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Biocatalysis in Organic Synthesis 2

Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V

Volume Editors� Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IX

Abstracts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XIII

Table of Contents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XXV

2.1 C-C Bond Formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

2.1.1 Cyanohydrin Formation/Henry ReactionK. Steiner, A. Glieder, and M. Gruber-Khadjawi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

2.1.2 Aldol ReactionsP. Clap�s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.1.3 Acyloin, Benzoin, and Related ReactionsM. Pohl, C. Wechsler, and M. M�ller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

2.1.4 Enzymatic Carboxylation and DecarboxylationR. Lewin, M. L. Thompson, and J. Micklefield . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

2.1.5 Addition to C=N BondsA. Ilari, A. Bonamore, and A. Boffi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

2.2 Enzymatic C-Alkylation of Aromatic CompoundsL. A. Wessjohann, H. F. Schreckenbach, and G. N. Kaluderovic . . . . . . . . . . . . . . . 177

2.3 Addition to C=C Bonds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213

2.3.1 Addition of Hydrogen to C=C Bonds: Alkene ReductionK. Faber and M. Hall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213

2.3.2 Addition of Water to C=C BondsV. Resch and U. Hanefeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261

2.3.3 Addition of Ammonia and Amines to C=C BondsS. Bartsch and A. Vogel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291

2.3.4 Enzymatic Carbon-Carbon Bond-Forming Michael-Type AdditionsE. M. Geertsema and G. J. Poelarends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313

XXIII

Science of Synthesis Reference Library Biocatalysis in Organic Synthesis Volume 2 © Georg Thieme Verlag KG

2.4 Transamination and Reductive Amination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335

2.4.1 Amino Acid and Amine DehydrogenasesA. S. Bommarius and S. K. Au . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335

2.4.2 Imine ReductasesF. Leipold, S. Hussain, S. P. France, and N. J. Turner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359

2.4.3 w-TransaminasesR. C. Simon, E. Busto, E.-M. Fischereder, C. S. Fuchs, D. Pressnitz, N. Richter,and W. Kroutil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383

2.5 Carbonyl Reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421

2.5.1 Ketone and Aldehyde ReductionT. S. Moody, S. Mix, G. Brown, and D. Beecher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421

2.5.2 Carboxylic Acid ReductaseA. S. Lamm, P. Venkitasubramanian, and J. P. N. Rosazza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459

2.6 Epoxide Conversions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479

2.6.1 Asymmetric Synthesis of Enantiopure Epoxides Using MonooxygenasesA. T. Li and Z. Li . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479

2.6.2 Reactions Catalyzed by Halohydrin DehalogenasesM. Majeric Elenkov, W. Szymanski, and D. B. Janssen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 507

2.6.3 Epoxide HydrolysisR. Wohlgemuth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 529

Keyword Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 557

Author Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 591

Abbreviations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 629

XXIV Overview


Table of Contents

2.1 C-C Bond Formation

2.1.1 Cyanohydrin Formation/Henry ReactionK. Steiner, A. Glieder, and M. Gruber-Khadjawi

2.1.1 Cyanohydrin Formation/Henry Reaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.1.1.1 Hydroxynitrile Lyases Used in Synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.1.1.1.1 Applications of (R)-Selective Hydroxynitrile Lyases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.1.1.1.1.1 Hydrogen Cyanide Addition to Aldehydes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.1.1.1.1.2 Hydrogen Cyanide Addition to Ketones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.1.1.1.1.3 Transhydrocyanation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.1.1.1.1.4 Nitroalkane Addition to Aldehydes (Henry Reaction) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.1.1.1.2 Applications of (S)-Selective Hydroxynitrile Lyases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.1.1.1.2.1 Hydrogen Cyanide Addition to Aldehydes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.1.1.1.2.2 Hydrogen Cyanide Addition to Ketones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.1.1.1.2.3 Transhydrocyanation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.1.1.1.2.4 Nitroalkane Addition to Aldehydes (Henry Reaction) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.1.1.1.2.5 Resolution of Racemic 2-Nitro Alcohols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.1.1.1.3 Resolution of Racemic Cyanohydrins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.1.1.1.4 Mechanistic Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.1.1.1.5 Optimization of the Reaction Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.1.1.1.5.1 Enzyme Engineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.1.1.1.5.2 Reaction Engineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.1.1.2 Conclusions and Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.1.2 Aldol ReactionsP. Clap�s

