Synthesis of Fluorinated Amino Acids and Their Derivatives in Flow

Abstract

The incorporation of fluorine or fluorinated moieties into organic molecules has influenced the development of various fields including material science, diagnostics, Positron Emission Tomography (radiotracers labeled with 18F nuclei), 19F NMR-based biological studies, synthetic organic chemistry (synthesis of fluorinated organic molecules as well as fluorinated amino acids), structure and reactivity studies of fluorinated proteins, as well as 19F magnetic resonance imaging (MRI). One application of interest is the replacement of natural amino acids within peptide/protein models by fluorinated versions, as the unique properties of fluorine influence the peptide’s/protein’s properties and secondary structure. In some cases, the presence of fluorine can increase the catabolic or thermal stability of the peptide and alter its folding pattern. Despite the fact that these scaffolds show great potential for manipulation – facilitating investigation and the control of complex biochemical processes – investigations are hindered due to limited access to fluorinated amino acids. The currently available synthetic methods suffer from multiple synthetic steps, often poor yields, toxic reagents, purifications, expensive starting materials, and protecting group manipulations. To facilitate access to fluorinated amino acids, a convenient, two-step semi-continuous process was developed. By combining a photooxidative cyanation with an acid-mediated hydrolysis, my process allows for fluorinated amino acids to be accessed directly from the broad pool of primary, unprotected amines, without the need for isolation of any intermediate. During the optimization of the photooxidative cyanation process, it was shown that oxygen gas can be replaced by air without compromising the yield, and that a greener solvent (2-MeTHF) can be used as an alternative to THF. The semi- continuous process exploits two major benefits of flow chemistry – efficient photochemistry, used to synthesize amino nitriles, and use of a hazardous reagent (30% HCl) above its boiling to hydrolyze amino nitriles to amino acids. The process requires no purification and can be easily scaled. Modular nature of the developed process was utilized to set the stage for the expansion of this methodology to access enantiopure fluorinated amino acids. To pursue these target structures, enzymatic transformation of fluorinated amino nitriles to amino acids in batch was optimized as part of a collaborative effort with Almac®. A packed-bed reactor was designed to adjust this process to flow conditions and preliminary tests to determine the product formation were run. The modular flow approach to access fluorinated amino acids was divergently expanded to the synthesis of hydantoins. Branching from the synthetically valuable α-amino nitrile, a biphasic carboxylation/rearrangement was realized to generate a range of hydantoins – a heterocycle found in a number of biologically relevant arenas. In this process, the higher surface-to-volume ratio in gas-liquid reactions under flow conditions facilitates the employment of CO2, which was trapped by the crude amino nitriles to form hydantoins. A mixed solvent system was used for the addition of CO2 in order to combine the photooxidative cyanation reaction with the carboxylation as well as to increase the solubility of CO2. The semi- continuous process requires no purification and uses green reagents and solvents to deliver hydantoin scaffolds starting from the amines. This thesis also describes my efforts towards developing a method for the direct incorporation of a CF3 group into the α-position of protected amino acids. This is the first example of the direct α-trifluoromethylation of an amino acid and presents facile access to another group of fluorinated amino acids.

