Generierung von ges£¤ttigten N-Heterozyklen mit Iminreduktasen ... 2019/12/14 ¢  Generierung von ges£¤ttigten

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  • Generierung von gesättigten N-Heterozyklen

    mit Iminreduktasen

    Von der Fakultät 4: Energie-, Verfahrens- und Biotechnik der Universität Stuttgart genehmigte Abhandlung zur Erlangung der Würde eines

    Doktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.)

    Vorgelegt von

    Niels Borlinghaus

    aus Wuppertal

    Hauptberichter: Prof. Dr. Bernhard Hauer

    Mitberichter: Prof. Dr. Albert Jeltsch

    Vorsitzender: Prof. Dr.-Ing. Ralf Takors

    Tag der mündlichen Prüfung:

    12.12.2019

    Institut für Biochemie und Technische Biochemie

    Abteilung Technische Biochemie

    2019

  • II

  • III

    Folgende Fachartikel wurden im Rahmen dieser Arbeit veröffentlicht:

    M. Lenz, N. Borlinghaus, L. Weinmann, B. M. Nestl „Recent advances in imine reductase

    catalyzed reactions.“ World J. Microbiol. Biotechnol. 2017, 33, 199.

    N. Borlinghaus, B. M. Nestl „Switching the Cofactor Specificity of an Imine Reductase.“

    ChemCatChem 2018, 10, 183–187.

    N. Borlinghaus, S. Gergel, B. M. Nestl „Biocatalytic Access to Piperazines from Diamines

    and Dicarbonyls.” ACS Catal. 2018, 8, 3727–3732.

    A. Al-Shameri, N. Borlinghaus, L. Weinmann, P. N. Scheller, B. M. Nestl, L. Lauterbach

    „Synthesis of N-heterocycles from diamines via H2-driven NADPH recycling in the presence

    of O2.“ Green Chem. 2019, 21, 1396–1400.

    N. Borlinghaus, L. Weinmann, F. Krimpzer, P. Scheller, A. Al-Shameri, L. Lauterbach,

    A.-S. Coquel, C. Lattemann, B. Hauer, B. Nestl „Cascade biotransformation to access 3-

    methylpiperidine in whole cells.“ ChemCatChem. 2019, 11, 5738– 5742.

    N. Borlinghaus, S. Gergel, Bettina M. Nestl, F. Thol, H. Penders “Preparation of imine

    reductases at 15L scale and their application in asymmetric piperazine synthesis”,

    accepted book chapter for „Practical methods for Biocatalysis and Biotransformations 3”,

    edited by J. Whittall and P. W. Sutton, published by Wiley-VCH.

    N. Borlinghaus, B. M. Nestl „Reductive Hydrazinations with Imine Reductases”

    Manuscript in preparation.

  • IV

  • V

    I. Eidesstattliche Erklärung

    Hiermit erkläre ich, dass ich die vorliegende Arbeit mit dem Titel „Generierung von

    gesättigten N-Heterozyklen mit Iminreduktasen“ selbstständig verfasst habe, und dass

    ich keine anderen als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt habe. Alle

    wörtlich oder sinngemäß aus anderen Werken übernommenen Aussagen sind als solche

    gekennzeichnet worden. Des Weiteren bestätige ich, dass die vorgelegte Arbeit nicht in

    gleicher oder ähnlicher Form bei einer anderen Institution zur Erlangung eines

    akademischen Grades eingereicht wurde

    I. Declaration of Authorship:

    I hereby declare that the present thesis entitled “Generation of saturated N-Heterocycles

    with imine reductases” is the result of my own work, that all sources used or quoted

    have been indicated, and that I have not used any illegitimate means. I further declare

    that I have not submitted this thesis for a degree in some form or another.

    Korntal, 05.07.2019

    Niels Borlinghaus

  • VI

    II. Danksagung

    An erster Stelle möchte ich mich bei Herr Prof. Dr. Bernhard Hauer bedanken, der

    mich als Doktorand in seinen Arbeitskreis aufgenommen hat und mir die Bearbeitung

    dieses spannenden Themas überlassen hat. Weiterhin möchte ich mich für die

    Unterstützung und die Ermutigung während meiner Arbeit bedanken. Auch für die

    vielen Freiheiten, die ich in meiner Forschung hatte, und das damit verbundene

    Vertrauen, möchte ich mich bedanken.