2.1.2 Aldol Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312.1.2.1 Aldol Addition of 1,3-Dihydroxyacetone Phosphate to Aldehydes . . . . . . . . . . . . . 322.1.2.1.1 Methods of 1,3-Dihydroxyacetone Phosphate Synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332.1.2.1.2 Aldol Addition of 1,3-Dihydroxyacetone Phosphate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352.1.2.1.2.1 Aldol Addition of 1,3-Dihydroxyacetone Phosphate to Aliphatic and

Haloaliphatic Aldehydes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352.1.2.1.2.2 Aldol Addition of 1,3-Dihydroxyacetone Phosphate to Hydroxy-Containing

Aldehydes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362.1.2.1.2.3 Aldol Addition of 1,3-Dihydroxyacetone Phosphate to Thiol-Containing

Aldehydes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412.1.2.1.2.4 Aldol Addition of 1,3-Dihydroxyacetone Phosphate to Nitrogen-Containing

Aldehydes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422.1.2.1.2.5 Aldol Addition of 1,3-Dihydroxyacetone Phosphate to

Dialdehydes (“Tandem” Aldolization) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

XXV


2.1.2.1.2.6 Aldol Addition of 1,3-Dihydroxyacetone Phosphate to Other Aldehydes . . . . . . 562.1.2.1.2.7 Aldol Addition of 1,3-Dihydroxyacetone Phosphate Analogues to Aldehydes . 582.1.2.2 Aldol Addition of 1-Hydroxyalkan-2-ones to Aldehydes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 592.1.2.2.1 Aldol Addition of 1,3-Dihydroxyacetone, Hydroxyacetone,

and 1-Hydroxybutan-2-one to Nitrogen-Containing AldehydesCatalyzed by D-Fructose 6-Phosphate Aldolase and Variants . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

2.1.2.2.2 Aldol Addition of 1,3-Dihydroxyacetone, Hydroxyacetone,and 1-Hydroxybutan-2-one to Other Aldehydes Catalyzed byD-Fructose 6-Phosphate Aldolase and Transaldolase B Variants . . . . . . . . . . . . . . 63

2.1.2.3 Aldol Addition of Pyruvate to Aldehydes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 672.1.2.3.1 Aldol Addition of Pyruvate to N-Acetyl-D-mannosamine and Analogues . . . . . . 692.1.2.3.2 Aldol Addition of Pyruvate to D-Arabinose and Analogues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 722.1.2.3.3 Aldol Addition of Pyruvate to Aldehydes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 732.1.2.4 Aldol Addition of Glycine to Aldehydes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 752.1.2.5 Self- and Cross-Aldol Reactions of Acetaldehyde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 782.1.2.5.1 Aldol Addition of Acetaldehyde, Acetone, and Fluoroacetone to Aldehydes . . 792.1.2.5.2 Sequential Two-Step Aldol Additions of Acetaldehyde to Aldehydes . . . . . . . . . 802.1.2.6 Self- and Cross-Aldol Reactions of 2-Hydroxyacetaldehyde . . . . . . . . . . . . . . . . . . 802.1.2.7 Aldol Addition Reactions Catalyzed by Catalytic Antibodies . . . . . . . . . . . . . . . . . 822.1.2.8 Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

2.1.3 Acyloin, Benzoin, and Related ReactionsM. Pohl, C. Wechsler, and M. M�ller

2.1.3 Acyloin, Benzoin, and Related Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 932.1.3.1 Enzymatic Transformations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 932.1.3.2 Reaction and Substrate Engineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 942.1.3.3 Enzyme Engineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 952.1.3.4 Further Modification of Benzoin Products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 972.1.3.5 Retrosynthetic Potential of Thiamine Diphosphate Dependent Enzymes in

