DE10209177A1

DE10209177A1 - Ein Hoch-Durchsatz-Screening-Verfahren zur Bestimmung der Enantioselektivität von Katalysatoren, Biokatalysatoren und Agenzien

Info

Publication number: DE10209177A1
Application number: DE10209177A
Authority: DE
Inventors: Manfred T Reetz; Patrick Tielmann; Andreas Eipper; Richard Mynott
Original assignee: Studiengesellschaft Kohle gGmbH
Current assignee: Studiengesellschaft Kohle gGmbH
Priority date: 2002-03-01
Filing date: 2002-03-01
Publication date: 2003-09-18
Also published as: EP1481258A1; JP2005526963A; CA2477476A1; US20050153358A1; WO2003075031A1; AU2003212262A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein auf der NMR-Spektroskopie basierende Hoch-Durchsatz-Verfahren zur Bestimmung der Enantioselektivität von asymmetrisch verlaufenden Reaktionen. Die Reaktionen können durch chinale Katalysatoren, Agenzien oder Biokatalysatoren bewirkt werden, so dass diese bezüglich ihrer Enantioselektivtät bewertet werden können. In einer Ausführungsform werden Isotopen-markierte pseudo-Enantiomere oder pseudo-prochirale Substrate eingesetzt, so dass die Integration der NMR-Signale der jeweiligen Substrate und/oder Produkte die quantitative Bestimmung der Enantioselektivität ermöglicht. Entscheidend für den Hoch-Durchsatz ist die Verwendung eines automatisierten Geräteaufbaus unter Verwendung von Mikrotiterplatten, Robotern und Hoch-Durchsatz-NMR-Geräten. In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird der automatisierte Geräteaufbau verwendet, um die mit enantiomerenreinen Agenzien derivatisierten Produkte und/oder Edukte in Form von Diastereomeren quantitativ zu erfassen. In beiden Ausführungsformen sind mindestens 1000 ee-Bestimmungen pro Tag möglich mit einer Genauigkeit von mindestens +- 5%.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Enantioselektivität von kinetischen Racematspaltungen und von asymmetrisch verlaufenden Reaktionen prochiraler Verbindungen durch Verwendung isotopenmarkierter Substrate oder mit Hilfe von chiralen Hilfsreagenzien, wobei in einem automatisierten Messvorgang ein Hoch-Durchsatz-NMR-Spektrometer als Detektionssystem eingesetzt wird. Somit ermöglicht die Erfindung ein einfaches Hoch-Durchsatz-Screening von enantioselektiven Katalysatoren, Biokatalysatoren oder Agenzien.
Die Entwicklung effektiver Verfahren zur Generierung umfangreicher Bibliotheken von enantioselektiven Katalysatoren durch Methoden der kombinatorischen Chemie [Übersicht: a) M. T. Reetz, Angew. Chem. 2001, 113, 292-320; Angew. Chem. Int. Ed. 2001, 40, 284-310; b) B. Jandeleit, D. J. Schäfer, T. S. Powers, H. W. Turner, W. H. Weinberg, Angew. Chem. 1999, 111, 2648-2689; Angew. Chem. Int. Ed. 1999, 38, 2494-2532; c) K. Burgess, H.-J. Lim, A. M. Porte, G. A. Sulikowski, Angew. Chem. 1996, 108, 192-194; Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1996, 35, 220-222; d) B. M. Cole, K. D. Shimizu, C. A. Krueger, J. P. A. Harrity, M. L. Snapper, A. H. Hoveyda, Angew. Chem. 1996, 108, 1776-1779; Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1996, 35, 1668-1671] sowie zur Herstellung von Bibliotheken von enantioselektiven Biokatalysatoren durch gerichtete Evolution [a) M. T. Reetz, A. Zonta, K. Schimossek, K. Liebeton, K.-E. Jaeger, Angew. Chem. 1997, 109, 2961-2963; Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1997, 36, 2830-2832; b) M. T. Reetz, K.-E. Jaeger, Chem.-Eur. J. 2000, 6, 407-412] ist Gegenstand aktueller Forschung. Entscheidend für den Erfolg dieser neuen Technologien ist die Verfügbarkeit von effizienten Methoden zum raschen Durchsuchen der enantioselektiven Katalysatoren oder Biokatalysatoren aus den jeweiligen Katalysatorbibliotheken. Im Gegensatz zu Screening-Methoden für die kombinatorische Wirkstoffchemie [a) F. Balkenhohl, C. Bussche-Hünnefeld, A. Lansky, C. Zechel, Angew. Chem. 1996, 108, 2436-2488; Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1996, 35, 2288-2337; b) J. S. Früchtel, G. Jung, Angew. Chem. 1996, 108, 19-46; Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1996, 35, 17-42; c) Chem. Rev. 1997, 97 (2), 347-510 (Ausgabe zur kombinatorischen Chemie); d) G. Jung, Combinatorial Chemistry: Synthesis, Analysis, Screening, Wiley-VCH, Weinheim, 