Biocatalysis in the synthesis of tetra-hydroisoquinoline alkaloids

Abstract

A biocatálise, e em particular a evolução dirigida de enzimas e posterior expressão em bactérias, permitiu aos químicos obter moléculas complexas com elevada estéreo- e regiosseletividade e baixo impacto ambiental. A Monoamina oxidase de Aspergillus niger (MAO-N) é uma oxidase, dependente de FAD e oxigénio, que catalisa a desaminação de aminas primárias. No Manchester Institute of Biotechnology foram efetuadas rondas sucessivas de evolução dirigida desta enzima, que permitiram a oxidação e resolução de aminas secundárias e terciárias. Contudo, não se encontra descrita na literatura a oxidação de compostos dimetoxilados com MAO-N. O uso de tetra-hidroisoquinolinas (THIQs) quirais na indústria farmacêutica é cada vez mais comum devido às suas importantes propriedades antimicrobianas, antibióticas, anti tumorais ou antimuscarínicas. Assim, é cada vez mais necessário o desenvolvimento de métodos de síntese assimétrica destes compostos. Neste trabalho procurámos funcionalizar THIQs através de métodos biocatalíticos. Para tal, estudámos a atividade várias variantes da MAO-N com derivados da THIQ. Os dados obtidos foram usados para a construção de uma nova variante capaz de oxidar a (S)-6,7-dimetoxi-1,2,3,4-tetra-hidroisoquinolina com um rendimento de 60%. Foi também efetuada a resolução de várias THIQs com as variantes de MAO-N disponíveis. Por fim, neste trabalho foi desenvolvida uma cascata enzimática com três passos sem purificação intermédia para a síntese de ácidos 1,2,3,4-tetra- -hidroisoquinolina-1-carboxílicos. Foram obtidas 1-cianotetra-hidroisoquinolinas com rendimentos superiores a 50% e o ácido tetra-hidroisoquinolina-1- -carboxílico com um rendimento de 13% (e.e. 88%).

Biocatalysis, and particularly the directed evolution of enzymes and further expression in bacterium, has allowed chemists to obtain complex molecules with improved stereo and regio-selectivity, at high reaction rates and with a low environmental impact. Monoamine oxidase from Aspergillus niger (MAO-N) is a FAD and oxygen dependent oxidase that catalyses the deamination of primary amines. Successive rounds of directed evolution at the Manchester Institute of Biotechnology have allowed the oxidation and deracemisation of secondary and tertiary amines with MAO-N variants. Nevertheless, significant activity of these mutants with dimethoxylated substrates is yet to be reported. Chiral tetrahydroisoquinoline (THIQ) derivatives are increasingly common in the pharmaceutical industry due to their antimicrobial, antibiotic, antitumor or antimuscarinic properties, demanding for easy and highly selective methods for their synthesis. In this work, we used biocatalytic methods to functionalize THIQs. First, we studied the substrate scope of MAO-N variants with several THIQs, and used the data obtained to construct a new mutant capable of oxidizing (S)-6,7-dimethoxy-1-methyltetrahydroisoquinoline with approximately 60% yield. Moreover, the deracemisation of several THIQs with MAO-N variants was performed with success. Finally, a one pot three step cascade using two distinct enzymes was developed for the selective synthesis of tetrahydroisoquinoline-1-carboxylic acids from simple tetrahydroisoquinolines, at low temperatures and in water. 1-Cyanotetrahydroisoquinolines were obtained with good yields (>50%), and tetrahydroisoquinoline-1-carboxylic acid was obtained with 13% yield and 88% e.e..