Benzoin and Stetter Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 982.1.3.6 Synthetic Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 992.1.3.6.1 Benzoin Reactions To Give Secondary Alcohols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 992.1.3.6.1.1 (R)-1-Hydroxy-1-phenylpropan-2-one Derivatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 992.1.3.6.1.1.1 Variation of the Donor Substrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1002.1.3.6.1.1.2 Variation of the Aromatic Acceptor Substrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1012.1.3.6.1.2 (S)-1-Hydroxy-1-phenylpropan-2-one Derivatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1022.1.3.6.1.3 (R)-2-Hydroxy-1-phenylpropan-1-one Derivatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1032.1.3.6.1.4 (S)-2-Hydroxy-1-phenylpropan-1-one Derivatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1052.1.3.6.1.5 Acetoin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1072.1.3.6.1.6 Aliphatic Acyloins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1082.1.3.6.1.7 (R)-Benzoins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1122.1.3.6.1.8 (S)-Benzoins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

XXVI Table of Contents


2.1.3.6.2 Benzoin Reactions Resulting in 1-Hydroxyalkan-2-ones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1162.1.3.6.3 Benzoin Reactions Resulting in Æ,Æ-Disubstituted Acyloins . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1182.1.3.6.4 Reactions To Give Alkenic Products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1212.1.3.6.5 Stetter Reaction To Give 1,4-Diketones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1232.1.3.7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

2.1.4 Enzymatic Carboxylation and DecarboxylationR. Lewin, M. L. Thompson, and J. Micklefield

2.1.4 Enzymatic Carboxylation and Decarboxylation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1332.1.4.1 Biocatalytic Carboxylation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1332.1.4.1.1 Regioselective Biocatalytic Carboxylation of Phenols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1342.1.4.1.2 Biocatalytic Carboxylation of Hydroxystyrene Derivatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1382.1.4.1.3 Biocatalytic Carboxylation of Heteroaromatic Compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1392.1.4.1.4 Biocatalytic Carboxylation of Epoxides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1412.1.4.1.5 Carboxylation of Aliphatic Compounds in Biosynthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1422.1.4.2 Biocatalytic Decarboxylation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1442.1.4.2.1 Thiamine Diphosphate Dependent Decarboxylases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1442.1.4.2.2 Arylmalonate Decarboxylases: Decarboxylation of Malonic Acids . . . . . . . . . . . . 1482.1.4.2.3 Acetolactate Decarboxylases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1512.1.4.2.4 A Postulated Malonic Semi-Aldehyde Decarboxylase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

2.1.5 Addition to C=N BondsA. Ilari, A. Bonamore, and A. Boffi

2.1.5 Addition to C=N Bonds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1592.1.5.1 Pictet–Spenglerases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1592.1.5.1.1 Biosynthesis of Benzylisoquinoline and Indole Alkaloids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1602.1.5.1.2 Structural Basis of Norcoclaurine and Strictosidine Synthases . . . . . . . . . . . . . . . 1622.1.5.1.3 Other Pictet–Spenglerases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1632.1.5.2 Norcoclaurine Synthase Catalyzed Pictet–Spengler Reactions . . . . . . . . . . . . . . . 1632.1.5.2.1 One-Pot Preparation of (S)-Norcoclaurine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1642.1.5.2.2 Biocatalyzed Synthesis of 1-Substituted Tetrahydroisoquinolines . . . . . . . . . . . . 1662.1.5.3 Strictosidine Synthase Catalyzed Pictet–Spengler Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . 1682.1.5.3.1 Synthesis of Strictosidine Analogues with Substituents on the Indole Unit . . . 1682.1.5.3.1.1 Synthesis of Piperazinoindoles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1702.1.5.3.1.2 Synthesis of Azaindole-Containing Strictosidine Analogues . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1712.1.5.3.2 Biocatalyzed Synthesis of �-Carbolines Using Substituted Aldehydes . . . . . . . . 1732.1.5.3.2.1 Synthesis of Tetrahydro-�-carbolines Using Secologanin Aglycone Analogues 1732.1.5.3.2.2 Synthesis of Tetrahydro-�-carbolines Using Achiral Aliphatic and

