Selektive und effiziente Laccase-katalysierte oxidative Phenolkupplungen

Abstract

The oxidative phenolic coupling is one of the fundamental reactions of organic chemistry. In contrast to its major role in the biosynthesis of numerous natural compounds the oxidative phenolic coupling is only of little importance in organic synthesis so far. This is due to its frequent lack of regio- and stereoselectivity. Laccases are oxidases which can be employed, amongst others, for the catalysis of oxidative phenolic couplings using O2 as the oxidant. This study highlights three examples which clearly demonstrate that laccases can be used as catalysts for regio- and stereoselective oxidative couplings of phenolic compounds. The first example deals with the laccase-catalyzed oxidative dimerization of (E)-2-propenylsesamol to carpanone (a). The oxidative cyclization starts with a phenolic oxidation, which is followed by a radical coupling and an intramolecular hetero-Diels-Alder reaction. Experiments with laccases and a number of other catalysts indicate that the diastereoselectivity of the carpanone formation doesn´t depend on the nature of the catalyst but on the double bond geometry of the substrate. With (E)-2-propenylsesamol as the substrate, a 9:1-mixture of carpanone (a) and its diastereoisomer c was formed, irrespective of the catalyst used. When (Z)-2-propenylsesamol was used as the substrate, the formation of a 5:1:4-mixture of three diastereoisomers, i.e. a, c and d, was observed. When the oxidation of (E)-2-propenylsesamol with O2 as the oxidant was run in the absence of any catalyst the diastereoisomeric benzopyrans a and b were obtained in a 3:2-ratio. From a mechanistic point of view, this reaction proceeds as a Domino oxidation/intermolecular hetero-Diels-Alder reaction. The second example selected was the laccase-catalyzed oxidative coupling of sesamol, a naturally occurring phenolic antioxidant. Here, a so far unknown trimer was formed as the main product in good yield. Experiments with different catalysts indicated that the course of the oxidative coupling of sesamol depends strongly on the catalyst chosen. Finally, the laccase-catalyzed phenolic coupling of di- and trisubstituted vanillidene derivatives with O2 as the oxidant was studied. The dimerization of (E)-ferulic acid proceeded as a 8,8?-coupling with formation of a dilactone. When the disubstituted vanillidene derivatives were reacted, the diastereoselective formation of the racemic dihydrobenzo[b]furans which can be understood as the products of a 5,8?-coupling mode were formed. In contrast to the disubstituted vanillidene derivatives, the laccase-catalyzed reaction of the trisubstituted vanillidene derivatives exclusively yielded biphenyls as the result of a 5,5?-coupling.

Die oxidative Phenolkupplung ist eine der grundlegenden Reaktionen der organischen Chemie. Im Gegensatz zu ihrer großen Bedeutung für die Biosynthese zahlreicher Naturstoffe spielt sie aufgrund häufig mangelnder Regio- und Stereoselektivität in der organischen Synthese bislang eher eine untergeordnete Rolle. Laccasen sind Oxidasen, mit denen sich unter Verwendung von O2 als Oxidationsmittel unter anderem auch oxidative Phenolkupplungen durchführen lassen. In dieser Arbeit wird an Hand von drei Beispielen belegt, dass sich Laccasen als effiziente Katalysatoren für regio- und stereoselektive Kupplungen von Phenolderivaten einsetzen lassen. Im ersten Beispiel wurde die Laccase-katalysierte oxidative Dimerisierung von 2-Propenylsesamol zu Carpanon (a) untersucht. Die oxidative Cyclisierung beginnt mit einer Phenoloxidation, an die sich eine Radikalkupplung sowie eine intramolekulare Hetero-Diels-Alder-Reaktion anschließen. Experimente mit Laccasen und verschiedenen anderen Katalysatoren weisen darauf hin, dass die Diastereoselektivität der Carpanonbildung nicht vom Katalysator, sondern von der Doppelbindungsgeometrie des Substrats abhängt. Wurde die Reaktion mit (E)-2-Propenylsesamol als Substrat durchgeführt, isolierte man - unabhängig vom verwendeten Katalysator - neben dem Hauptprodukt Carpanon (a) immer auch ein zweites Produkt, und zwar das Carpanondiastereoisomer c. Die beiden Diastereoisomere wurden stets im Verhältnis 9:1 gebildet. Führte man die Reaktion dagegen mit (Z)-2-Propenylsesamol als Substrat durch, beobachtete man ein 5:1:4-Gemisch der drei Carpanondiastereoisomeren a, c und d. Wurde die Oxidation von (E)-2-Propenylsesamol mit O2 in Abwesenheit eines Katalysators ausgeführt, kam es zur überraschenden Bildung der diastereoisomeren Benzopyrane a und b im Verhältnis von 3:2. Mechanistisch gesehen verläuft die Reaktion von (E)-2-Propenylsesamol hier als eine Domino Oxidation/intermolekulare Hetero-Diels-Alder-Reaktion. Anschließend wurde die Laccase-katalysierte oxidative Kupplung von Sesamol, einem natürlich vorkommenden phenolischen Antioxidans, mit O2 als Oxidationsmittel studiert. Die Reaktion verlief mit guter Ausbeute unter Bildung eines bislang unbekannten Trimers als Hauptprodukt. Experimente mit verschiedenen Katalysatoren zeigten, dass der Verlauf der oxidativen Kupplung von Sesamol stark katalysatorabhängig ist. Abschließend wurde die Phenolkupplung von di- und trisubstituierten Vanillidenderivaten mit Laccase als Katalysator und O2 als Oxidans untersucht. Die Dimerisierung von (E)-Ferulasäure verlief im Sinne einer 8,8?-Kupplung unter Bildung eines Dilactons. Bei der Reaktion der disubstituierten Vanillidenderivate kommt es im Rahmen einer 5,8?-Kupplung zur diastereoselektiven Bildung der Dihydrobenzo[b]furane in racemischer Form. In Gegensatz zu den disubstituierten Vanillidenderivaten isolierte man bei der Laccase-katalysierten Umsetzung der trisubstituierten Vanillidenderivate ausschließlich Biphenyle, die durch 5,5?-Kupplung entstehen.