Novel chemo-enzymatic strategies for asymmetric aldol-type reactions using in situ formed acetaldehyde in deep eutectic solvents

Müller, Christoph R.; Leitner, Walter (Thesis advisor); Spieß, Antje (Thesis advisor)

Aachen (2016)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen, 2016

Kurzfassung

Die Dissertation widmet sich der Fragestellung, ob eine in situ generierte Bildung von Acetaldehyd vorteilhaft für bestimmte katalytische Prozesse ist. Hierbei liegt der Ansatz in der langsamen Verfügbarkeit von hoch reaktivem Acetaldehyd. Als Ausgangspunkt wird die Produktion ausgehend von Vinylestern, mittels Umesterung durch das Enzym CALB, und Ethanol, durch Alkoholdehydrogenasen betrachtet. Als Test- und Nachweisreaktion wurde die Kreuzkupplung von Acetaldehyd und para-Nitrobenzaldehyd gewählt - eine Aldolreaktion katalysiert durch Prolinderivate. Entsprechend handelt es sich bei dem Gesamtkonzept um eine Chemo-Enzymatische Ein-Topf Mehrstufenreaktion.Ein besonderes Augenmerk lag in der Verwendung des Lösungsmittels. Eine neue Klasse von Lösungsmitteln - Deep Eutectic Solvents (DES, tief eutektische Lösungsmittel) - stellte sich als besonders vorteilhaft für die Reaktion heraus. Hierbei handelt es sich meist um eine Salzschmelze, welche aus mindestens zwei Komponenten besteht und deren Mischung einen niedrigeren Schmelzpunkt hat als die einzelnen Komponenten. Zudem ist ein Schmelzpunkt von <150 °C ein notwendiges Kriterium um zu der Klasse der DES zu zählen. Nach der Optimierung der Testreaktion konnte das gewünschte Produkt mit bis zu 84 % Ausbeute und 96 % ee optischer Reinheit isoliert werden. Im Anschluss wurden weitere Studien bezüglich der Rezyklierbarkeit des Lösungsmittels als auch des Katalysators durchgeführt. Hierbei konnte in einem ersten "Proof of Concept" gezeigt werden, dass sich prinzipiell der homogene Organokatalysator in der DES Phase immobilisieren lässt. Somit konnte über vier Zyklen ohne die Zugabe neuen Katalysators, das gewünschte Produkt produziert werden. Allerdings wurde durch jeden weiteren Zyklus DES und kleine Mengen des Katalysators mitextrahiert wodurch ab dem fünften Zyklus keine Aktivität mehr beobachtet werden konnte. Insgesamt konnte jedoch ein System entwickelt werden, welches aktuellen Systemen in vielen Aspekten überlegen ist. So konnte unter anderem die äquivalente Menge der Acetaldehydquelle stark reduziert werden, giftige Komponenten durch ungiftige oder schwach giftige Reagenzien ersetzt werden, während die Ausbeute pro Zeiteinheit konstant blieb oder anstieg. Insgesamt handelt es sich um eine grundlegende Arbeit, die das Potential von DES im Bereich der Organo- und Biokatalyse aufzeigt, als auch die Vorteile einer in situ Generierung von instabilen Reaktionspartnern.