Μελέτη για την ανάπτυξη νέας φωτο-βιοκαταλυτικής μεθόδου για τη σύνθεση οπτικά ενεργών αλκοολών και υποκατεστημένων κετονών: χημειοενζυμική σύνθεση οπτικά καθαρών α,α-διχλωρο-β-υδρόξυ εστέρων

Abstract

The subject of this thesis falls in the field of biocatalysis and photocatalysis, and mainly includes efforts to develop and study a new synthetic methodology that combines these two fields. The combination of chemocatalysis and biocatalysis in multistep synthetic processes is a very dynamic and rapidly developing research field for the synthesis of high added value chemical products such as optically pure alcohols and substituted ketones. More specifically, the first section presents the study on the synthesis of optically pure alcohols and substituted ketones in a single step (one-pot) through a combination of the non-metallic carbon nitride photocatalyst enriched on its surface with carbon nanoparticles (CD-C3N4) and different bioreductive enzymes. The overall strategy is based on a three-step sequence at ambient temperature and pressure. The original idea is that starting from an alkene by photooxygenation with excited oxygen (1O2) an allylic hydroperoxide intermediate is formed, which is then reduced to racemic allyl alcohol. The reaction involves the use of either a classical photosensitizer such as tetraphenylporphyrin TPP or CD-C3N4 as a photosensitizer (prepared in our laboratory). Upon further photooxidation under visible light using CD-C3N4 or an aqueous-compatible photocatalyst such as sodium anthraquinone (SAS), the material is converted to the corresponding α,β-unsaturated ketone. The final step is the asymmetric biocatalytic reduction of the ketone’s double bond leading to the stereoselective formation of the optically pure ketone or a stereoselective carbonyl bioreduction to the optically pure allylic alcohol. This section includes the synthesis of different α,β-unsaturated ketone substrates, the study of their biocatalytic reduction with enzymes of different specificity including ketoreductases and ene reductases (EReds), as well as the combination experiments in a sequence of photocatalytic (with different photocatalysts) and biocatalytic reactions. Enzymatic reduction of the double bonds of the racemic enones was completely successful and different EReds were identified with excellent activity (>99% conv.) yielding the corresponding optically active α-substituted ketones with excellent enantioselectivity (99% ee.). Although the results of these enzymatic reductions using ene reductases were very satisfactory, the extensive investigation of the photooxidation of racemic allylic alcohol precursors with the above-mentioned photocatalysts did not have the corresponding expected results even after numerous attempts and tests and for this reason it was not finally feasible to develop the originally proposed one-pot process. The second section presents the photooxidations of aryl alcohols using CD-C3N4 as well as mechanistic studies for the specific reactions. CD-C3N4 was shown to act as a fairly efficient non-metallic photocatalyst for the photooxidation of different aryl alcohols in the presence of molecular oxygen. The experiments carried out highlight the photoinduced electron transfer in the valence band and conduction band of the material as well as a hydrogen abstraction in the product determining step of the reaction. The kinetic study of the photooxidations of different p-substituted aryl alcohols was carried out as well as a study of the kinetic isotope effects, which clearly demonstrated the hydrogen abstraction in the reaction-determining step. In the third section, a novel, and highly efficient one-step method for the dichlorination of β-keto esters and 1,3-diketones via the Oxone/AlCl3 system was developed. Inexpensive, relatively non-toxic and safe reagents in aqueous medium were used in this process. The exclusive formation of dichlorinated compounds in high yields and the short reaction times make this method very attractive. The possible mechanistic aspects of this reaction were also reported. This specific methodology constitutes a new powerful synthetic tool for the dichlorination of β-dicarbonyl substrates. In the last section, a fairly efficient chemoenzymatic methodology was developed for the synthesis of seven optically pure α,α-dichloro-β-hydroxy esters in two steps, starting from β-keto esters, with the key step being the enantioselective bioreduction of α,α-dichloro-β -keto esters using NADPH-dependent ketoreductases. This novel biotransformation affords, in a single synthetic step, seven different (S)-α,α-dichloro-β-hydroxy esters with excellent conversion rates, quite high yields and most importantly with excellent enantioselectivities (>99% ee).

