Biocatalytic and chemoenzymatic synthesis of O-heterocycles from allenols

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Technology | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2022-11-18
Date
2022
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
80 + app. 58
Series
Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 156/2022
Abstract
Over the last three decades, development of environmentally friendly synthetic methods has become the preeminent objective in contemporary organic chemistry, following the introduction of the Twelve Principles of Green Chemistry. Nature's enzymes offer immense potential for such sustainable synthetic strategies as highly efficient, selective and renewable biocatalysts, operating in mild reaction conditions. Oxygen heterocycles are important structural units in many high-value synthetic targets such as active pharmaceutical ingredients. Allenes bearing nucleophilic functionalizations have emerged recently as versatile precursors for production of these O-heterocycles.The aim of the research presented in this thesis was the introduction of new, sustainable, biocatalytic methods for allenol cyclizations, to form highly functionalized furan and pyran motifs as valuable synthetic building blocks. Further, we aspired to combine the biocatalytic strategies in economical and ecological chemoenzymatic one-pot processes. We found that biocatalytic halocyclizations of allenols were efficiently mediated by both heme-dependent and vanadium-dependent haloperoxidase-enzymes, furnishing a wide range of brominated O-heterocycles from alfa-, beta- and gamma-allenols. The bromovinyl structures formed in the haloalkoxylations were an obvious target for further valorizations, prompting applications combining well-established Pd cross-coupling reactions in one-pot processes with the biocatalysis to reach arylated dihydrofurans in step-efficient manner. In an expansion into heterogeneous catalysis, recently pioneered enzyme-metal nanoparticle biohybrid materials were implemented as dual-active catalysts for the one-pot halocyclization/cross-coupling process, efficiently mediating both reaction steps as a bifunctional catalytic species. Even more remarkably, biohybrids combining lipases and silver nanoparticles together were applied as sole, highly selective, catalysts for cascade processes combining kinetic resolution hydrolysis of an allenic acetate with cycloisomerization of the resulting allenol, producing enantiopure dihydrofurans.

Luontoystävällisten synteettisten keinojen kehityksestä on tullut tärkein tavoite orgaanisessa kemiassa viimeisten kolmen vuosikymmenen aikana Vihreän Kemian Kahdentoista Periaatteen julkistuksen seurauksena. Luonnon entsyymit tarjoavat suunnattoman potentiaalin näiden kestävien synteettisten menetelmien kehitykselle erittäin tehokkaina, selektiivisinä ja uusiutuvina biokatalyytteinä, jotka toimivat miedoissa reaktio-olosuhteissa. Happi-heterosyklit ovat tärkeitä rakenteita monissa arvokkaissa synteettisissä kohdemolekyyleissä, kuten vaikuttavissa lääkeaineissa. Alleenit, joihin on liittyneenä nukleofiilisiä funktionaalisia ryhmiä, ovat hiljattain nousseet esiin näiden O-heterosyklien monipuolisina rakennuspalikoina.Tässä väitöskirjassa esitellyn tutkimuksen tavoite oli kehittää uusia, vihreitä, biokatalyyttisiä allenolien syklisointi-reaktioita synteettisesti hyödyllisten furaani- ja pyraani-rakenteiden muodostamiseksi. Lisäksi, pyrimme yhdistämään kehitettyjä biokatalyyttisiä keinoja taloudellisesti ja ekologisesti kannattavissa kemoentsymaattisissa yhden astian prosesseissa. Selvitimme, että sekä hemi- että vanadiumhaloperoksidaasi-entsyymit toimivat tehokkaina biokatalyytteinä allenolien halosyklisoinneille, tuottaen laajan valikoiman bromattuja O-heterosyklejä alfa-, beta- ja gamma-allenoleista. Näissä haloalkoksyloinneissa muodostuneet bromivinyylirakenteet ovat ilmiselviä kohteita jatkoreaktioille, mikä johti niiden yhdistämiseen yhden astian prosesseissa hyvin tunnettujen Pd kytkentäreaktioiden kanssa tuottaen aryloituja dihydrofuraaneja prosessivaiheet minimoiden. Laajennuksena heterogeeniseen katalyysiin, hiljattain innovoituja entsyymejä ja metalli-nanopartikkeleita yhdistäviä biohybridimateriaaleja käytettiin kaksoisaktiivisina katalyytteinä kehitetyssä yhden astian halosyklisointi-ristikytkentäprosessissa. Biohybridejä pystyttiin kaksoistoimintansa ansiosta käyttämään katalyytteinä prosessin molemmissa reaktiovaiheissa. Vielä merkittävämpää oli lipaasit ja hopea-nanopartikkelit yhdistävien biohybridien käyttö ainoina, hyvin selektiivisinä, katalyytteinä yhtäaikaisessa alleenisen asetaatin kineettisen resoluution hydrolyysin ja siinä tuotetun allenolin sykloisomeroinnin yhdistävässä prosessissa, jossa tuotetaan enantiopuhtaita dihydrofuraaneja.
Description
Supervising professor
Deska, Jan, Prof., Aalto University, Finland
Thesis advisor
Deska, Jan, Prof., Aalto University, Finland
Keywords
biocatalysis, chemoenzymatic, haloperoxidase, allenol, allene, heterocycles, nanoparticles, synthesis, biokatalyysi, kemoentsymaattinen, haloperoksidaasi, allenoli, alleeni, heterosyklit, nanopartikkelit, synteesi
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Naapuri, Janne M.; Rolfes, Julian D.; Keil, Julia; Manzuna Sapu, Chicco; Deska, Jan. 2017. Enzymatic halocyclization of allenic alcohols andcarboxylates: a biocatalytic entry to functionalized O-heterocycles. Green Chemistry, 19 (2), 447-452.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201703233187
    DOI: 10.1039/C6GC01926A View at publisher
  • [Publication 2]: Naapuri, Janne M.; Wagner, Philip K.; Hollmann, Frank; Deska, Jan. 2022. Enzymatic bromocyclization of α- and γ-allenols by chloroperoxidase from Curvularia inaequalis. ChemistryOpen, 11 (1), e202100236. Full ext in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202202161908.
    DOI: 10.1002/open.202100236 View at publisher
  • [Publication 3]: Naapuri, Janne M.; Åberg, Gustav A.; Palomo, Jose M.; Deska, Jan. 2021. Arylative allenol cyclization via sequential one-pot enzyme & palladium catalysis. ChemCatChem, 13 (2), 763-769.
    DOI: 10.1002/cctc.202001619 View at publisher
  • [Publication 4]: Naapuri, Janne M.; Losada-Garcia, Noelia; Deska, Jan; Palomo, Jose M. 2022. Synthesis of silver and gold nanoparticles-enzyme-polymerconjugate hybrids as dual-activity catalysts for chemoenzymatic cascade reactions. Nanoscale, 14 (15), 5701-5715.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202205042994
    DOI: 10.1039/D2NR00361A View at publisher
  • [Publication 5]: Naapuri, Janne M.; Losada-Garcia, Noelia; Rothemann, Robin Alexander; Carmona Pichardo, Manuel; Prechtl, Martin H. G.; Palomo, JoseM.; Deska, Jan. 2022. Cascade catalysis through bifunctional lipase metal biohybrids for the synthesis of enantioenriched O-heterocycles from allenes. ChemCatChem, 14 (16), e202200362.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202208104496
    DOI: 10.1002/cctc.202200362 View at publisher
Citation