University of Groningen DNA-based asymmetric catalysis Boersma

University of Groningen
DNA-based asymmetric catalysis
Boersma, Arnold J.
IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to
cite from it. Please check the document version below.
Document Version
Publisher's PDF, also known as Version of record
Publication date:
2009
Link to publication in University of Groningen/UMCG research database
Citation for published version (APA):
Boersma, A. J. (2009). DNA-based asymmetric catalysis Groningen: s.n.
Copyright
Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the
author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons).
Take-down policy
If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately
and investigate your claim.
Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons the
number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum.
Download date: 18-07-2017
Samenvatting
DNA wordt door de natuur gebruikt als de drager van onze erfelijke informatie. Vanuit een
esthetisch oogpunt wordt DNA dikwijls gezien als vrijwel het mooiste molecuul dat
voorkomt in de natuur; het wordt zelfs de Mona Lisa van de moderne wetenschap
genoemd. DNA is een zeer lang molecuul en vormt een structuur gelijk aan een wenteltrap
(Figuur 1), oftewel een helix. Deze helix bestaat uit twee strengen die aan elkaar binden en
om elkaar winden. De wenteltrap loopt echter altijd rechtsom: als men boven zou beginnen
loopt men met de klok mee. Een interessante eigenschap van de vorm van een wenteltrap is
dat het spiegelbeeld van een wenteltrap linksom loopt. Deze twee spiegelbeelden zijn niet
hetzelfde, want het is niet mogelijk een helix zo te draaien dat de andere wordt verkregen.
Deze eigenschap van een helix wordt chiraliteit of asymmetrie genoemd.
Figuur 1: Schematische weergave van rechtshandig DNA en het spiegelbeeld is dus linkshandig
DNA.
Een alledaags voorbeeld van chiraliteit is bijvoorbeeld de rechterhand: die is het
spiegelbeeld van de linker, maar de rechterhand is niet zo te draaien dat hij er precies
hetzelfde uitziet als een linkerhand. Andere voorbeelden van chiraliteit zijn auto’s, de
mobiele telefoon of een boek. Voorbeelden waarbij de spiegelbeelden wel met elkaar in
overeenstemming gebracht kunnen worden, en die dus niet chiraal zijn, zijn een bal, een
effen koffiemok, of een bril. Deze verschillen komen ook voor in de wereld van de
moleculen: ook die zijn chiraal of niet chiraal.
De belangrijkste bouwstenen van het leven zijn chiraal en komen net als DNA in een enkele
spiegelbeeldvorm voor in organismen. Ook stoffen die met de bouwstenen van het leven in
aanraking komen, zoals medicijnen of landbouwchemicaliën moeten enkel uit een enkel
spiegelbeeldvorm bestaan: de gevolgen kunnen dramatisch zijn als deze stoffen worden
toegepast als een mengsel van beide chirale vormen. Een bekend voorbeeld is Softenon uit
de jaren 60. Softenon (thalidomide) was bedoeld als een pijnstiller en werd toegediend als
een mengsel van beide spiegelbeeldvormen. Slechts een vorm is als geneesmiddel
werkzaam en door het andere spiegelbeeld werden misvormde kinderen geboren wanneer
zwangere vrouwen thalidomide gebruikten. Dit heeft ertoe bijgedragen dat ernaar gestreefd
wordt om vele chemische verbindingen en in het bijzonder geneesmiddelen exclusief in één
spiegelbeeld te verkrijgen.
Als een stof wordt gemaakt, is er in principe geen voorkeur voor een van beide chirale
vormen, en daarom wordt van beide evenveel verkregen. De spiegelbeeldvormen van
moleculen kunnen van elkaar gescheiden worden. Het nadeel is dat hierbij de helft van de
stof verloren gaat. Een belangrijke methode, die ook wordt toegepast in dit proefschrift, is
het omzetten van een niet chirale, dus symmetrische, uitgangsstof naar een enkel
spiegelbeeld van een chiraal product (Figuur 2). Hiervoor is een andere chirale stof nodig
(de linkerhand in Figuur 2), waarvan de chirale informatie naar het product van de
omzetting kan worden overgedragen. De stof die zorgt voor de chirale informatie wordt niet
verbruikt in de omzetting, en is dus een katalysator. Dit geheel wordt asymmetrische
katalyse genoemd.