Το αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής εμπίπτει στα πεδία της βιοκατάλυσης και της φωτοκατάλυσης, και περιλαμβάνει κυρίως τις προσπάθειες για ανάπτυξη και μελέτη μιας νέας συνθετικής μεθοδολογίας που συνδυάζει αυτά τα δύο πεδία. Ο συνδυασμός χημειοκατάλυσης και βιοκατάλυσης σε συνθετικές διεργασίες πολλαπλών σταδίων αποτελεί πολύ δυναμικό και ταχέως αναπτυσσόμενο πεδίο έρευνας για τη σύνθεση χημικών προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας, όπως οπτικώς καθαρών αλκοολών και υποκατεστημένων κετονών. Πιο συγκεκριμένα, στην πρώτη ενότητα παρουσιάζεται η μελέτη για την σύνθεση οπτικά καθαρών αλκοολών και υποκατεστημένων κετονών σε ένα και μόνο στάδιο (one-pot), μέσω συνδυασμού του μη μεταλλικού φωτοκαταλύτη νιτριδίου του άνθρακα εμπλουτισμένου στην επιφάνεια με νανοσωματίδια άνθρακα (CD-C3N4) και διαφορετικών βιοαναγωγικών ενζύμων. Η συνολική στρατηγική βασίζεται σε μια ακολουθία τριών σταδίων σε θερμοκρασία και πίεση περιβάλλοντος. Η αρχική ιδέα είναι ότι ξεκινώντας από ένα αλκένιο με φωτοοξυγόνωση με διεγερμένο οξυγόνο (1O2) σχηματίζεται ένα ενδιάμεσο αλλυλικό υδροϋπεροξείδιο χρησιμοποιώντας είτε έναν κλασσικό φωτοευαισθητοποιητή, όπως είναι η τετραφαινυλοπορφυρίνη TPP, είτε CD-C3N4 ως φωτοευαισθητοποιητή (η παρασκευή του πραγματοποιήθηκε εργαστηριακά), το οποίο στη συνέχεια ανάγεται προς ρακεμική αλλυλική αλκοόλη. Με περαιτέρω φωτοξείδωση κάτω από ορατό φως με τη χρήση του CD-C3N4 ή ενός φωτοκαταλύτη συμβατού σε υδατικό περιβάλλον, όπως η ανθρακινόνη του νατρίου (SAS), μετατρέπεται στην αντίστοιχη α,β-ακόρεστη κετόνη. Το τελευταίο στάδιο είναι η ασύμμετρη βιοκαταλυτική αναγωγή του διπλού δεσμού που οδηγεί στον στερεοεκλεκτικό σχηματισμό της οπτικά καθαρής κετόνης ή μια στερεοεκλεκτική βιοαναγωγή καρβονυλίου προς την οπτικά καθαρή αλλυλική αλκοόλη. Η ενότητα αυτή περιλαμβάνει τη σύνθεση διαφορετικών υποστρωμάτων α,β-ακόρεστων κετονών, τη μελέτη της βιοκαταλυτικής αναγωγής τους με διαφορετικής ειδικότητας ένζυμα, κετορεδουκτάσες και ρεδουκτάσες ενίου (EReds), καθώς και τα πειράματα συνδυασμού σε μια αλληλουχία φωτοκαταλυτικών (με διαφορετικούς φωτοκαταλύτες) και βιοκαταλυτικών αντιδράσεων. Η ενζυμική αναγωγή των διπλών δεσμών των ρακεμικών ενονών ήταν απόλυτα επιτυχής και προσδιορίστηκαν διαφορετικές EReds με εξαιρετική δραστικότητα (>99% conv.) αποδίδοντας τις αντίστοιχες οπτικά ενεργές α-υποκατεστημένες κετόνες με εξαιρετική εναντιοεκλεκτικότητα (99% ee.). Παρόλο που τα αποτέλεσματα των ενζυμικών αναγωγών με τη χρήση ρεδουκτασών ενίου ήταν πολύ ικανοποιητικά, η εκτενής διερεύνηση της φωτοξείδωσης των πρόδρομων ρακεμικών αλλυλικών αλκοολών με τους προαναφερθέντες φωτοκαταλύτες δεν είχαν το αντίστοιχο επιθυμητό αποτέλεσμα έπειτα από πολλές προσπάθειες και δοκιμές και για αυτό το λόγο δεν κατέστη τελικά εφικτή η ανάπτυξη της αρχικά προταθείσας one-pot διεργασίας.Στη δεύτερη ενότητα παρουσιάζονται οι φωτοξειδώσεις αρυλο αλκοολών με τη χρήση του CD-C3N4 καθώς και μηχανιστικές μελέτες για τις συγκεκριμένες αντιδράσεις. Το CD-C3N4 αποδείχθηκε ότι μπορεί να λειτουργήσει ως ένας αρκετά αποτελεσματικός μη μεταλλικός φωτοκαταλύτης για την φωτοξείδωση διαφορετικών αρυλο αλκοολών παρουσία μοριακού οξυγόνου. Τα πειράματα που διενεργήθηκαν αναδεικνύουν την φωτοεπαγόμενη μεταφορά ηλεκτρονίου στη ζώνη σθένους και ζώνη αγωγιμότητας του υλικού καθώς και την απόσπαση μιας ρίζας υδρογόνου στο καθοριστικό για την αντίδραση στάδιο. Πραγματοποιήθηκε κινητική μελέτη των φωτοξειδώσεων διαφορετικών p-υποκατεστημένων αρυλο αλκοολών καθώς και μελέτη των κινητικών ισοτοπικών φαινομένων, τα οποία κατέδειξαν με σαφή τρόπο την απόσπαση υδρογόνου στο καθοριστικό για την αντίδραση στάδιο. Στην τρίτη ενότητα, αναπτύχθηκε μια νέα, εξαιρετικά αποτελεσματική μέθοδος ενός σταδίου για την διχλωρίωση των β-κετο εστέρων και 1,3-δικετονών μέσω του συστήματος Oxone/AlCl3. Σε αυτή τη διαδικασία χρησιμοποιήθηκαν φθηνά, σχετικά μη τοξικά και ασφαλή αντιδραστήρια σε υδατικό μέσο. Ο αποκλειστικός σχηματισμός των διχλωριωμένων ενώσεων σε υψηλές αποδόσεις και σύντομους χρόνους αντίδρασης καθιστούν αυτή τη μέθοδο πολύ ελκυστική. Επίσης αναφέρθηκαν και οι πιθανές μηχανιστικές πτυχές αυτής της αντίδρασης. H συγκεκριμένη μεθοδολογία αποτελεί ένα νέο ισχυρό συνθετικό εργαλείο για τη διχλωρίωση των β-δικαρβονυλικών υποστρωμάτων. Στην τελευταία ενότητα αναπτύχθηκε μια αρκετά αποτελεσματική χημειοενζυμική μεθοδολογία για τη σύνθεση οπτικά καθαρών α,α-διχλωρο-β-υδρόξυ εστερων σε δύο στάδια, ξεκινώντας από β-κετο εστέρες, με στάδιο κλειδί την εναντιοεκλεκτική βιοαναγωγή των α,α-διχλωρο-β-κετο εστέρων χρησιμοποιώντας NADPH-εξαρτώμενες κετορεδουκτάσες. Αυτός ο νέος βιομετασχηματισμός παρέχει σε ένα μόνο συνθετικό στάδιο επτά διαφορετικούς (S)-α,α-διχλωρο-β-υδρόξυ εστέρες με εξαιρετικά ποσοστά μετατροπής, αρκετά υψηλές αποδόσεις και το πιο σημαντικό εξαιρετική εναντιοεκλεκτικότητα (>99% ee).