Verfahren zur oxidativen Spaltung von Vinylaromaten Process for the oxidative cleavage of vinylaromatics
Die Erfindung betrifft Verfahren zur oxidativen Spaltung von mit aromatischen Ringen konjugierten ethylenischen Doppelbindungen unter Verwendung von Enzymkatalysa- 5 toren.The invention relates to processes for the oxidative cleavage of ethylenic double bonds conjugated with aromatic rings using enzyme catalysts.
Milde und selektive Oxidationsmethoden sowie neue ökologische und ökonomische chemische Verfahren sind aufgrund der wirtschaftlichen Gegebenheiten und des höheren Umweltbewusstseins gefragt wie nie zuvor. Die oxidative Spaltung von Alke-Mild and selective oxidation methods as well as new ecological and economical chemical processes are in demand because of the economic conditions and the higher environmental consciousness like never before. The oxidative cleavage of alkenes
0 nen zu den entsprechenden Aldehyden bzw. Ketonen ist eine häufig verwendete Synthesemethode in der organischen Chemie, (i) um Sauerstoff-Funktionalitäten in Moleküle einzuführen, (ii) um komplexe Moleküle in kleinere Bausteine zu teilen und (iii) um Schutzgruppen zu entfernen. Unter den derzeit verfügbaren Methoden für die chemische oxidative Spaltung von Alkenen wird die reduktive Ozonolyse als die0 to the corresponding aldehydes or ketones is a commonly used synthetic method in organic chemistry, (i) to introduce oxygen functionalities into molecules, (ii) to divide complex molecules into smaller building blocks, and (iii) to remove protecting groups. Among the currently available methods for the chemical oxidative cleavage of alkenes, reductive ozonolysis is considered the
5 "sauberste" angesehen. Jedoch birgt diese Methode in der Praxis einige Nachteile, wie z.B. die Notwendigkeit der Verwendung spezieller Ausrüstung (Ozonisator), Tieftemperaturtechnik (normalerweise -78 °C) und der zusätzliche Bedarf stöchiometri- scher Mengen an Reduktionsmitteln (z.B. Dimethylsulfid, Zink, Wasserstoff, Phosphi- nen usw.) für die reduktive Aufarbeitung. Zusätzlich sind spezielle Sicherheitsvorkeh-5 "cleanest" viewed. However, in practice this method has some disadvantages, such as the need to use special equipment (ozonizer), cryogenic technology (usually -78 ° C) and the additional need for stoichiometric amounts of reducing agents (e.g., dimethyl sulfide, zinc, hydrogen, phosphines, etc.) for reductive work-up. In addition, special safety precautions
0 rungen zu treffen, um schweren Unfällen, etwa durch Explosionen, vorzubeugen.0 to meet in order to prevent serious accidents, such as explosions.
Für andere Methoden unter Verwendung von Metalloxiden als Oxidationsmittel werden (zumindest) stöchiometrische Mengen an Salz oder Peroxiden benötigt. Diese Varianten zeigen jedoch mäßige bis niedrige Chemo-, Regio- und Stereoselektivität.Other methods using metal oxides as oxidants require (at least) stoichiometric amounts of salt or peroxides. However, these variants show moderate to low chemo-, regio- and stereoselectivity.
5 In vielen Fällen ist die Überoxidation der intermediär erhaltenen Aldehyde zu den entsprechenden Säuren eine nur schwer zu unterbindende Neben reaktion. So wird etwa die Verwendung von OsO4 und NaIO4 [1], von OsO4 und Oxon® (2 KHSO5 + KHSO4 + K2SO4) [2], von RuCI3 in Kombination mit NaIO4 oder Oxon® t3], und von Ruthenium-Nanopartikeln mit NaIO4 [4] beschrieben.5 In many cases, the over-oxidation of the intermediately obtained aldehydes to the corresponding acids is difficult to suppress secondary reaction. For example, the use of OsO 4 and NaIO 4 [1] , OsO 4 and Oxon ® (2 KHSO 5 + KHSO 4 + K 2 SO 4 ), [2] RuCI 3 in combination with NaIO 4 or Oxon ® t3 ] , and of ruthenium nanoparticles with NaIO 4 [4] .
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Somit wäre ein Oxidationsverfahren für Alkene wünschenswert, mit dem die obigen Nachteile vermieden werden und in dem vor allem ein nichttoxisches, leicht verfüg-
bares Oxidationsmittel, wie z.B. Sauerstoff, zum Einsatz kommen kann.Thus, an oxidation process for alkenes would be desirable, which avoids the above disadvantages and in particular a non-toxic, easily available bares oxidizing agent, such as oxygen, can be used.
