This thesis developed a platform for the automated execution, analysis and interpretation of glycosylation reactions along with the structured submission of generated data. Over 1000 individual reactions have been executed in the platform. Leading towards this development, the impact of novel technologies on process intensification and stereoselective analysis was demonstrated. At the outset, flow chemistry as a novel technology was used to develop a fully telescoped, continuous process for synthesizing the ionizable lipid ALC-0315, an integral component in one COVID-19 vaccine formulation. By eliminating intermediate chromatographic purification steps, the process demonstrates the potential for simplification and acceleration of a multi-step synthetic process by flow chemistry. The yield was doubled over comparable batch processes with a projected productivity of 7 mmol/h (Chapter 2). Encouraged by these results, the application of novel technologies, towards construction, investigation and prediction of glycosylation reactions was reviewed. Glycosylations were first reported at the end of the 19th century and numerous strategies have been developed to synthesize defined glycans since. These utilize different protective and leaving groups to link diverse monosaccharides, the complexity arising from various structural factors of the coupling partners. Together with often poorly reported yet critical reaction conditions, such as temperature and procedural details, these earned the field a reputation of poor reproducibility and a steep learning curve for newcomers. Flow chemistry has been reported to facilitate challenging linkages and was used to study both discrete (e.g., solvent, model nucleophiles) and continuous (e.g., temperature, reaction time) parameters affecting glycosylation yield and stereoselectivity. Data from small-scale screening campaigns highlighted temperature as a crucial factor in glycosylations (Chapter 3). To accelerate the development of stereoselective glycosylations and examine the effect of temperature thereupon, I constructed a flow chemistry platform that can perform four reactions per hour. We demonstrated rapid analysis (< 1 min) of stereoselectivity using ion mobility spectrometry on crude reaction mixtures of fully protected glycans for the first time. The study found that while temperature modestly affected stereoselectivity, solvent choice played a more significant role (Chapter 4). For predicting ideal reaction conditions and routes towards desired structures, large amounts of structured, high quality data are needed. Although models trained on literature data can predict yield, stereoselectivity and products to some extent, these models would benefit from better and openly accessible data. The automated and thereby reproducible generation of comprehensive databases for glycosylation reactions, conditions, and results, along with raw analytical data, could address data scarcity and enhance quality (Chapters 3 & 5). In order to construct these datasets and created large amounts of structured data, I developed a platform for the fully automated planning, execution, and analysis of glycosylation reactions based on flow chemistry. As a proof of concept, the fully automated screening of 12 different glycosyl nucleophiles and electrophiles 2 at various temperatures was conducted, resulting in over 720 different reactions from 144 distinct substrate combinations. The data obtained identifies challenging couplings, for example glucosamine electrophiles or 3-hydroxyl glucose nucleophiles, suggests required reaction times below 5 min for most cases, and shows structural influences of donors and acceptors on conversion and selectivity (Chapter 6). I expect that exploitation of the developed platform to systematically study glycosylation chemistry and its application to other suitable fields of chemistry to improve data availability, data quality and understanding of influencing factors for respective chemistries.