1999] fehlt es an effizienten Verfahren zum Hoch-Durchsatz-Screening von enantioselektiven Katalysatoren, Biokatalysatoren oder optisch aktiven Agenzien. Die klassische Bestimmung von Enantiomerenüberschüssen (engl.: enantiomeric excess, ee) per Gas- oder Flüssigkeitschromatographie an stationären, chiralen Phasen liefert zwar eine hohe Genauigkeit; nachteilig ist jedoch ein begrenzter Probendurchsatz pro Zeiteinheit. Ähnliches gilt für die herkömmliche NMR-spektroskopische Bestimmung des ee-Wertes einer Enantiomerenmischung, bei der die Probe (z. B. ein chiraler Alkohol) zunächst im Labor mit einem enantiomerenreinen Derivatisierungsmittel (z. B. α-Methoxy-α-trifluormethyl-phenylessigsäurechlorid, "Mosher's Säurechlorid") oder Shiftreagenz (z. B. 1-(9-Anthryl)-2,2,2- trifluorethanol) umgesetzt wird, gefolgt von NMR-spektroskopischer Analyse des Diastereomerengemisches. Auch die Arbeitsweise eines solchen Verfahrens ist sehr zeitaufwendig.
Zur Lösung dieser Art von Analysenproblemen wurden kürzlich erste Assays entwickelt. So wurde z. B. im Rahmen einer Untersuchung zur gerichteten Evolution von enantioselektiven Lipasen ein Testverfahren entwickelt, womit der Verlauf enantioselektiver Hydrolysen von chiralen Carbonsäureestern verfolgt werden kann [WO 9905288 A, Studiengesellschaft Kohle; M. T. Reetz, A. Zonta, K. Schimossek, K. Liebeton, K.-E. Jaeger, Angew. Chem. 1997, 109, 2961-2963; Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1997, 36, 2830-2832]. Mittels eines Photometer- Assays ist die Verfolgung von enantioselektiven Hydrolysen von Lipase- Varianten in Mikrotiterplatten möglich. Nachteilig ist, dass keine exakten ee- Werte zugänglich sind und dieses Verfahren auf die Stoffklasse der chiralen Carbonsäuren beschränkt ist. Ähnliche Einschränkungen gelten für ein verwandtes Testverfahren [L. E. Janes, R. J. Kazlauskas, J. Org. Chem. 1997, 62, 45460-45461]. Des weiteren gilt diese Einschränkung für Verfahren, die auf Farbänderung von pH-Indikatoren während einer Esterhydrolyse beruhen [L. E. Janes, A. C. Löwendahl, R. J. Kazlauskas, Chem.-Eur. J. 1998, 4, 2324-2331]. Ein Verfahren zur Verwendung von DNA-Microarrays zur Bestimmung von Enantiomerenüberschüssen ermöglicht zwar einen hohen Probendurchsatz; das Assay beinhaltet aber vier Stufen und ist somit umständlich; darüber hinaus ist das Verfahren nicht allgemein anwendbar [G. A. Korbel, G. Lalic, M. D. Shair, J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 361-362]. Die kürzlich vorgestellte Verwendung von gekoppelten Enzymreaktionen zur Ermittlung von Enantiomerenüberschüssen (EMDee) hat einen zu hohen Fehlerbereich von +/-10% ee und ist nur eingeschränkt anwendbar [P. Abato, C. T. Seto, J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 9206-9207]. Ein alternativer Ansatz zur Identifizierung chiraler Katalysatoren beruht auf der massenspektrometrischen Untersuchung von isotopenmarkierten pseudo-enantiomeren bzw. pseudo-prochiralen Substraten [WO 00/58504, Studiengesellschaft Kohle; M. T. Reetz, M. H. Becker, H. W. Klein, D. Stöckigt, Angew. Chem. 1999, 111, 1872-1875; Angew. Chem. Int. Ed. 1999, 38, 1758-1761]. Die Methode ist allerdings auf die Verwendung von prochiralen Substraten mit enantiotopen Gruppen oder auf kinetische Racematspaltungen beschränkt. Kürzlich wurde ein auf paralleler Kapillarelektrophorese beruhendes Screening- System für enantioselektive Katalysatoren vorgestellt [PCT/EP 01/09833, Studiengesellschaft Kohle; M. T. Reetz, K. M. Kühling, A. Deege, H. Hinrichs, D. Belder, Angew. Chem. 2000, 112, 4049-4052; Angew. Chem. Int. Ed. 2000, 39, 3891-3893]. Damit konnten erstmals bis zu 40000 ee-Bestimmungen pro Tag durchgeführt werden. Allerdings wurde die Methode bisher nur auf die Analyse chiraler Amine angewandt. Ein weiteres ee-Screeningsystem beruht auf enzymatischen Immunoassays [F. Taran, C. Gauchet, B. Mohar, 5. Meunier, A. Valleix, P. Y. Renard, C. Créminon, J. Grassi, A. Wagner, C. Miokowski, Angew. Chem. 2002, 114, 132-135; Angew. Chem. Int. Ed. 2002, 41, 124-127]. Nachteilig ist jedoch die Tatsache, dass in einem aufwendigen Verfahren Antikörper gegen die Enantiomere gezüchtet werden müssen.

