11.3: Реакції зниження

Last updated
Save as PDF

Page ID: 20994

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Енантіоселективне зменшення подвійних зв'язків C = X (X = O, NR, C) до одномісних зв'язків C-XH відіграє важливу роль в асиметричному синтезі.

Зниження кетонів

Енантіоселективне зниження кетонів являє собою атомно-економічний підхід до оптично активних спиртів. Біокаталітичне відновлення кетонів засноване на застосуванні спиртово-дегідрогенази (АДГ) в якості каталізатора, а кофактора як відновника. Наприклад, АДГ від Leifsonia sp. каталізує відновлення заміщеного ацетофенону для отримання вторинних спиртів з високою енантіоселективністю (Схема\(\PageIndex{1}\)). У цьому процесі 2-пропанол виступає відновником, окислюючись в ацетон.

Кето-група 2,5-дикето-ефіру може бути вибірково зменшена з відмінною регіо- та енантіоселективністю за допомогою клітин E. coli з надмірною експресією АДГ з Lactobacillus brevis (Схема\(\PageIndex{2}\)). У цьому процесі 2-пропанол виступає відновником, окислюючись в ацетон.

Зменшення широкого спектру аліфатичних та ароматичних кетонів може бути здійснено за допомогою R. ruber ADH для отримання відповідних спиртів з чудовою енантіоселективністю в 2-пропанолі (схема\(\PageIndex{7}\)).

Тоді як форміатдегідрогеназа (FDH) з C. boidinii каталізує вибірково відновлення кето-групи β -кето-ефірів з високою енантіоселективністю. У цій реакції форміат окислюється в вуглекислий газ (Схема\(\PageIndex{4}\)).

Цільноклітина на основі ФДГ може бути використана для відновлення етилу 4-хлор-3-оксобутаноату з 99% ee (Схема\(\PageIndex{5}\)).

Застосування ФДГ від C. boidinii має обмеження через його нездатність регенерувати NADP ⁺. Це було подолано шляхом розширення діапазону застосування регенерації кофакторів на основі ФДГ до NADP ⁺ -залежних ADH (схема\(\PageIndex{6}\)). Це передбачає інтеграцію додаткового ферментативного етапу в циклі кофактор-регенерації, що є прикладом зниження ацетофенону до (R) -фенілетанолу. У цьому процесі піридинуклеотидна трансгідрогеназа (ПНТ) -каталізує регенерацію NADPH з ^NADP+ при споживанні NADH, що утворює NAD ⁺.

Далі для переробки кофактора NAD (P) H було продемонстровано використання глюкозодегідрогенази (ГДГ). У цій системі D-глюкоза окислюється до D-глюконолактону, тоді як окислений кофактор NAD (P ⁺) знижується до NAD (P) H. Оскільки D-глюконолактон потім гідролізується в D-глюконову кислоту, реакція є незворотною зміщуючи весь процес до утворення бажаного спиртового продукту. Цей процес регенерації кофактора GDH був використаний для зменшення кетону до алкоголю з високою енантіоселективністю (схема\(\PageIndex{7}\)).

Цей принцип нещодавно був використаний для відновлення етилу 6-бензилокси-3,5-діоксогексаноату, щоб дозволити собі етил (3 R ,5 S) -6-бензилокси-3,5-дігідроксигексаноат з 99% ee, використовуючи АДГ від Acinetobacter calcoaceticus у поєднанні з GDH та глюкозою (Схема \(\PageIndex{8}\)).

Зниження кетонів

Рекомбінантна цільноклітинна каталітична система, що має кишкову паличку, спільно експресуючу як АДГ з S. salmonicolor, так і GDH з B. megaterium, була розроблена для асиметричного відновлення 4-хлор-3-оксобутаноату в суміші n -бутилацетат/вода ( Схема\(\PageIndex{9}\)). Це елегантний підхід до індивідуальних біокаталізаторів, що містять обидва бажаних ферментів, АДГ і GDH, в надмірно вираженій формі (схема\(\PageIndex{9}\)).

