University of Groningen Chemo-enzymatic routes to enantiopure haloalcohols and epoxides Haak, Robert M. IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from it. Please check the document version below. Document Version Publisher's PDF, also known as Version of record Publication date: 2008 Link to publication in University of Groningen/UMCG research database Citation for published version (APA): Haak, R. M. (2008). Chemo-enzymatic routes to enantiopure haloalcohols and epoxides s.n. Copyright Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons). Take-down policy If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim. Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum. Download date: 11-08-2017
Chemo-Enzymatic Routes to Enantiopure Haloalcohols and Epoxides Samenvatting In de organische chemie houdt men zich bezig met het maken van moleculen, wat organische synthese genoemd wordt, en het bestuderen van hun eigenschappen. Moleculen zijn de kleinste deeltjes van een stof die nog de chemische eigenschappen van die stof bezitten. Moleculen zijn zelf opgebouwd uit atomen, ook wel elementen genoemd, die met elkaar verbonden zijn door chemische bindingen. Tijdens een chemische reactie worden sommige bindingen verbroken en andere gevormd, en zodoende kan de ene stof omgezet worden in de andere. Inzicht in chemische reactiviteit op moleculair niveau welke bindingen worden precies verbroken en gevormd onder welke omstandigheden is van groot belang, om selectief die stof te kunnen maken die gewenst is, bijvoorbeeld nieuwe medicijnen of kunststoffen met verbeterde eigenschappen. Verder is het van belang om niet alleen datgene te maken wat je wilt, maar ook zo snel en goedkoop mogelijk, onder energiezuinige omstandigheden en met zo weinig mogelijk afvalproducten. Om de synthese van stoffen te versnellen, bestaan verschillende technieken. Zo verlopen chemische reacties doorgaans sneller bij hogere temperatuur. Een nadeel hierbij is dat het vaak ook lastiger te controleren is wat er op moleculair niveau precies gebeurt, waardoor de reactie minder selectief wordt. Ζo kunnen er allerlei ongewenste bijproducten ontstaan, die vervolgens weer van het product gescheiden moeten worden. Een andere manier om reacties sneller te maken, is het gebruik van katalysatoren. Dit zijn stoffen die een reactie versnellen zonder daarbij zelf verbruikt te worden, wat dus betekent dat je in principe aan een zeer kleine hoeveelheid katalysator genoeg hebt. Bijkomend voordeel is dat katalysatoren een reactie vaak niet alleen sneller, maar ook selectiever maken. In het onderzoek beschreven in dit proefschrift, zijn twee typen katalysatoren gebruikt, waarvan het eerste type is gebaseerd op metalen met daaromheen zogenaamde liganden. Dit zijn organische moleculen die de eigenschappen van het metaal beïnvloeden. De aldus gevormde metaalcomplexen brengen de uitgangsstof en de overige reactanten bij elkaar in de buurt en bevorderen op die manier de reactie. Daarnaast is gebruik gemaakt van enzymen, complexe eiwitverbindingen die door levende cellen worden gebruikt om biologische processen te versnellen, vaak met een factor van een miljoen of nog hoger. Met de juiste technieken kunnen enzymen echter ook buiten de cel gebruikt worden voor de katalyse van chemische reacties. Verder kunnen metaalkatalysatoren en enzymen ook in combinatie worden toegepast, om 183