Beschreibung der Erfindung

Wir stellten fest, dass sich die oben beschriebenen Einschränkungen bzw. Nachteile vermeiden lassen, wenn im Verfahren zur Hochdurchsatz-Bestimmung der Enantioselektivität von Reaktionen, die von chiralen Katalysatoren, Biokatalysatoren oder chiralen Agenzien bewirkt werden, in einem automatisierten Messvorgang die NMR-Spektroskopie als Detektionssystem verwendet wird. In einer ersten Ausführungsform der Erfindung werden isotopenmarkierte Substrate eingesetzt, die NMR-spektroskopisch detektierbar sind. Neben der Verfolgung kinetischer Racematspaltungen sowie stereoselektiver Reaktionen von Verbindungen mit enantiotopen Gruppen können mit der vorliegenden Erfindung auch solche enantioselektiven Stoffumwandlungen bequem verfolgt werden, bei denen eine prochirale Verbindung ohne enantiotope Gruppen in ein chirales Produkt übergeht. Durch Quantifizierung der NMR- Signale der isotopenmarkierten Substrate kann der Enantiomerenüberschuss (ee- Wert) bestimmt werden. In der zweiten Ausführungsform der Erfindung werden die chiralen Produkte und/oder Edukte der zu untersuchenden Reaktionen mit enantiomerenreinen Agenzien zur Derivatisierung versetzt und die NMR-Signale der resultierenden Diastereomeren zur ee-Bestimmung quantitativ ausgewertet. Des weiteren kann die ee-Bestimmung auch durch die Verwendung chiraler Lösemittel oder chiraler Shiftreagenzien erfolgen. In beiden Ausführungsformen der Erfindung ist ein Durchsatz von 1000 und mehr Proben pro Tag möglich.

Beschreibung der Figuren

Fig. 1a) Asymmetrische Transformationen von pseudo-enantiomeren a) und b), pseudo-meso c) und pseudo-prochiralen d) Verbindungen. FG stellt die funktionelle Gruppe dar; FG' bzw. FG" symbolisieren die durch die Umsetzung gebildeten, funktionellen Gruppen; die Isotopenmarkierung ist durch einen Stern (*) gekennzeichnet.
Fig. 2 Derivatisierung von Enantiomerengemischen mit chiralen Hilfsreagenzien für die Quantifizierung mittels NMR-Analyse.
Fig. 3 Experimenteller Aufbau eines Hochdurchsatz-Screening-Systems auf Enantioselektivität mittels NMR mit isotopenmarkierten Substraten.
Fig. 4 Experimenteller Aufbau eines Hochdurchsatz-Screening-Systems auf Enantioselektivität mittels NMR und chiralen Hilfsreagenzien bzw. chiralen Agenzien oder Lösungsmitteln.
Fig. 5 Kinetische Racematspaltung von 1-Phenylethylacetat: Vergleich der ee-Bestimmung zwischen chiraler GC und Hoch-Durchsatz-NMR.
Fig. 6 Methylsignal des Diacetats im ¹H-NMR-Spektrum mit natürlichen ¹³C- Satelliten bei einer Messfrequenz von 300 MHz.
Fig. 7 Methylsignal des Diacetats im ¹H-NMR-Spektrum mit 69% ¹³C- Markierung (≈⁣ 38% ee) bei einer Messfrequenz von 300 MHz.
Fig. 8 Diastereomere Aufspaltung im ¹H-NMR-Spektrum der CH-Gruppe des Esters von racemischem Phenylethanol mit MTPA bei einer Messfrequenz von 300 MHz.
Im Vergleich zu bestehenden Verfahren bietet die vorliegende Erfindung folgende Vorteile:

1. Bestimmung der ee-Werte mit einem Fehler von maximal ±5% von asymmetrisch verlaufenden Stoffumwandlungen, wobei keine Einschränkung hinsichtlich der Stoffklasse oder des Reaktionstyps gemacht wird.
2. Bestimmung des Umsatzes der untersuchten Reaktionen.
3. Das Durchmustern von Reaktionen im Hoch-Durchsatz-Verfahren, wobei mindestens 1000 Bestimmungen pro Tag möglich sind.

Die in der vorliegenden Erfindung verwendeten Detektionssysteme sind Kernresonanzspektrometer, insbesondere solche mit Durchflusszelle, für den Hoch-Durchsatz-Betrieb [a) Übersicht: M. J. Shapiro, J. S. Gounarides, Prog. Nucl. Magn. Reson. Spec. 1999, 35, 153-200; b) C. L. Gavaghan, J. K. Nicholson, S. C. Connor, I. D. Wilson, B. Wright, E. Holmes, Anal. Biochem. 2001, 291, 245-252; c) E. Macnamara, T. Hou, G. Fisher, 5. Williams, D. Raftery, Anal. Chim. Acta 1999, 387, 9-16] mit einer automatisierten Probenaufgabe (Verwendung von einem oder mehreren Probenaufgabe- bzw. Pipettierrobotern), wobei eine oder mehrere Messzellen pro Spektrometer oder mehrere Spektrometer parallel eingesetzt werden, um den gewünschten, hohen Durchsatz zu erreichen. Geeignete Kerne hierfür sind ¹H, ¹⁹F, ³¹P und ¹³C, wobei sich die Methode auf weitere Kernarten (z. B. ¹¹B, ¹⁵N, ²⁹Si) erweitern lässt.
Das Verfahren kann zum Auffinden oder Optimieren von chiralen Katalysatoren, Biokatalysatoren oder chiralen Agenzien für asymmetrisch verlaufende Reaktionen verwendet werden. Hierzu zählen:

