bekannten Stereoprferenz der HbHNL in Cyanhydrinreaktionen wurde durch
Vergleich des Drehwerts mit Literaturdaten die Absolutkonfiguration des gebildeten Nitroalkohols als S bestimmt.[5]
Obwohl die Nitroaldolreaktion schon vor mehr als einem
Jahrhundert entdeckt wurde,[6] begann die Entwicklung von
stereoselektiven Varianten dieser Transformation erst vor
einigen Jahrzehnten, wobei nichtenzymatische Katalysatoren
verwendet wurden.[7] Mit unseren Ergebnissen zeigen wir das
erste Beispiel f2r eine biokatalytische asymmetrische HenryReaktion.
Die HbHNL-katalysierte Addition von Nitromethan an
Benzaldehyd wurde unter Standardbedingungen bei pH 7
durchgef2hrt.[8] Es stellte sich heraus, dass hinsichtlich der
Ausbeute und der Stereoselektivitt die Verwendung von tertButylmethylether oder Toluol als organische Phase in einem
wssrig-organischen Zweiphasensystem keinen merklichen
Unterschied macht. Anders als bei HbHNL-katalysierten
Cyanhydrinreaktionen spielt die spontane unselektive Produktbildung keine wichtige Rolle, was teilweise auf die verringerte L0slichkeit des Nitromethans in der wssrigen Phase
und somit auf einen anderen Verteilungskoeffizienten (im
Vergleich zu Blausure) im wssrig-organischen Zweiphasensystem zur2ckzuf2hren ist.[9] Allerdings ergibt sich hieraus
der Nachteil, dass die f2r das Enzym in der wssrigen Phase
zur Verf2gung stehende Menge an Nitroalkan nicht beliebig
erh0ht werden kann.
In Nitroaldolreaktionen ist die Aktivitt des Enzyms
deutlich geringer als in Cyanhydrinreaktionen. Ablicherweise
Angew. Chem. 2006, 118, 3532 –3535
Konfig.
rel.
Ausb. [%]
ee [%]
anti
1a
2a
1S,2R
1R,2S
88
2
95
syn
3a
4a
1S,2S
1R,2R
8
2
53
[a] Reaktionsbedingungen: a) HbHNL, Phosphatpuffer(pH 7)/TBME
1:1, RT, 48 h, 67 %; b) H2, Pd/C, EtOH, RT, 6 h, 90 %.
Die Absolutkonfiguration der Produkte 1 a–4 a (Tabelle 2) wurde nach Reduktion zu den Aminoalkoholen 1 b–3 b
und anschließender Aberf2hrung in die Oxazoline 5–7
(Schema 1) durch Vergleich mit Referenzverbindungen bekannter Konfiguration bestimmt. Die daf2r ben0tigten optisch reinen Referenzsubstanzen wurden ausgehend von den
kommerziell erhltlichen anti-Norephedrinen synthetisiert,
wobei die Konfigurationsinversion an C-1 zur Herstellung des
Oxazolins 7 2ber das entsprechende Benzamid verlief
(Schema 1). Als Ergebnis dieser Bestimmung wurde (1S,2R)2-Nitro-1-phenylpropanol (1 a) als Hauptprodukt der
HbHNL-katalysierten Addition von Nitroethan an Benzaldehyd identifiziert. Die Nitroalkohole 1 a–4 a wurden in
einem anti/syn-Verhltnis von 9:1 erhalten, mit einem Enantiomeren2berschuss des anti-Isomers 1 a von 95 %. Aus diesen
Werten ergibt sich, dass im Produktgemisch fast 90 %
(1S,2R)-1 a enthalten sind. Die Absolutkonfiguration der antiIsomere wurde k2rzlich mit einer hnlichen Derivatisierungsmethode bestimmt.[11]
2006 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim
www.angewandte.de
3533
Zuschriften
Schema 1. Bestimmung der Absolutkonfiguration der Aminoalkohole
1 b, 2 b, 3 b. Bedingungen: a) Triethylorthobenzoat, TrifluoressigsGure,
1,2-Dichlorethan, RFckfluss, 3 h, 74 %; b) Et3N, PhCOCl, CH2Cl2, RT,
3 h, 80 %; c) Diisopropylazodicarboxylat, PPh3, THF, RT, 16 h, 63 %.