Застосування рекомбінантної цільноклітинної біокаталітичної системи було додатково продемонстровано в чистих водних середовищах без необхідності додавання зовнішньої кількості кофактора (Схема\(\PageIndex{10}\)). Цей метод економічний і простий, і знаходить застосування для зменшення широкого спектру кетонів (Схема\(\PageIndex{10}\)).

Редуктивне амінування α -кетокислот

Асиметричне відновлювальне амінування α -кетокислот, каталізоване ензимом, являє собою простий спосіб доступу до оптично активних α -амінокислот. Наприклад, L-трет-лейцин, який служить будівельним блоком для фармацевтичної промисловості, отримують з високою конверсією та енантіоселективністю за допомогою лейциндегідрогенази для відновного амінування та FDH з C.boidinii (Схема\(\PageIndex{11}\)). Останній необхідний для переробки на місці кофактора NADH.

Аналогічним чином синтез L-6-гідроксинорлейцину може бути здійснений з α -кетокислоти з повним перетворенням і> 99% енантіоселективності (Схема\(\PageIndex{12}\)). У цій реакції глутаматдегідрогеназа яловичої печінки була використана як L-амінокислотна дегідрогеназа, а GDH з B. megaterium був використаний для регенерації кофактора.

Однак необхідність додавання дорогого кофактора NAD ⁺, а також виділення і вартість ферментів роблять ці підходи обмеженими. Таким чином, були докладені зусилля для вирішення цих аспектів шляхом використання цільноклітинного каталізатора, що має як амінокислотну дегідрогеназу, так і FDH в надмірно вираженій формі. Наприклад, синтез L-аллізинетиленацеталу був показаний за допомогою цільноклітинного каталізатора, клітин Pichia pastoris, що мають фенілаланіндегідрогеназу з Thermoactinomyces intermedius та FDH з P. pastoris (Схема\(\PageIndex{13}\)).

Зменшення подвійних зв'язків з активованим вуглецем-вуглецем

Відновлення вуглецево-вуглецевих подвійних зв'язків за допомогою біокаталітичних систем має високий потенціал в органічній хімії. Однак цей процес менш досліджений порівняно зі зниженням C = O кетонів та кето-ефірів. Зниження подвійного зв'язку вуглецево-вуглецевого в кетоізофорні було здійснено за допомогою цільноклітинного каталізатора, надмірного експресії енолатредуктази з Candida macedoniensis та GDH (схема\(\PageIndex{13}\)). Це дослідження можна розглядати як одну з новаторських робіт у відновленні вуглецево-вуглецевих подвійних зв'язків за допомогою біокаталітичних систем.

α, β -ненасичені карбонові кислоти також можуть використовуватися в якості субстратів. Наприклад, α -хлороакрилова кислота може бути перетворена в α -хлорпропіонат за допомогою енолатредуктази з Burkholderia sp., при високій енантіоселективності (Схема\(\PageIndex{14}\)).

Крім того, енон і α, β -ненасичена карбонова кислота, нітроалкани також є придатними субстратами для еноатредуктази. Наприклад, при відновленні подвійного зв'язку вуглець-вуглець в Z -нітроалкенах протікають реакції з отриманням 2-заміщених 3-нітропропаноатів з високою конверсією і в більшості випадків з високою енантіоселективністю (Схема\(\PageIndex{15}\)).

Пересамінування\(\PageIndex{1}\)

Залежно від характеру трансамінази α -кетокислоти і кетони протікають реакцію з отриманням α-амінокислот і амінів зі стереогенним центром в α -положенні відповідно. Наприклад, для синтезу різних видів ненатуральних 3- або 4-заміщених аналогів глутамінової кислоти використано зв'язок процесу трансамінази з використанням цистеїнового сульфіну в якості амінодонора незворотного аспартатамінотрансферазо-каталізованого процесу з використанням цистеїнового сульфіну кислоти в якості\(\PageIndex{16}\) амінодонора.

Крім того, високоефективний синтез (S) -метоксиізопропіламін був здійснений за допомогою рекомбінантного цільноклітинного каталізатора, що надмірно експресує трансаміназу. Ключовою особливістю цього процесу є висока концентрація субстрату, і бажану молекулу-мішень можна отримати з відмінною енантіоселективністю (Схема\(\PageIndex{17}\)).