Photokatalytische in-situ Wasserstoffperoxid-Produktion für gekoppelte enzymatische Oxidationsreaktionen
Creators: name: Burek, Bastien Oliver
Publisher: name: Hannover : Institutionelles Repositorium der Leibniz Universität Hannover
Year: 2020
Subjects: subject: hydrogen peroxide
subject: titanium dioxide
subject: photocatalysis
subject: enantioselective enzyme catalysis
subject: oxidation reactions
subject: Wasserstoffperoxid
subject: Titandioxid
subject: Photokatalyse
subject: enantioselektive Enzymkatalyse
subject: Oxidationen
subject: Dewey Decimal Classification::600 | Technik::660 | Technische Chemie

description: Der Einsatz von Enzymen als Katalysatoren in der chemischen Synthese ermöglicht au-ßerordentlich selektive Verfahrensschritte, welche durch kürzere und effizientere Syn-theserouten mit weniger Nebenprodukten Prozesse nachhaltiger gestalten können. Die Enzymklasse der Oxidoreduktasen (EC 1) katalysiert eine Vielzahl an Reaktions-typen und weist dabei ein gewaltiges Potential für die Anwendung in der synthetisch-organischen Chemie auf. Häufig ist der Einsatz dieser Enzyme jedoch durch die Not-wendigkeit von Co-Faktoren erschwert. Peroxygenasen, wie die unspezifische Per-oxygenase aus Agrocybe aegerita (AaeUPO), stellen einen Spezialfall dieser Enzymfa-milie dar. Sie nutzen lediglich Wasserstoffperoxid als kostengünstiges und leicht herzu-stellendes Co-Substrat für die oxidative Aktivierung diverser C-H-Bindungen. Aller-dings besteht hierin gleichzeitig ein Hindernis bei deren Einsatz, da Peroxygenasen, wie viele Enzyme, eine ausgeprägte Instabilität gegenüber Wasserstoffperoxid aufweisen. Somit ist eine Strategie zur optimalen Wasserstoffperoxid-Versorgung notwendig. Eine Möglichkeit kann die in-situ Wasserstoffperoxid-Bereitstellung beispielsweise durch photokatalytische Reduktion von molekularem Sauerstoff darstellen. In Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde solch ein photoenzymkatalytischer Prozess mit Titandioxid als Photokatalysator entwickelt. Hierfür wurde zunächst die photokata-lytische Wasserstoffperoxid-Bildung unter Variation der Reaktionsparameter Lichtin-tensität, Katalysatormenge, Sauerstoffgehalt, pH und Temperatur sowohl für die Oxida-tion von Wasser als auch die eines Elektronendonors in Form von Propan-2-ol getrennt untersucht, um optimierte Bedingungen festlegen zu können. Ebenfalls wurden die Oxidationskinetiken der Alkohole Methanol, Ethanol, Propan-2-ol und 2-Methylpropan-2-ol untersucht, um ein geeignetes Opferreagenz für das photoenzymatische Reaktions-system festzulegen. Hierbei stellte sich Methanol als effizientester Elektronendonor her-aus. Die gewonnenen Erkenntnisse wurden anschließend im kombinierten System mit der AaeUPO eingesetzt, um die enantioselektive Hydroxylierung von Ethylbenzol zu (R)-1-Phenylethanol zu studieren. Der Einsatz von Methanol stellte sich als vorteilhaft für das System heraus, da neben der verbesserten H2O2-Bildung ebenfalls die Substratlöslich-keit erhöht und weniger für das Enzym schädliche Hydroxyl-Radikale gebildet wurden, wodurch die Enzymstabilität und die katalytische Produktivität deutlich gesteigert wur-de. Schlussendlich wurde die Skalierungsproblematik von Photoreaktoren betrachtet. Durch die Verwendung von mit Photokatalysator beschichteten induktiv angetriebenen LEDs, sogenannter Wireless Light Emitter, konnte der Grundsatzbeweis der Nutzbarkeit dieser Technik für die untersuchten Photoreaktionen erbracht werden.
description: The application of enzymes as catalysts in chemical synthesis allows for highly selective reaction steps and therefore offers shorter and more efficient routes with less waste leading to more sustainable processes. In particular, the enzyme class of oxidoreductases (EC 1) catalysing a variety of reac-tions are very promising for an application in organic synthesis. However, this is often limited by the need of expansive cofactors which have to be (re-)generated. Peroxygen-ases, like the unspecific peroxygenase from Agrocybe aegerita (AaeUPO), represent a special case as they utilize the cheap and easily producible hydrogen peroxide as a co-substrate to catalyse a variety of C-H-functionalizations. However, these enzymes suffer from their poor robustness against hydrogen peroxide. One strategy to overcome this issue is the in-situ hydrogen peroxide generation which can be realized for example via photocatalytic reduction of molecular oxygen. In the context of this thesis such a photoenzymatic catalysis process has been developed using titanium dioxide as a photocatalyst. Initially, the photocatalytic hydrogen perox-ide generation has been examined separately. To identify optimized conditions the reac-tion parameters light intensity, catalyst amount, oxygen content, pH and temperature were studied for the oxidation of water as well as for the oxidation of propan-2-ol as a sacrificial electron donor. Furthermore, the oxidation kinetics of the alcohols methanol, ethanol, propan-2-ol and 2-Methylpropan-2-ol have been investigated in detail. Metha-nol turned out to be the most efficient and therefore suitable sacrificial reagent. These findings have been used for the combined system with the AaeUPO to study the enantioselective hydroxylation of ethyl benzene to (R)-1-phenylethanol. The use of methanol proved to be advantageous not only for a higher H2O2 production but also for a higher solubility of the substrate and a lower generation of enzyme damaging hydroxyl radicals. Therefore, the enzyme stability and the turnover numbers could be improved significantly. Finally, the scalability issue of photoreactors has been addressed utilizing inductively powered LEDs, so-called wireless light emitters, which were additionally coated with the photocatalyst. A proof-of-principle for all the investigated reactions has been demonstrated in this thesis.