Mithilfe von Molecular Modeling wurden m0gliche Bindungsmodi von 2-Nitro-1-phenylethanol im aktiven Zentrum
der HbHNL studiert. Das Enzym HbHNL wurde bereits
eingehend bez2glich seine dreidimensionalen Struktur[12] und
seines katalytischen Mechanismus[13] untersucht, sodass nunmehr eine F2lle experimentell bestimmter Strukturdaten von
Substratkomplexen
dieses
Enzyms
zur
Verf2gung
steht.[3, 13a, 14] Docking-Simulationsrechnungen[15] mit beiden
Enantiomeren des 2-Nitro-1-phenylethanols ergaben, in
Analogie zu Cyanhydrinen, f2r das S-Enantiomer niedrigere
Bindungsenergien als f2r das R-Enantiomer. Im Komplex der
HbHNL mit dem S-Enantiomer liegen Wasserstoffbr2cken
der OH-Gruppe des Nitroalkohols mit den Hydroxygruppen
von Ser 80 und Thr 11 vor. Außerdem wechselwirkt die Nitrogruppe mit Lys 236 (Abbildung 1, gelbe Struktur), wodurch alle als mechanistisch wichtig eingestuften polaren
Wechselwirkungen mit Aminosuren im aktiven Zentrum
erhalten sind.[3] Der Phenylring ist in der gleichen hydro-
Abbildung 1. Berechneter Komplex der HbHNL mit (S)-2-Nitro-1-phenylethanol (gelb) im Vergleich mit dem experimentell beobachteten
Bindungsmodus von (S)-Mandelonitril (blau).
3534
www.angewandte.de
phoben Tasche gebunden wie dies auch im Komplex mit
Mandelonitril beobachtet wurde.[14] Im Komplex mit dem REnantiomer besetzen die Nitro- und die Phenylgruppe hnliche Positionen wie im Komplex mit dem S-Enantiomer, die
ußerst wichtige Wasserstoffbr2cke mit Ser 80 fehlt allerdings
(Daten nicht gezeigt).
Aufgrund des vergleichbaren Bindungsverhaltens und der
Beibehaltung wichtiger polarer Wechselwirkungen liegt die
Vermutung nahe, dass der Mechanismus f2r die Umsetzung
von Cyanhydrinen durch die HbHNL auch f2r die Nitroaldolreaktion g2ltig ist: Das heißt, der Nitroalkohol w2rde bei
seiner Spaltung durch die katalytische Triade Ser 80/His 235/
Asp 207 an der Hydroxygruppe deprotoniert, bzw. die durch
Lys 236 beigetragene positive Ladung w2rde die Deprotonierung des Nitroalkans in der Additionsreaktion erleichtern.[3] Die Frage, ob die enzymkatalysierte Reaktion ebenfalls einem geordneten „Uni-bi“-Mechanismus folgt, wie dies
f2r die Cyanhydrinreaktion beobachtet wird,[16] ist Gegenstand aktueller Untersuchungen. Die Substratbindetasche der
HbHNL scheint groß genug zu sein, um die volumin0seren
Nitroalkohole in hnlicher Weise binden zu k0nnen wie die
entsprechenden Cyanhydrine (Abbildung 1). Dennoch ist
anzunehmen, dass die verringerte katalytische Aktivitt auch
sterische Ursachen hat.
Um weitere Informationen 2ber den Mechanismus der
enzymatischen Nitroaldolreaktion zu erlangen, wurden Experimente mit deuterierten Nitroalkanen durchgef2hrt. Die
dabei beobachteten verringerten Ausbeuten bei der Addition
von [1,1-D2]Nitroethan an Benzaldehyd deuten auf einen
kinetischen Isotopeneffekt und implizieren, dass die Deprotonierung des Nitroalkans der geschwindigkeitsbestimmende
Schritt der Reaktion ist, wiewohl endg2ltige Schlussfolgerungen erst nach sorgfltigen kinetischen Untersuchungen
zulssig sind. In HbHNL-katalysierten Cyanhydrinreaktionen hat sich hingegen die Kn2pfung der C-C-Bindung als
geschwindigkeitsbestimmend erwiesen.[17] Werte f2r kinetische Isotopeneffekte von 8 bis 9 f2r die Bildung des Nitroethananions, wie sie im Zuge von Studien zu Nitroalkanoxidasen gefunden wurden,[18] stimmen gut mit unserer Abschtzung f2r den gleichen Effekt in der HbHNL-katalysierten Henry-Reaktion – in der Gr0ßenordnung von 10 – 2berein. Dar2ber hinaus sind diese Befunde auch mit der
bekannten Nitroalkan-Anomalie – der Beobachtung, dass
Nitroalkane generell langsamer deprotoniert werden, als
aufgrund ihrer pKS-Werte zu erwarten ist – in Einklang.[19] Es
scheint also eine Kombination von sterischen und elektronischen Effekten f2r die geringe katalytische Aktivitt der
HbHNL bei Henry-Reaktionen ausschlaggebend zu sein.