Figuur 2: Het principe van asymmetrische katalyse: Een stuur wordt op een niet chirale auto
geplaatst, waarbij twee spiegelbeelden kunnen worden gevormd. De linkerhand bepaald echter dat in
dit geval de auto alleen geschikt voor gebruik in Engeland wordt gevormd.
Omdat er enorm veel typen stoffen en chemische omzettingen zijn, is er geen standaard
recept voorhanden om te bepalen welke katalysator gebruikt moet worden om in een enkel
chirale vorm te verkrijgen. Daarom zoeken wetenschap en industrie naar nieuwe methoden
om een enkel spiegelbeeld te verkrijgen. In het onderzoek dat beschreven wordt in dit
proefschrift is voor het eerst DNA gebruikt om dit te bewerkstelligen.
Omdat de chirale informatie overgedragen moet worden van het DNA naar het product,
moet de omzetting in de onmiddelijke nabijheid van het DNA plaatsvinden. In eerder werk
uit onze groep, waarop het werk beschreven in dit proefschrift is gebaseerd, werd gevonden
dat chirale informatie kon worden overgedragen door koper aan DNA te binden (Figuur 3).
Koper kan bepaalde typen chemische omzettingen makkelijker laten verlopen, en is dus een
katalysator. Het werd aan het DNA gebonden door middel van een verbindingsmolecuul,
158
samenvatting.doc
welke vanaf nu het ligand genoemd wordt. In dit eerste ontwerp bestond het ligand uit een
gedeelte dat DNA bindt, een gedeelte dat koper bindt, en daartussen een verbindingstuk
(niet weergegeven in Figuur 3). Met dit ontwerp was het voor de eerste keer mogelijk om
DNA te gebruiken om een voorkeur voor een chirale vorm van het product van een
chemische omzetting te verkrijgen. Er werd 49% meer van het ene spiegelbeeld verkregen
dan het andere (ook wel enantiomere overmaat genoemd).
Figuur 3: Het principe van DNA gebaseerde asymmetrische katalyse: Het ligand bind het koper en
het DNA. Hierdoor is de koper dicht bij het DNA, en als het koper de omzetting laat versnellen kan
de asymmetrische informatie van het DNA worden overgedragen naar het product van een omzetting.
De afstand tussen het koper, waar de chemische omzetting plaatsvindt, en het DNA blijkt
cruciaal. Hoe verder het koper van het DNA geplaatst wordt, des te lager de enantiomere
overmaat. Daarom wordt het ontwerp drastisch gewijzigd, en een zo klein mogelijk ligand
gebruikt, waardoor het koper zo dicht mogelijk bij het DNA ligt. Inderdaad, in hoofdstuk 2
van dit proefschrift staat beschreven dat met deze aanpak selectief een enkel chirale vorm
van het product verkregen kon worden: d.w.z. >99% enantiomere overmaat (Figuur 3). Uit
deze studie komt verder naar voren dat hoe groter het ligand gemaakt wordt, hoe lager de
enantiomere overmaat. Ook blijkt dat het ligand niet onbeperkt kleiner gemaakt kon worden
omdat er dan weer evenveel van beide chirale vormen gevormd wordt.
Een beperking bij de toepassing van dit concept is dat de producten die bij deze omzetting
werden gevormd zelf geen toepassingen hebben, en ook niet makkelijk waren om te zetten
naar andere stoffen. Dit komt doordat aan een van de reagentia een hulpgroep is geplaatst
die ervoor zorgt dat het reagens aan koper bindt, waar de omzetting immers plaats moet
vinden (Figuur 4). Dit probleem werd verholpen door een andere hulpgroep te gebruiken,
welke wel makkelijk te verwijderen was na de omzetting. Bovendien, was het product dat
verkregen werd bekend in de literatuur, waardoor bepaald kon worden welke van de twee
chirale vormen was gemaakt. Deze informatie is belangrijk om te bepalen waarom DNA
een voorkeur voor een van beide chirale vormen heeft.