Die einzige bekannte chemisch-katalytische Methode, die als Oxidationsmittel molekularen Sauerstoff nutzt, erfordert jedoch wiederum eine Co(ll)-Verbindung als Kata- lysator, ist nur mäßig selektiv und darüber hinaus auf Isoeugenol-Derivate limitiert [5].However, the only known chemical-catalytic method, which uses molecular oxygen as the oxidant, again requires a Co (II) compound as a catalyst, is only moderately selective and, moreover, limited to isoeugenol derivatives [5] .
Eine mögliche Alternative schien in der Biokatalyse zu liegen. Allerdings werden en- zymatische Alkenspaltungen lediglich unter Verwendung eines Gemischs aus Lipo- xygenasen und Hydroperoxid-Lyasen für wenige, sehr spezifische Substrate be- schrieben [6].One possible alternative seemed to be biocatalysis. However, enzymatic alkene cleavages are described using only a mixture of lipoxygenases and hydroperoxide lyases for a few, very specific substrates [6] .
Weiters werden selbige als unerwünschte Nebenreaktionen, d.h. mit Oxidationspro- dukten in analytischen Mengen, für Peroxidase-katalysierte Prozesse beschrieben [7]" [13]. Bei allen diesen Reaktionen wird freilich kein molekularer Sauerstoff als Oxida- tionsmittel eingesetzt.Furthermore, they are described as undesirable side reactions, ie, with oxidation products in analytical amounts, for peroxidase-catalyzed processes. [7] " [13] In all these reactions, of course, no molecular oxygen is used as the oxidant.
Enzymatische Alkenspaltung mit Sauerstoff unter Enzymkatalyse wurde zwar ebenfalls bereits versucht, allerdings lediglich mit bestimmten Mono- und Dioxygenasen als Enzyme und mit Ausbeuten in analytischen Mengen [14H17]. Dazu kommt, dass Oxygenasen sehr hohe Substratspezifität aufweisen [18]"[29], so dass nur eine äußerst eingeschränkte Auswahl an Substraten infrage kommt.Although enzymatic alkene cleavage with oxygen under enzyme catalysis has also been attempted, but only with certain mono- and dioxygenases as enzymes and with yields in analytical amounts [14H17] . In addition, oxygenases have very high substrate specificity [18], [29] so that only a very limited selection of substrates is possible.
Die Erfinder des vorliegenden Anmeldungsgegenstandes und ihre Mitarbeiter hatten vor diesem Hintergrund bereits in früheren Forschungen herausgefunden, dass be- stimmte Arylalkene unter Nutzung von molekularem Sauerstoff als Oxidationsmittel zu den entsprechenden Aldehyden bzw. Ketonen oxidiert werden können, indem Zellen oder Zellextrakte eines bestimmten Pilzes, nämlich von Trametes hirsuta (striegelige Tramete), zugesetzt werden, welche die Oxidation katalysieren [30] [31]. Es handelte sich dabei somit um eine biokatalysierte Reaktion, wahrscheinlich mittels enzyma- tischer Katalyse, es konnte jedoch nicht geklärt werden, welche(s) Enzym(e) dafür verantwortlich waren.
