Detailansicht
Organic chemistry as a useful tool in structural biology
Michael Fischer
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Chemie
Betreuer*in
Walther Schmid
DOI
10.25365/thesis.15455
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-29251.35148.846554-8
Link zu u:search
(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die vorliegende Dissertation beschreibt fünf miteinander in direktem Zusammenhang stehende Projekte. Das Ziel dieser Arbeit war sowohl die Synthese von fluorierten Kohlenhydraten als auch die Herstellung fluorierter oder isotopenmarkierter alpha-Ketocarbonsäuren. Die herausragenden Eigenschaften des chemischen Elements Fluor für die Erforschung biologischer Systeme, führten im letzten Jahrzehnt zu enormen Fortschritten in der Synthese fluorierter Verbindungen, im speziellen in der Kohlenhydrat Chemie. Als eine unverzichtbare Methode zur Analyse enzymkatalysierter Reaktionen erwies sich die 19F-NMR Spektroskopie.
Im ersten Projekt dieser Arbeit wurde eine effiziente und kurze Synthese von 3-Fluor-1-hydroxyacetonphosphat (FHAP) ausgearbeitet (PART A). FHAP, ein Analogon zu Dihydroxyacetonphosphat, diente als neuartiger Donor in Aldolase (aus Kaninchenmuskel (RAMA)) katalysierten Aldol Reaktionen zur Synthese fluorierter Kohlenhydrate. Die Stereochemie des Aldolprodukts (D-threo) konnte mit Hilfe einer unabhängigen Synthese bewiesen werden (PART A und PART C). Darüber hinaus wurde ein sehr schneller RAMA-katalysierter Proton-Deuterium Austausch von FHAP in D2O und die unterschiedlichen Bindungsaffinitäten der gem-Diol- und Keto-Form von FHAP mittels 19F-NMR analysiert.
In einem Nebenprojekt wurde eine kurze Synthese für Fluorhydroxyaceton (FHA) zur Untersuchung organokatalysierter Aldoladditionen entwickelt (PART B). Die Struktur von FHA konnte mittels 1H-NMR zweifelsfrei bestimmt werden. Die chemische Instabilität von FHA erlaubte keine Isolation und keine Durchführung der geplanten organokatalysierten Aldolreaktionen.
Für die stereochemische Konfigurationsbestimmung des RAMA katalysierten Aldolprodukts wurde eine neuartiges alpha-Hydroxyacetylanion Äquivalent zur C-C Kettenverlängerung entwickelt (PART C). Zur Synthese substituierter Dihydroxyacetone wurde eine zweistufige Sequenz, bestehend aus einer Indium vermittelten Allenylierung von Aldehyden mit 4-Brom-2-butin-1-ol gefolgt von einer Ozonolyse der resultierenden Allene, verwendet. Die Steuerung der Regioselektivität der Indium vermittelten C-C Kettenverlängerung konnte über die Hydroxylschutzgruppe erreicht werden und folglich wurden entweder Allene oder Alkine bevorzugt gebildet. Die Vielseitigkeit dieser Synthesestrategie konnte durch eine effiziente stereoselektive Synthese von D-erythro-2-Pentulose (D-Ribulose) und 1-Deoxy-D-ribulose gezeigt werden.
Aufgrund der erworbenen Expertise während der Dissertation im Bereich nucleophiler Fluorierungen wurde eine Synthese für die Herstellung von 4-Fluoro-2-oxobutansäure entwickelt. Als Schlüsselschritt wurde eine homoallylische Fluorierung gewählt, welche in moderaten bis guten Ausbeuten durchgeführt werden konnte (PART D). Homoallylische Fluorierungen gehören zu den am schwersten erzielbaren Fluorierungsmethoden und werden daher nur äußerst selten in der organischen Synthese eingesetzt. Die bereits literaturbekannte alpha-Ketocarbonsäure galt aufgrund eines Berichts von O-Leary et al. als äußerst instabil mit eine Zerfallshalbwertszeit zu 2-Oxo-3-butensäure von 162 Sekunden bei pH = 7.0 in D2O. Im Gegensatz zu O’Leary beobachten wir einen langsamen Zerfall von 4-Fluoro-2-oxobutansäure zu 3-Fluoropropansäure durch den Verlust eines Kohlenstoffatoms über zehn Tage.
Das Ziel des letzten Projekts war die Entwicklung einer isotopenmarkierten Vorstufe für die Herstellung selektiv Histidin markierter Proteine. Das häufige Vorliegen der Aminosäure Histidine in aktiven Zentren von Enzymen, macht selektiv isotopenmarkiertes Histidin zum Studium enzymkatalysierter Reaktionen hochinteressant. Die alpha-Ketocarbonsäure Imidazol-5-ylpyruvat, normalerweise ein Produkt eines Histidin Abbauweges, wurde als möglicher Precursor für die in vivo E. coli vermittelten Synthese von Histidin ausgewählt. Eine konvergente Synthesestrategie für Imidazol-5-ylpyruvat, die eine Isotopenmarkierung des Imidazolringes und der resultierenden Peptidkette ermöglicht, wurde ausgehend von billigen isotopenangereicherten Kohlenstoff (C-13) Quellen untersucht.
