Bioorganische Stoffwandlung – Chemie mit Enzymen und

Bioorganische Stoffwandlung – Chemie
mit Enzymen und Mikroorganismen
Einführung
OC III• Th. Heinze
OC III • Th. Heinze
Biotransformation
Enzyme und lebende Zellen als Katalysator
→ Biokatalysatoren als Synthesewerkzeug
Enzyme
Ganze Zellen
+ hochselektiv
+ außergewöhnliche Reaktionen
+ einfache Anwendung
+ Reaktionsmonopol
+ einfache Apparaturen
+ großes Reaktionsspektrum
+ einfache Aufarbeitung
+ Cofaktorrecycling in situ
+ einfache Anwendung
- Verfügbarkeit
- Aufarbeitung (Biomasse)
- Limitiert auf eine Reaktion
- Nebenreaktionen
- Cofaktorrecycling
- Erfordert u. U. experimentelle Erfahrung
OC III • Th. Heinze
O
OH
O
Saccharomyces cerevisiae
O
O
O
(S)-(+)-Hydroxybuttersäureethylester
Acetessigester
Ganzzellen-Ketonreduktion eines βKetoesters zu einem chiralen 3Hydroxyester
OH
O
COOCH2CH3
COOCH2CH3
Saccharomyces cerevisiae
2-Oxocyclohexancarbonsäureethylester
(1R,2S)-2-Hydroxycyclohexancarbonsäureethylester
OH
O
COOCH2CH3
Saccharomyces cerevisiae
COOCH2CH3
Coffein
2-Oxocyclohexancarbonsäureethylester
O
Kinetische Racematspaltung,
Unterdrückung unerwünschter
Enzymaktivität mit Coffein.
(1R,2S)-2-Hydroxycyclohexancarbonsäureethylester
O
O
OH
Saccharomyces cerevisiae
1-Phenyl-1,3-butandion
Kinetische Racematspaltung
(S)-3-Hydroxy-1-phenyl-1-butanon
Regio- und stereoselektive
Ganzzellenreduktion eines βKetoesters zu einem chiralen 3Hydroxyketon
OC III • Th. Heinze
O
CO2Et
H3C
O
(b)
CO2Et
Cl
OH
(a)
Cl
(R)
CO2Et
(e)
(c)
(d)
O
CO2
CO2Et
Cl
H3C
O
NH2
Cl
CO2Et
Cl
O
CO2H
Cl
CH3
Mögliche Nebenreaktionen während der Ganzzell-Biotransformation von 4Chloracetessigsäureethylester zu (R)-4-Chlor-3-hydroxybuttersäure-ethylester:
(a) Enantioselektive Reduktion, (b) Enthalogenierung, (c) Alkylierung, (d)
Transaminierung, (e) Esterhydrolyse, (f) Decarboxylierung
OC III • Th. Heinze
Vor- und Nachteile der stereoselektiven Reduktion mit Enzymen und ganzen Zellen
Kriterium
Ganze Zellen
Isoliertes Enzym
Reaktionsmedium
mild
mild
Stereoselektivität
mittel bis hoch
mittel bis hoch
Reproduzierbarkeit
variabel
hoch
Konkurrierende Enzyme
ja
nein
Nebenproduktbildung
ja
nein
Stofftransport
limitiert durch Zellmembran
nein
Cofaktorregeneration
nicht erforderlich
ja
Gesamtausbeute
gering bis hoch
mittel bis hoch
Substratkonzentrationa)
gering bis hoch
gering bis hoch
Kompatibilität mit organischen
Lösungsmitteln
eventuell cytotoxisch
eventuell denaturierend
Raum-Zeit-Ausbeute
gering bis hoch
mittel bis hoch
Aufarbeitung
schwierig
einfach
Verfügbarkeit
sehr gut
gering bis gut
Katalysatorpreis
gering
gering bis sehr teuer
a) Im Wesentlichen auch von der Substratlöslichkeit in Wasser abhängig. Gegebenenfalls empfiehlt
sich eine Zweiphasen-Biotransformation.
OC III • Th. Heinze
OC III • Th. Heinze
Span 65
Tween 20
Polysorbat 20
Tween 80
Polysorbat 80
http://en.wikipedia.org/wiki/Sorbitan_tristearate
http://de.wikipedia.org/wiki/Polysorbat_20
http://de.wikipedia.org/wiki/Polysorbat_80
OC III • Th. Heinze
Löslichkeit von Acetylferrocen in Gegenwart
von Löslichkeitsvermittlern
Löslichkeitsvermittler
Kein
Löslichkeit in Wasser
bei 30°C (mg/L)
8
Tween 80® 3 Vol.%
258
Ethanol 5 Vol.%
28
Ethanol 10 Vol.%a)
76
Ethanol 20 Vol.%a)
95
DMSO 10 Vol.%b)
8
α-Cyclodextrin 1 Gew.%c)
8
β-Cyclodextrin 1 Gew.%c)
8
γ-Cyclodextrin 1 Gew.%
110
D-Maltose 10 Gew.%
103
D- Glucose 10 Gew.%
383
a)
b)
c)
Heterogen.
Cytotoxisch für ganze Zellen
Präzipitate bei c(CD)>1% (w/v).
OC III • Th. Heinze
Der Komplex aus D-Maltose und Acetylferrocen besitzt eine cyclodextrinartige
Struktur. Infolge des Fehlens kovalenter Bindungen zwischen den Disacchariden
besitzt das System eine hinreichend hohe Dynamik, die sehr gute Substratsolubilisierungseigenschaften und sehr gute Substratfreisetzungseigenschaften
vereinigt. (Bioorg. Med. Chem. 2004, 12, 2973)
OC III • Th. Heinze
Nichtenzymkatalysierte Hydridübertragung auf ein prochirales Keton ohne
Vorzugsrichtung.
Prelog-Regel. Das Enzym schirmt einen
enantiotopen Halbraum vollständig ab. Die
Hydridübertragung durch NADH kann auf
diese Weise nur aus einer einzigen Richtung
erfolgen.
OC III • Th. Heinze
Oxidoreduktasen
H H
O
O
H3C
H
N
H3C
N
H
H
N
HH
OH
H
H
H
OH
OH
H
NH
NH2
O
O
N
-
O P O
O
-
O P O
OH OH
NH2
N
O
O N
N
N
NH2
O
O
O P O P O
-
O
OHOH
O
-
O
N
O
N
N
N
OHOH
Nicotinamid-Adenin-Dinucleotid
Flavin-Adenin-Dinucleotid
Reduzierte Form (NADH)
Reduzierte Form (FADH2)
OC III • Th. Heinze
OC III • Th. Heinze
OC III • Th. Heinze
OC III • Th. Heinze
• Stereoselektive Hydroxylierungen von Steroiden und Terpenen
Syntheseziel: stereoisomerenreine Alkohole
• Stereoselektive Insertion von Sauerstoff in Kohlenstoff-Carbonyl-Bindungen (Bayer-Villiger-Reaktion)
Syntheseziel: stereoisomerenreine Lactone
• Peroxidation und Epoxidierung von Fettsäuren
Syntheseziel: stereoisomerenreine Alkohole und Diole
• Epoxidierung und Hydroxylierung von Aromaten
Syntheseziel: Phenole und Catechole
OC III • Th. Heinze
OC III • Th. Heinze
OC III • Th. Heinze
OC III • Th. Heinze
OC III • Th. Heinze
meso-Trick:
Differenzierung von Molekülhälften
Entgegengesetzter Stereokonfiguration
Kinetische Racematspaltung:
Differenzierung zwischen Molekülen
Entgegengesetzter Stereokonfiguration