Aromatic Aldehydes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174

Table of Contents XXVII


2.2 Enzymatic C-Alkylation of Aromatic CompoundsL. A. Wessjohann, H. F. Schreckenbach, and G. N. Kaluderovic

2.2 Enzymatic C-Alkylation of Aromatic Compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1772.2.1 S-Adenosyl-L-methionine-Dependent C-Methylation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1802.2.1.1 Vitamin E Complex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1812.2.1.2 C-Methylation of Nucleic Acids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1852.2.1.3 C-Methylation of Other Aromatic Compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1872.2.2 Aromatic C-Prenylation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1902.2.2.1 Phenolic Prenyltransferases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1922.2.2.2 Indole Prenylation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1972.2.3 C-Glycosyltransferases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1992.2.4 S-Adenosyl-L-methionine-Independent C-Methylation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2032.2.4.1 Thymidylate Synthases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2032.2.5 Conclusions and Future Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205

2.3 Addition to C=C Bonds

2.3.1 Addition of Hydrogen to C=C Bonds: Alkene ReductionK. Faber and M. Hall

2.3.1 Addition of Hydrogen to C=C Bonds: Alkene Reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2132.3.1.1 Substrate Scope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2152.3.1.1.1 Enals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2152.3.1.1.2 Enones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2172.3.1.1.3 Carboxylic Acid Derivatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2202.3.1.1.3.1 Carboxylic Acids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2202.3.1.1.3.2 Carboxylic Acid Esters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2222.3.1.1.3.3 Cyclic Imides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2242.3.1.1.4 Nitroalkenes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2252.3.1.1.5 Æ,�-Unsaturated Nitriles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2272.3.1.1.6 Æ,�-Unsaturated Alkynes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2292.3.1.2 Stereocontrol Strategies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2292.3.1.2.1 Enzyme-Based Stereocontrol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2302.3.1.2.2 Substrate-Based Stereocontrol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2312.3.1.2.2.1 Via Substrate Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2312.3.1.2.2.2 Via Substituent Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2322.3.1.2.3 Protein Engineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2332.3.1.3 Cofactor Recycling Strategies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2362.3.1.3.1 Coupled-Enzyme Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2362.3.1.3.1.1 Proteins Expressed Separately . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2372.3.1.3.1.2 Designer Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239

XXVIII Table of Contents


2.3.1.3.2 Nicotinamide-Independent Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2402.3.1.3.2.1 Disproportionation: Coupled-Substrate Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2402.3.1.3.2.2 Electro- and Photochemical Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2422.3.1.3.3 Synthetic-Nicotinamide-Based Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2432.3.1.4 Synthetically Relevant Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2442.3.1.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256

2.3.2 Addition of Water to C=C BondsV. Resch and U. Hanefeld

2.3.2 Addition of Water to C=C Bonds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2612.3.2.1 Addition of Water to Electron-Rich Double Bonds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2672.3.2.1.1 Reaction Using Oleate Hydratases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2672.3.2.1.2 Reaction Using Carotenoid Hydratases and

Linalool Dehydrogenase–Isomerases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2702.3.2.1.3 Reaction Using Kievitone Hydratases and Phaseollidin Hydratases . . . . . . . . . . . 2712.3.2.1.4 Reaction Using Limonene Hydratases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2722.3.2.1.5 Reaction Using Acetylene Hydratases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2732.3.2.2 Addition of Water to Electron-Deficient Double Bonds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2742.3.2.2.1 Reaction Using Fumarases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2742.3.2.2.2 Reaction Using Maleases and Citraconases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2762.3.2.2.3 Reaction Using Aconitases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2762.3.2.2.4 Reaction Using Urocanases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2772.3.2.2.5 Reaction Using Hydratase–Tautomerase Bifunctionality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2782.3.2.2.6 Reaction Using Enoyl-CoA Hydratases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2792.3.2.2.7 Reaction Using Carnitine Dehydratases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2812.3.2.2.8 Reaction Using Hydroxycinnamoyl-CoA Hydratase Lyases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2812.3.2.2.9 Reaction Using Michael Hydratases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2832.3.2.2.10 Reaction Using Phenolic Acid Decarboxylases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2842.3.2.2.11 Reaction Using Artificial Hydratases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285

