Ein maßgeschneidertes chimäres Thiamindiphosphat‐abhängiges Enzym zur direkten asymmetrischen Synthese von (S)‐Benzoinen

Abstract

Thiamindiphosphat-abhängige Enzyme sind bekannt für die Katalyse der asymmetrischen Synthese von chiralen a-Hydroxyketonen ausgehend von einfachen prochiralen Substraten. Dabei wird das Produktspektrum von den sterischen und chemischen Eigenschaften des aktiven Zentrums des Enzyms festgelegt. Enzyme, die die Carboligation von aromatischen Aldehyden zu (S)-Benzoinen katalysieren, waren bisher nicht identifiziert worden. Diese Lücke konnten wir durch die Konstruktion eines chimären Enzyms schließen, das die Synthese von verschiedenen (S)-Benzoinen mit exzellenten Enantiomerenüberschüssen (> 99 %) und guten Umsätzen katalysiert.Thiamindiphosphat(ThDP)-abhängige Enzyme sind bewährte Katalysatoren für die stereo-und regioselektive Synthese von chiralen a-Hydroxyketonen mithilfe asymmetrischer C-C-Bindungsknüpfung ausgehend von Aldehyden, aKetosäuren und Ketonen.[1] Während Enzyme für die enantiokomplementäre Synthese einer breiten Palette von symmetrischen und gemischten aliphatischen, araliphatischen und aromatischen Produkten vorliegen, [2] ist bislang kein Biokatalysator für den selektiven Zugang zu (S)-Benzoinen ausgehend von Benzaldehyden verfügbar. Stattdessen stehen andere enzymatische Synthesewege zur Verfügung, darunter die kinetische Racematspaltung sowie Deracemisierung von rac-Benzoinen [3] oder die asymmetrische Reduktion von 1,2-Diarylethan-1,2-dionen (Benzile).[4] Zwar sind diese Ansätze meist durch hohe Stereoselektivitäten charakterisiert, sie haben jedoch alle denselben Nachteil: Das racemische oder prochirale Ausgangsmaterial muss zunächst chemisch synthetisiert werden. Diese zusätzlichen Schritte vermindern die Ökoeffizienz und Nachhaltigkeit des Prozesses gegenüber der direkten enzymatischen Synthese von (S)-Benzoinen ausgehend von kommerziell zugänglichen Benzaldehyden. Diese direkte Synthese ist noch immer ein Alleinstellungsmerkmal der nichtenzymatischen organischen Synthesechemie. [5] Während die R-selektive enzymatische Synthese von Benzoinen bereits gelang, [6] ist die S-selektive Synthese durch die spezifische Architektur des aktiven Zentrums der ThDPabhängigen Enzyme limitiert (Abbildung 1). Die Einführung des S-Taschen-Konzeptes ermçglichte das Design einer Sselektiven Variante der Pyruvat-Decarboxylase aus Acetobacter pasteurianus (ApPDC) zur Bildung von (S)-Phenylacetylcarbinol (PAC).[7] Der Austausch eines Glutamatrestes (E469) gegen ein Glycin erlaubte es dem Benzaldehyd, als Akzeptor vorwiegend in der antiparallelen Anordnung relativ zum ThDP-gebundenen Donor zu binden, was die Grundvoraussetzung für S-Selektivität ist. Allerdings stellt ApPDC-E469G lediglich eine kleine Donorbindestelle bereit, Abbildung 1. Schematische Darstellung des Umfangs und der Limitierungen der von ApPDC-E469G und PfBAL katalysierten Carboligationen. Die Bildung von (S)-Benzoin (1 a) wird entweder durch eine kleine Donorbindestelle (A) oder eine nicht zugängliche S-Tasche für die antiparallele Orientierung des Akzeptor-Benzaldehyds relativ zum ThDP-gebundenen Donor-Benzaldehyd (als Hydroxybenzyl) ...

(S)‐Selectivity in Phenylacetyl Carbinol Synthesis Using the Wild‐Type Enzyme Acetoin:Dichlorophenolindophenol Oxidoreductase from Bacillus licheniformis

“…[15] Remarkably, mutagenesis studies based on structural analysis of the active-site architecture have permitted the design of (S)-selective variants of ThDPdependent enzymes, thus paving the way for the formation of (S)-HPPs with wider substrate tolerance, [12c,15c] for the synthesis of (S)-5-hydroxy-4oxo-5-phenylpentanoate derivatives (from αketoglutarate donor and benzaldehydes as acceptors), [16] and for the production of (S)benzoins. [17] As far as the synthesis of pharmaceutically relevant phenylacetyl carbinols (PACs) is concerned, a variant of PDC from Acetobacter pasteurianus has been generated in a breakthrough study to produce PAC derivatives with (S)-selectivity for the first time. [18] While the mutant enzyme promoted the carboligation of benzaldehyde and acetaldehyde with modest efficiency, [12c,18a,19] (S)-PAC was suitably obtained using the same enzyme and pyruvate as donor (70% ee, 95% yield; Figure 1).…”

Mutability‐Landscape‐Guided Engineering of l‐Threonine Aldolase Revealing the Prelog Rule in Mediating Diastereoselectivity of C−C Bond Formation

“…The path hypothesis and Prelog rule are actually common in the enzymes promoting the formation C−C bonds, such as coenzyme‐independent aldolase, [2a] transaldolases, [2b] transketolases [22] and so forth. For example, two substrate access tunnels ( S ‐pathway and R ‐pathway) of thiamine diphosphate‐dependent pyruvate decarboxylase were identified, and the hot regions in the tunnels were engineered for asymmetric synthesis of ( S )‐benzoin [30] . Guided by the path hypothesis and the Prelog rule, the substrate access tunnel could be identified readily (Figure 7D), which contributes to exploring the stereoselectivity mechanism.…”

Intramolecular Stereoselective Stetter Reaction Catalyzed by Benzaldehyde Lyase

“…As shown in Figure 2 b, the enzymatic process led to a significant enhancement in the catalytic efficiency compared to the two organocatalysts, displaying a hundred-fold improvement in the TON as well as a significant increase in the enantioselectivity. Interestingly, the biocatalytic transformation could be smoothly achieved in acidic, neutral, or slightly alkaline condition, which represented a significant deviation from the traditional base-dependent NHC-catalyzed process (Fig- [13] BFD; PDB: 1MCZ; [14] MenD PDB: 5EJM; [15] ApPDC, PDB: 2VBI [16] ). 20% MTBE [b] 91 98:2 7…”

“…Models of four typical ThDP-dependent enzymes with 1 a docked into the active sites. (pfBAL, PDB: 3D7K,[13] BFD; PDB: 1MCZ;[14] MenD PDB: 5EJM;[15] ApPDC, PDB: 2VBI[16] ).…”