University of Groningen DNA-based asymmetric catalysis Boersma, Arnold J. 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: 2009 Link to publication in University of Groningen/UMCG research database Citation for published version (APA): Boersma, A. J. (2009). DNA-based asymmetric catalysis Groningen: 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: 20-11-2017
Samenvatting DNA wordt door de natuur gebruikt als de drager van onze erfelijke informatie. Vanuit een esthetisch oogpunt wordt DNA dikwijls gezien als vrijwel het mooiste molecuul dat voorkomt in de natuur; het wordt zelfs de Mona Lisa van de moderne wetenschap genoemd. DNA is een zeer lang molecuul en vormt een structuur gelijk aan een wenteltrap (Figuur 1), oftewel een helix. Deze helix bestaat uit twee strengen die aan elkaar binden en om elkaar winden. De wenteltrap loopt echter altijd rechtsom: als men boven zou beginnen loopt men met de klok mee. Een interessante eigenschap van de vorm van een wenteltrap is dat het spiegelbeeld van een wenteltrap linksom loopt. Deze twee spiegelbeelden zijn niet hetzelfde, want het is niet mogelijk een helix zo te draaien dat de andere wordt verkregen. Deze eigenschap van een helix wordt chiraliteit of asymmetrie genoemd. Figuur 1: Schematische weergave van rechtshandig DNA en het spiegelbeeld is dus linkshandig DNA. Een alledaags voorbeeld van chiraliteit is bijvoorbeeld de rechterhand: die is het spiegelbeeld van de linker, maar de rechterhand is niet zo te draaien dat hij er precies hetzelfde uitziet als een linkerhand. Andere voorbeelden van chiraliteit zijn auto s, de mobiele telefoon of een boek. Voorbeelden waarbij de spiegelbeelden wel met elkaar in overeenstemming gebracht kunnen worden, en die dus niet chiraal zijn, zijn een bal, een effen koffiemok, of een bril. Deze verschillen komen ook voor in de wereld van de moleculen: ook die zijn chiraal of niet chiraal. De belangrijkste bouwstenen van het leven zijn chiraal en komen net als DNA in een enkele spiegelbeeldvorm voor in organismen. Ook stoffen die met de bouwstenen van het leven in
aanraking komen, zoals medicijnen of landbouwchemicaliën moeten enkel uit een enkel spiegelbeeldvorm bestaan: de gevolgen kunnen dramatisch zijn als deze stoffen worden toegepast als een mengsel van beide chirale vormen. Een bekend voorbeeld is Softenon uit de jaren 60. Softenon (thalidomide) was bedoeld als een pijnstiller en werd toegediend als een mengsel van beide spiegelbeeldvormen. Slechts een vorm is als geneesmiddel werkzaam en door het andere spiegelbeeld werden misvormde kinderen geboren wanneer zwangere vrouwen thalidomide gebruikten. Dit heeft ertoe bijgedragen dat ernaar gestreefd wordt om vele chemische verbindingen en in het bijzonder geneesmiddelen exclusief in één spiegelbeeld te verkrijgen. Als een stof wordt gemaakt, is er in principe geen voorkeur voor een van beide chirale vormen, en daarom wordt van beide evenveel verkregen. De spiegelbeeldvormen van moleculen kunnen van elkaar gescheiden worden. Het nadeel is dat hierbij de helft van de stof verloren gaat. Een belangrijke methode, die ook wordt toegepast in dit proefschrift, is het omzetten van een niet chirale, dus symmetrische, uitgangsstof naar een enkel spiegelbeeld van een chiraal product (Figuur 2). Hiervoor is een andere chirale stof nodig (de linkerhand in Figuur 2), waarvan de chirale informatie naar het product van de omzetting kan worden overgedragen. De stof die zorgt voor de chirale informatie wordt niet verbruikt in de omzetting, en is dus een katalysator. Dit geheel wordt asymmetrische katalyse genoemd. Figuur 2: Het principe van asymmetrische katalyse: Een stuur wordt