Artifizielle Metalloenzyme in organischen Medien
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Date
2019
Authors
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Abstract
The aim of this work was the generation of artificial metalloenzymes (AMEs) for use in organic solvent systems and the optimization of such reactions.
The asymmetric dihydroxylation of styrene with Osmate-laccase-PMOx as AME was studied in detail to find more suitable reaction conditions for this reaction. By optimizing different reac-tion parameters, it was possible to increase the turnover frequency up to 48-fold compared to the previously used reaction system and to achieve high enantiomeric excesses of up to 99.4% ee (R) of the reaction product. The reaction can also be catalyzed under the usage of other metal species, especially KMnO4 and iron chloride. In addition, other styrene derivatives could be converted with different AMEs. Thereby turnover and selectivity of the reaction strongly depends on both the AME and the solvent system used.
Furthermore a tandem catalytic dihydroxylation with subsequent esterification could be suc-cessfully performed by immobilized Osmat-modified lipase from Candida antarctica as well as by Os-lipase-PMOx. Further investigations suggest that this reaction is an auto-tandem cataly-sis. The proportion of in situ formed intermediate 1-phenyl-1,2-ethanediol in the product mix-ture is less than 5% in all cases.
In addition, proteins and enzymes have been converted into highly selective and active AMEs for asymmetric dihydroxylation and epoxidation of styrene and its derivatives by targeted ac-ylation of the primary amino groups of these biomolecules and thus blocking of these potential metal-binding sites. Thereby it could be shown on the example of the asymmetric epoxidation that lysozyme from egg white as well as bovine serum albumin possess different enantioselec-tive directing binding sites for catalytically active metal species. This demonstrates that pro-teins are very rich in different chiral domains suitable for complexation with various catalytical-ly active metal species and underlines the great potential of such systems in the development of novel asymmetric catalysts.
Ziel dieser Arbeit war die Generierung artifizieller Metalloenzyme für den Einsatz in rein orga-nischen Lösungsmittelsystemen sowie die Optimierung solcher Reaktionssysteme. Es wurde zunächst die asymmetrische Dihydroxylierung von Styrol unter Verwendung von Osmat-Laccase-PMOx als artifizielles Metalloenzym (AME) im Detail untersucht, um günstigere Reaktionsbedingungen für diese Umsetzung zu ermitteln. Durch die Optimierung verschiede-ner Reaktionsparameter konnte ein bis zu 48-facher Anstieg der turnover frequency im Ver-gleich zum zuvor verwendeten Reaktionssystem erreicht werden. Zudem wurden sehr hohe Enantiomerenüberschüssen von bis zu 99,4 % ee (R) des Reaktionsproduktes1-Phenyl-1,2-ethandiol erhalten. Die Dihydroxylierung von Styrol lässt sich auch unter Verwendung weiterer Metallspezies, insbesondere Kaliumpermanganat und Eisenchlorid, erfolgreich katalysieren. Des Weiteren konnten auch mehrere weitere Styrolderivate unter Verwendung unterschiedli-cher AMEs erfolgreich umgesetzt werden. Dabei hängen Umsatz sowie Selektivität der Reakti-on stark sowohl vom verwendeten AME als auch Lösungsmittelsystem ab. Im Rahmen dieser Arbeit konnte weiterhin eine tandemkatalytische Dihydroxylierung mit an-schließender Veresterung sowohl mit Hilfe von immobilisierter, Osmat-modifizierter Lipase aus Candida antarctica (Os-CaLB) als auch mittels Os-Lipase-PMOx erfolgreich durchgeführt wer-den. Weiterführende Untersuchungen legen nahe, dass es sich hierbei um eine Auto-Tandemkatalyse handelt. Der Anteil des in situ gebildeten Zwischenproduktes 1-Phenyl-1,2-ethandiol im Produktgemisch beträgt dabei in allen Fällen weniger als 5 %. Zudem wurden verschiedene Proteine und Enzyme über eine gezielte Acylierung der primären Aminogruppen dieser Biomoleküle, und somit deren Blockierung als potenziell nicht enantiose-lektiv dirigierende Metallbindungsstellen, in hochselektive und -aktive AMEs für die asymmet-rische Dihydroxylierung sowie Epoxidierung von Styrol und seinen Derivaten konvertiert. Hier-bei konnte am Beispiel der asymmetrischen Epoxidierung gezeigt werden, dass Lysozym aus Hühnereiweiß sowie Rinderserumalbumin mit hoher Wahrscheinlichkeit mehrere enantiose-lektiv dirigierende Bindungsstellen für katalytisch aktive Metallspezies besitzen. Dies verdeut-licht, dass Proteine sehr reich an unterschiedlichen chiralen Bereichen sind, die sich zur Kom-plexierung mit verschiedenen katalytisch aktiven Metallspezies eignen und unterstreicht das große Potential solcher Systeme bei der Entwicklung neuer asymmetrischer Katalysatoren.
