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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).
Über 40% der derzeit verwendeten Arzneimittel beinhalten Amine als Wirkstoff. Vor allem die Chiralität dieser Moleküle stellt eine immer größere Bedeutung dar. Chirale Moleküle unterscheiden sich in der räumlichen Anordnung der Atome um das chirale Zentrum. Nicht selten besitzen Naturstoffe ein solches chirales Zentrum und sind asymmetrisch aufgebaut. In diesem Zusammenhang ist es nicht verwunderlich, dass die in der Medizin eingesetzten Wirkstoffe einen unterschiedlichen Wirkungsgrad je nach chiraler Konfiguration aufweisen.
Ziel dieser Arbeit war es neue Methoden zur stereoselektiven Synthese chiraler Amine zu untersuchen. Im Gegensatz zu herkömmlichen chemischen Synthesen, die beispielsweise auf Übergangsmetalle als Katalysatoren setzen, stellen Enzyme als Katalysatoren eine interessente Alternative dar. Stereo-, Regio- und Chemoselektivität ist Enzymen oft von Natur aus gegeben. Im Mittelpunkt der enzymatischen asymmetrischen Synthese optisch aktiver Amine standen bisher Amintransaminasen (ATA), die eine Aminogruppe von einem Amin (Aminodonor) auf ein Keton (Aminoakzeptor) transferieren. Diese Enzyme sind jedoch auf die Synthese primärer Amine beschränkt, sekundäre und tertiäre Amine sind nicht zugänglich. Eine Alternative hierzu stellen Iminreduktasen (IREDs) dar. Dabei handelt es sich um NADPH-abhängige Enzyme, die eine Reduktion von Iminsubstraten zu optisch aktiven Aminen katalysieren. Vor allem die IRED-katalysierte reduktive Aminierung steigerte das Interesse dieser Enzymklasse. In einer reduktiven Aminierung wird nicht das Imin selbst als Substrat eingesetzt, sondern eine prochirales Keton. Dieses formt mit einem Aminsubstrat (Nukleophil) ein Imin und wird anschließend reduziert. Durch diesen Reaktionsweg sind IREDs nicht nur auf zyklische Substrate beschränkt, auch instabile azyklische Imine werden zugänglich.
Die reduktive Aminierung mittels Iminreduktase wurde erstmalig im Jahr 2014 beschrieben und war zu Beginn dieser Arbeit nur als "Proof of Concept" gezeigt worden. Im Rahmen dieser Promotionsarbeit konnte gezeigt werden, dass diese Enzyme die Möglichkeit bieten, optisch aktive Amine mit hohen Umsätzen und Enantiomeren- bzw. Diastereomerenüberschüssen zu synthetisieren.