Samenvatting meerdere reactiestappen tegelijkertijd te versnellen en zodoende ingewikkelder reacties mogelijk te maken. Dit onderzoek concentreerde zich voornamelijk op twee typen verbindingen, epoxiden en haloalcoholen (zie Figuur 1). Dit zijn veelgebruikte en veelzijdige bouwstenen in de synthese. Met name epoxiden het epoxide is de drieringverbinding gevormd door twee koolstofatomen en een zuurstofatoom worden veel gebruikt. Haloalcoholen dit zijn alcoholen met tevens een halogeenatoom in het molecuul, zoals chloor of broom zijn in één stap om te zetten in epoxides. Zowel epoxiden als haloalcoholen kunnen reageren met een grote verscheidenheid aan andere stoffen. Figuur 1 a) Een epoxide, b) een chloroalcohol, c) een bromoalcohol. De "R" staat voor een willekeurige zijgroep. Een belangrijk begrip dat op veel plaatsen in dit proefschrift terugkomt, is chiraliteit. Dit woord is afgeleid van het Griekse χειρ (cheir, hand). Een voorwerp is chiraal als het niet door rotatie of verplaatsing volledig identiek te maken is met zijn spiegelbeeld. In het dagelijks leven zijn veel dingen chiraal, denk maar aan handen of voeten. Ook veel moleculen zijn chiraal, waarbij de twee spiegelbeelden enantiomeren worden genoemd. Enantiomeren worden onderscheiden door de voorvoegsels R en S. Enantiomeren hebben dezelfde fysische en chemische eigenschappen in een niet-chirale omgeving, zoals bijvoorbeeld smeltpunt of kookpunt, maar verschillen van elkaar onder chirale omstandigheden. Zo kan het zijn dat het (R)-enantiomeer van een molecuul sneller reageert met een andere chirale verbinding of katalysator dan het (S)-enantiomeer, of andersom. In dit proefschrift komen een aantal duidelijke voorbeelden hiervan naar voren. Ook in het lichaam, dat voor een belangrijk deel uit chirale moleculen is opgebouwd, kunnen enantiomeren verschillende effecten hebben. Dit komt doordat enantiomeren een verschillende interactie hebben met de receptoren voor bijvoorbeeld geur- en smaakstoffen. Dit is enigszins te vergelijken met een handschoen, waarvan de linker beter om de linkerhand past, terwijl de rechter juist een betere interactie heeft met de rechterhand. Een voorbeeld is carvon, waarvan het (R)-enantiomeer naar munt ruikt en het (S)-enantiomeer naar karwij (Figuur 2). Ook de enantiomeren van medicijnen kunnen verschillende effecten hebben, waarbij het regelmatig voorkomt dat slechts één van de enantiomeren het gewenste medicinale effect heeft, terwijl het andere enantiomeer inactief of zelfs schadelijk is. 184
Chemo-Enzymatic Routes to Enantiopure Haloalcohols and Epoxides Figuur 2 Beide enantiomeren van carvon. De vetgedrukte binding steekt naar voren en de gestippelde binding naar achteren, (R)- en (S)-carvon zijn dus spiegelbeelden van elkaar. Hoofdstuk 1 geeft een inleiding op het onderzoek beschreven in dit proefschrift, waarbij verscheidene belangrijke concepten worden uitgelegd en in perspectief geplaatst. Hierbij gaat het om onderwerpen als procesintensificatie, chiraliteit, enzymkatalyse, en (dynamische) kinetische resolutie. Verder wordt een aantal baanbrekende resultaten aangestipt van onderzoek waarin methoden uit bio- en chemokatalyse worden gecombineerd. Afgezien van dynamische kinetische resolutie valt hierbij te denken aan kunstmatige enzymen of DNA-katalyse. In Hoofdstuk 2 wordt het onderwerp procesintensificatie verder uitgediept. In dit onderzoek is een speciaal type reactor gebruikt met als doel reacties efficiënter te laten verlopen. Deze reactor heet "Centrifugal Contact Separator" (CCS), dat wil zeggen dat het een snel ronddraaiend binnenwerk heeft waarin twee niet-mengbare vloeistofen snel en intensief met elkaar in contact gebracht worden, waarna ze gescheiden de reactor weer verlaten (Figuur 3). Een praktisch voorbeeld van deze laatste eigenschap is de toepassing van CCS-technologie om ruwe olie van zeewater te scheiden na olierampen. Het innovatieve concept was om een apparaat van dit type als reactor te gebruiken voor zogenaamde twee-fasen reacties. In zulke reacties bevinden de uitgangsstof en het