Der Einbau von Fluoratomen oder fluorierten Gruppen in organische Moleküle hat die Entwicklung von verschiedenen Gebieten, einschließlich der Materialwissenschaft, Diagnostik, Positronenemissionstomographie (Radiotracer mit 18F Kernen gekennzeichnet), 19F NMR-basierte biologische Studien, synthetischen organischen Chemie (Synthese von fluorierten organischen Molekülen sowie fluorierte Aminosäuren), Struktur und Reaktivität Studien fluorierter Proteine sowie 19F Magnetresonanztomographie (MRI), beeinflusst. Eine interessante Anwendung ist der Austausch von natürlichen Aminosäuren in Peptiden/Proteinen mit fluorierten Aminosäauren. Die einzigartigen Eigenschaften von Fluor beeinflussen die Eigenschaften des Peptids/Proteins und dessen Sekundärstruktur. In einigen Fällen kann das Vorhandensein von Fluor die katabolische oder thermische Stabilität des Peptids erhöhen und dessen Faltungsmuster beeinflussen. Obwohl diese Verbindungen ein großes Potenzial für die Untersuchung und Kontrolle komplexer biochemischer Prozesse haben, sind solche Studien aufgrund der begrenzten Verfügbarkeit von fluorierten Aminosäuren limitert. Die derzeit verfügbaren Synthesemethoden benötgen meist mehreren Syntheseschritte, haben häufig schlechte Ausbeuten und benötigen toxische Reagenzien, aufwändige Aufreinigungsmethoden, teure Ausgangsmaterialien sowie Schutzgruppenchemie. Um den Zugang zu fluorierte Aminosäuren zu erleichtern wurde ein bequemer, zweistufiger halbkontinuierlicher Prozess entwickelt. Durch die Kombination einer photooxidative Cyanierung mit einer sauren Hydrolyse ermöglicht dieser Prozess direkten Zugang zu fluorierte Aminosäuren aus dem breiten Pool an primären, ungeschützten Aminen ohne die Isolierung von Zwischenprodukten. Bei der Optimierung der photooxidative Cyanierung wurde gezeigt, dass gasförmiger Sauerstoff durch Luft ersetzt werden kann ohne die Ausbeute zu beeinflussen. Weiters konnte ein grünes Lösungsmittel (2-MeTHF) als Alternative zu THF eingesetzt werden. Der halbkontinuierliche Prozess nutzt zwei große Vorteile Flow Chemie: Zum einen wird durch dieses Technologie die Effizienz der photochemischen Aminotrilisyntheses gesteigert und zum anderen konnte die nachfolgende Hydrolyse durch Verwendung eines gefährlichen Reagenz (30% HCl) oberhalb seines Siedepunkts intensiviert werden. Der Prozess benötigt keine Aufreinigungsschritte und kann leicht skaliert werden. Die modulare Natur dieses Prozess wurde verwendet um diese Methode zur Herstellung von enantiomerenreinen fluorierten Aminosäuren zu Ermöglichen. Um diese Zielstrukturen zu synthetizieren wurde die enzymatische Umwandlung von fluorierten Aminonitrilen zu Aminosäuren im Batch in kollaboration mit Almac® optimiert. Für eine kontinuirliche Anwendung wurde ein Festbettreaktor enwickelt welcher in ersten Vorversuchen vielversprechende Ergebnisse erzielte. Der modulare Ansatz, der Zugriff zu fluorierten Aminosäuren bietet wurde auf eine divergente Synthese von Hydantoinen erweitert. Dazu wurden die synthetisch wertvollen α-Aminonitrile mit einer zweiphasigen Carboxylierung/Umlagerungsreaktion gekoppelt um eine Palette der biologisch relevanten Heterocyclen zu erzeugen. In diesem Prozess wird das höhere Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis bei Gas-Flüssig-Reaktionen in Durchflussreaktoren ausgenutzt. Dies ermöglicht die effiziente Verwendung von CO2, um Hydantoine von Aminonitrilen zu synthetisieren. Hierbei wurde ein Lösungsmittelgemisch für die CO2-Zugabe benutzt, um die photooxidative Cyanierungsreaktion mit der Carboxylierung zu verbinden. Das verwendete Lösungsmittelgemisch bietet auch eine erhöhte CO2 Löslichkeit in der Reaktionslösung. Der semi-kontinuierlichen Prozess benötigt keine Aufreinung und verwendet grüne Reagenzien und Lösungsmittel um Aminen in Hydantoine umzuwandeln. Diese Dissertation beschreibt auch meine Bemühungen um einen Prozess zum direkten Einbau einer CF3-Gruppe in der α-Position von geschützten Aminosäuren zu entwickeln. Dies ist das erste Beispiel für die direkte α-Trifluormethylierung einer Aminosäure und stellt einen einfachen Zugang zu einer anderen Gruppe von fluorierten Aminosäuren dar.