2.3.3 Addition of Ammonia and Amines to C=C BondsS. Bartsch and A. Vogel

2.3.3 Addition of Ammonia and Amines to C=C Bonds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2912.3.3.1 Addition of Amines to Fumarate and Mesaconate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2922.3.3.1.1 Aspartase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2932.3.3.1.2 Adenylosuccinate Lyase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2952.3.3.1.3 Argininosuccinate Lyase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2962.3.3.1.4 (S,S)-Ethylenediamine-N,N¢-disuccinate and Iminodisuccinate Lyases . . . . . . . . 2962.3.3.1.5 3-Methylaspartate Ammonia Lyase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2982.3.3.2 Aromatic Amino Acid Ammonia Lyases and Aminomutases . . . . . . . . . . . . . . . . . 3012.3.3.2.1 Synthesis of L-Æ-Amino Acids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3022.3.3.2.2 Synthesis of �-Amino Acids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306

Table of Contents XXIX


2.3.4 Enzymatic Carbon-Carbon Bond-Forming Michael-Type AdditionsE. M. Geertsema and G. J. Poelarends

2.3.4 Enzymatic Carbon-Carbon Bond-Forming Michael-Type Additions . . . . . . 3132.3.4.1 Æ,�-Unsaturated Carbonyl Acceptors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3152.3.4.1.1 Æ,�-Unsaturated Carbonyl Acceptors and 1,3-Dicarbonyl Donors . . . . . . . . . . . . 3152.3.4.1.2 Æ,�-Unsaturated Carbonyl Acceptors and 4-Hydroxybenzopyran-2-one Donors 3172.3.4.1.3 Æ,�-Unsaturated Carbonyl Acceptors and Æ-Cyano Carbonyl Donors . . . . . . . . . 3182.3.4.1.4 Æ,�-Unsaturated Carbonyl Acceptors and Æ-Nitro Carbonyl Donors . . . . . . . . . . 3192.3.4.2 Nitroalkene Acceptors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3202.3.4.2.1 Nitroalkene Acceptors and 1,3-Dicarbonyl Donors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3202.3.4.2.2 Nitroalkene Acceptors and Æ-Nitro Carbonyl Donors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3232.3.4.2.3 Nitroalkene Acceptors and Ketone Donors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3242.3.4.2.4 Nitroalkene Acceptors and Aldehyde Donors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3262.3.4.3 Cyanoalkene Acceptors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3292.3.4.3.1 Dicyanoalkene Acceptors or Æ-Cyano Æ,�-Unsaturated Carbonyl Acceptors

and 1,3-Dicarbonyl Donors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3292.3.4.4 Conclusions and Future Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330

2.4 Transamination and Reductive Amination

2.4.1 Amino Acid and Amine DehydrogenasesA. S. Bommarius and S. K. Au

2.4.1 Amino Acid and Amine Dehydrogenases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3352.4.1.1 Amino Acid Dehydrogenases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3352.4.1.1.1 Physicochemical, Sequence, and Structure Comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3362.4.1.1.2 Substrate Specificity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3382.4.1.1.2.1 Specificity of Alanine Dehydrogenase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3382.4.1.1.2.2 Specificity of Leucine Dehydrogenase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3392.4.1.1.2.3 Specificity of Valine Dehydrogenase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3402.4.1.1.2.4 Specificity of Glutamate Dehydrogenase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3402.4.1.1.2.5 Specificity of Phenylalanine Dehydrogenase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3412.4.1.1.2.6 Specificity of meso-Diaminopimelate Dehydrogenase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3422.4.1.1.2.7 Specificity of Other Amino Acid Dehydrogenases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3432.4.1.1.3 Synthetic Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3442.4.1.1.3.1 Synthesis of (S)-tert-Leucine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3442.4.1.1.3.2 Synthesis of (S)-L-6-Hydroxynorleucine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3452.4.1.1.3.3 Synthesis of (S)-2-Amino-5-(1,3-dioxolan-2-yl)pentanoic Acid . . . . . . . . . . . . . . . 3462.4.1.1.3.4 Synthesis of (S)-3-Hydroxyadamantan-1-ylglycine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3472.4.1.1.3.5 Synthesis of (S)-1-Cyclopropyl-2-methoxyethanamine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3472.4.1.1.3.6 Synthesis of (R)-D-Cyclohexylalanine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3482.4.1.1.3.7 Synthesis of (R)-5,5,5-Trifluoronorvaline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3482.4.1.1.3.8 Synthesis of Free Amines from Ketones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3492.4.1.1.3.9 Synthesis of Amino Acid Enantiomers from Racemic Æ-Hydroxy Acids . . . . . . . 350