a) chirale Katalysatoren, chirale Agenzien oder Biokatalysatoren wie Enzyme, Antikörper, Ribozyme oder Phagen für die kinetische Racematspaltung von Verbindungen wie Alkohole, Carbonsäuren, Carbonsäureestern, Aminen, Amiden, Olefinen, Alkinen, Phosphinen, Phosphoniten, Phosphiten, Phosphaten, Halogeniden, Oxiranen, Thiolen, Sulfiden, Sulfonen, Sulfoxiden, Sulfonamiden sowie deren Derivate und Kombinationen;
b) chirale Katalysatoren, chirale Agenzien oder Biokatalysatoren für die stereoselektive Umsetzung von prochiralen Verbindungen mit oder ohne enantiotope Gruppen, wobei die Substrate zu den Substanzklassen der Carbonsäuren, Carbonsäureester, Alkohole, Amine, Amide, Olefine, Alkine, Phosphine, Phosphonite, Phosphite, Phosphate, Halogenide, Oxirane, Thiole, Sulfide, Sulfone, Sulfoxide oder Sulfonamide (oder deren Derivate und Kombinationen) gehören.

Die erste Ausführungsform der Erfindung basiert auf der Verwendung von isotopenmarkierten Substraten in Form von pseudo-enantiomeren oder pseudo- prochiralen Verbindungen (Fig. 1), wobei insbesondere ¹³C-markierte Substrate eingesetzt werden. Die zweite Ausführungsform macht von der Verwendung chiraler Hilfsreagenzien Gebrauch (Fig. 2).
Wird an einem herkömmlichen Racemat die eine enantiomere Form isotopenmarkiert, so nennt man solche Verbindungen pseudo-Enantiomere [vgl. M. T. Reetz, M. H. Becker, H.-W. Klein, D. Stöckigt, Angew. Chem. 1999, 111, 1872-1875; Angew. Chem. Int. Ed. 1999, 38, 1758-1761]. Markiert man eine enantiotope Gruppe eines prochiralen Substrats mit Isotopen, so nennt man die Verbindung pseudo-prochiral, so z. B. pseudo-meso. Die Markierungen können auf verschiedene Weise eingeführt werden (vgl. Fälle a) und b) in Fig. 1). Bei kinetischen Racematspaltungen von beliebigen, chiralen Verbindungen werden Substrate 1 und 2 oder 1 und 7, die sich in der absoluten Konfiguration und in der Isotopenmarkierung in der funktionellen Gruppe FG bzw. im Rest R² unterscheiden, in enantiomerenreiner Form hergestellt und im Verhältnis 1 : 1 gemischt, so dass ein Racemat simuliert wird (Fig. 1a bzw. b). Nach einer enantioselektiven Umsetzung, bei der die chemische Reaktion an der funktionellen Gruppe stattfindet (im Idealfall einer kinetischen Racematspaltung bis zu einem Umsatz von 50%), entstehen echte Enantiomere 3 und 4 neben nicht markierten und markierten, achiralen Nebenprodukten 5 bzw. 6, oder es entstehen die pseudo-Enantiomere 3 und 8. Wird die Desymmetrisierung von prochiralen Verbindungen durchgeführt (Fig. 1c oder d), so entstehen ebenfalls pseudo- Enantiomere.
Integration der entsprechenden ¹H-NMR-Signale von ¹³C-markierten Substraten und/oder Produkten sowie von spiegelbildlichen, nicht-markierten Substraten und/oder Produkten erlaubt die quantitative Ermittlung der Enantioselektivität (ee- Wert) sowie des Umsatzes. Dies ist besonders einfach durchzuführen, wenn die ¹³C-Markierung an "isolierten" Methylgruppen erfolgt ist, und zwar deshalb, weil dann das ¹H-NMR-Signal als Dublett auftritt, während die nicht-markierte Methylgruppe im Enantiomer als Singulett erscheint. Somit sind im Fall von kinetischen Racematspaltungen auch die Selektivitätsfaktoren (S- oder E-Werte) zugänglich [H. B. Kagan, J. C. Fiaud, Top. Stereochem. Vol. 18, Wiley, New York, 1988, 249-330].
In der zweiten Ausführungsform der Erfindung wird auf eine Isotopenmarkierung verzichtet. Vielmehr werden die Enantiomerengemische asymmetrisch verlaufender Reaktionen mit enantiomerenreinen, chiralen Derivatisierungsagenzien, NMR Shift-Agenzien oder Solventien unter Bildung von diastereomeren Verbindungen oder Komplexen umgesetzt, die dann im Hoch- Durchsatz NMR-spektroskopisch untersucht werden (Fig. 4).
In dieser zweiten Ausführungsform der Erfindung (Fig. 2) können als chirale Hilfsreagenzien Verbindungen, wie z. B. Mandelsäure, Mandelsäurechlorid, O- Methylmandelsäure (MPA), O-Methylmandelsäurechlorid, Atrolactinsäure, Atrolactinsäurechlorid, α-Methoxy-α-trifluormethyl-phenylessigsäure (MTPA, Mosher's Säure), α-Methoxy-α-trifluormethyl-phenylessigsäurechlorid (MTPACI, Mosher's Säurechlorid, 2-(9-Anthryl)-2-hydroxyacetat (AHA), 9- Anthryl-2-methoxyacetat (9-AMA), α-Pentafluoro-phenylpropionamid, 2-Fluorophenylessigsäure (AFPA) oder Cinchona-Alkaloidderivate in enantiomerenreiner Form verwendet werden. Diese Beispiele dienen zur Illustration und schränken die Erfindung nicht ein [a) Übersichten über diese und andere Derivativierungsagenzien: S. K. Latypov, N. F. Galiullina, A. V. Aganov, V. E. Kataev, R. Riguera, Tetrahedron 2001, 57, 2231-2236; b) J. A. Dale, D. L. Dull, H. S. Mosher, J. Org. Chem. 1969, 34, 2543-2549; c) J. A. Dale, H. S. Mosher, J. Am. Chem. Soc. 1973, 95, 512-519]. Chirale NMR-Shift-Agenzien, wie z. B. Eu(dcm)₃, wobei dcm = dicampholylmethanato, oder 1-(9-Anthryl)-2,2,2- trifluorethanol sowie chirale Solventien (E. L. Eliel, S. H. Wilen, Stereochemistry of Organic Compounds, Wiley, New York, 1994) können ebenfalls zur Bildung von diastereomeren Verbindungen oder Komplexen eingesetzt werden.
Um den erwünschten, hohen Durchsatz in den beiden Ausführungsformen der Erfindung zu ermöglichen, ist eine Automatisierung, verbunden mit einer Miniaturisierung, erforderlich. Ein möglicher Geräteaufbau für die beiden Ausführungsformen ist in Fig. 3 bzw. Fig. 4 skizziert.
Bibliotheken von chiralen Katalysatoren, Biokatalysatoren oder Agenzien können so im Hoch-Durchsatz mit Hilfe von kommerziell erhältlichen Mikrotiterplatten und Robotern (Probenmanagern) durchsucht werden. Nach erfolgter Reaktion werden die Proben NMR-spektroskopisch untersucht. Bei entsprechender Ausstattung des NMR-Spektrometers können auch moderne Pulsverfahren unter Anwendung von gepulsten Feldgradienten sowie von geformten HF-Pulsen ("shaped pulses") zur ee-Bestimmung herangezogen werden. Mit dieser Kombination von kommerziell erhältlichen Geräten und Apparateteilen ist es möglich, mindestens 1000 ee-Bestimmungen pro Tag mit einer Genauigkeit von +/-5% durchzuführen.
Das Assay für das High-Throughput-Screening einer asymmetrischen Reaktion mittels NMR gestaltet sich so, dass im Falle einer kinetischen Racematspaltung zunächst ein pseudo-Racemat aus enantiomerenreinem, Isotopen-markiertem und nichtmarkiertem Substrat hergestellt wird. Anschließend wird die Racematspaltung, z. B. in 96-well-Mikrotiterplatten, unter Zusatz des Katalysators durchgeführt. Schließlich werden die Proben mittels eines Pipettier- und Probenaufgaberoboters in die Durchflusszelle des NMR-Geräts eingebracht (Fig. 3). Beim Einsatz von chiralen Derivatisierungsreagenzien ändert sich der Ablauf dahingehend, dass nach erfolgter, katalytischer Reaktion zunächst das Reagenz durch den Pipettierroboter zur Reaktionsmischung zugegeben wird. Erst danach wird die Probe in die Durchflusszelle gebracht (Fig. 4). In beiden Fällen können die erhaltenen Datensätze mit einer geeigneten Software, z. B. AMIX© der Firma Bruker, automatisch ausgewertet werden.