uiteindelijk gevormde product zich in de ene fase, bijvoorbeeld een oplossing op basis van tolueen, een vloeistof die niet met water mengt. In de andere fase, wat doorgaans een waterige oplossing is, bevinden zich de reagentia en de katalysator voor de reactie. Het potentiële voordeel van deze aanpak is duidelijk: door het intensieve mengen in het binnenwerk van de CCS kan de reactie efficiënt plaatsvinden, terwijl het product en katalysator / reagentia het apparaat gescheiden verlaten, wat de zuivering van het product een stuk eenvoudiger maakt. Verder kan hierdoor de uitgaande productstroom direct worden gebruikt als ingaande stroom voor een volgende CCS. Met andere woorden, de reactoren kunnen in serie gezet worden, waardoor een cascade van reacties mogelijk wordt. Normaalgesproken kan dit niet, aangezien het product dan 185
Samenvatting eerst in een aparte stap gescheiden moet worden van restanten van de katalysator en andere afvalproducten. Figuur 3 Schematische voorstelling van de CCS, waarbij het lichtgrijze gebied de lichte fase aanduidt en het donkergrijze gebied de zware fase. Het gearceerde gebied is dat deel van de reactor waar menging van de fasen plaatsvindt. Een ander groot voordeel is dat de CCS een continue reactor is. Nadat hij eenmaal is opgestart, kan hij in theorie voortdurend aan blijven staan, waarbij hij een continue stroom product levert van een continue kwaliteit. Vooral bij het maken van grote hoeveelheden materiaal hebben continue processen veel voordelen, ze zijn namelijk ook gemakkelijker in de hand te houden en daarmee een stuk veiliger dan zogenaamde batch-processen, reacties waarbij telkens een bepaalde hoeveelheid van een product wordt gemaakt in een grote reactor. Dit levert vaak kwaliteitsverschillen tussen verschillende batches op. Op basis van de literatuur zijn twee epoxidatiereacties doorontwikkeld tot bruikbare twee-fasen processen, waarvan er tenslotte één daadwerkelijk is toegepast in de CCS. Het eerste proces is een ijzergekatalyseerde epoxidatie met perazijnzuur als oxidator. Deze methode was al bekend als homogene reactie, maar kan ook worden toegepast in een twee-fasen systeem. Het gebruik van water was echter niet mogelijk, omdat in dat geval de reactie erg langzaam verliep. Vandaar dat heptaan en acetonitril als oplosmiddelen gekozen werden, twee vloeistoffen die evenmin met elkaar mengen. De katalysator en perazijnzuur zitten in de acetonitril-laag, terwijl de uitgangsstof, een alkeen, en het product, een epoxide, een sterke voorkeur hebben voor de heptaan-fase (Schema 1a). Bij deze reactie komt echter veel warmte vrij, wat een veiligheidsrisico zou kunnen opleveren op grote schaal. Hoewel goede resultaten werden behaald op laboratoriumschaal, is dit procédé niet uitgevoerd in de CCS. Bij de tweede onderzochte epoxidatie, op basis van een wolfraamkatalysator en waterstofperoxide als oxidant, kwam minder warmte vrij. Hierdoor kon deze reactie wel worden toegepast in de CCS, wat een omzetting van 20% van cyclo-octeen naar cyclo-octeenoxide opleverde 186
Chemo-Enzymatic Routes to Enantiopure Haloalcohols and Epoxides (Schema 1b). Hoewel deze opbrengst aan de bescheiden kant is, toont dit resultaat aan dat de CCS inderdaad gebruikt kan worden als continue reactor voor katalytische reacties. Schema 1 a) IJzergekatalyseerde epoxidatie met perazijnzuur in een tweefasensysteem. Fefenantroline katalysator = [((phen)2(h2o)fe III )2(μ-O)](ClO4)4; b) Epoxidatie met waterstofperoxide gekatalyseerd door wolfraam (NaZnPOM = Na12[WZn3(ZnW9O34)2]). Verder worden in dit hoofdstuk verscheidene nieuwe epoxidatiekatalysatoren gepresenteerd, alle op basis van ijzer met fenantroline als ligand. Het bijzondere hierbij was dat, uitgaande