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Plattform für die automatisierte Durchführung, Analyse und Interpretation von Glykosylierungsreaktionen sowie für die strukturierte Speicherung der generierten Daten entwickelt. Über 1000 Einzelreaktionen wurden mithilfe der Plattform durchgeführt. Während dieser Entwicklung wurden die Auswirkungen neuartiger Technologien auf die Prozessintensivierung und die stereoselektive Analyse demonstriert. Zunächst wurde die Durchflusschemie als neuartige Technologie eingesetzt, um einen vollständig kontinuierlichen Prozess zur Synthese des ionisierbaren Lipids ALC-0315 zu entwickeln, ein wesentlicher Bestandteil einer COVID-19-Impfstoffformulierung. Durch den Wegfall von chromatographischen Zwischenreinigungsschritten demonstriert das Verfahren das Potenzial zur Vereinfachung und Beschleunigung eines mehrstufigen Syntheseprozesses durch Fließchemie. Die Ausbeute war doppelt so hoch wie bei vergleichbaren Batch-Prozessen mit einer prognostizierten Produktivität von 7 mmol/h (Kapitel 2). Ermutigt durch diese Ergebnisse wurde die Anwendung neuartiger Technologien zur Konstruktion, Untersuchung und Vorhersage von Glykosylierungsreaktionen untersucht. Über Glykosylierungen wurde erstmals Ende des 19. Jahrhunderts berichtet, und seitdem wurden zahlreiche Strategien zur Synthese definierter Glykane entwickelt. Dabei werden unterschiedliche Schutz- und Abgangsgruppen verwendet, um verschiedene Monosaccharide zu verknüpfen, wobei die Komplexität aus verschiedenen strukturellen Faktoren der Kupplungspartner resultiert. Zusammen mit den oft unzureichend dokumentierten, aber kritischen Reaktionsbedingungen, wie Temperatur und verfahrenstechnische Details, brachte dies dem Gebiet den Ruf schlechter Reproduzierbarkeit und einer steilen Lernkurve für Neueinsteiger ein. Es wurde berichtet, dass die Durchflusschemie schwierige Verknüpfungen erleichtert und zur Untersuchung sowohl diskreter (z. B. Lösungsmittel, Modellnukleophile) als auch kontinuierlicher Parameter (z. B. Temperatur, Reaktionszeit), die die Glykosylierungsausbeute und Stereoselektivität beeinflussen, eingesetzt wurde. Daten aus Screening-Kampagnen im kleinen Maßstab haben gezeigt, dass die Temperatur ein entscheidender Faktor bei Glykosylierungen ist (Kapitel 3). Um die Entwicklung stereoselektiver Glykosylierungen zu beschleunigen und die Auswirkungen der Temperatur darauf zu untersuchen, habe ich eine Flusschemie-Plattform entwickelt, die vier Reaktionen pro Stunde durchführen kann. Wir haben zum ersten Mal eine schnelle Analyse (< 1 Minute) der Stereoselektivität mit Hilfe der Ionenmobilitätsspektrometrie an Reaktionsgemischen vollständig geschützter Glykane durchgeführt. Die Studie ergab einen geringen Einfluss der Temperatur auf die Stereoselektivität, wobei die Wahl des Lösungsmittels jedoch eine größere Rolle spielte (Kapitel 4). Für die Vorhersage idealer Reaktionsbedingungen und Syntheserouten zu gewünschten Strukturen werden große Mengen strukturierter, hochwertiger Daten benötigt. Obwohl Modelle, die anhand von Literaturdaten trainiert wurden, Ausbeute, Stereoselektivität und Produkte bis zu einem gewissen Grad 4 vorhersagen können, würden diese Modelle von besseren und offen zugänglichen Daten profitieren. Die automatisierte und damit reproduzierbare Erstellung umfassender Datenbanken für Glykosylierungsreaktionen, -bedingungen und -ergebnisse zusammen mit analytischen Rohdaten könnte die Datenknappheit beheben und die Qualität verbessern (Kapitel 3 und 5). Um diese Datensätze zu erstellen und große Mengen strukturierter Daten zu erzeugen, habe ich eine Plattform für die vollautomatische Erstellung, Durchführung und Analyse von Glykosylierungsreaktionen auf der Grundlage der Fließchemie entwickelt. Zum Nachweis des Konzepts wurde das vollautomatische Screening von 12 verschiedenen Glykosylnukleophilen und -elektrophilen bei verschiedenen Temperaturen durchgeführt, was zu über 720 verschiedenen Reaktionen aus 144 verschiedenen Substratkombinationen führte. Die erhaltenen Daten identifizieren schwierige Kupplungen, z. B. von Glucosamin-Elektrophilen oder dem 3-Hydroxyl-Glukose-Nukleophil, lassen in den meisten Fällen Reaktionszeiten von unter fünf Minuten erwarten und zeigen strukturelle Einflüsse von Donoren und Akzeptoren auf Umsatz und Selektivität (Kapitel 6). Ich gehe davon aus, dass die Nutzung der entwickelten Plattform zur systematischen Untersuchung der Glykosylierungschemie und ihre Anwendung auf andere geeignete Bereiche der Chemie die Datenverfügbarkeit, die Datenqualität und das Verständnis für diese Prozesse verbessern wird.