Beispiel 1

Kinetische Racematspaltung von 1-Phenylethylacetat

Die kinetische Racematspaltung von 1-Phenylethylacetat durch Hydrolyse, katalysiert durch z. B. Enzyme, wie Lipasen (Wildtyp oder Varianten), wird nach Fig. 3 im Rahmen eines Hoch-Durchsatz-Assays verfolgt, d. h. es werden Enantioselektivität sowie Umsatz bestimmt:

Synthese von (R)-1-Phenylethylacetat

In einem 50-ml-Einhalskolben mit Hahn werden unter Argon 4 ml Pyridin (abs.) und 1,0 g (8,2 mmol) (R)-1-Phenylethanol in 30 ml Dichlormethan (abs.) gelöst und auf 0°C gekühlt. Anschließend werden 0,97 g (12,3 mmol) Acetylchlorid zugetropft, wobei ein weißer Niederschlag auftritt. Dann wird über Nacht bei RT gerührt und die rote Lösung unter Kühlung mit einem Eisbad mit Wasser gequencht. Die organische Phase wird abgetrennt, je einmal mit 1 M Salzsäure und ges. Natriumchlorid-Lösung extrahiert und über Magnesiumsulfat getrocknet. Das Lösungsmittel wird am Rotationsverdampfer abgetrennt und das Rohprodukt über Kieselgel mit Dichlormethan gesäult. Nach Entfernen des Lösungsmittels im Vakuum und kurzem Trocknen im Hochvakuum erhält man 1,24 g (92%) des gewünschten Produkts als klare Flüssigkeit.
Analytik: ¹H-NMR (300 MHz, CDCl₃): δ = 1,53 (d, ³J_H,H = 6,6 Hz, 3H); 2,06 (s, 3H); 5,88 (q, ³J_H,H = 6,6 Hz, 1H); 7,24-7,37 (m, 5H); ¹³C-NMR (75,5 MHz, CDCl₃): δ = 21,3; 22,2; 72,3; 126,1; 127,9; 128,5; 141,7; 170,3; MS (EI, 70 eV) m/z = 164 (M⁺); 122; 104; 77;
EA: % C 72,9 (ber. 73,3); % H 7,4 (ber. 7,3).