van verschillende ijzerverbindingen, toch steeds een zeer actieve katalysator verkregen werd voor epoxidatie van olefines met perazijnzuur. Wel was in een aantal gevallen sprake van een inductieperiode waarin nog geen reactie plaatsvond omdat de actieve katalysator zich nog moest vormen. Deze periode varieerde van enkele minuten tot anderhalf uur, afhankelijk van de gebruikte ijzerzouten en andere condities, bijvoorbeeld de reactietemperatuur. De reacties die in het vervolg van dit proefschrift worden beschreven, zijn op kleinere schaal in conventioneel laboratoriumglaswerk uitgevoerd. Desalniettemin geldt ook voor deze reacties dat ze in principe doorontwikkeld zouden kunnen worden tot geschikte processen voor de CCS. In Hoofdstuk 3 wordt een enzymatische kinetische resolutie van chloroalcoholen beschreven. Met behulp van een enzym, dat in de natuur door bacteriën gebruikt wordt om giftige chloorhoudende stoffen af te breken, wordt hierbij een van de enantiomeren van een chloroalcohol omgezet in een epoxide, terwijl het andere enantiomeer achterblijft. In het ideale geval levert kinetische resolutie 50% enantiomeerzuivere uitgangsstof op en 50% enantiomeerzuiver product. In dit proces bleek dat het product, het epoxide, niet bestand was tegen de waterige condities waaronder de reactie gedaan moest worden er vond hydrolyse van het epoxide plaats, in chemische termen. Niettemin was het mogelijk om de enantiomeerzuivere uitgangsstof in goede opbrengsten te isoleren, zoals het chloroalcohol in Schema 2, dat verkregen werd met >99% e.e. en in 47% opbrengst. Hierbij dient bedacht te worden dat in een kinetische 187
Samenvatting resolutie de maximale opbrengst 50% is, 47% is dus uitstekend te noemen. Behalve het voorbeeld in Schema 2 werden op deze manier nog verscheidene andere chloroalcoholen in goede opbrengst en met hoge ee verkregen (zie Tabel 3.3). Schema 2 Voorbeeld van kinetische resolutie van chloroalcoholen met behulp van het enzym HheC. Het (R)-chloroalcohol wordt omgezet in het epoxide, het (S)-enantiomeer blijft achter. De maximumopbrengst van 50% van elk van beide producten in een kinetische resolutie is een nadeel wanneer men, zoals vaak voorkomt, slechts geïnteresseerd is in één van beide verbindingen. Door de uitgangsstof te racemiseren, blijft er steeds voldoende van het 'favoriete' enantiomeer aanwezig dat door het enzym kan worden omgezet naar enantiomeerzuiver product. Deze aanpak staat bekend als dynamische kinetische resolutie (DKR) en levert optisch actieve verbindingen in hoge opbrengsten (Schema 3). Schema 3 Illustratie van het concept dynamische kinetische resolutie. Door racemisatie van de uitgangsstof kunnen enantiomeerzuivere producten in hoge opbrengsten worden verkregen. In Hoofdstuk 4 wordt de DKR beschreven van aromatische chloro- en bromoalcoholen, waarbij een nieuwe combinatie van enzym en racemisatiekatalysator is gebruikt. Het enzym is een variant van HheC die enantioselectiever is voor aromatische moleculen en beter bestand is tegen oxidatie. De racemisatiekatalysator is een metaalcomplex op basis van iridium. Zoals te zien is in Schema 4, bevindt het iridiumatoom zich in het midden omringd door een aantal organische liganden, stoffen die een binding zijn aangegaan met iridium. Met deze procedure, geïllustreerd in Schema 4, kunnen optisch actieve epoxiden in één stap gemaakt worden vanuit racemische haloalcoholen. Een interessant aspect van deze procedure is dat het om een twee-fasenreactie gaat. De enzymatische omzetting vindt plaats in een waterige bufferfase, terwijl de racemisatie plaatsvindt in 188