Het is verrassend dat DNA met het koper exclusief een enkele chirale vorm kan
voortbrengen uit de chemische omzetting. Dit ten eerste omdat koper met het ligand niet zo
sterk aan DNA bindt: 95% van het koper is gebonden, wat betekent dat 5% niet aan DNA
gebonden is. Deze 5% versnelt de omzetting ook, maar zonder de chirale informatie van het
DNA, is er geen voorkeur voor een chirale vorm. Hierdoor zou het verkrijgen van exclusief
159
een chirale vorm normaal gesproken niet mogelijk zijn. Uit het onderzoek beschreven in
hoofdstuk 3 bleek dat koper dat wel gebonden is aan het DNA de omzetting meer
versnelde, waardoor het koper dat niet gebonden was aan het DNA minder invloed had op
het eindresultaat. Dit verklaart waarom een dergelijk hoge enantiomere overmaat te
verkrijgen is.
Figuur 4: Het principe van een hulpgroep: Een hulpgroep zorgt ervoor dat het reagens gebonden is
aan koper, zodat het kan reageren. De hulpgroep wordt na de omzetting verwijdert van het product.
Het tweede belangrijke punt kwam voort uit het type DNA dat werd gebruikt. DNA bestaat
uit vier bouwstenen; G, C, A en T, welke in elke volgorde geplaatst kunnen worden. In de
natuur wordt op deze manier erfelijke informatie opgeslagen. Zoals eerder genoemd bestaat
DNA uit twee strengen, waarbij de G op de ene streng altijd tegenover een C op de andere
streng zit, en hetzelfde geldt voor de A en de T. De treden die te zien zijn in de
schematische weergave van DNA worden gevormd door het binden van een G met een C,
of een A met een T. Het bleek dat in dit onderzoek de volgorde van de bouwstenen een zeer
grote invloed had op de selectiviteit waarmee een van beide chirale vormen verkregen
werd. Hiervoor werden kleine stukjes DNA getest met een bekende volgorde, waaruit bleek
dat drie G’s (en dus drie C’s op de andere streng) op een rij voor de hoogste selectiviteit
zorgden, namelijk >99% enantiomere overmaat. Andere volgordes daarentegen gaven een
lagere selectiviteit, meestal rond de 80% enantiomere overmaat.
In het onderzoek beschreven in de vorige paragrafen werd natuurlijk DNA van de zalm
gebruikt. Dit is een zeer lang molecuul en bestaat uit een min of meer willekeurige
volgorde van de vier bouwstenen. Als men zou kijken naar die volgorde, met in het
achterhoofd de informatie over de kleine stukjes DNA, zou men eerder een lagere
selectiviteit verwachten. Dit bleek echter niet het geval te zijn, omdat de volgorde van drie
G’s niet alleen de hoogste selectiviteit gaf, maar ook de omzetting het meest versnelde. Het
gevolg is dat het koper dat zich in dit deel van het DNA bevindt de omzetting domineert ten
opzichte van andere volgordes, waardoor met lang natuurlijk DNA, waar alle mogelijke
volgordes present zijn, ook een zeer hoge selectiviteit is te halen.
160
samenvatting.doc
Om te begrijpen hoe DNA de asymmetrische informatie kan overdragen, is het cruciaal om
de manier van binden van het ligand met koper, “het koper-katalysator-complex”, aan het
DNA te bepalen. Een molecuul kan DNA op verschillende manieren binden, bijvoorbeeld
door tussen de bouwstenen (de traptreden) te schuiven, maar het kan er ook langs liggen.
Uit het verzamelde bewijs beschreven in hoofdstuk 4, lijkt het erop dat het ligand met koper
op beide manieren tegelijk aan DNA bind. De vraag is natuurlijk welke meer bijdraagt aan
het overdragen van de asymmetrie. Het blijkt dat de stukken DNA met drie G’s, welke de
hoogste enantiomere overmaat gaven en de omzetting het meest versnelden, verstoord
worden bij het binden. Dit zou kunnen duiden op binding tussen de bouwstenen, wat
impliceert dat de complexen die op deze manier zijn gebonden voor het leeuwendeel van de
overdracht van asymmetrische informatie zorgen.