Somit konnte gezeigt werden, dass die Hydroxynitrillyase
aus Hevea brasiliensis die Addition von Nitromethan und
Nitroethan an Aldehyde zur Herstellung der entsprechenden
Nitroalkohole mit guten Ausbeuten und Enantiomeren2bersch2ssen katalysiert. Die Verwendung von Nitroethan als
Nucleophil erm0glicht die gleichzeitige Erzeugung zweier
Stereozentren mit guter Enantio- und Diastereoselektivitt
und er0ffnet einen Zugang zu Ephedrinderivaten. In zuk2nftigen Arbeiten sollen einerseits weitere Carbonylverbindungen und Nitroalkane als Startmaterialien untersucht
werden, andererseits ist eine Verbesserung des Synthesever-
2006 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim
Angew. Chem. 2006, 118, 3532 –3535
Angewandte
Chemie
fahrens hinsichtlich Ausbeute und Stereoselektivitt ein
wichtiges Ziel der Entwicklung.
Eingegangen am 28. November 2005
Online ver0ffentlicht am 24. April 2006
.
Stichwrter: Biokatalyse · Henry-Reaktionen ·
Hydroxynitrillyasen · Molecular Modeling · Nitroalkohole
[1] a) P. P0chlauer, Chim. Oggi 1998, 16, 15 – 19; b) D. V. Johnson,
A. A. Zabelinskaja-Mackova, H. Griengl, Curr. Opin. Chem.
Biol. 2000, 4, 103 – 109; c) „Enzymatic Synthesis of Cyanohydrins“: M. H. Fechter, H. Griengl in Enzyme Catalysis in Organic Synthesis (Hrsg.: K. Drauz, H. Waldmann), Wiley-VCH,
Weinheim, 2002, S. 974 – 989; d) M. Sharma, N. N. Sharma, T. C.
Bhalla, Enzyme Microb. Technol. 2005, 37, 279 – 294.
[2] a) K. Gruber, C. Kratky, J. Polym. Sci. Part A 2004, 42, 479 – 486;
b) F. Effenberger, Angew. Chem. 1994, 106, 1609 – 1619; Angew.
Chem. Int. Ed. Engl. 1994, 33, 1555 – 1564; c) R. J. H. Gregory,
Chem. Rev. 1999, 99, 3649 – 3682; d) H. Griengl, H. Schwab, H.
Fechter, Trends Biotechnol. 2000, 18, 252 – 256; e) M. North,
Tetrahedron: Asymmetry 2003, 14, 147 – 176; f) M. H. Fechter,
H. Griengl, Food Technol. Biotechnol. 2004, 42, 287 – 294.
[3] K. Gruber, G. Gartler, B. Krammer, H. Schwab, C. Kratky, J.
Biol. Chem. 2004, 279, 20 501 – 20 510.
[4] a) N. Ono, The Nitro Group in Organic Synthesis, Wiley-VCH,
New York, 2001; b) F. A. Luzzio, Tetrahedron 2001, 57, 915 – 945.
[5] a) B. M. Trost, V. S. C. Yeh, Angew. Chem. 2002, 114, 889 – 891;
Angew. Chem. Int. Ed. 2002, 41, 861 – 863; b) D. A. Evans, D.
Seidel, M. Rueping, H. W. Lam, J. T. Shaw, C. W. Downey, J. Am.
Chem. Soc. 2003, 125, 12 692 – 12 693.
[6] L. Henry, C. R. Hebd. Seances Acad. Sci. 1895, 120, 1265.
[7] a) C. Palomo, M. Oiarbide, A. Mielgo, Angew. Chem. 2004, 116,
5558 – 5560; Angew. Chem. Int. Ed. 2004, 43, 5442 – 5444; b) C.
