Ενζυμική ασύμμετρη σύνθεση χειρόμορφων ενδιαμέσων και φυσικών φερορμονών με απομονωμένες κετορεδουκτάσες

 
This item is provided by the institution :
University of Crete
Repository :
E-Locus Institutional Repository
see the original item page
in the repository's web site and access all digital files if the item*
share



2006 (EN)
Enzymatic asymmetric synthesis of chiral intermediates and natural pheromones with isolated ketoreductases
Ενζυμική ασύμμετρη σύνθεση χειρόμορφων ενδιαμέσων και φυσικών φερορμονών με απομονωμένες κετορεδουκτάσες

Καλαϊτζάκης, Δημήτρης
Kalaitzakis, Dimitris

Σμόνου, Ιουλία

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετήθηκαν οι στερεοεκλεκτικές ενζυμικές αναγωγές με NAD(P)H-εξαρτώμενες, απομονωμένες κετορεδουκτάσες για τη σύνθεση πολύτιμων χειρόμορφων ενδιαμέσων, όπως οπτικώς ενεργών α-υποκατεστημένων-β-υδροξυ κετονών και α-υποκατεστημένων-1,3-διολών. Επίσης πραγματοποιήθηκε χημειοενζυμική σύνθεση των φερομονών Sitophilure, Sitophilate, Stegobinone και Stegobiol. Σε όλα τα προϊόντα των ενζυμικών αναγωγικών αντιδράσεων πραγματοποιήθηκε προσδιορισμός της σχετικής αλλά και της απόλυτης στερεοδομής τους με NMR φασματοσκοπία. Στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η ενζυμικά καταλυόμενη στερεοεκλεκτική αναγωγή δέκα μονοϋποκατεστημένων και τριών α-διϋποκατεστημένων-1,3-δικετονών με σειρά από 64 απομονωμένες κετορεδουκτάσες. Σε όλες τις περιπτώσεις προέκυψε ποσοτικά τουλάχιστον μια οπτικώς καθαρή υδροξυ κετόνη, ενώ υπήρξαν περιπτώσεις όπου σχηματίστηκαν τρία από τα τέσσερα στερεοϊσομερή με εξαιρετική οπτική καθαρότητα. Εκτός από τη υψηλή στερεοεκλεκτικότητα των ενζύμων σε πολλές περιπτώσεις η δραστικότητα ήταν εξαιρετική. Σε μη συμμετρικές δικετόνες η ενζυμική αναγωγή πραγματοποιήθηκε με υψηλή τοποεκλεκτικότητα οδηγώντας σε σχηματισμό ενός ισομερούς μέσω Δυναμικού Κινητικού Διαχωρισμού. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζεται η χημειοενζυμική σύνθεση της φερομόνης Sitophilure των οργανισμών rice weevil και maize weevil. Η σύνθεση ξεκίνησε από την εμπορικά διαθέσιμη 3,5-επτανοδιόνη και ολοκληρώθηκε σε τρία μόνο στάδια με ολική απόδοση 81%. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η χημειοενζυμική σύνθεση της φερομόνης Sitophilate του οργανισμού granary weevil. Η σύνθεση πραγματοποιήθηκε μέσω ενζυμικής αναγωγής ενός α-μεθυλο-β-κετοεστέρα. Πραγματοποιήθηκε σε τέσσερα στάδια με ολική απόδοση 62%. Επίσης μελετήθηκε η επίδραση της δομής του υποστρώματος, της θερμοκρασίας και του pH στην στερεοεκλεκτικότητα των κετορεδουκτασών, οι οποίες λαμβάνουν μέρος στη συγκεκριμένη χημειοενζυμική σύνθεση. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η χημειοενζυμική σύνθεση των συστατικών της φυσικής φερομόνης του οργανισμού drugstore beetle μέσω ενζυμικής αναγωγής ενός β-κετοεστέρα και μιας 1,3-δικετόνης. Η σύνθεση επιτεύχθηκε με υψηλή στερεοεκλεκτικότητα παράγοντας τη φερομόνη Stegobinone σε καθαρή κρυσταλλική μορφή. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζεται ο προσδιορισμός της σχετικής στερεοδομής για τις μονοϋποκατεστημένες και τις α-διϋποκατεστημένες-β-υδροξυ κετονες, οι οποίες προέκυψαν από την ενζυμική αναγωγή των αντίστοιχων δικετονών. Ο προσδιορισμός για τις μονοϋποκατεστημένες υδροξυ κετόνες πραγματοποιήθηκε υπολογίζοντας τη σταθερά σύζευξης μεταξύ των υδρογόνων των δυο ασύμμετρων κέντρων, όπου και βρέθηκε ότι η σταθερά αυτή ήταν μικρότερη για τα syn διαμορφωμερή σε σχέση με τα αντίστοιχα anti. Για τις διϋποκατεστημένες υδροξυ κετόνες εφαρμόστηκε ο κανόνας του Heathcock, όπου μετρήθηκαν οι χημικές μετατοπίσεις τριών συγκεκριμένων ανθράκων με φασματοσκοπία 13C NMR. Από όλα τα αποτελέσματα εξάχθηκε ένας εμπειρικός κανόνας προσδιορισμού της σχετικής στερεοδομής των α-μονοϋποκατεστημένων-β-υδροξυ κετονών με φασματοσκοπία 1H NMR. Η μέθοδος αυτή βασίστηκε στην εμφάνιση του καρβινολικού πρωτονίου του syn ισομερούς σε υψηλότερες χημικές μετατοπίσεις σε σχέση με του αντίστοιχου anti. Στο έκτο κεφάλαιο παρουσιάζεται ο προσδιορισμός της απόλυτης στερεοδομής των οπτικά ενεργών δευτεροταγών αλκοολών. Στη μέθοδο που εφαρμόστηκε χρησιμοποιήθηκε το χειρόμορφο αντιδραστήριο ανισοτροπίας α-μεθοξυ-φαινυλοξικό οξύ (ΜΡΑ). Η μέθοδος αυτή βασίστηκε στην μέτρηση των τιμών ΔδR-S μεταξύ των R-MPA και S-MPA εστέρων των προϊόντων των ενζυμικών αντιδράσεων που μελετήθηκαν. Στο έβδομο κεφάλαιο παρουσιάζεται η ενζυμική σύνθεση α-υποκατεστημένων-1,3-διολών χρησιμοποιώντας τις απομονωμένες κετορεδουκτάσες. Η σύνθεση έγινε με ενζυμική αναγωγή των αντίστοιχων α-υποκατεστημενων-1,3-δικετονών, η οποία πραγματοποιήθηκε, σε πολλές περιπτώσεις, με υψηλή δραστικότητα και διαστερεοεκλεκτικότητα παράγοντας οπτικώς καθαρές τις 1,3-διόλες. (EL)
