Prozessentwicklung der elektroenzymatischen Sulfoxidation mit Chloroperoxidase

Abstract

Chirale Sulfoxide finden breite Anwendung, z.B. als chirale Auxiliare in der organischen Synthese oder als Pharmawirkstoffe. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Oxidation von Methylphenylsulfid (Thioanisol) zum korrespondierenden chiralen Sulfoxid mittels des Enzyms Chloroperoxidase (CPO) und elektrochemisch erzeugtem Wasserstoffperoxid wurde als Beispielreaktion für die Prozessentwicklung einer elektroenzymatischen Synthese untersucht.<br /> Die elektrochemische Generierung von Wasserstoffperoxid erfolgte durch kathodische Reduktion des gelösten Sauerstoffes. Hierfür wurde die Sauerstofflöslichkeit und die Diffusion in Abhängigkeit vom Reaktionsmedium untersucht und die Wasserstoffperoxid-Produktionsrate durch Wahl geeigneter Reaktionsbedingungen und Elektrodenmaterialien optimiert. Die Reduktion gelingt schließlich mit über 95% Stromausbeute (Selektivität).<br /> Das Enzym CPO wurde bezüglich der Stabilität und Aktivität charakterisiert. Hierbei konnten kinetische Parameter für das Substrat Thioanisol und das Cosubstrat Wasserstoffperoxid ermittelt werden. Hierbei wurde eine Substratüberschußinhibierung durch Wasserstoffperoxid gefunden. Das Enzym wurde chemisch quervernetzt und reduktiv alkyliert. Die chemischen Modifikationen wurden bezüglich der Lagerstabilität charakterisiert.<br /> Für die Kombination des elektrochemischen und biokatalytischen Schrittes wurden zwei neue Reaktionsgefäße entwickelt, eine thermostatisierte Becherglas-Elektrolysezelle mit zylindrischer Kohlefilz-Elektrode und eine dreidimensionale Elektrode mit einem gepackten Bett aus Graphit-Partikeln. In diesen Reaktoren wurden Batch- und Fed-Batch-Elektrolysen durchgeführt. Es wurde eine maximale Produktivität von 104 Gramm Produkt pro Liter und Tag erreicht. Nach diesem Verfahren konnten 1,2 Gramm chirales Sulfoxid produziert und aufgereinigt werden (Reinheit 98%, ee 98%).