Synthese von (S)-1-Phenylethyl-2-¹³C-acetat

In einem 50-ml-Einhalskolben mit Hahn werden unter Argon 4 ml Pyridin (abs.) und 1,0 g (8,2 mmol) (S)-1-Phenylethanol in 30 ml Dichlormethan (abs.) gelöst und auf 0°C gekühlt. Anschließend werden 0,97 g (12,3 mmol) 2- ¹³C-Acetylchlorid zugetropft, wobei ein weißer Niederschlag auftritt. Dann wird über Nacht bei RT gerührt und die rote Lösung unter Kühlung mit einem Eisbad mit Wasser gequencht. Die organische Phase wird abgetrennt, je 1 mal mit 1 M Salzsäure und ges. Natriumchlorid-Lösung extrahiert und über Magnesiumsulfat getrocknet. Das Lösungsmittel wird am Rotationsverdampfer abgetrennt und das Rohprodukt über Kieselgel mit Dichlormethan gesäult. Nach Entfernen des Lösungsmittels im Vakuum und kurzem Trocknen im Hochvakuum erhält man 1,24 g (92%) des gewünschten Produkts als klare Flüssigkeit.
Analytik: 1H-NMR (300 MHz, CDCl₃): δ = 1,53 (d, ³J_H,H = 6,6 Hz, 3H); 2,06 (d, ¹J_C,H = 129,4 Hz, 3H); 5,88 (q, ³J_H,H = 6,6 Hz, 1H); 7,24-7,37 (m, 5H); ¹³C-NMR (75,5 MHz, CDCl₃): δ = 21,3; 22,2; 72,3; 126,1; 127,9; 128,5; 141,7; 170,7; MS (EI, 70 eV): m/z = 165 (M⁺); 122; 104; 77; 44;
EA: %C 72,6 (ber. 73,3); %H 7,5 (ber. 7,3).
In Vorversuchen wurden die pseudo-Enantiomere in verschiedenen Verhältnissen gemischt. Die dabei resultierenden Mischungen wurden zunächst per Gaschromatographie an chiraler, stationärer Phase untersucht, um die pseudo-ee-Werte zu ermitteln. Die gleichen Proben wurden dann NMR-spektroskopisch untersucht. Der Vergleich der zwei Datensätze zeigt Übereinstimmung im Rahmen von +/-2% (Tabelle 1) und eine hohe Korrelation (R² = 0,9998 in Fig. 5). Tabelle 1 Mischungen von 35 µl auf 700 µl CDCl₃
Zum Erreichen eines möglichst hohen Probendurchflusses kann die Messmethode auf eine Zykluszeit von ungefähr einer Minute reduziert werden. Die Genauigkeit der Analyse wird dadurch nicht beeinträchtigt; die Rückmischung mit der vorherigen Probe bleibt kleiner 1%. Typische Ergebnisse sind in Tabelle 2 zusammengefasst. Tabelle 2 Mischungen von 1,3 bis 1,7 mg auf 1 ml CDCl₃ im Hoch-Durchsatz- NMR-Verfahren (ca. 1 min pro Zyklus)
Die Verhältnisse der Methylsignale im ¹H-NMR-Spektrum (Fig. 6 und 7) wurden unter Verwendung der AMIX©-Software der Firma Bruker automatisch ausgewertet. Beispiel 2 Kinetische Racematspaltung von 2-Phenylpropionsäuremethylester

Synthese von (R)-2-Phenylpropionsäuremethylester

In einem 25-ml-Einhalskolben mit Hahn werden 600 mg (4,0 mmol) (R)-2- Phenylpropionsäure und 912 mg (6,0 mmol) Cäsiumfluorid in 12 ml Dimethylformamid (abs.) aufgenommen und mit einem Kryostaten auf 13 ± 1°C gekühlt. Dann werden 1,93 g (13,6 mmol) Methyliodid zugegeben und 46 h bei dieser Temperatur gerührt. Anschließend wird etwas Ethylacetat zugesetzt und zusammen mit dem Überschuß Methyliodid im Vakuum entfernt. Der Rückstand wird in Ethylacetat aufgenommen, 1 mal mit ges. Natriumhydrogencarbonat- Lösung extrahiert und über Magnesiumsulfat getrocknet. Nach Entfernen des Lösungsmittels am Rotationsverdampfer wird das Rohprodukt über Kieselgel mit Hexan/Ethylacetat 8 : 2 gesäult. Nach Entfernen des Lösungsmittels im Vakuum und kurzem Trocknen im Hochvakuum werden 454 mg (69%) des Produkts als klare Flüssigkeit erhalten.
Analytik: ¹H-NMR (300 MHz, CDCl₃): δ = 1,50 (d, ³J_H,H = 7,2 Hz, 3H); 3,65 (s, 3H); 3,72 (q, ³J_H,H = 7,2 Hz, 1H); 7,23-7,35 (m, 5H); ¹³C-NMR (75,5 MHz, CDCl₃): δ = 18,6; 45,4; 52,0; 127,1; 127,5; 128,6; 140,6; 175,0; MS (EI, 70 eV): m/z = 164 (M⁺); 105; 77; 51;
EA: % C = 73,2 (ber. 73,3); % H 7,5 (ber. 7,3).

