Enzymatische allylische Oxidation mit Lyophilisaten des Pleurotus sapidus

Abstract

Ziel dieser Doktorarbeit war die Prüfung des Anwendungspotenzials eines neuartigen Biokatalysators für das synthetisch organische Labor und die Evaluierung dessen Substratspektrums. Das Lyophilisat von Pleurotus sapidus ist zur allylischen Oxidation von cyclischen Olefinen in der Lage und besitzt viele erfolgversprechende Eigenschaften. Es ist nicht giftig, sicher und einfach herzustellen, spezifisch in der Reaktion und zeigt ein breites Substratspektrum. Die katalytische Reaktion folgt den Regeln der Radikalchemie, weshalb die Regioselektivität gut vorhersagbar ist. Aus diesen Gründen ist der Biokatalysator sowohl fürs industrielle als auch fürs akademische Umfeld gut geeignet.Basierend auf den Erkenntnissen der Biotransformation von Valencen 12 konnten zahlreiche weitere Mono- und Sesquiterpene erfolgreich biotransformiert werden. Um den neuartigen Biokatalysator in einem organisch chemischen Labor nutzen zu können, wurde zunächst ein Scale-up durchgeführt. Anschließend wurde eine Standardmethode entwickelt, um das größtmögliche Potenzial des Biokatalysators zu erreichen. Jedoch bietet vor allem die Aufarbeitung nach der Biotransformation Optimierungspotenzial. Dadurch wäre sicherlich auch eine Steigerung der Ausbeuten möglich.Cyclohexen 45 und seine Derivate konnten erfolgreich zu Enonen und Allylalkoholen oxidiert werden. Substrate, welche das Cyclohexengrundgerüst enthalten, wurden bevorzugt umgesetzt. Hingegen konnte Cyclohepten 48 nur langsam und Cyclopenten 20 gar nicht biotransformiert werden. Eine benzylische Oxidation mit dem Lyophilisat des P. sapidus ist grundsätzlich möglich, läuft aber mit geringeren Umsetzungsraten als die allylische Oxidation ab.Bei vielen Substraten, einschließlich der heterocyclischen Substrate, war eine Umsetzung nur dann möglich, wenn ein stabilisiertes Radikal gebildet werden konnte. Bei den O-Heterocyclen wurde die Bildung von Lactonen bevorzugt und die Boc-geschützten N-Heterocyclen bildeten Diole, welche mittels Röntgendiffraktometie vermessen werden konnten.Mit Ausnahme des terpenoiden Citronellals 86 konnte kein weiteres acyclisches Substrat oxidiert werden. Mittels MALDI- und IR-Analytik konnte aber die Umsetzung des aus Polybutadien bestehenden Polyöls 110 bestätigt werden. Für zukünftige Projekte wäre eine vollständige Strukturaufklärung mit Hilfe von Modellverbindungen eventuell möglich.In dieser Arbeit konnte ebenfalls gezeigt werden, dass der Biokatalysator erfolgreich in mehrstufigen organischen Synthesen eingesetzt werden kann. Dadurch konnte zum Beispiel in der Synthese von Weinlacton 104 ein chromhaltiges Oxidationsmittel PDC vermieden werden. Bei der Biotransformation von Neroloxid 101 konnte ein neuartiges, nicht-literaturbekanntes Molekül 103 isoliert werden, welches ein interessantes Aromaprofil besitzt. The aim of this thesis was the examination of the synthetic potential of a new biocatalyst and the evaluation of its substrate spectrum. The lyophilisate of an edible fungus Pleurotus sapidus is able to perform the allylic oxidation of cyclic olefins and has many promising features. It is non-toxic, safe and readily available even for synthetic laboratories without microbiological expertise. In addition the reaction with the biocatalyst is specifically and has a broad substrate scope. The catalytic reaction works in accordance with the rules of radical chemistry, therefore the regioselectivity is well predictable. For these reasons the new biocatalyst is well suited for the application in industrial as well as in the academic area.Based on the results of the biotransformation of valencene 12 numerous other mono- and sesquiterpenes have been successfully bioconverted. For using the novel biocatalyst in an organic laboratory, a scale-up was performed first. Subsequently, a standard method was developed. However, the work-up after the biotransformation provides still potential for optimization.Cyclohexene 45 and its derivatives were successfully oxidized to enones and allyl alcohols. Substrates, which contain the cyclohexene backbone, were preferably converted. By contrast, cyclopentene 20 was not recognized as a substrate at all, and cycloheptene 48 was oxidized very slowly to the corresponding enone 49 and ketone 50. Benzylic substrates were also converted by PSA although significantly slower than cycloalkenes.Remarkable is the fact, that for many substrates, including heterocyclic substrates, a conversion was only possible, when a stabilized radical could be formed. O-heterocycles preferred the formation of lactones and Boc-protected N-heterocycles formed diols, which could be analyzed by X-ray diffraction.With the exception of the terpenoic citronellal 86 no further acyclic substrates could be oxidized. The conversion of Polyöl 110, which consists of polybutadiene, has been verified by MALDI and IR-analytics. For future projects, a complete structural analysis using model compounds would be eventually possible.In addition, this work shows that the biocatalyst can be successfully used for multistage organic synthesis. In the synthesis of winelactone 104 a chrome-VI-containing oxidadant PDC could be avoided. The bioconversion of neroloxide 101 resulted in an isolation of a new molecule 103. This molecule 103 shows a very interesting aroma profile and is not known in the literature yet.