op een niet chirale auto geplaatst, waarbij twee spiegelbeelden kunnen worden gevormd. De linkerhand bepaald echter dat in dit geval de auto alleen geschikt voor gebruik in Engeland wordt gevormd. Omdat er enorm veel typen stoffen en chemische omzettingen zijn, is er geen standaard recept voorhanden om te bepalen welke katalysator gebruikt moet worden om in een enkel chirale vorm te verkrijgen. Daarom zoeken wetenschap en industrie naar nieuwe methoden om een enkel spiegelbeeld te verkrijgen. In het onderzoek dat beschreven wordt in dit proefschrift is voor het eerst DNA gebruikt om dit te bewerkstelligen. Omdat de chirale informatie overgedragen moet worden van het DNA naar het product, moet de omzetting in de onmiddelijke nabijheid van het DNA plaatsvinden. In eerder werk uit onze groep, waarop het werk beschreven in dit proefschrift is gebaseerd, werd gevonden dat chirale informatie kon worden overgedragen door koper aan DNA te binden (Figuur 3). Koper kan bepaalde typen chemische omzettingen makkelijker laten verlopen, en is dus een katalysator. Het werd aan het DNA gebonden door middel van een verbindingsmolecuul, 158
welke vanaf nu het ligand genoemd wordt. In dit eerste ontwerp bestond het ligand uit een gedeelte dat DNA bindt, een gedeelte dat koper bindt, en daartussen een verbindingstuk (niet weergegeven in Figuur 3). Met dit ontwerp was het voor de eerste keer mogelijk om DNA te gebruiken om een voorkeur voor een chirale vorm van het product van een chemische omzetting te verkrijgen. Er werd 49% meer van het ene spiegelbeeld verkregen dan het andere (ook wel enantiomere overmaat genoemd). Figuur 3: Het principe van DNA gebaseerde asymmetrische katalyse: Het ligand bind het koper en het DNA. Hierdoor is de koper dicht bij het DNA, en als het koper de omzetting laat versnellen kan de asymmetrische informatie van het DNA worden overgedragen naar het product van een omzetting. De afstand tussen het koper, waar de chemische omzetting plaatsvindt, en het DNA blijkt cruciaal. Hoe verder het koper van het DNA geplaatst wordt, des te lager de enantiomere overmaat. Daarom wordt het ontwerp drastisch gewijzigd, en een zo klein mogelijk ligand gebruikt, waardoor het koper zo dicht mogelijk bij het DNA ligt. Inderdaad, in hoofdstuk 2 van dit proefschrift staat beschreven dat met deze aanpak selectief een enkel chirale vorm van het product verkregen kon worden: d.w.z. >99% enantiomere overmaat (Figuur 3). Uit deze studie komt verder naar voren dat hoe groter het ligand gemaakt wordt, hoe lager de enantiomere overmaat. Ook blijkt dat het ligand niet onbeperkt kleiner gemaakt kon worden omdat er dan weer evenveel van beide chirale vormen gevormd wordt. Een beperking bij de toepassing van dit concept is dat de producten die bij deze omzetting werden gevormd zelf geen toepassingen hebben, en ook niet makkelijk waren om te zetten naar andere stoffen. Dit komt doordat aan een van de reagentia een hulpgroep is geplaatst die ervoor zorgt dat het reagens aan koper bindt, waar de omzetting immers plaats moet vinden (Figuur 4). Dit probleem werd verholpen door een andere hulpgroep te gebruiken, welke wel makkelijk te verwijderen was na de omzetting. Bovendien, was het product dat verkregen werd bekend in de literatuur, waardoor bepaald kon worden welke van de twee chirale vormen was gemaakt. Deze informatie is belangrijk om te bepalen waarom DNA een voorkeur voor een van beide chirale vormen heeft. Het is verrassend dat DNA met het koper exclusief een enkele chirale vorm kan voortbrengen uit de chemische omzetting. Dit ten eerste omdat koper met het ligand niet zo sterk aan DNA bindt: 95% van het koper is gebonden, wat betekent dat 5% niet aan DNA gebonden is. Deze 5% versnelt de omzetting ook, maar zonder de chirale informatie van het DNA, is er geen voorkeur voor een chirale vorm. Hierdoor zou het verkrijgen van exclusief 159