Omdat DNA uit één chirale vorm bestaat, namelijk rechtshandig DNA, zou je verwachten
dat je ook maar een van beide chirale vormen van het product zou kunnen verkrijgen. In
hoofdstuk 4 staat echter beschreven dat het toch mogelijk bleek om beide chirale vormen
van het product met enantiomere overmaat te verkrijgen. Door een ander type liganden toe
te passen kon de manier van binden van de reagentia aan het koper beïnvloed worden, wat
resulteerde in de vorming van het andere chirale product met een enantiomere overmaat van
92%.
Op basis van de informatie in hoofdstukken 3 – 5 kon een model gepostuleerd worden om
te verklaren waarom het mogelijk is dat de asymmetrische informatie wordt overgedragen
van het DNA naar het product van de omzetting (Figuur 5):
Figuur 5: Model van de katalysator gebaseerd op DNA. De rechtshandige structuur van DNA is
duidelijk zichtbaar. In het midden zijn het ligand, het koper en het reagens weergegeven met een
andere opmaak. Het is duidelijk te zien dat alles dicht bij DNA gebeurt, zodat er voldoende
mogelijkheid is voor overdracht van asymmetrie naar het product.
De omzetting die tot dan toe werd onderzocht om te bewijzen dat DNA asymmetrische
informatie kan overdragen, was de zogenaamde Diels-Alder reactie. Ook andere chemische
reacties konden worden uitgevoerd: In hoofdstuk 6 staat beschreven dat een Friedel-Crafts
reactie ook uitgevoerd kan worden waarbij de voorkeur voor de chirale vorm van het
161
product bepaald wordt door het DNA. De producten van deze omzetting zijn bouwstenen
voor farmaceutica. Een interessant gegeven is dat dit de eerste keer was dat deze FriedelCrafts reactie asymmetrisch werd uitgevoerd in water. Naast deze twee omzettingen is ook
de zogenaamde Michael additie uitgevoerd met een zeer hoge selectiviteit voor één chirale
vorm van het product door de aanwezigheid van DNA. De Michael, Diels-Alder en de
Friedel-Crafts reactie zijn voorbeelden van drie zeer belangrijke typen van koolstofkoolstof binding vormende omzettingen. Koolstof-koolstof bindingen vormen het skelet
van organische moleculen, en zijn dus cruciaal om een nieuwe organische moleculen te
synthetiseren.
Een van de grote uitdagingen in asymmetrische katalyse is het uitvoeren van omzettingen
met water als reagens, waarbij een chirale vorm verkregen wordt. Dit is belangrijk omdat
water een goedkoop en milieuvriendelijk reagens is. In hoofdstuk 7 staat beschreven dat dit
voor de eerste keer voor de zogenaamde asymmetrische oxa-Michael additie mogelijk is,
door de omzetting met de DNA katalysator uit te voeren. Dus behalve omzettingen in
water, bleek het ook mogelijk om omzettingen asymmetrisch uit te voeren met water.
Hiervoor werden deze omzettingen alleen met behulp van enzymen, de katalysatoren van
de natuur, uitgevoerd waarbij een van beide chirale vormen verkregen werd. Dit is een
belangrijke chemische omzetting, waar lang naar gezocht is omdat de producten een
structuur bevatten die veel in farmaceutisch actieve stoffen wordt teruggevonden. Daarnaast
is ook de manier waarop het water reageert vrij uniek: alle atomen van water worden
ingebouwd aan dezelfde kant. Zonder koper zou hier geen voorkeur voor zijn. Dit type van
selectiviteit werd eveneens alleen geobserveerd in het geval van de enzymen.
Samenvattend, in dit proefschrift staat beschreven dat met behulp van DNA selectief een
enkel spiegelbeeld van een product van een omzetting te verkrijgen is. Meerdere typen
chemische omzettingen kunnen worden verricht met een sterke voorkeur voor één
spiegelbeeld van een product, en de producten kunnen worden aangepast na de omzetting.
Daarnaast werd aangetoond waarom natuurlijk DNA gebruikt kan worden, en is er in detail
naar de structuur van het DNA met het koper en ligand gekeken. Meer gedetailleerde
informatie over het werk beschreven in dit proefschrift is te lezen in hoofdstuk 8.
162
samenvatting.doc