    Herrn Prof. Dr. Albert Jeltsch und Herrn Prof. Dr.-Ing. Ralf Takors danke ich herzlich

    für die Übernahme des Zweitgutachters, bzw. für die Übernahme des

    Prüfungsvorsitzenden.

    Ganz besonders bedanken möchte ich mich bei Dr. Bettina Nestl für die hervorragende

    Betreuung während meiner gesamten Zeit als Doktorand. Vor allem für die fachliche

    Unterstützung und den Austausch über theoretische und praktische Fragestellungen,

    sowie für die Überarbeitung von Manuskripten und die Überarbeitung dieser Arbeit

    möchte ich mich herzlich bedanken. Danken möchte ich auch für deine ständige und

    unermüdliche Motivation in allen Phasen dieses Projektes.

    Ein weiterer Dank gilt Dr. Bernd Nebel für die fachliche Unterstützung bei analytischen

    Fragestellungen, sowie für die Sicherstellung einer funktionierenden Analytik.

    Bedanken möchte ich mich auch bei meinen Kooperationspartnern Dr. Oliver Lenz,

    Dr. Lars Lauterbach und Ammar Al-Shameri an der TU Berlin. Hierbei möchte ich

    mich vor allem für die enge und produktive Zusammenarbeit bedanken, sowie für den

    fachlichen Austausch. Auch für die herzliche Aufnahme bei meinen Aufenthalten in

    Berlin möchte ich mich bedanken.

    Ein weiterer Dank geht an meine Kollegen aus dem IRED-Team (Maike Lenz, Philipp

    Scheller, Leonie Weinmann und Bettina Nestl). Dies war eine sehr lehrreiche und

    produktive Zusammenarbeit für mich.

    Auch möchte ich mich bei den Kollegen des Rosalind-Franklin-Labors (Sebastian

    Gergel, Benjamin Aberle, Ludwig Bengel, Maike Lenz, Julia Halder, Sara Hoffman,

    Lars Hinner) für die freundschaftliche Arbeitsatmosphäre und die vielen fachlichen

    Diskussionen bedanken.

  • VII

    Darüber hinaus möchte ich mich bei allen Kolleginnen und Kollegen bedanken, mit

    denen ich in den letzten drei Jahren zusammen arbeiten durfte. Bei euch bedanke ich

    mich vor allem für die angenehme Atmosphäre und die Hilfsbereitschaft im Laboralltag,

    sowie für die Bereitschaft sich jederzeit über fachliche und technische

    Problemstellungen auszutauschen.

    Bedanken möchte ich mich auch bei den Studenten Sebastian Gergel, Andreas Reichl,

    Phillip Jegl und Steffen Bernhard, welche in verschieden Bereichen dieses Projektes

    beteiligt waren und von mir betreut wurden.

    Auch bedanken möchte ich mich bei der Deutschen Forschungsgesellschaft (DFG) für

    die finanzielle Unterstützung dieses Projektes.

    Nicht zuletzt möchte ich mich bei meiner großartigen Frau Mareike bedanken, die mich

    stets voll und ganz bei meiner Arbeit unterstützte.

  • VIII

    III. Inhaltsverzeichnis

    I. Eidesstattliche Erklärung ......................................................................................................................... V

    II. Danksagung ................................................................................................................................................ VI

    III. Inhaltsverzeichnis ............................................................................................................................... VIII

    IV. Abkürzungsverzeichnis ..................................................................................................................... XIII

    V. Zusammenfassung ................................................................................................................................. XIV

    V. Abstract .................................................................................................................................................... XVII

    1. Einleitung ................................................................................................................................................. 1

    1.1. Biokatalyse ....................................................................................................................................... 1

    1.2. N-Heterozyklen .............................................................................................................................. 2

    1.2.1. N-Heterozyklen als Pharmabausteine ............................................................................... 3

    1.2.2. Piperazine .................................................................................................................................... 4

    1.3. Enzymatische Bildung von chiralen N-Heterozyklen ...................................................... 6

    1.4. Iminreduktasen .............................................................................................................................. 7

    1.4.1. Reaktionsmechanismus .......................................................................................................... 9

    1.4.2. IRED katalysierte Reaktionen............................................................................................ 11

    1.4.3. Promiskuitive, iminreduzierende Enzymaktivitäten ............................................... 13

    1.4.4. Enzymkaskaden mit Iminreduktasen ............................................................................ 14

    2. Motivation ............................................................................................................................................ 16

    3. Material und Methoden ................................................................................................................. 17

    3.1. Materialien ........................