Biokatalytische Synthese chiraler Synthesebausteine

Bisherige Syntheseverfahren erwiesen sich sowohl in ökologischer als auch in ökonomischer Hinsicht als unbefriedigend.
In diesem Forschungs- und Entwicklungsvorhaben haben die Projektpartner eine neue biokatalytische Syntheseplattform entwickelt, welche den bislang leistungsfähigsten Zugang zu chiralen α-Diolen und α-Hydroxyketonen eröffnet. Der enzymkatalysierte Prozess überzeugt durch unerreicht hohe Selektivitäten und eine gegenüber anderen Verfahren unübertroffene Ökoeffizienz.

Chirale α-Diole und α-Hydroxyketone - wichtige Synthesebausteine
Die mit dem Projekt angestrebte verbesserte Zugänglichkeit chiraler α-Diole, wie (2S,5S)- Hexandiol, ermöglicht eine breitere Verwendung dieser Synthesebausteine im Bereich der Entwicklung neuer Antibiotika, Agrochemikalien oder Polymere.
Der nächstliegende biokatalytische Zugang zum enantiomerenreinen (2S, 5S)-
Hexandiol ist die Reduktion des zugrunde­liegenden Diketons 2,5-Hexandion. Als Bio­katalysatoren dienen entweder ganze Zellen oder isolierte Enzyme. Der zur Reduktion benötigte Wasserstoff muss dabei durch sogenannte Cofaktoren bereitgestellt werden.

Biokatalytische Synthese­plattform
Ganzzell-biokatalytisch gelingt die Synthese des enantiomerenreinen Diols bzw. Hydroxyketons im Gramm-Maßstab mit der Backhefe Saccharomyces cerevisiae. Eingehende Unter­suchungen deckten jedoch zahlreiche Wechsel­wirkungen zwischen Edukt und Hefezelle auf, die den Einsatz ganzer Zellen limitieren. Alternativ wurde daher der Weg über das Enzym 2,5-Hexandion-Reduktase beschritten, die erstmals erfolgreich aus S. cerevisiae gereinigt wurde und einen selektiven Zugang sowohl zum Diol als auch zum Hydroxyketon liefert. Im Zuge von Verfahrensoptimierungen wurde zusätzlich eine bakterielle Dehydro­genase identifiziert, die nicht nur 2,5-Hexandion selektiv reduziert, sondern auch den benötig­ten Cofaktor regeneriert.
Die Ergebnisse sind auf andere Dione übertragbar, womit eine ökologisch und ökonomisch unerreicht leistungsfähige
Syntheseplattform für den Zugang zu chiralen Diolen und Hydroxyketonen ent­wickelt wurde.

Hohe Ökoeffizienz
Das Verfahren ist sehr ressourceneffizient, da die Ausgangstoffe mit hoher Atomökonomie in das Produkt überführt werden. Die entfallende Trennproblematik zur Entfernung unerwünschter Nebenprodukte reduziert die Abfallmengen um bis zu 60 % und spart rund 25 % der benötigten Energie ein. Für die Reduktion von 2,5-Hexandion zum 2,5-Hexandiol werden die Gestehungskosten um rund 80 % reduziert, ein erheblicher ökonomischer Vorteil, der nur aufgrund der hohen ökologischen Effizienz des Verfahrens möglich ist.

Projektthema
Biokatalytische Synthese chiraler α-Diole und α-Hydroxyketone

Projektdurchführung
TU Bergakademie Freiberg
Institut für Technische Chemie
Priv.-Doz. Dr. rer. nat. habil. Martin Bertau
09596 Freiberg
Telefon 03731|39-2384
Telefax 03731|39-2324
martin.bertau@chemie.tu-freiberg.de
www.chemie.tu-freiberg.de/tech

Kooperationspartner
Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, Institut für Molekulare Enzymtechnologie  Jülich
JFC - Juelich Fine Chemicals GmbH, Jülich
Consortium für elektrochemische Industrie GmbH, München