Enantiomeric Recognition of Amino Acids and Amino Alcohols by Alanine Racemase Chiral Analogue Based on Octahydro-Binaphthol

Abstract

Amino acid와 amino alcohol은 대표적인 chiral 물질이다. 하지만 D-amino acid는 자연적으로 얻어지지 않는다. D-amino acid는 의약품, 식품 혹은 생리활성 물질의 중간체 및 원제로 사용되기 때문에 이들의 합성은 중요하다. 박테리아 세포벽의 alanine racemase를 기초로 하여 고안된 ARCA (alanine racemase chiral analogue)는 L-amino acid를 D-amino acid으로 변환시킨다. 기존의 ARCA의 stereoselectivity를 높이기 위해 (S)-(2-hydroxyl-2’-benzyloxy-3’-guanidino-3-formyl)-5,5’, 6,6’, 7,7’, 8,8’-octahydro-1,1’-binaphthalene (1)과 (S)-(2-hydroxy-2’-phenyluryl benzyl -3-carboxaldehyde)-5,5’,6,6’,7,7’,8,8’-octahydro-1,1’-binaphthalene (2)가 디자인되었다. 기존의 ARCA들과 비교했을 때 binaphthol에 추가된 8개의 proton을 가진 receptor 1과 2는 steric hindrance로 인해 naphthalene ring간의 움직임이 제약을 받는다. 이 제약으로 인해 receptor의 selectivity가 향상될 것이라고 기대되었다. 우선 vilsmeier reaction으로 octahydro-binaphthol에 aldehyde를 붙인 후 각각 7단계, 3단계를 거쳐서 receptor 1과 2를 합성하였다. Receptor 1과 2는 L-amino acids와 DMSO-d_(6)에서 반응하여 imine을 형성하고, 여기에 TEA을 첨가하면 시간의 변함에 따라 ^(1)H-NMR spectrum이 변함을 관찰할 수 있다. L-form의 peak가 시간이 지나면서 점점 줄어들고, D-form의 peak가 늘어나는 것으로 L-amino acid가 D-amino acid로 변환되는 것을 확인하였다. 더 나아가 Receptor 1과 2는 입체 선택성을 가지고 racemic amino alcohol과 결합한다. (S)-form으로 존재하는 receptor 1과 2는 (S)-amino alcohol보다 (R)-amino alcohol과3-20배 정도 더 잘 결합한다. Receptor 1과 2는 기존의 ARCA와 비교했을 때 추가된 8개의 proton으로 인해서 chloroform과 dichloromethane처럼 끓는점이 낮아 회수가 쉬운 유기용매에 잘 녹는다. 또한, vilsmeier 방법으로 compound 4를 합성할 수 있어서, 위험한 n-butyllithium을 사용하지 않고도 receptor를 합성할 수 있다. 그러므로 enantiomer의 분리와 사용이 편하고 시간과 돈의 절약 등의 좋은 이점이 있다. 또한, 추가된 8개의 proton은 dihedral angle의 움직임에 제한을 주어 두 개의naphthol ring간의 움직임에 영향을 준다. 두 개의 ring사이에 존재하는 proton으로 인해 ring사이의 공간이 비교적 작아져서 ring사이의 motion에 대한 자유도가 작아지고 움직임에 제약이 생기는 것이다. 이 제약으로 인해 amino alcohol에 대한 입체 선택성이 더 커진다는 것을 실험결과 비교를 통해 알 수 있다.;Amino acid and amino alcohol are most representative chiral material. But D-amino acid is not able to get by natural consequences. D-amino acid, used for drugs, foods, cosmetics, and agrichemicals, is important inducer. Thus, it is very important that synthesize D-amino acid. The ARCA (alanine racemase chiral analogue), based on alanine racemase of bacterial cell wall, can convert L-amino acid to D-amino acid. Receptor 1 and 2 are designed for enhance the stereoselectivity of existing ARCA. The movement between naphthalene ring of receptor 1 and 2 are restricted by steric hindrance. Because of this restriction, selectivity of receptor is expected to be increased. First of all we attached aldehyde to octahydro-binaphthol by vilsmeier reaction. Then through step 7 and 3 respectively, receptor 1 and 2 are synthesized. Receptor 1 and 2 react with L-amino acids in DMSO-d_(6) and then form imine. We could see changing of ^(1)H-NMR spectrum by time passes as adding of TEA. It is meaning of convert L-amino acid to D-amino acid that decreasing of L-form peak and increasing of D-form peak. Furthermore, receptor 1 and 2 are bind with racemic amino alcohol with stereoselectivity. Receptor 1 and 2 as (S)-form have 3-20 times higher selectivity to (R)-amino alcohol than (S)-amino alcohol. Compared to existing ARCA, receptor 1 and 2 are well soluble in chloroform and dichloromethane which have low boiling point. It is because of added 8 proton of its. Also the using of vilsmeier method make that we can synthesize receptor without dangerous n-butyllithium. Thus it is easy for separation of enantiomer and using. Furthermore we can save time and money. Also, added 8 proton restrict movement of dihedral angle and then effect to movement between two naphthol rings. Because of existent proton between two rings, the space between two rings becoming small. It occur restriction of movement by smaller freedom of motion. We can know that the stereoselectivity to amino alcohol is increased by this restriction.