In the present dissertation the stereoselective enzymatic reductions by using NAD(P)H-dependent isolated ketoreducases were studied for the synthesis of valuable chiral intermediates such us optically active α-substituted-β-hydroxy ketones and α-substituted-1,3-diols. The chemoenzymatic synthesis of the pheromones Sitophilure, Sitophilate, Stegobinone and Stegobiol was accomplished succesfully. The relative and absolute configuration for all the products of the enzymatic reductions were determined by NMR methods. The reduction of thirteen α-substituted-1,3-diketones with 32 isolated ketoreductases is presented in the first chapter. In every case at least one optically pure hydroxy ketone was produced, while in many cases three out of the four possible stereoisomers were formed with excellent optical purity. All these results show that the ketoreductases are very active, stereoselective and regioselective towards these substrates. For the unsymmetrical diketones the enzymatic reduction was accomplished via Dynamic Kinetic Resolution. The second chapter describes the chemoenzymatic synthesis of the pheromone Sitophilure of rice weevil and maize weevil. This synthesis started from the commercially available 3,5-heptanedione and was accomplished in only three steps with overall yield 81%. In the third chapter the chemoenzymatic synthesis of the pheromone of granary weevil, Sitophilate is presented. The synthesis was accomplished via enzymatic reduction of an α-methyl-β-keto ester. It was completed in four steps with overall yield 62%. The effect of substrate modification as well as reaction conditions (temperature and pH) in the stereoselectivity of ketoreductases used in this particular chemoenzymatic synthesis was also studied here. In chapter four the chemoenzymatic synthesis of the substances of drugstore beetles pheromone via enzymatic reduction of a β-keto ester and a 1,3-diketone is presented. The synthesis was achieved with high stereoselectivity producing the pheromone Stegobinone in pure crystalline form. In chapter five the determination of the relative stereochemistry for all the products of all the enzymatic reductions was achieved. For the monosubstituted hydroxy ketones the assignment was accomplished by calculating the coupling constant between the two asymmetric hydrogens. It was found that this constant was smaller for the syn isomers than the coupling constant for the corresponding anti. For the disubstituted hydroxy ketones the Heathcocks rule was applied. The chemical shifts of three specific carbons were measured with 13C NMR spectroscopy. A new empirical rule for the assignment of the relative configuration of α-monosubstituted-β-hydroxy ketones by 1H NMR spectroscopy is presented. This method is based on the downfield chemical shift of the carbinol proton of syn isomer compared to the corresponding anti. In the sixth chapter the absolute stereochemistry of the optically active secondary alcohols was determened. The assignment was accomplished utilizing the chiral derivatizing agent a-methoxy phenylacetic acid (MPA). This method relied on the calculation of ΔδR-S differentiation between the corresponding R-MPA and S-MPA esters of the products from the enzymatic reductions that were studied. In the seventh chapter the enzymatic synthesis of α-substituted-1,3-diols utilizing the isolated ketoreductases is presented. This synthesis was achieved by enzymatic reduction of the initially formed α-substituted-β-hydroxy ketones in optically pure form by the same reductive enzymes. The enzymatic reduction was performed, in many cases, with high activity and diastereoselectivity producing optically active 1,3-diols. (EN)

text

Πανεπιστήμιο Κρήτης (EL)
University of Crete (EN)

2006-10-26




*Institutions are responsible for keeping their URLs functional (digital file, item page in repository site)