XXX Table of Contents


2.4.1.2 Amine Dehydrogenases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3502.4.1.2.1 Synthesis with a Leucine Dehydrogenase Derived Amine Dehydrogenase . . . . 3522.4.1.2.2 Synthesis with a Phenylalanine Dehydrogenase Derived

Amine Dehydrogenase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3522.4.1.2.3 Synthesis with a Chimeric Amine Dehydrogenase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353

2.4.2 Imine ReductasesF. Leipold, S. Hussain, S. P. France, and N. J. Turner

2.4.2 Imine Reductases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3592.4.2.1 NADPH Dependent Imine Reductases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3632.4.2.1.1 Substrate Specificity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3642.4.2.1.2 Whole-Cell Biotransformations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3672.4.2.1.3 Kinetic Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3702.4.2.2 NAD(P)H Dependent Imino Acid Reductases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3732.4.2.3 F420 Dependent Imine Reductases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3782.4.2.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379

2.4.3 w-TransaminasesR. C. Simon, E. Busto, E.-M. Fischereder, C. S. Fuchs, D. Pressnitz,N. Richter, and W. Kroutil

2.4.3 w-Transaminases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3832.4.3.1 Amination of Ketones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3842.4.3.1.1 Amination of Linear Monoketones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3842.4.3.1.1.1 Amination Employing Alanine as Amine Donor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3842.4.3.1.1.1.1 Amination with Lactate Dehydrogenase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3842.4.3.1.1.1.1.1 Preparation of Optically Pure (R)- and (S)-1-Phenylethylamine . . . . . . . . . . . . . . . 3852.4.3.1.1.1.1.2 Preparation of an (S)-Rivastigmine Precursor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3862.4.3.1.1.1.1.3 Chemoenzymatic Preparation of a Precursor for

the Dual Orexin Receptor Antagonist MK-6096 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3872.4.3.1.1.1.2 Amination with Alanine Dehydrogenase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3882.4.3.1.1.1.2.1 (S)-Amination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3882.4.3.1.1.1.2.2 (R)-Amination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3902.4.3.1.1.2 Amination Employing Isopropylamine as Amine Donor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3922.4.3.1.1.2.1 Amination Followed by Spontaneous Cyclization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3942.4.3.1.1.2.2 Amination of In Situ Formed Ketones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3962.4.3.1.1.3 Amination Employing 1-Phenylethylamine as Amine Donor . . . . . . . . . . . . . . . . . 3972.4.3.1.1.4 Amination in Organic Solvents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3982.4.3.1.2 Amination of Diketones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4002.4.3.1.2.1 Monoamination of 1,5-Diketones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4002.4.3.1.3 Amination of Cyclic Monoketones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4022.4.3.1.3.1 Amination of Unsubstituted and 3-Substituted Monocyclic Ketones . . . . . . . . . 4022.4.3.1.3.2 Amination of 2-Substituted Monocyclic Ketones via

Dynamic Kinetic Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4032.4.3.1.3.3 Amination of Bicyclic Ketones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404

Table of Contents XXXI


2.4.3.1.3.4 Amination of Multicyclic (Nonsteroidal) Ketones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4062.4.3.1.3.5 Amination of Steroids and Related Compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4082.4.3.2 Amination of Aldehydes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4102.4.3.3 Amination of Alcohols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4112.4.3.4 Resolution of Æ-Chiral Primary Amines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4132.4.3.4.1 Kinetic Resolution via Deamination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4132.4.3.4.2 Deracemization via Deamination/Transamination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414