Ziel dieser Arbeit war die Generierung artifizieller Metalloenzyme für den Einsatz in rein orga-nischen Lösungsmittelsystemen sowie die Optimierung solcher Reaktionssysteme. Es wurde zunächst die asymmetrische Dihydroxylierung von Styrol unter Verwendung von Osmat-Laccase-PMOx als artifizielles Metalloenzym (AME) im Detail untersucht, um günstigere Reaktionsbedingungen für diese Umsetzung zu ermitteln. Durch die Optimierung verschiede-ner Reaktionsparameter konnte ein bis zu 48-facher Anstieg der turnover frequency im Ver-gleich zum zuvor verwendeten Reaktionssystem erreicht werden. Zudem wurden sehr hohe Enantiomerenüberschüssen von bis zu 99,4 % ee (R) des Reaktionsproduktes1-Phenyl-1,2-ethandiol erhalten. Die Dihydroxylierung von Styrol lässt sich auch unter Verwendung weiterer Metallspezies, insbesondere Kaliumpermanganat und Eisenchlorid, erfolgreich katalysieren. Des Weiteren konnten auch mehrere weitere Styrolderivate unter Verwendung unterschiedli-cher AMEs erfolgreich umgesetzt werden. Dabei hängen Umsatz sowie Selektivität der Reakti-on stark sowohl vom verwendeten AME als auch Lösungsmittelsystem ab. Im Rahmen dieser Arbeit konnte weiterhin eine tandemkatalytische Dihydroxylierung mit an-schließender Veresterung sowohl mit Hilfe von immobilisierter, Osmat-modifizierter Lipase aus Candida antarctica (Os-CaLB) als auch mittels Os-Lipase-PMOx erfolgreich durchgeführt wer-den. Weiterführende Untersuchungen legen nahe, dass es sich hierbei um eine Auto-Tandemkatalyse handelt. Der Anteil des in situ gebildeten Zwischenproduktes 1-Phenyl-1,2-ethandiol im Produktgemisch beträgt dabei in allen Fällen weniger als 5 %. Zudem wurden verschiedene Proteine und Enzyme über eine gezielte Acylierung der primären Aminogruppen dieser Biomoleküle, und somit deren Blockierung als potenziell nicht enantiose-lektiv dirigierende Metallbindungsstellen, in hochselektive und -aktive AMEs für die asymmet-rische Dihydroxylierung sowie Epoxidierung von Styrol und seinen Derivaten konvertiert. Hier-bei konnte am Beispiel der asymmetrischen Epoxidierung gezeigt werden, dass Lysozym aus Hühnereiweiß sowie Rinderserumalbumin mit hoher Wahrscheinlichkeit mehrere enantiose-lektiv dirigierende Bindungsstellen für katalytisch aktive Metallspezies besitzen. Dies verdeut-licht, dass Proteine sehr reich an unterschiedlichen chiralen Bereichen sind, die sich zur Kom-plexierung mit verschiedenen katalytisch aktiven Metallspezies eignen und unterstreicht das große Potential solcher Systeme bei der Entwicklung neuer asymmetrischer Katalysatoren.
Description
Table of contents
Keywords
Artifizielle Metalloenzyme, Asymmetrische Katalyse, Polymer-Enzym-Konjugate, Dihydroxylierung, Epoxidierung