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Untersuchungen zur Vergrößerung des Reaktionsmaßstabes am Beispiel einer enantioselektiven enzymatischen Baeyer-Villiger-Oxidation

  • Im Rahmen dieser Arbeit konnte die funktionelle Expression der 4-Hydroxyacetophenon-Monooxygenase (HAPMO) aus Ps. putida JD1 etabliert werden. Die im Kolbenmaßstab entwickelte Expressionsstrategie konnte auf einen Kultivierungsmaßstab von bis zu vier Litern übertragen werden. Außerdem konnten die Reaktionsbedingungen für die enantioselektive enzymatische Baeyer- Villiger-Oxidation von 3-Phenyl-2-butanon durch die HAPMO optimiert werden, auch hier war die Übertragung auf einen größeren Maßstab möglich. Durch die Verwendung von Lewatit® VP OC 1064 MD PH, einem hydrophoben Adsorbens, als zweiter Phase konnte in einem in situ SFPR-System (substrate feed and product removal) die Inhibierung der HAPMO auch bei höheren Substratmengen umgangen werden. Auf diese Weise war es möglich, in Biokatalysen das Substrat in einer Konzentration von 40 mM einzusetzen. Im Verlauf dieser Biokatalysen konnte im Schüttelkolben ein Umsatz von annähernd 50% erreicht werden. Auch in Ganzzellbiotransformationen im 500 mL-Maßstab konnte ein Umsatz von 30% erreicht werden. Mit p-Nitroacetophenon, α-Acetonaphthon und 3-Acetylindol konnten im Rahmen dieser Arbeit Substrate mit der HAPMO umgesetzt werden, die für den colorimetrischen Nachweis von Baeyer-Villiger-Monooxygenase-Aktivität verwendet werden können. In einem weiteren Schwerpunkt dieser Arbeit wurde nach einer Möglichkeit gesucht, den Ausgangsstoff für die Biokatalysen, 3-Phenyl-2-butanon, in ausreichendem Umfang zu synthetisieren. Die bisher für die Synthese verwendete Umsetzung von 2-Phenylpropionsäure mit Methyllithium ist durch das Gefahrenpotential von Methyllithium nur bedingt in größerem Maßstab durchführbar. In einer alternativen Syntheseroute wurde 1-Phenyl-2-propanol oxidiert und das entstehende Keton mit Methyliodid methyliert. Beide Reaktionsschritte konnten mit nahezu vollständigem Umsatz durchgeführt werden. Durch die Verwendung der Vakuumdestillation zur Aufreinigung des Produktes konnten Ausbeuten von über 90% erreicht werden.
  • During the work the functional expression of 4-hydroxyacetophenon monooxygenase (HAPMO) from Ps. putida JD1 could be established. The expression strategy developed in shake flask scale could be transferred to up to 4 liters cultivation. Reaction conditions for enzymatic enantioselektive Baeyer- Villiger oxidation o 3-phenyl-2-butanone could be determined and transferred to larger scale. Application of Lewatit® VP OC 1064 MD PH, a hydrophobic adsorbent,as second phase inhibition of HAPMO could be circumvented even at higher substrate concentrations. Thus, concentrations of approx. 40 mM could be applied. Conversions of 50% and 30% could be reached in shake flasks and bioreactor, respectively. With p-Nitroacetophenon, α-Acetonaphthon und 3-Acetylindol substrates could be found, which result in colorimetrically detectable species after conversion and could therefore be applied for the determination of Baeyer-Villiger monooxygenase activity. New routes for the synthesis of 3-Phenyl-2-butanone have been examined. The established route via methylation of 2-phenyl propionic acid gave to small yields for the production of large amounts. In an alternative synthesis route 1-phenyl-2-propanol was oxidized and the resulting ketone methylated to give 3-phenyl-2-butanone. Using vacuum distillation for purification, yields of more than 90% could be obtained.

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Metadaten
Author: Kristian Geitner
URN:urn:nbn:de:gbv:9-000752-4
Title Additional (English):Examination of the reaction scale-up of an enantioselective enzymatic Baeyer-Villiger oxidation
Advisor:Prof. Uwe Bornscheuer
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2010/02/15
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2010/01/28
Release Date:2010/02/15
GND Keyword:Biokonversion, Biotechnologie
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Chemie und Biochemie
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 540 Chemie