2.5 Carbonyl Reduction

2.5.1 Ketone and Aldehyde ReductionT. S. Moody, S. Mix, G. Brown, and D. Beecher

2.5.1 Ketone and Aldehyde Reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4212.5.1.1 Industrial Bioreductions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4252.5.1.1.1 Reduction in the Synthesis of (S)-1-[3,5-Bis(trifluoromethyl)phenyl]ethanol . . 4262.5.1.1.2 Reduction in the Synthesis of Lipitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4272.5.1.1.3 Reduction in the Synthesis of Montelukast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4282.5.1.2 Microbial Bioreductions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4292.5.1.3 Reduction of Aromatic Ketones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4322.5.1.4 Reduction and Oxidation Involving Aliphatic and Cyclic Ketones . . . . . . . . . . . . . 4362.5.1.5 Reduction of Bulky Ketones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4442.5.1.6 Reduction of Chiral Ketones Involving a Dynamic Kinetic Resolution . . . . . . . . . 4472.5.1.7 Reduction of Aldehydes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4502.5.1.8 Immobilization of Carbonyl Reductase Enzymes and Membrane Applications 4512.5.1.9 Ionic Liquids and Carbonyl Reductase Enzymes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4522.5.1.10 Conclusions and Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453

2.5.2 Carboxylic Acid ReductaseA. S. Lamm, P. Venkitasubramanian, and J. P. N. Rosazza

2.5.2 Carboxylic Acid Reductase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4592.5.2.1 Isolation and Purification of Carboxylic Acid Reductase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4602.5.2.1.1 Carboxylic Acid Reductase from Nocardia iowensis DSM 45197 . . . . . . . . . . . . . . . 4602.5.2.1.2 Recombinant Carboxylic Acid Reductase from E. coli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4622.5.2.2 Mechanism of Carboxylic Acid Reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4622.5.2.3 Substrate Scope with Carboxylic Acid Reductase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4652.5.2.4 Applications of Carboxylic Acid Reductase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4692.5.2.4.1 Synthesis of Ibuprofen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4692.5.2.4.2 Synthesis of Vanillin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4702.5.2.4.3 Reduction of Ferulic Acid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4732.5.2.4.4 Synthesis of 3-Hydroxytyrosol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4752.5.2.4.5 Reduction of Fatty Acids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4752.5.2.4.6 Hydrogenation of Fatty Acids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4752.5.2.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 476

XXXII Table of Contents


2.6 Epoxide Conversions

2.6.1 Asymmetric Synthesis of Enantiopure Epoxides Using MonooxygenasesA. T. Li and Z. Li

2.6.1 Asymmetric Synthesis of Enantiopure Epoxides Using Monooxygenases . 4792.6.1.1 Asymmetric Epoxidation of Alkenes with Styrene Monooxygenase . . . . . . . . . . . 4792.6.1.1.1 Epoxidation of Styrene and Substituted Styrenes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4802.6.1.1.2 Epoxidation of 1- or 2-Substituted 1-Phenylethenes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4822.6.1.1.3 Epoxidation of Non-styrene-Type Terminal Alkenes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4842.6.1.1.4 Epoxidation of Cyclic Alkenes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4862.6.1.1.5 Epoxidation of Secondary Allylic Alcohols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4872.6.1.2 Asymmetric Epoxidation of Alkenes with Xylene Monooxygenase . . . . . . . . . . . 4882.6.1.3 Asymmetric Epoxidation of Alkenes with Alkane Monooxygenase . . . . . . . . . . . 4892.6.1.4 Asymmetric Epoxidation of Alkenes with Alkene Monooxygenase . . . . . . . . . . . 4922.6.1.5 Asymmetric Epoxidation of Alkenes with Cytochrome P450 Monooxygenase 4932.6.1.5.1 Wild-Type Cytochrome P450 Epoxidation of Styrene and Substituted Styrenes 4942.6.1.5.2 Engineered Cytochrome P450 Epoxidation of Styrene and

