Deracemization of Secondary Alcohols Using a Bienzymatic Approach. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (PhD Dissertation) Xfinal-heba-phd_dissertation.pdf - Submitted Version Restricted to Repository staff only until 17 June 2027. Download (7MB)

Arabic Abstract

يُعد تحضير الكحولات الثانوية النقية فراغيًا أحد التحديات الأساسية في مجال التخليق غير المتماثل، خاصةً في الصناعات الدوائية والكيميائيات الدقيقة. إذ تعاني طرق الفصل الحركي التقليدية من محدودية في العائد النظري لا يتجاوز 50%، بينما تتطلب استراتيجيات إزالة التماكب المرآتي (Deracemization) المعتمدة على محفزات متعددة مكونات وخطوات معقدة. لذلك، فإن تطوير منصات إنزيمية مستدامة تعمل في ظروف معتدلة يمثل توجهًا بحثيًا ذا أهمية كبيرة. في الخطوة الأولى، يتم أكسدة الكحول الراسيمي إلى الكيتون الموافق باستخدام إنزيم AaeUPO بصورة غير انتقائية فراغيًا، مع استخدام فوق أكسيد الهيدروجين كمؤكسد وحيد، حيث تتم الأكسدة بكفاءة عالية دون تفضيل لأحد المتماكبين. وفي الخطوة الثانية، تُختزل الكيتونات الوسيطة بصورة انتقائية فراغيًا باستخدام إنزيمات TeSADH مختلفة، مما يتيح الحصول على أحد المتماكبين (R) أو (S) بدرجة نقاوة فراغية تتجاوز 99% وبعوائد مرتفعة. تعتمد المنهجية المقترحة على الربط الوظيفي بين مرحلتي الأكسدة والاختزال مع الحفاظ على توافقهما ضمن نظام تفاعلي واحد، مما يسمح بتحقيق إزالة تماكب فعالة دون الحاجة إلى محفزات إضافية لإعادة التماكب أو إلى ظروف قاسية. كما يسهم استخدام فوق أكسيد الهيدروجين كمؤكسد صديق للبيئة، إلى جانب أنظمة تجديد العامل المساعد الإنزيمي، في تعزيز استدامة العملية وتقليل النفايات الناتجة. بشكل عام، يرسخ هذا العمل نظامًا تحفيزيًا إنزيميًا مزدوجًا وفعالًا وصديقًا للبيئة لإزالة التماكب المرآتي من الكحولات الثانوية، ويوسع آفاق التكامل بين التحفيز التأكسدي والاختزالي في العمليات المتسلسلة لإنتاج مركبات نقية فراغيًا ذات أهمية صناعية.

English Abstract

The efficient preparation of enantiomerically pure secondary alcohols is a primary target of asymmetric synthesis, particularly in the pharmaceutical and fine chemical industries. The classical kinetic resolution techniques suffer intrinsic yield constraints, and most of the deracemization procedures require either harsh conditions or sophisticated multi-catalyst systems. Hence, the development of fully enzymatic deracemization platforms under mild conditions is of great research interest. The dissertation presented here describes a dual biocatalytic approach to the deracemization of aryl-ring-containing secondary alcohols by combining the nonspecific peroxygenase of Agrocybe aegerita (AaeUPO) with engineered forms of secondary alcohol dehydrogenase from Thermoanaerobacter pseudoethanolicus (TeSADH). The first step involves the non-stereospecific oxidation of racemic alcohols to prochiral ketones using AaeUPO with hydrogen peroxide as the sole oxidant. This oxidation proceeds efficiently with a wide substrate scope, with no enantioselectivity, and the formation of water as a by-product. In the second step, the intermediate ketones are reduced with highly enantioselective TeSADH variants, enabling access to either (S)-configured alcohols or (R)-configured alcohols in good yields and enantiomeric excess of greater than 99%. The resulting one-pot, two-step deracemization platform is based on a hybrid oxidative capability of AaeUPO and the stereochemical control of engineered TeSADH mutants. This method overcomes the yield limitations of classical kinetic resolution by decoupling oxidation and reduction steps and being compatible under conditions of unified reactions without the need for external racemization catalysts. Additionally, hydrogen peroxide serves as a green oxidant, and UPO does not require cofactor regeneration, thereby enhancing the sustainability of the process. In conclusion, this work demonstrates an environmentally friendly or green deracemization system, increasing the synthetic repertoire to synthesize optically pure secondary alcohols with asynthetic scale up to 1 gram, and proving the efficacy of combining oxidative and reductive biocatalysis in cascade reactions.