Abstract
(Englisch)
The present PhD thesis assembles five closely associated projects for the synthesis of fluorinated carbohydrates and fluorinated or isotope labeled alpha-keto acids for protein labeling. In the last decade an enormous research effort was directed towards the synthesis of fluorinated compounds, especially carbohydrates, due to the favorable properties of fluorine for studying biological systems. The 19F-nucleus is an ideally suited reporter for visualizing enzyme catalyzed reactions by NMR spectroscopy.
In the first project, an efficient gram scale synthesis of 3-fluoro-1-hydroxyacetone phosphate (FHAP) has been developed (PART A). As a close analog to dihydroxyacetone phosphate (DHAP), FHAP was further used as a novel donor substrate for rabbit muscle aldolase (RAMA) catalyzed reactions in the synthesis of fluorinated carbohydrates. The stereochemistry of the aldol condensation product (D-threo) was confirmed by an independent chemical synthesis (PART A and C). In addition, a fast RAMA-catalyzed proton-deuterium exchange of FHAP with D2O and the different binding affinities of the gem-diol and keto form of FHAP were studied by 19F-NMR.
In a side project a short synthesis for fluorohydroxyacetone (FHA) was developed (PART B). The structure of FHA was characterized by NMR spectroscopy in solution, since pure FHA is highly instable and cannot be isolated. The initial idea behind this project was to explore the organocatalyzed aldol addition of various aldehydes to FHA for the synthesis of fluorinated carbohydrates and carbohydrate derived compounds.
For the determination of the stereochemical configuration of the product from the RAMA catalyzed aldol addition, we developed a facile preparation and application of alpha-hydroxyacetyl anion equivalents for carbon chain elongations (PART C). A two step sequence of an indium mediated allenylation of aldehydes with 4-bromo-2-butyn-1-ols followed by ozonolysis of the resulting allene was used to generate the desired substituted dihydroxyacetone fragments. The regioselectivity of the indium-promoted C-C bond forming reaction can be controlled by the hydroxyl-protecting group on 4-bromo-2-butyn-1-ol, preferentially yielding either allenes or alkynes. The versatility of this strategy was demonstrated by the stereoselective and efficient synthesis of D-erythro-2-pentulose (D-ribulose), 1-deoxy-D-ribulose.
An efficient synthesis of 4-fluoro-2-oxo-butanoic acid has been developed (PART D). In the key step of this synthesis the fluorine atom was introduced by a homoallylic fluorination in moderate yield. These types of fluorinations are known to be extremely difficult and seldom used in organic synthesis. In an earlier report by O’Leary et al., 4-fluoro-2-oxo-butanoic acid was claimed to be unstable in D2O solution with a half-life of decomposition to 2-oxo-3-butenoic acid of 162 s at pH = 7.0. These findings are in contrast to our results since 4-fluoro-2-oxo-butanoic acid was stable in D2O solutions at pH = 7.0 for several hours. In our hands, 4-fluoro-2-oxo-butanoic acid decomposed to 3-fluoro-propanoic acid in ten days by loss of one carbon atom.
The aim of the final project was the development of a selectively 13C and deuterium labeled precursor compound for the synthesis of histidine labeled proteins (PART E). Histidine is frequently found in the active site of enzymes and therefore selectively isotope labeled histidine is of high interest for studying enzyme catalyzed reactions. The alpha-keto acid imidazol-5-yl pyruvic acid, normally involved in the degradation of histidine, was chosen as a possible precursor for the in vivo E. coli mediated synthesis of histidine. A convergent synthesis of imidazol-5-yl pyruvic acid was attempted to label the imidazole ring and the resulting peptide backbone from cheap carbon-13 enriched precursors.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Fluorinated Carbohydrates Aldolase Indium Allenylation Histidine
Schlagwörter
(Deutsch)
Fluorierte Kohlenhydrate Aldolase Indium Allenylierung Histidin
Autor*innen
Michael Fischer
Haupttitel (Englisch)
Organic chemistry as a useful tool in structural biology
Paralleltitel (Deutsch)
Organische Chemie als hilfreiches Werkzeug in der Strukturbiology
Publikationsjahr
2011
Umfangsangabe
229 S.
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Tanja Wrodnigg ,
Roland Micura
AC Nummer
AC08918673
Utheses ID
13866
Studienkennzahl
UA | 091 | 419 | |