In Weiterführung dieser Forschungen wurde von den Erfindern nunmehr überraschenderweise herausgefunden, dass bestimmte Peroxidasen und Laccasen, und zwar keineswegs nur solche fungalen Ursprungs, unter spezifischen Bedingungen in der Lage sind, die oxidative Spaltung spezieller ethylenischer Doppelbindungen durch Sauerstoff zu Aldehyden und Ketonen zu katalysieren. Dieses Ergebnis war deshalb überraschend, weil Sauerstoff normalerweise kein (oder, im Fall von Laccasen, zumindest kein bevorzugtes) Substrat für derartige Enzyme darstellt und andererseits die erhaltenen Oxidationsprodukte jene sind, die üblicherweise bei Ozonoly- se-Reaktionen entstehen. Beispielsweise können Peroxidasen eigentlich - wie derAgainst this background, the inventors of the present application and their coworkers had already found in previous research that certain arylalkenes can be oxidized to the corresponding aldehydes or ketones by using molecular oxygen as the oxidant, by dissolving cells or cell extracts of a particular fungus, viz of Trametes hirsuta (Pale Tramete), which catalyze the oxidation [30], [31] . It was thus a biocatalyzed reaction, probably by enzymatic catalysis, but it could not be determined which enzyme (s) were responsible for it. Continuing this research, it has now surprisingly been found by the inventors that certain peroxidases and laccases, and in no case only those of fungal origin, are capable, under specific conditions, of catalyzing the oxidative cleavage of special ethylenic double bonds by oxygen to aldehydes and ketones. This result was surprising because oxygen is normally not (or, in the case of laccases, at least not a preferred) substrate for such enzymes and, on the other hand, the resulting oxidation products are those commonly produced in ozonolysis reactions. For example, peroxidases can actually - like the
0 Name angibt - nur Peroxid-Bindungen verarbeiten, und Halogenperoxidasen ergeben darüber hinaus nur halogenierte, z.B. chlorierte oder bromierte Oxidationsprodukte.0 name indicates - only process peroxide bonds, and furthermore haloperoxidases give only halogenated, e.g. chlorinated or brominated oxidation products.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNGDISCLOSURE OF THE INVENTION
Die vorliegende Erfindung liegt in der Bereitstellung eines Verfahrens zur oxidativen Spaltung von mit aromatischen Ringen konjugierten ethylenischen Doppelbindungen, d.h. von gegebenenfalls substituierten Vinylaromaten der nachstehenden Formel (1), welches dadurch gekennzeichnet ist, dass eine oder mehrere Verbindungen der For¬The present invention is to provide a process for the oxidative cleavage of aromatic ring-conjugated ethylenic double bonds, i. optionally substituted vinylaromatics of the following formula (1), which is characterized in that one or more compounds of For¬
!0 mel (1) in Gegenwart von molekularem Sauerstoff mit zumindest einem aus Peroxidasen und Laccasen ausgewählten Enzym als Katalysator gemäß nachstehendem allgemeinem Reaktionsschema zu Aldehyden bzw. Ketonen der Formeln (2) und (3) oxidiert wird bzw. werden:1) in the presence of molecular oxygen with at least one enzyme selected from peroxidases and laccases as catalyst according to the general scheme below, to form aldehydes or ketones of formulas (2) and (3), respectively:
worin n eine ganze Zahl von 0 bis 5 ist, so dass der aromatische Ring in Ortho-, meta- und/oder para-Stellung zur Vinylgruppe mit 0 bis 5 Substituenten R1 substitu-
iert sein kann, die gleich oder unterschiedlich sein können und ausgewählt sind aus: a) gesättigten oder ungesättigten Kohlenwasserstoffgruppen mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen, in denen gegebenenfalls ein oder mehrere Kohlenstoffatome durch ein Heteroatom, ausgewählt aus Sauerstoff, Stickstoff und Schwefel, ersetzt sind und die gegebenfalls mit einem oder mehreren Substituenten, ausgewählt aus Ci-6-Alkyl- gruppen, Ci-6-Alkylengruppen, Ci_6-Alkoxygruppen, Amino-, Ci-6-Alkylamino- und Ci-6- Dialkylaminogruppen, Halogenen, Hydroxy, Oxo und Cyano weiter substituiert sind, b) Amino-, d-6-Alkylamino- und Ci-6-Dialkylaminogruppen, sowie c) Halogenen, Hydroxy und Cyano, wobei zwei beliebige der Substituenten R1 zu einem alicyclischen oder aromatischen Ring verbunden sein können, und worin die Substituenten R2 und R3 jeweils unabhängig voneinander Wasserstoff oder eine der unter a), b) und c) beschriebenen Optionen sind, wobei R2 und/oder R3 jeweils mit einem Substituenten R1 zu einem alicyclischen Ring verbunden sein können, wobei in diesem Fall R2 bzw. R3 jeweils für eine chemische Bindung zwischen dem Kohlenstoffatom der Vinylgruppe, an das sie gebunden sind, und dem Substituenten R1 stehen können.in which n is an integer from 0 to 5, such that the aromatic ring in ortho, meta and / or para position to the vinyl group is substituted by 0 to 5 substituents R 1. may be identical or different and are selected from: a) saturated or unsaturated hydrocarbon groups having 1 to 10 carbon atoms, in which one or more carbon atoms are optionally replaced by a heteroatom selected from oxygen, nitrogen and sulfur, and the groups optionally -6 alkyl with one or more substituents selected from Ci, Ci -6 alkylene, Ci_6-alkoxy, amino, Ci -6 alkylamino, and Ci- 6 - dialkylamino groups, halogens, hydroxy, oxo, and cyano b) amino, d -6- alkylamino and Ci -6- dialkylamino groups, and c) halogens, hydroxy and cyano, wherein any two of the substituents R 1 may be connected to an alicyclic or aromatic ring, and wherein the substituents R 2 and R 3 are each independently hydrogen or one of the options described under a), b) and c), wherein R 2 and / or R 3 each having a substituent en R 1 may be connected to an alicyclic ring, wherein R 2 and R 3 may represent a chemical bond between the carbon atom of the vinyl group to which they are bonded, and the substituent R 1 in this case, respectively.
