Enzymatic aerobic halocyclizations of alpha- and beta-allenols
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2017-03-30
Department
Major/Subject
Chemistry
Mcode
CHEM3023
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
85 + 7
Series
Abstract
Biocatalytic use of enzymes in organic synthesis has garnered increasing interest in the recent years due to advances in biotechnology and protein engineering. In efforts to advance the biochemically-driven synthesis development, an environmentally friendly novel bienzymatic halocyclization protocol was developed in this research, to furnish functionalized O-heterocycles with vinyl bromide moieties from allenic alcohol substrates. The technique, an alternative for traditional dihalogen or organic halogen donor-mediated processes, employs chloroperoxidase’s (Caldariomyces fumago) ability to produce electrophilic halonium species from simple halide salt and hydrogen peroxide, to trigger a halogenative endo-trig cyclization of allenic alcohols. In order to stabilize the peroxidase’s activity, a micellar n-hexane/citrate buffer reaction medium was utilized, emulsified by the nonionic surfactant Brij 35®, while the hydrogen peroxide was generated in situ from D-glucose and air in a redox reaction catalyzed by glucose oxidase (Aspergillus niger). As part of the research, the current literature on the biocatalytic use of halogenative enzymes was surveyed. The survey was focused on the catalytic reactivity, selectivity and stability of haloperoxidases, which incorporate either heme or vanadate prosthetic group in their active site. As heme haloperoxidases are rapidly inactivated by excess hydrogen peroxide, methods to suppress this inactivation were also investigated. Lastly, possibilities to increase haloperoxidase activity and stability by involving a micellar reaction mixture were discussed. The experimental work done in this research was two-fold. Firstly, screening was done to optimize the developed bienzymatic allenol bromocyclization technique. A key factor in the optimization was found to be the composition of the emulsified reaction medium. Secondly, the substrate scope of the technique was investigated. The bromocyclization protocol was successfully applied to produce brominated dihydrofurans in good yields from alpha-allenic alcohols with gem-dimethylation at the allene’s gamma-position. Additionally, the technique was used to produce a brominated dihydropyran from a densely substituted beta-allenic alcohol, and a brominated unsaturated delta-lactone from an allenoic acid in moderate yields.Entsyymien biokatalyyttinen käyttö orgaanisessa synteesissä on kerännyt kasvavaa kiinnostusta viime vuosina bioteknologian ja proteiinimuokkauksen kehityksen seurauksena. Tämän biokemiallisen synteesikehityksen edistämiseksi tässä työssä kehitettiin uusi ympäristöystävällinen bientsymaattinen halosyklisointimenetelmä, jolla tuotetaan funktionalisoituja vinyylibromidiryhmän sisältäviä happi-heterosyklejä alleenisista alkoholeista. Vaihtoehtona perinteisille kemiallisille halogenointimenetelmille, tässä tekniikassa hyödynnetään kloroperoksidaasin (Caldariomyces fumago) kykyä tuottaa elektrofiilisia halonium-ionien vastineita tavallisesta halidisuolasta ja vetyperoksidista, mikä mahdollistaa alleenisten alkoholien halogenisoivan endo-trig syklisoinnin. Peroksidaasin stabiiliuden parantamiseksi menetelmässä käytettiin liuottimena pinta-aineen Brij 35® emulgoimaa n-heksaanin ja sitraattipuskuriliuoksen seosta, ja vetyperoksidi tuotettiin in situ D-glukoosista ja ilmasta glukoosioksidaasin (Aspergillus niger) katalysoimassa hapetus-pelkistysreaktiossa. Osana tätä tutkimusta suoritettiin kirjallisuuskatsaus halogenoivien entsyymien biokatalyyttiseen käyttöön. Katsauksessa keskityttiin hemi- tai vanadaattiryhmän aktiivisessa kohdassaan sisältävien haloperoksidaasien katalyyttiseen reaktiivisuuteen, selektiivisyyteen ja stabiiliuteen. Koska ylimääräinen vetyperoksidi inaktivoi hemi-haloperoksidaasit nopeasti, keinoja tämän inaktivoinnin estämiseksi tarkasteltiin myös. Lisäksi kirjallisuuskatsauksessa keskusteltiin mahdollisuuksista lisätä haloperoksidaasien aktiivisuutta ja stabiiliutta käyttämällä reaktiossa emulgoituja olosuhteita. Tutkimuksen kokeellinen osa oli kaksivaiheinen. Aluksi kehitetty entsymaattinen allenolien bromosyklisointimenetelmä optimoitiin seulonnan avulla. Seulonnassa tärkeäksi osoittautui emulsioseoksen koostumus. Seulonnan jälkeen menetelmän laajuutta tutkittaessa todettiin bromosyklisointitekniikan tuottavan bromattuja dihydrofuraaneja hyvällä saannolla alpha-alleenisista alkoholeista, joissa on dimetyylisubstituutio alleenin gamma-asemassa. Lisäksi tekniikalla voitiin tuottaa bromattua dihydropyraania tiheästi substituoidusta beta-allenolista, sekä bromattua tyydyttymätöntä delta-laktonia alleenisesta haposta kohtalaisilla saannoilla.Description
Supervisor
Deska, JanThesis advisor
Blume, FabianKeywords
chloroperoxidase, glucose oxidase, biocatalysis, allenol, halocyclization, heterocycles