Bæredygtig, stærkt selektiv biokatalytisk omdannelse af aldehyder til carboxylsyrer

Forskere fra University of Amsterdams Van't Hoff Institute for Molecular Sciences (HIMS) har udviklet den første levedygtige biokatalytiske 'grønne' proces til kemoselektiv oxidation af aldehyder til carboxylsyrer. Papiret, der beskriver forskningen, fremgår af den aktuelle udgave af tidsskriftet Grøn kemi .

Oxidationen af ​​aldehyder til carboxylsyrer er en vigtig og industrielt relevant kemisk reaktion, for eksempel med hensyn til syntese af lægemidler og biobaserede polymerer. Nuværende oxidationsprocedurer kræver rigelig brug af giftige kemiske reagenser og producerer ofte uønskede biprodukter.

På jagt efter forbedring af det miljømæssige fodaftryk for aldehydoxidation, forskellige nye syntetiske metoder er blevet undersøgt. Indtil nu, imidlertid, der er ikke udviklet en økonomisk levedygtig procedure, der er baseret på miljømæssigt godartede reagenser og/eller opløsningsmidler, og det kombinerer en forhøjet produktivitet med en perfekt selektivitet (hvilket betyder, at kun ønskede aldehydfunktionelle grupper oxideres, dermed minimere eller endda helt undgå dannelsen af ​​uønskede biprodukter).

Godartet biokatalyse

Som et interessant 'grønt' alternativ, biokatalytisk, enzymbaserede metoder til oxidation af funktionelle grupper viser milde reaktionsbetingelser (omgivelsestemperatur og atmosfærisk tryk) i et vandigt miljø, og de opnår generelt meget gode selektiviteter. Desuden, de kan udnytte molekylært oxygen som en godartet oxidant.

HIMS -forskerteamet ledet af DrFrancesco Mutti har nu med succes undersøgt brugen af ​​aldehyddehydrogenaseenzymer til oxidation af aldehyder til carboxylsyrer. I en artikel, der for nylig blev accepteret af RSC-tidsskriftet med stor indflydelse Grøn kemi , forskerne præsenterer en undersøgelse af tre rekombinante aldehyddehydrogenaser, der stammer fra kvæglinser og bakterierne Escherichia coli og Pseudomonas putida. Til regenerering af det katalytiske NAD+ coenzym, de anvendte H ₂ O danner NAD-oxidase fra Streptococcus mutans. Den endelige bio-oxidation kører i vandig phosphatbuffer, under milde reaktionsbetingelser (40 ° C og atmosfærisk tryk) og forbruger kun dioxygen fra luft som oxidant.

Omfattende undersøgelse

For at undersøge potentialet for de tre enzymer, forskerne udførte en omfattende undersøgelse, hvor de testede enogtres strukturelt forskellige aldehyder. Størstedelen af ​​disse substrater (alifatiske, aryl alifatisk, benzyl-, hetero-aromatiske og bicykliske aldehyder) blev omdannet med udbytter på langt over 60% og i mange tilfælde endda over 99%. De eneste undtagelser var nogleortho-substituerede benzaldehyder og to bicykliske heteroaromatiske aldehyder.

I alle tilfælde, kemoselektiviteten var perfekt:intet andet produkt blev påvist undtagen den forventede carboxylsyre. Dette betyder, at andre oxiderbare funktionaliteter (såsom hydroxyldelen, alkengrupper, arylgrupper, og svovl samt nitrogen -heteroatomer) forblev uberørte.

Hele celler

Da det til praktiske anvendelser foretrækkes at anvende hele celler frem for rensede enzymer, undgå tidskrævende og dyre rensningstrin, forskerne undersøgte også bio-oxidation medE. coli lyofiliserede hele celler såvel som hvileceller. Det viste sig, at tilskud af NAD+coenzym og NOx genanvendelsesenzym i nogle tilfælde kan udelades, da den mikrobielle vært producerer tilstrækkelig mængde coenzym, som kan genbruges af endogene E. coli -enzymer.

Forskerne konkluderer, at aldehyddehydrogenaser har potentiale til at blive det første valg for kemoselektiv oxidation af aldehyder til carboxylgrupper. Deres biokatalytiske metode er særligt attraktiv for oxidation af aldehyddele i molekyler, der besidder yderligere oxiderbare grupper. Fremtidig forskning vil fokusere på at forbedre enzymernes tolerance over for substratkoncentration og langsigtet stabilitet for at muliggøre endnu bredere anvendelse af disse enzymer.