Stereoselektive Diolsynthese mit Lyasen und Oxidoreduktasen

Abstract

Optisch aktive vicinale Diole stellen wichtige Vorläufermoleküle für die Synthese pharmazeutisch interessanter Wirkstoffe dar. Im Rahmen der Dissertation konnte eine stereoselektive enzymatische Synthese aller vier möglichen Stereoisomere des vicinalen 1-Phenylpropan-1,2-diols etabliert werden. Ferner wurde am Beispiel eines der Diol-Stereoisomere ein Reaktoraufbau im Labormaßstab entwickelt, der die kontinuierliche Produktion des Diols ermöglicht. <br /> Die Synthese der Diol-Stereoisomere erfolgt in zwei Schritten ausgehend von den preisgünstigen und im Tonnenmaßstab verfügbaren Ausgangssubstanzen Benzaldehyd und Acetaldehyd. Die Reaktionssequenz beginnt mit einer ligasekatalysierten enantioselektiven C-C-Bindungsknüpfung zwischen Benzaldehyd und Acetaldehyd zum 2-Hydroxy-1-phenylpropanon. Die für die Katalyse verantwortlichen thiamindiphosphat abhängigen Enzyme Benzoylformiatdecarboxylase (EC 4.1.1.7) und Benzaldehydlyase (EC 4.1.2.38) katalysieren jeweils das <i>S</i>- (92 % ee) bzw. das <i>R</i>-Enantiomer (99 % ee) des intermediären α-Hydroxyketons. Die anschließende Reduktion der aufgereinigten und enantiomerenreinen α-Hydroxyketone mit einer <i>R</i>- bzw. <i>S</i>-selektiven Alkoholdehydrogenase liefert das entsprechende Diol-Stereoisomer in hoher optischer Reinheit (größer 98 % de). Bei den eingesetzten Enzymen handelt es sich um die NADP(H)-abhängigen und kommerziell erhältlichen Alkoholdehydrogenasen (EC 1.1.1.2) aus <i>Lactobacillus brevis</i> bzw. <i>Thermoanaerobium species</i>. Um eine ökonomische Ausnutzung des für die Reduktion benötigten Cofaktors NADP(H) zu gewährleisten, wurden sowohl ein Substrat- als auch ein enzymgekoppeltes Regenerationssystems untersucht und angewandt.<br /> Als Reaktorkonzept wurde ein kontinuierlicher Reaktionsprozess gewählt, um eine optimale Enzymausnutzung und einfachere Aufarbeitung zu gewährleisten. Weiterhin bietet ein kontinuierlicher Prozess die Möglichkeit hoher Raum-Zeit-Ausbeuten. Der Inbetriebnahme des Prozesses gingen eingehende reaktionstechnische Untersuchungen voraus, um möglichst günstige Betriebsparameter für den Prozess zu ermitteln. Der Reaktoraufbau besteht aus zwei Enzym-Membran-Reaktoren für die räumliche Trennung der Ligase- und Reduktionsreaktion. Systembedingt ist es erforderlich, dass ein zwischengeschaltetes Extraktionsmodul für die selektive Entfernung überschüssigen Acetaldehyds aus dem ersten Reaktor sorgt. Stabile Prozessläufe konnten über einen Zeitraum von bis zu 90 h (bzw. 90 Verweilzeiten) werden, bei nahezu konstanten Umsätzen zwischen 85-98 % in beiden Reaktoren. Bezogen auf das Endprodukt konnte eine Raum-Zeit-Ausbeute von 30 g L^-1 d^-1erzielt werden.

<strong>Stereoselective Diol Synthesis with Lyases and Oxidoreductases - Development of a Continuous Process</strong><br /> Optically active vicinal diols represent important precursor molecules for the synthesis of interesting pharmaceuticals. In the scope of this dissertation, a stereoselective enzymatic synthesis of all four stereoisomers of a vicinal diol, 1-phenylpropane-1,2-diol was established. Furthermore, an exemplary reactor system was developed for one of the stereoisomers on a laboratory scale, which enables the continuous production of the diol.<br /> The synthesis of the diol stereoisomers is accomplished in two steps using benzaldehyde and acetaldehyde as cheap starting materials available in large quantities. The reaction sequence begins with a ligase catalyzed enantioselective C-C binding reaction between benzaldehyde and acetaldehyde to yield 2-hydroxy-1-phenyl-propanone. The thiamine diphosphate dependent enzymes benzoylformate decarboxylase (EC 4.1.1.7) and benzaldehyde lyase (EC 4.1.2.38) responsible for catalysis, synthesize the <i>S</i>- (92 % ee) and <i>R</i>-enantiomere (99 % ee) of the intermediate α-hydroxy ketone, respectively. The subsequent reduction of the purified and enantiopure α-hydroxy ketone with an <i>R-</i> and <i>S-</i>selective alcohol dehydrogenase, produces the respective diol stereoisomeres in high optical purity (higher than 98 % de). The enzymes used for reduction are the NADP(H)-dependent and commercially available alcohol dehydrogenases (EC 1.1.1.2) from <i>Lactobacillus brevis</i>and <i>Thermoanaerobium species</i>. To guarantee for a economical utilization of the required cofactor NADP(H), both a substrate- and enzyme-coupled cofactor regeneration system was investigated and implemented.<br /> A continuously operated reactor process was chosen to ensure an optimal utilization of enzyme activity and a facile product work-up. Moreover, a continuously operated process can facilitate high space-time-yields. Prior to process implementation, detailed reaction engineering investigations were performed to determine favourable operating parameters for the process. The reactor assembly comprises of two enzyme-membrane-reactors for the spatial separation of the ligase and reduction reaction. Due to the system's characteristics, an intermediate extraction process is required to selectively remove excess acetaldehyde eluting from the first reactor. Stable process runs could be achieved over a period of up to 90 h (corresponding to 90 residence times) with almost constant conversions between 85 -98 % in both reactors. With respect to the final product, a space-time-yield of 30 g·L^-1·d^-1 was realized.