Synthese von (S)-2-Phenylpropionsäure-¹³C-methylester

In einem 25-ml-Einhalskolben mit Hahn werden 600 mg (4,0 mmol) (S)-2- Phenylpropionsäure und 912 mg (6,0 mmol) Cäsiumfluorid in 12 ml Dimethylformamid (abs.) aufgenommen und mit einem Kryostaten auf 13 ± 1°C gekühlt. Dann werden 1,93 g (13,6 mmol) ¹³C-Methyliodid zugegeben und 46 h bei dieser Temperatur gerührt. Anschließend wird etwas Ethylacetat zugesetzt und zusammen mit dem Überschuß Methyliodid im Vakuum entfernt. Der Rückstand wird in Ethylacetat aufgenommen, 1 mal mit ges. Natriumhydrogencarbonat- Lösung extrahiert und über Magnesiumsulfat getrocknet. Nach Entfernen des Lösungsmittels am Rotationsverdampfer wird das Rohprodukt über Kieselgel mit Hexan/Ethylacetat 8 : 2 gesäult. Nach Entfernen des Lösungsmittels im Vakuum und kurzem Trocknen im Hochvakuum werden 454 mg (69%) des Produkts als klare Flüssigkeit erhalten.
Analytik: ¹H-NMR (300 MHz, CDCl₃); δ = 1,50 (d, ³J_H,H = 7,2 Hz, 3H); 3,65 (d, ¹J_C,H = 146,9 Hz, 3H); 3,71 (q, ³J_H,H = 7,1 Hz, 3H); 7,22-7,35 (m, SH); ¹³C-NMR (75,5 MHz, CDCl₃): δ = 18,6; 45,4; 52,0; 127,1; 127,5; 128,6; 140,6; 175,0; MS (EI, 70 eV): m/z = 165 (M⁺); 105; 77; 51;
EA: % C 72,8 (ber. 73,3); % H 7,4 (ber. 7,3).
Die entsprechenden Ester wurden zur Evaluierung des Screening-Systems in verschiedenen Verhältnissen gemischt und sowohl per GC als auch per Hoch- Durchsatz-NMR bestimmt; die Ergebnisse sind in Tabelle 3 zusammengefasst. Der Fehler liegt in allen Fällen bei ≤ 2% ee. Tabelle 3 Mischungen von 10 µl auf 700 µl CDCl₃
Die Verhältnisse der Methyl-Signale (Fig. 6 und 7) im ¹H-NMR-Spektrum wurden unter Verwendung der AMIX©-Software der Firma Bruker automatisch ausgewertet.

Beispiel 3

Enantioselektive Hydrolyse von meso-1,4-Diacetoxy-2-cyclopenten

Dieses Beispiel bezieht sich auf die Reaktion einer pseudo-prochiralen Verbindung, die enantiotope Gruppen trägt (hier Acetoxygruppen):

