Enantioselective chemoenzymatic synthesis of 2-arylpropionic acids and dihydropyrimidinones using lipases as biocatalysts

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2011-05-12
Issue Year
2011
Authors
Alfaro Blasco, María
Editor
Abstract

The enzymatic hydrolysis and racemization of alkyl 2-arylpropionates were investigated with respect to a possible dynamic kinetic resolution. Different enzymes were tested for the hydrolysis of several alkyl 2-phenylpropionates. Based on this screening, lipase B from Candida antarctica was chosen as the most active one. The use of this enzyme led to enantiomeric ratios of E = 12-13 for the hydrolysis of propyl rac-2-phenylpropionate in a two-phase system consisting of water and MTBE (1:1, (v/v)). Additionally, the racemization of the unreacted substrate alkyl 2-arylpropionates after enzymatic hydrolysis was then investigated and intensive studies were performed leading to a successful base-catalyzed racemization of these α-substituted propionates. The second part of this thesis consists of the development of an enantioselective process to synthesize the enantiomerically pure dihydropyrimidinone (S)-monastrol. When using lipase B from Candida antarctica a conversion of 52% and an enantioselectivity value of E = 13 were determined for the enzymatic hydrolysis of this O-acetylated monastrol in a reaction medium consisting of water and dichloromethane (4:1, (v/v)). Moreover, the influence of the alkyl chain on the enzymatic hydrolysis was studied and substrate O-butanoylated monastrol led to the best obtained results. A two step process was developed starting from this substrate rac-O-butanoylated monastrol for the synthesis of the desired product (S)-monastrol. The first step was based on a kinetic resolution catalyzed by Candida antarctica lipase B. Due to the (R)-selectivity of the enzyme the reaction was stopped at a conversion of 59% to afford a higher enantiomeric excess for the desired unreacted (S)-O-butanoylated monastrol. The enzymatic hydrolysis was carried out in a reaction media consisting of water and dichloromethane (4:1, (v/v)) and at 25°C. The product (R)-monastrol was obtained in 48% yield and with an enantiomeric excess of 66% ee. The unreacted substrate (S)-O-butanoylated monastrol was isolated in 31% yield and with a high enantiomeric excess of 97% ee. The enantiomeric ratio obtained for the reaction was E = 20. The second step of this approach to obtain (S)-monastrol was based on the non-(R)-enantioselective but chemoselective hydrolysis of (S)-O-butanoylated. Different chemical and enzymatic methods were investigated and the use of a lipase from Candida rugosa turned out to be the most appropriate one. A conversion of higher than 95% was achieved after 49 h yielding the desired (S)-monastrol in 98% yield and with an enantiomeric excess of 96% ee.

Abstract

Die enzymatische Hydrolyse und Racemisierung des Verbindungstyps 2-Arylpropionsäurealkylester wurden im Hinblick auf die Etablierung einer möglichen dynamisch kinetischen Racematspaltung untersucht. Verschiedene Enzyme wurden für die Hydrolyse mehrerer 2-Phenylpropionsäurealkylester getestet. Basierend auf diesem enzymatischen Screening wurde Lipase B aus Candida antarctica als der aktivste Biokatalysator für weitere Versuche ausgewählt. Unter Verwendung dieser Enzyme für die Hydrolyse des Substrats 2-Phenylpropionsäurepropylester wurde eine Enantioselektivität E = 12-13 in einem zweiphasigen System erreicht (Wasser/MTBE, 1:1 (v/v)). Zudem wurde die Racemisierung des unreagierten Substrats nach der enzymatischen Hydrolyse untersucht. Intensive Untersuchungen wurden durchgeführt, bei denen eine erfolgreiche Base-katalysierte Racemisierung dieser α-substituierten Propionsäurealkylester erreicht werden konnte. Der zweite Teil dieser Arbeit besteht aus der Entwicklung eines enantioselektiven Prozesses, um enantiomerenreines (S)-Monastrol zu synthetisieren. In dieser Arbeit wurde festgestellt, dass bei Verwendung der Candida antarctica Lipase B ein Umsatz von 52% für die Hydrolyse des Substrats rac-O-acetyl Monastrol erreicht werden konnte. Dabei wurde eine Enantioselektivität E=13 für die Hydrolyse des Substrats rac-O-Acetyl Monastrol in einem Reaktionsmedium bestehend aus Wasser und Dichlormethan (4:1, (v/v)) bestimmt. Der Einfluß der Alkylkette des Substrats rac-O-acetylierte Monastrol Derivate auf die Hydrolyse wurde außerdem untersucht und die enzymatische Hydrolyse dieser Substrate führte zu den besten Ergebnissen. Ein Zwei-Schritte-Prozess wurde für die Synthese des (S)-Monastrols ausgehend von rac-O-Butanoyl Monastrol entwickelt. Der erste und zugleich Schlüsselschritt besteht aus einer kinetischen Racematspaltung für das Substrat O-butanoyliertes Monastrol katalysiert durch Candida antarctica Lipase B. Aufgrund der (R)-Selektivität des Enzyms CAL-B für dieses Substrat wurde die Reaktion bei einem Umsatz von 59% gestoppt, um einen möglichst hohen Enantiomerenüberschusss des gewünschten unreagierten Substrats (S)-O-butanoyliertes Monastrol zu bekommen. Die enzymatische Hydrolyse wurde in einem Reaktionsmedium bestehend aus Wasser und Dichlormethan (4:1, (v/v)) und bei 25°C durchgeführt. Das erhaltene Produkt (R)-Monastrol wurde mit 48% Ausbeute und einem Enantiomerenüberschuss von 66% ee isoliert. Das unreagierte Substrat (S)-O-butanoyliertes Monastrol wurde mit 31% Ausbeute und einem hohen Enantiomerenüberschuss von 97% ee isoliert. Eine gute Enantioselektivität von E = 20 wurde bestimmt. Der zweite Schritt dieses Verfahrens, um (S)-Monastrol herstellen zu können, besteht aus einer nicht-(R)-enantioselektiven aber chemoselektiven Hydrolyse des (S)-O-butanoylierten Monastrols. Verschiedene chemische und enzymatische Methoden wurden untersucht und die Verwendung einer Lipase aus Candida rugosa wurde als sehr geeignete Methode identifiziert. Ein Umsatz größer als 95% wurde nach 49 h erreicht und das gewünschte Produkt (S)-Monastrol wurde in 98% Ausbeute und mit einem Enantiomerenüberschuss von 96% ee isoliert.

DOI
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