Development of a Biocatalytic Production Process for (S)-2-Hydroxy Ketones (2011)

Enantiomerenreine α-Hydroxyketone sind vielseitige Bausteine fur die pharmazeutische Industrie. Da hoch chemo- und stereoselektive Synthesen dieser Verbindungen mit herkommlichen, chemischen Verfahren sehr schwierig sind, bietet der Einsatz von Biokatalysatoren bei der Produktion von α-Hydroxyketonen eine interessante Alternative. Thiamin-Diphosphat (ThDP)-abhangige Enzymen sind in der Lage, α-Hydroxyketone durch Carboligation zweier kostengunstigen Aldehyden herzustellen. In der Arbeitsgruppe Biokatalyse und Biosensoren (IBG -1, Forschungszentrum Julich GmbH) um Prof. Pohl und Dr. Rother gibt es eine Enzym-Toolbox, die zahlreiche ThDP-abhangige Enzyme umfasst. Durch dieses Spektrum an Enzymen kann eine breite Plattform an α-Hydroxyketonen mit hohen Reinheiten hergestellt werden. Allerdings sind die meisten der Wildtyp-Enzyme (R)-selektiv fur die Carboligation, wenn mindestens einer der fur die Carboligation verwendeten Aldehyde aromatisch ist. Die Synthese von aromatischen und aromatisch-aliphatischen Hydroxyketonen in (S)-Konfiguration ist daher schwieriger. In dieser Arbeit wurde mit der Variante E469G der Pyruvatdecarboxylase aus Acetobacter pasteurianus (ApPDCE469G) eines der wenigen (S)-selektiven Enzyme verwendet, um ein Verfahren zur Produktion von (S)-Phenylpropionylcarbinol (PPC) im Labormasstab zu entwickeln. Fur diesen Prozess wurden folgenden Ziele erreicht: - Reaktionscharakterisierung und -optimierung: Durch eine Kombination aus der Wahl von Substraten und Losungsmitteln mit einer umfassenden Reaktionsoptimierung, konnte die spezifische Raum-Zeit-Ausbeute des Prozesses um das 61-fache erhoht werden. Das beweist, dass eine Optimierung von Reaktionsbedingungen einen immensen Einfluss auf die Produktivitat und die Selektivitat des Katalysators haben. Ferner konnte die Enantiomerenreinheit des Produkts von 89 % auf 98 % (S)-PPC verbessert werden. Die Vermeidung von organischen Losungsmitteln (zur Erhohung der Substratloslichkeit) und die Verwendung eine α-Ketosaure anstelle des Donor-Aldehyds, trugen wesentlich zu dem verbesserten Reaktionsprozess bei. - Verwendung von ganzen Zellen: alternativ zu gereinigten Enzymen, wurde die Verwendung von ganzen Zellen bei der Herstellung von (S)-PPC untersucht und optimiert. Die Rezyklierbarkeit der Zellen wurde bestimmt und die Reaktion in einem 500 mL Reaktionsgefas mit einer kontinuierlichen Substratzugabe durchgefuhrt. Dabei konnte eine Produkt-Konzentrationen von uber 10 g / L / d erreicht werden. Als Nachteile der Ganzzelle-Biokatalyse ist zu nennen, dass das Produkt einen leicht verringerten Enantiomerenuberschuss im Vergleich zum Verfahren mit gereinigtem Enzym hatte und dass ein noch unbekanntes Nebenprodukt auftrat. Des Weiteren wurde das Ganzzell-Verfahren erfolgreich auch fur die Herstellung von (S)-Phenylacetylcarbinol (aus Pyruvat und Benzaldehyd) getestet. Damit konnte generell gezeigt werden, dass der Prozess auch analog auf die Synthese von anderen (S)-konfigurierten Hydroxyketonen ubertragbar ist. - Entwicklung einer Strategie zur Steigerung der Enantiomerenreinheit: Um das leicht anwendbare Ganzzell-Katalyse Verfahren anwendbar zu machen und um den 7 Nachteil der nur moderate Stereoselektivitat zu uberwinden, wurde eine neue Strategie zur Steigerung der Enantiomerenreinheit erfunden. Durch die Verwendung eines zweiten, rein (R)-selektiven ThDP-abhangiges Enzyms, das in der Lage ist, (R)-α-Hydroxyketone in Aldehyde zu spalten, wird das entsprechende (S)-konfigurierte Enantiomer angereichert. Die gebildeten Aldehyde stehen daruber hinaus wieder fur die von der ApPDCE469G katalysierten Carboligation zur Verfugung, was sowohl die Ausbeute wie auch die Enantiomerenreinheit des (S)-konfigurierten Produkts weiter erhoht.