Prozessentwicklung zur enzymatischen Synthese chiraler Alkohole unter elektrochemischer Cofaktorregenerierung

Abstract

Elektroenzymatische Synthesen verbinden die Vorteile zweier nachhaltiger Reaktionskonzepte. Auf der einen Seite wird die Elektrochemie genutzt, um Elektronen als reagenzfreie Reduktionsäquivalente bereitzustellen. Auf der anderen Seite verwendet man Enzyme als hochselektive Biokatalysatoren zur Synthese von Feinchemikalien.<br /> Die vorliegende Arbeit untersucht die Synthese enantiomerenreiner Alkohole durch die Reduktion der korrespondierenden Ketone durch das Enzym Alkoholdehydrogenase unter Verbrauch des Cofaktors NADPH. Dieser Cofaktor wird durch einen Rhodium-Komplex regeneriert, der wiederum elektrochemisch regeneriert werden kann. Dieses Reaktionssystem ist seit Jahrzehnten bekannt, doch konnten bisher niemals effiziente Enzymausnutzungen und zufrieden stellende Ausbeuten erzielt werden.<br /> In dieser Arbeit kann durch elektroanalytische Aufklärung des Reaktionsmechanismus erstmalig gezeigt werden, dass unter Reaktionsbedingungen eine inaktivierende Reaktion zwischen Rhodium-Komplex und Enzym stattfindet, die die Reaktion abbrechen lässt. Um eine stabile Reaktionsführung zu erreichen, wurde der Rhodium-Komplex durch Anbindung an ein wasserlösliches Polymer derart in seinem Molekulargewicht vergrößert, dass er durch eine Ultrafiltrationsmembran zurückgehalten werden kann. Da auch das Enzym durch eine solche Membran retentiert werden kann, ist nun eine räumliche Trennung der beiden Katalysatoren möglich.<br /> Ein entsprechender Reaktor mit zwei Reaktionskammern wurde entwickelt. Durch das Umpumpen der Reaktionsmischung zwischen der elektrochemischen Reaktionskammer und der Enzymreaktionskammer konnte vollständiger Umsatz an chiralem Alkohol erzielt werden und gleichzeitig konnte die Inaktivierung der Katalysatoren vollständig verhindert werden, sodass hohe Katalysatoreffizienzen erzielt wurden.<br /> Dieses Reaktorkonzept ist damit die erste präparativ wertvolle Anwendung der elektroenzymatischen Synthese von chiralen Alkoholen.