Chemo-Enzymatic Routes to Enantiopure Haloalcohols and Epoxides tolueen. Dit kenmerk van de reactie biedt mogelijkheden voor eventuele toepassing op grotere schaal in een reactor zoals de CCS. Schema 4 Dynamische kinetische resolutie van chloro- en bromoalcoholen, gekatalyseerd door een combinatie van een enzym en een iridiumcomplex. De allylische en heteroaromatische chloroalcoholen beschreven in Hoofdstuk 3, zijn belangrijke bouwstenen in de synthetische chemie, een aspect dat terugkomt in Hoofdstuk 5. In dat hoofdstuk wordt een aantal omleggingsreacties beschreven die leiden tot een geheel andere opbouw van het koolstofskelet van deze chloroalcoholen (Schema 5). Op basis hiervan kunnen nieuwe klassen van verbindingen gemaakt worden. De reacties verliepen met wisselend succes. Met name in het geval van de Johnson ortho-esteromlegging waren de opbrengsten hoog, echter de stereoselectiviteit was niet optimaal. Schema 5 Omleggingsreacties van chloroalcoholen, van boven naar onder de Achmatowicz, de Ireland-Claisen en de Johnson ortho-ester omlegging. 189
Samenvatting Tenslotte wordt in Hoofdstuk 6 de synthese, kinetische resolutie en het gebruik in zelfassemblagestudies van 1-phenyl-1-octanol beschreven. Voor de kinetische resolutie werd een lipase gebruikt, een stabiel en actief enzym dat de hydrolyse van esters katalyseert (Schema 6). In het dagelijks leven zijn lipasen bijvoorbeeld te vinden in wasmiddelen, waar ze de hydrolyse van vetten versnellen en zo helpen olie- en vetvlekken te verwijderen. Door middel van dit enzym kon vanuit racemisch 1- phenyloctylacetaat het (R)-alcohol chemisch en optisch zuiver worden verkregen. Ontscherming van het achterblijvende acetaat leverde (S)-1-phenyloctanol op. Schema 6 Kinetische resolutie van 1-fenyloctylacetaat met behulp van een lipase. Vervolgens zijn beide alcoholen gebruikt als oplosmiddel in enantioselectieve zelfassemblage. Het achirale molecuul A-OPV4T (Figuur 4) vormt chirale assemblages op het oppervlak van grafiet, gekenmerkt door links- dan wel rechtsdraaiende rozetten bestaande uit 6 moleculen A-OPV4T (Figuur 5). Het gebruik van (R)- of (S)-1-phenyl- 1-octanol als oplosmiddel stuurde de enantioselectieve vorming van de rozetten. Zo leverde (R)-1-phenyl-1-octanol een overmaat op van rozetten die tegen de klok indraaien, terwijl in de aanwezigheid van (S)-1-phenyl-1-octanol de rozetten met de klok meedraaien. Met behulp van Scanning Tunneling Microscopy (STM), een techniek waarmee objecten op atomaire schaal kunnen worden waargenomen, zijn deze rozetten duidelijk te zien (Figuur 5). Dit baanbrekende resultaat toont voor het eerst aan dat enantiomeerzuivere oplosmiddelen gebruikt kunnen worden om chirale zelfassemblage aan een oppervlak te sturen. Figuur 4 A-OPV4T, de verbinding die gebruikt werd in de studies van enantioselectieve 2D zelfassemblage. 190
Chemo-Enzymatic Routes to Enantiopure Haloalcohols and Epoxides Figuur 5 STM-afbeeldingen van chirale zelfassemblage van A-OPV4T. In (R)-1-fenyloctanol draaien de meeste rozetten tegen de klok in (b en het grootste gedeelte van a), in (S)-1- fenyloctanol worden met voornamelijk met de klok meedraaiende rozetten gevormd (c). Figuur d geeft een idee van de vorming van de rozetten op moleculair niveau. Concluderend kan gesteld worden dat het onderzoek beschreven in dit proefschrift aantoont hoe technieken uit verschillende subdisciplines van de chemie biokatalyse, organische synthese, organometaalkatalyse en chemische technologie met succes geïntegreerd kunnen worden. In het bijzonder de combinatie van enzymkatalyse met traditionele organische synthese en metaalkatalyse is in deze context zeer vruchtbaar gebleken, getuige de uitstekende resultaten op het gebied van enzymatische kinetische resolutie en dynamische kinetische resolutie, beschreven in de Hoofdstukken 3 en 4. 191
Samenvatting 192