een chirale vorm normaal gesproken niet mogelijk zijn. Uit het onderzoek beschreven in hoofdstuk 3 bleek dat koper dat wel gebonden is aan het DNA de omzetting meer versnelde, waardoor het koper dat niet gebonden was aan het DNA minder invloed had op het eindresultaat. Dit verklaart waarom een dergelijk hoge enantiomere overmaat te verkrijgen is. Figuur 4: Het principe van een hulpgroep: Een hulpgroep zorgt ervoor dat het reagens gebonden is aan koper, zodat het kan reageren. De hulpgroep wordt na de omzetting verwijdert van het product. Het tweede belangrijke punt kwam voort uit het type DNA dat werd gebruikt. DNA bestaat uit vier bouwstenen; G, C, A en T, welke in elke volgorde geplaatst kunnen worden. In de natuur wordt op deze manier erfelijke informatie opgeslagen. Zoals eerder genoemd bestaat DNA uit twee strengen, waarbij de G op de ene streng altijd tegenover een C op de andere streng zit, en hetzelfde geldt voor de A en de T. De treden die te zien zijn in de schematische weergave van DNA worden gevormd door het binden van een G met een C, of een A met een T. Het bleek dat in dit onderzoek de volgorde van de bouwstenen een zeer grote invloed had op de selectiviteit waarmee een van beide chirale vormen verkregen werd. Hiervoor werden kleine stukjes DNA getest met een bekende volgorde, waaruit bleek dat drie G s (en dus drie C s op de andere streng) op een rij voor de hoogste selectiviteit zorgden, namelijk >99% enantiomere overmaat. Andere volgordes daarentegen gaven een lagere selectiviteit, meestal rond de 80% enantiomere overmaat. In het onderzoek beschreven in de vorige paragrafen werd natuurlijk DNA van de zalm gebruikt. Dit is een zeer lang molecuul en bestaat uit een min of meer willekeurige volgorde van de vier bouwstenen. Als men zou kijken naar die volgorde, met in het achterhoofd de informatie over de kleine stukjes DNA, zou men eerder een lagere selectiviteit verwachten. Dit bleek echter niet het geval te zijn, omdat de volgorde van drie G s niet alleen de hoogste selectiviteit gaf, maar ook de omzetting het meest versnelde. Het gevolg is dat het koper dat zich in dit deel van het DNA bevindt de omzetting domineert ten opzichte van andere volgordes, waardoor met lang natuurlijk DNA, waar alle mogelijke volgordes present zijn, ook een zeer hoge selectiviteit is te halen. 160
Om te begrijpen hoe DNA de asymmetrische informatie kan overdragen, is het cruciaal om de manier van binden van het ligand met koper, het koper-katalysator-complex, aan het DNA te bepalen. Een molecuul kan DNA op verschillende manieren binden, bijvoorbeeld door tussen de bouwstenen (de traptreden) te schuiven, maar het kan er ook langs liggen. Uit het verzamelde bewijs beschreven in hoofdstuk 4, lijkt het erop dat het ligand met koper op beide manieren tegelijk aan DNA bind. De vraag is natuurlijk welke meer bijdraagt aan het overdragen van de asymmetrie. Het blijkt dat de stukken DNA met drie G s, welke de hoogste enantiomere overmaat gaven en de omzetting het meest versnelden, verstoord worden bij het binden. Dit zou kunnen duiden op binding tussen de bouwstenen, wat impliceert dat de complexen die op deze manier zijn gebonden voor het leeuwendeel van de overdracht van asymmetrische informatie zorgen. Omdat DNA uit één chirale vorm bestaat, namelijk rechtshandig DNA, zou je verwachten dat je ook maar een van beide chirale vormen van het product zou kunnen verkrijgen. In hoofdstuk 4 staat echter