Palomo, M. Oiarbide, A. Laso, Angew. Chem. 2005, 117, 3949 –
3952; Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, 3881 – 3884, zit. Lit.; c) M.
Shibasaki, N. Yoshikawa, Chem. Rev. 2002, 102, 2187 – 2209;
d) M. Shibasaki, H. Gr0ger in Comprehensive Asymmetric Catalysis, Vol. III (Hrsg.: E. N. Jacobsen, A. Pfalz, H. Yamamoto),
Springer, Berlin, 1999, S. 1075 – 1090; e) T. Marcelli, R. N. S.
van der Haas, J. H. van Maarseveen, H. Hiemstra, Angew.
Chem. 2006, 118, 943 – 945; Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45, 929 –
931.
[8] Allgemeine Arbeitsvorschrift: Eine Emulsion von Wt-HbHNL
(4000 U pro mmol Aldehyd; die Aktivitt wurde bez2glich der
Spaltung von Mandelonitril bestimmt; das Enzym wurde
freundlicherweise von DSM zur Verf2gung gestellt) in Phosphatpuffer (pH 7, 50 mm) und TBME (1:1) wird unter R2hren
mit frisch destilliertem Aldehyd (1–10 mmol) versetzt. Nach
5 min folgt die Zugabe des Nitroalkans (10 mmol pro mmol
Aldehyd). Der Reaktionsansatz wird 48 h bei Raumtemperatur
ger2hrt. Nach Zentrifugieren und Trennung der Phasen wird die
wssrige Phase mit TBME extrahiert. Die vereinigten organischen Phasen werden mit Na2SO4 getrocknet, und das L0sungsmittel wird abdestilliert. Die Rohprodukte werden durch
Sulenchromatographie gereinigt.
[9] R. M. Stephenson, J. Chem. Eng. Data 1992, 37, 80 – 95.
[10] B. Lecea, A. Arrieta, I. Morao, F. P. Cossio, Chem. Eur. J. 1997, 3,
20 – 28.
[11] T. Ooi, K. Doda, K. Maruoka, J. Am. Chem. Soc. 2003, 125,
2054 – 2055.
[12] a) U. G. Wagner, M. Hasslacher, H. Griengl, H. Schwab, C.
Kratky, Structure 1996, 4, 811 – 822; b) K. Gruber, M. Gugganig,
U. G. Wagner, C. Kratky, Biol. Chem. 1999, 380, 993 – 1000.
Angew. Chem. 2006, 118, 3532 –3535
[13] a) J. Zuegg, K. Gruber, M. Gugganig, U. G. Wagner, C. Kratky,
Protein Sci. 1999, 8, 1990 – 2000; b) K. Gruber, Proteins Struct.
Funct. Genet. 2001, 44, 26 – 31.
[14] G. Gartler, C. Kratky, K. Gruber, J. Biotechnol. 2006, im Druck.
[15] Siehe Hintergrundinformationen.
[16] M. Bauer, H. Griengl, W. Steiner, Biotechnol. Bioeng. 1999, 62,
20 – 29.
[17] W.-M. Ching, R. G. Kallen, J. Am. Chem. Soc. 1978, 100, 6119 –
6124.
[18] M. P. Valley, P. F. Fitzpatrick, J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 6244 –
6245.
[19] a) R. G. Pearson, R. L. Dillon, J. Am. Chem. Soc. 1953, 75, 2439 –
2443; b) F. G. Bordwell, W. J. Boyle, J. A. Hautala, K. C. Yee, J.
Am. Chem. Soc. 1969, 91, 4002 – 4003; c) F. G. Bordwell, J. E.
Bartmess, J. A. Hautala, J. Org. Chem. 1978, 43, 3107 – 3113;
d) J. R. Keeffe, J. Morey, C. A. Palmer, J. C. Lee, J. Am. Chem.
Soc. 1979, 101, 1295 – 1297; e) N. Agmon, J. Am. Chem. Soc.
1980, 102, 2164 – 2167; f) H. Yamataka, S. C. Ammal, Arkivoc
2003, 59 – 68.
2006 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim
www.angewandte.de
3535
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
1
Размер файла
172 Кб
Теги
katalysierte, die, henry, auch, aus, biokatalytische, hevea, eine, reaktion, nitroaldolreaktionen, hydroxynitrillyase, brasiliensis
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа