Biotransformationen an Derivaten ungewöhnlicher, cyclischer Aminosäuren

Abstract

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit sollten Biotransformationsverfahren für die Darstellung von enantiomerenreinen Derivaten zweier cyclischer Aminosäuren entwickelt werden: (i) ß-Amino-cyclopropancarbonsäure (ß-ACC) und (ii) Pipecolinsäure (Pip, Piperidin-2-carbonsäure). Beide Stoffe sind als Synthesebausteine für pharmazeutisch wirksame Verbindungen von Interesse. Ausgehend von dem bisher nur racemisch zugänglichem ß-ACC-Syntheseintermediat N-tert-Butyloxycarbonyl-2-Azabicyclo[3.1.0]hex-3-en-6-carbonsäuremethylester [(rac)-1] wurden stereoselektive enzymatische Esterspaltungen und Umesterungen untersucht. Hydrolytische Biotransformationen erwiesen sich dabei als vorteilhafter. Mit dem aktivsten und selektivsten Enzym, der Lipase B aus Candida antarctica, wurde nach Optimierung der Reaktionsbedingungen ein präparatives Verfahren für die Racematspaltung von [1] entwickelt und angewandt. Dabei konnte eine Enantioselektivität der Reaktion von E = 34 erreicht werden. Die dargestellten Produkte [(-)-1] und (+)-N-tert-Butyloxycarbonyl-2-Azabicyclo[3.1.0]hex-3-en-6-carbonsäure dienten als Edukte für die Synthese von enantiomerenreinen cis- und trans-ß-ACC-Derivaten. Da bisher beschriebene biokatalytische Verfahren zur Darstellung von Pip-Derivaten durchweg Ausbeuten unter 50 % lieferten, lag der Schwerpunkt auf der Entwicklung eines Verfahrens, das prinzipiell Ausbeuten von 100 % enantiomerenreinem Produkt ermöglicht. Dazu sollte die spontane Racemisierung von N-p-Toluolsulfonyl-pipecolinaldehyd [(rac)-2] mit einer möglichst hochselektiven Biotransformation gekoppelt werden. Bei einem Screening erwies sich die Bioreduktion von [2] mit der Alkoholdehydrogenase aus Pferdeleber als hochaktiv und enantiospezifisch. Nach Kopplung mit einer enzymatischen NADH-Regenerierung wurde das resultierende Batch-System reaktionskinetisch charakterisiert und optimiert. In einer präparativen Umsetzung wurde enantiomerenreiner N-p-Toluolsulfonyl-D-pipecolinalkohol in 73 % Ausbeute gewonnen. Within the scope of the present thesis, biotransformation processes for the production of enantiomerically pure derivatives of (i) ß-aminocyclopropanecarboxylic acid (ß-ACC) and (ii) pipecolic acid (Pip) should be developed. Both amino acids are interesting building blocks for the synthesis of pharmaceutically active compounds. Starting from the racemic ß-ACC-derivative N-tert-butyloxycarbonyl-2-azabicyclo[3.1.0]hex-3-ene-6-carboxylic acid methyl ester [(rac)-1], enzymatic ester hydrolyses and transesterifications were studied. The former reaction type was found to be superior in comparison to the latter. Screening experiments revealed lipase B from Candida antarctica as the most active and selective enzyme. After optimization of the reaction conditions, a preparative scale process for the resolution of [1] could be developed and applied, and an enantiomeric ratio of E = 34 could be achieved. Thereby obtained compounds [(-)-1] and (+)-N-tert-butyloxy-carbonyl-2-azabicyclo[3.1.0]hex-3-ene-6-carboxylic acid served as chiral starting materials for the synthesis of enantiopure cis- and trans-ß-ACC derivatives. All biocatalytical methods reported so far for the production of optically active Pip derivatives suffered in low yields (< 50 %). Therefore, the main focus was the development of a process which enabled 100 % yield of enantio-pure product. For this purpose, the spontaneous racemization of N-­p-toluenesulfonyl pipecolic aldehyde [(rac)-2] should be coupled with a preferably enantiospecific biotransformation process. After a screening, the bioreduction of [2] with alcohol dehydrogenase from horse liver proved highly active and enantiospecific. The bioreduction was coupled with an enzymatic NADH regeneration method and the reaction kinetics of the resulting batch-system was analyzed. After optimization of the reaction conditions, optically pure N-p-toluenesulfonyl-D-pipecolic alcohol was synthesized by means of a preparative scale conversion in 73 % yield.