beschreven dat het toch mogelijk bleek om beide chirale vormen van het product met enantiomere overmaat te verkrijgen. Door een ander type liganden toe te passen kon de manier van binden van de reagentia aan het koper beïnvloed worden, wat resulteerde in de vorming van het andere chirale product met een enantiomere overmaat van 92%. Op basis van de informatie in hoofdstukken 3 5 kon een model gepostuleerd worden om te verklaren waarom het mogelijk is dat de asymmetrische informatie wordt overgedragen van het DNA naar het product van de omzetting (Figuur 5): Figuur 5: Model van de katalysator gebaseerd op DNA. De rechtshandige structuur van DNA is duidelijk zichtbaar. In het midden zijn het ligand, het koper en het reagens weergegeven met een andere opmaak. Het is duidelijk te zien dat alles dicht bij DNA gebeurt, zodat er voldoende mogelijkheid is voor overdracht van asymmetrie naar het product. De omzetting die tot dan toe werd onderzocht om te bewijzen dat DNA asymmetrische informatie kan overdragen, was de zogenaamde Diels-Alder reactie. Ook andere chemische reacties konden worden uitgevoerd: In hoofdstuk 6 staat beschreven dat een Friedel-Crafts reactie ook uitgevoerd kan worden waarbij de voorkeur voor de chirale vorm van het 161
product bepaald wordt door het DNA. De producten van deze omzetting zijn bouwstenen voor farmaceutica. Een interessant gegeven is dat dit de eerste keer was dat deze Friedel- Crafts reactie asymmetrisch werd uitgevoerd in water. Naast deze twee omzettingen is ook de zogenaamde Michael additie uitgevoerd met een zeer hoge selectiviteit voor één chirale vorm van het product door de aanwezigheid van DNA. De Michael, Diels-Alder en de Friedel-Crafts reactie zijn voorbeelden van drie zeer belangrijke typen van koolstofkoolstof binding vormende omzettingen. Koolstof-koolstof bindingen vormen het skelet van organische moleculen, en zijn dus cruciaal om een nieuwe organische moleculen te synthetiseren. Een van de grote uitdagingen in asymmetrische katalyse is het uitvoeren van omzettingen met water als reagens, waarbij een chirale vorm verkregen wordt. Dit is belangrijk omdat water een goedkoop en milieuvriendelijk reagens is. In hoofdstuk 7 staat beschreven dat dit voor de eerste keer voor de zogenaamde asymmetrische oxa-michael additie mogelijk is, door de omzetting met de DNA katalysator uit te voeren. Dus behalve omzettingen in water, bleek het ook mogelijk om omzettingen asymmetrisch uit te voeren met water. Hiervoor werden deze omzettingen alleen met behulp van enzymen, de katalysatoren van de natuur, uitgevoerd waarbij een van beide chirale vormen verkregen werd. Dit is een belangrijke chemische omzetting, waar lang naar gezocht is omdat de producten een structuur bevatten die veel in farmaceutisch actieve stoffen wordt teruggevonden. Daarnaast is ook de manier waarop het water reageert vrij uniek: alle atomen van water worden ingebouwd aan dezelfde kant. Zonder koper zou hier geen voorkeur voor zijn. Dit type van selectiviteit werd eveneens alleen geobserveerd in het geval van de enzymen. Samenvattend, in dit proefschrift staat beschreven dat met behulp van DNA selectief een enkel spiegelbeeld van een product van een omzetting te verkrijgen is. Meerdere typen chemische omzettingen kunnen worden verricht met een sterke voorkeur voor één spiegelbeeld van een product, en de producten kunnen worden aangepast na de omzetting. Daarnaast werd aangetoond waarom natuurlijk DNA gebruikt kan worden, en is er in detail naar de structuur van het DNA met het koper en ligand gekeken. Meer gedetailleerde informatie over het werk beschreven in dit proefschrift is te lezen in hoofdstuk 8. 162