Substituted Styrenes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4952.6.1.5.3 Cytochrome P450 Epoxidation of Other Terminal Alkenes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4962.6.1.5.4 Cytochrome P450 Epoxidation of Cyclic Alkenes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4982.6.1.5.5 Cytochrome P450 Epoxidation of Long-Chain Unsaturated Fatty Acids . . . . . . . 4992.6.1.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501

2.6.2 Reactions Catalyzed by Halohydrin DehalogenasesM. Majeric Elenkov, W. Szymanski, and D. B. Janssen

2.6.2 Reactions Catalyzed by Halohydrin Dehalogenases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5072.6.2.1 Epoxide-Ring-Opening Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5082.6.2.1.1 Synthesis of Azido Alcohols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5092.6.2.1.2 Synthesis of �-Hydroxynitriles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5132.6.2.1.3 Synthesis of Oxazolidin-2-ones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5142.6.2.1.4 Other Epoxide-Ring-Opening Reactions Catalyzed by

Halohydrin Dehalogenases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5152.6.2.2 Ring-Closure Reactions of Halohydrins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5162.6.2.3 Cascade Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5182.6.2.3.1 Cascade Reactions Using a Single Enzyme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5182.6.2.3.2 Cascade Reactions Using Multiple Enzymes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5192.6.2.3.3 Cascade Involving Biocatalytic and Chemocatalytic Reactions . . . . . . . . . . . . . . . 5212.6.2.4 Dynamic Kinetic Resolution Strategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5232.6.2.4.1 Biocatalytic Racemization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5242.6.2.4.2 Chemocatalytic Racemization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524

Table of Contents XXXIII


2.6.3 Epoxide HydrolysisR. Wohlgemuth

2.6.3 Epoxide Hydrolysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5292.6.3.1 Monosubstituted Epoxides Containing an Aromatic Group and

Their Vicinal Diols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5332.6.3.1.1 Monosubstituted Epoxides Containing a Phenyl Group and Their Vicinal Diols 5332.6.3.1.1.1 Chiral Phenyloxiranes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5342.6.3.1.1.2 Vicinal Diols Derived from Monosubstituted Epoxides Containing a

Phenyl Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5362.6.3.1.2 Chiral Pyridyloxiranes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5382.6.3.2 Glycidyl Ethers and Their Vicinal Diols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5392.6.3.2.1 Enantioenriched Glycidyl Ethers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5392.6.3.2.2 Vicinal Diols from Glycidyl Ethers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5402.6.3.3 Monosubstituted Epoxides Containing Alkyl or Alkenyl Substituents and

Their Vicinal Diols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5412.6.3.3.1 Monosubstituted Epoxides Containing Alkyl or Alkenyl Substituents . . . . . . . . . 5412.6.3.3.2 Diols from Monosubstituted Epoxides Containing Alkyl or Alkenyl Substituents 5422.6.3.4 Other Monosubstituted Epoxides and Related Diols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5432.6.3.4.1 Other Chiral Monosubstituted Epoxides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5432.6.3.4.2 Other Chiral Monosubstituted Diols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5442.6.3.5 Geminally Disubstituted Epoxides and Related Diols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5442.6.3.5.1 Chiral 2,2-Disubstituted Epoxides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5452.6.3.5.2 Chiral 2,2-Disubstituted Vicinal Diols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5472.6.3.6 Vicinally Disubstituted Epoxides and Related Diols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5472.6.3.6.1 Nonsymmetrical Vicinally Disubstituted Epoxides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5482.6.3.6.2 Diols from Nonsymmetrical Vicinally Disubstituted Epoxides . . . . . . . . . . . . . . . . 5492.6.3.6.3 Diols from Symmetrical Vicinally Disubstituted meso-Epoxides . . . . . . . . . . . . . . 5502.6.3.7 Trisubstituted Epoxides and Related Diols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5502.6.3.7.1 Chiral Trisubstituted Epoxides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5512.6.3.7.2 Chiral Diols from Trisubstituted Epoxides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 551

Keyword Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 557

Author Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 591

Abbreviations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 629

XXXIV Table of Contents


biocatalysis in organic synthesis 2 - thieme · biocatalysis in organic synthesis 2 preface .....v...

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