Synthese von (1S,4R)-cis-1-(2-¹³C-Acetoxy)-4-acetoxy-2-cyclopenten

In einem 250-ml-Stickstoffkolben werden unter Luft- und Feuchtigkeitsausschluss 5,00 g (35,2 mmol) (1S,4R)-cis-4-Acetoxy-2-cyclopenten-1-ol, 4,27 mL (4,18 g, 6,95 mmol) Pyridin und 100 ml Dichlormethan vorgelegt und auf 0°C gekühlt. Unter Rühren wird innerhalb von 10 min 3,00 mL (3,44 g, 42,2 mmol) 2-¹³C- Acetylchlorid zugetropft. Innerhalb von 12 h wird auf Raumtemperatur erwärmt und sukzessive mit je zweimal 50 ml 1 M Salzsäurelösung, gesättigter Natriumhydrogencarbonatlösung und gesättigter Natriumchloridlösung extrahiert. Die organische Phase wird über Magnesiumsulfat getrocknet, vom Trockenmittel durch Filtration getrennt und am Rotationsverdampfer vom Lösemittel befreit. Das Rohprodukt wird auf Kieselgel aufgetragen und chromatographisch mit Hexan/Ethylacetat 5 : 1 gereinigt. Die Produktfraktionen werden vereinigt und am Rotationsverdampfer vom Lösemittel befreit. Nach Trocknen im Ölpumpenvakuum verbleibt eine klare Flüssigkeit (6,38 g, 97%).
Analytik: ¹H-NMR (CDCl₃, 300 MHz): δ = 1,71-1,78 (m, 2H); 2,07 (s, 3H); 2,07 (d, ¹J_C,H = 130 Hz, 3H); 2,83-2,93 (m, 2H); 5,55 (dd, ³J_H,H = 3,8 Hz, ²J_H,H = 7,5 Hz, 2H); 6,10 (s, 2H); ¹³C-NMR (CDCl₃, 75 MHz): δ = 21,5; 37,5; 76,9; 135,0; 171,1; MS (EI, 70 eV): m/z = 183 [M⁺]; 82; 54; 46; 43;
EA: C: 57,8% (ber. 57,7%); H: 6,5% (ber. 6,5%).
Die entsprechenden Monoacetate wurden zur Evaluierung des Screening-Systems in verschiedenen Verhältnissen gemischt und sowohl per GC als auch per Hoch- Durchsatz-NMR bestimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 zusammengefasst. Tabelle 4 Mischungen von 1 mg auf 1 mL CDCl₃
Die Verhältnisse der Methylsignale im ¹H-NMR-Spektrum (Fig. 6 und 7) wurden unter Verwendung der AMIX©-Software der Firma Bruker automatisch ausgewertet. Beispiel 4 Kinetische Racematspaltung von 2-Butanol
Zunächst wurde der Alkohol mit Mosher's Säurechlorid derivatisiert, um die entsprechenden, diastereomeren Ester herzustellen. Die Proben wurden danach in einem Hoch-Durchsatz-NMR-Gerät getestet und die ee-Werte durch automatische Integration der CH₂-Signale der Diastereomere im ¹H-NMR-Spektrum berechnet. Zur Kontrolle wurde die Enantiomerenreinheit der gleichen Proben gaschromatographisch bestimmt. Die mittels Hoch-Durchsatz-NMR und GC bestimmten ee-Werte sind in Tabelle 5 gegenübergestellt. Tabelle 5 Mischungen von 1 mg auf 1 mL CDCl₃
Die Verhältnisse der CH₂-Signale der Diastereomere wurden unter Verwendung der AMIX©-Software der Firma Bruker automatisch ausgewertet. Beispiel 5 Kinetische Racematspaltung von 1-Phenylethanol
Zunächst wurde der Alkohol analog zu Beispiel 4 mit Mosher's Säurechlorid derivatisiert, um die entsprechenden, diastereomeren Ester herzustellen. Die Proben wurden danach in einem Hoch-Durchsatz-NMR-Gerät getestet und die ee- Werte durch automatische Integration der CH-Signale der Diastereomere im ¹H- NMR-Spektrum berechnet. Zur Kontrolle wurde die Enantiomerenreinheit der gleichen Proben gaschromatographisch bestimmt. Die mittels Hoch-Durchsatz- NMR-Gerät und GC bestimmten ee-Werte sind in Tabelle 6 gegenübergestellt. Tabelle 6 Mischungen von 1 mg in 1 mL CDCl₃
Die Verhältnisse der CH-Signale der Diastereomere (Fig. 8) wurden unter Verwendung der AMIX©-Software der Firma Bruker automatisch ausgewertet.

Claims

1. Verfahren zur Hoch-Durchsatz-Bestimmung der Enantioselektivität von Reaktionen, die von chiralen Katalysatoren, Biokatalysatoren oder chiralen Agenzien bewirkt werden, dadurch gekennzeichnet, dass in einem automatisierten Messvorgang die Kernresonanz(NMR)-Spektroskopie als Detektionssystem verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die NMR- Detektion geeignete Isotopen-markierte Substrate eingesetzt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Isotopen-markierten Substrate pseudo-Enantiomere sind.

4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Isotopen-markierten Substrate pseudo-prochirale Verbindungen mit enantiotopen Gruppen sind.

5. Verfahren nach Ansprüchen 2-4, wobei das Verhältnis von enantiomeren Produkten und/oder Edukten durch NMR-spektroskopische Integration der Signale Isotopen-markierter und nicht-markierter Verbindungen quantitativ ermittelt wird.

6. Verfahren nach Ansprüchen 2-5, wobei die Isotopenmarkierung mit ¹³C oder D vorgenommen wird.

7. Verfahren nach Ansprüchen 1-5, wobei als NMR-aktive Kerne ¹H, ¹³C, ³¹P oder ¹⁹F verwendet werden.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die chiralen Produkte und/oder Edukte der Reaktionen mit enantiomerenreinen Agenzien bzw. chiralen Lösemitteln oder chiralen Shiftreagenzien versetzt werden und die NMR-Signale der Diastereomeren vermessen werden.

9. Verfahren nach Ansprüchen 1-8, wobei als Detektionssystem ein Hoch- Durchsatz-NMR-Gerät verwendet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei mit dem Hoch-Durchsatz-NMR-Gerät ein Probenaufgabe-Roboter verwendet wird.

11. Verfahren nach Ansprüchen 1-10, wobei im automatisierten Messvorgang ein oder mehrere Probeaufgabe-Roboter, ein oder mehrere Mikrotiterplatten, ein oder mehrere NMR-Spektrometer und ein oder mehrere Messzellen eingesetzt werden.

12. Verfahren nach Ansprüchen 1-11, wobei mindestens 1000 ee- Bestimmungen pro Tag möglich sind.