Open Access

Claudia Matassa

• The synthesis of several bioactive compounds and active pharmaceutical ingredients relies on the development of general and efficient methods to prepare optically pure amines. Transaminases are industrially relevant enzymes and are useful for synthesizing a large number of compounds that contain a chiral amine functionality. Although the immense potential associated to the use of these biocatalysts, the equilibrium position is often unfavorable for amine synthesis. The use of an excess of amine donor, compared to the ketone substrate, combined with selective removal of the formed product, can help in overcoming this limitation. This work mainly focused on broadening the application of membrane-based in situ product recovery (ISPR) techniques for the transaminase-catalyzed synthesis of chiral amines. The overall work was designed around the implementation of amine donors, possessing considerably larger molecular ‘size’ compared to commonly used amine donors. To clearly distinguish these molecules from traditional donor amines, we designate them as High Molecular Weigh amine donors. With a molecular weight between 400 and 1500 g/mol, in contrast to traditional donor amines, HMW amine donors enable a size-based separation between amine donor and amine product molecules. HMW amines, provided in excess for thermodynamic equilibrium shifting can thus be simply retained by a size-exclusion mechanism by commercial membranes, while the smaller product amines are permeated. Therefore, a selective recovery of the desired chiral amine product is possible. The implementation of ISPR techniques using HMW amine donors can theoretically lead to (i) equilibrium shifting, (ii) alleviation of product inhibition, and (iii) a highly pure product stream. The feasibility of using HMW amine donors in aqueous, organic solvent and solvent-free media for the transaminase-catalyzed synthesis of 1-methyl-3-phenylpropylamine (MPPA) was proven in this thesis. The latter two approaches were investigated with the aim to achieve higher product concentrations. Along with that, we demonstrated two membrane-assisted ISPR proof of concepts. Specifically, nanofiltration was coupled with the enzymatic reaction performed in aqueous media (Article I), while liquid-liquid (L-L) extraction in a contactor was applied for transamination in organic solvent media (Article II). As an alternative to membrane-based strategies we also designed a spinning reactor concept for the integrated chiral amine synthesis (in organic solvent) and recovery (Article III).
• Die Synthese mehrerer bioaktiver Verbindungen und pharmazeutischer Wirkstoffe beruht auf der Entwicklung allgemeiner und effizienter Methoden zur Herstellung optisch reiner Amine. Transaminasen sind industriell relevante Enzyme und eignen sich zur Synthese einer großen Anzahl von Verbindungen, die eine chirale Aminfunktionalität enthalten. Obwohl das immense Potenzial mit der Verwendung dieser Biokatalysatoren verbunden ist, ist die Gleichgewichtsposition für die Aminsynthese häufig ungünstig. Die Verwendung eines Überschusses an Amindonor im Vergleich zum Ketonsubstrat in Kombination mit der selektiven Entfernung des gebildeten Produkts kann zur Überwindung dieser Einschränkung beitragen. Diese Arbeit konzentrierte sich hauptsächlich auf die Erweiterung der Anwendung membranbasierter In-situ-Produktrückgewinnungstechniken (ISPR) für die Transaminase-katalysierte Synthese chiraler Amine. Die Gesamtarbeit war auf die Implementierung von Amindonoren ausgerichtet, die im Vergleich zu häufig verwendeten Amindonoren eine erheblich größere molekulare „Größe“ aufweisen. Um diese Moleküle klar von herkömmlichen Donoraminen zu unterscheiden, bezeichnen wir sie als hochmolekulare Amindonoren. Mit einem Molekulargewicht zwischen 400 und 1500 g / mol ermöglichen HMW-Amindonoren im Gegensatz zu herkömmlichen Donoraminen eine größenbasierte Trennung zwischen Amindonor- und Aminproduktmolekülen. HMW-Amine, die im Überschuss für die thermodynamische Gleichgewichtsverschiebung bereitgestellt werden, können somit einfach durch einen Größenausschlussmechanismus durch kommerzielle Membranen zurückgehalten werden, während die kleineren Produktamine durchdrungen werden. Daher ist eine selektive Gewinnung des gewünschten chiralen Aminprodukts möglich. Die Implementierung von ISPR-Techniken unter Verwendung von HMW-Amindonoren kann theoretisch zu (i) Gleichgewichtsverschiebung, (ii) Linderung der Produkthemmung und (iii) einem hochreinen Produktstrom führen. Die Machbarkeit der Verwendung von HMW-Amindonoren in wässrigen, organischen Lösungsmitteln und lösungsmittelfreien Medien für die Transaminase-katalysierte Synthese von 1-Methyl-3-phenylpropylamin (MPPA) war in dieser These bewiesen. Die beiden letztgenannten Ansätze wurden mit dem Ziel untersucht, höhere Produktkonzentrationen zu erreichen. Gleichzeitig haben wir zwei membranunterstützte ISPR-Proof-of-Concepts demonstriert. Insbesondere wurde die Nanofiltration mit der in wässrigen Medien durchgeführten enzymatischen Reaktion gekoppelt (Artikel I), während die Flüssig-Flüssig-Extraktion (L-L) in einem Kontaktor zur Transaminierung in organischen Lösungsmittelmedien angewendet wurde (Artikel II). Als Alternative zu membranbasierten Strategien haben wir auch ein Spinnreaktorkonzept für die integrierte chirale Aminsynthese (in organischen Lösungsmitteln) und die Rückgewinnung (Artikel III) entwickelt.