Auf diese Weise wird ein Oxidationsverfahren für die oben genannten Verbindungen bereitgestellt, mit dem das zuvor definierte Ziel erreicht werden kann. Das heißt, Aryl- alkene können unter Verwendung von Sauerstoff, eines allgegenwärtigen, harmlosen Oxidationsmittels, und von speziellen natürlichen Enzymen, die auf biologischem oder biotechnologischem Wege leicht und kostengünstig erhältlich sind, zu den gewünschten Aldehyden und Ketonen, wie z.B. Vanillin, oxidiert werden. Es sind somit weder teure bzw. toxische (Schwermetalle) Katalysatoren noch komplizierte und ebenfalls kostspielige Ausrüstung (Ozonisator, Tieftemperaturkühlsysteme) erforderlich, und es fallen keine aufwändig zu entsorgenden Abfallprodukte an.In this way, an oxidation method for the above-mentioned compounds is provided, with which the previously defined goal can be achieved. That is, aryl alkenes can be prepared by using oxygen, an omnipresent, innocuous oxidizing agent, and by specific natural enzymes that are readily and inexpensively available by biological or biotechnological means, to the desired aldehydes and ketones, e.g. Vanillin, to be oxidized. Thus, neither expensive nor toxic (heavy metals) catalysts nor complicated and also costly equipment (ozonizer, cryogenic cooling systems) are required, and there are no consuming waste products to be disposed of.
In bevorzugten Ausführungsformen wird das zumindest eine Enzym aus fungalen Peroxidasen und Laccasen, Halogenperoxidasen, Lignin-Peroxidasen, Meerrettich- Peroxidase und Rindermilch-Peroxidase, noch bevorzugter aus fungalen Peroxidasen von Coprinus cinereus (struppiger Tintling), aus Laccasen von Coriolus versi-In preferred embodiments, the at least one enzyme is selected from fungal peroxidases and laccases, haloperoxidases, lignin peroxidases, horseradish peroxidase and bovine milk peroxidase, more preferably fungal peroxidases from Coprinus cinereus (scrubby Tintling), from laccases from Coriolus.
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color (Schmetterlingstramete), Agaricus bisporus (Zuchtchampignon) und Candida rugosa (einer Hefeart), Laccase von Rhus vernicifera (japanischer Lackbaum), Chlor- peroxidase von Caldariomyces fυmago (einem Fadenpilz) und Bromperoxidasen, z.B. von Streptomyces aureofaciens (einem Bakterium) oder Corallina officinalis (Ko- rallenmoos), insbesondere aus Meerrettich-Peroxidase, aus Peroxidasen von Copri- nus cinereus sowie aus Laccasen von Coriolus versicolor und Agaricus bisporus, ausgewählt. Allgemein können als bevorzugte Peroxidasen jene aus der EC-Klasse 1.11.1.x angegeben werden. Mit den obigen Enzymen sind - unter jeweils optimierten Bedingungen, wie nachstehend erläutert wird - sehr gute Ergebnisse erzielbar.- A - color (butterfly stramete), agaricus bisporus (breeding mushroom) and candida rugosa (a yeast species), laccase of Rhus vernicifera (Japanese lacquer tree), chloroperoxidase of Caldariomyces fυmago (a filamentous fungus) and bromoperoxidases, eg of Streptomyces aureofaciens (a bacterium) or corallina officinalis (coral moss), in particular from horseradish peroxidase, from peroxidases of Coprinus cinereus and from laccases of Coriolus versicolor and Agaricus bisporus. Generally, as preferred peroxidases, those from EC class 1.11.1.x can be given. With the above enzymes, very good results can be achieved under respectively optimized conditions, as explained below.
Das Verfahren wird bevorzugt in einem Puffer durchgeführt, um die Reaktionsbedingungen, insbesondere den pH, während der Oxidation stabil halten zu können. Vorzugsweise erfolgt die Reaktion in Bis-Tris-Puffer, AcetatpufTer, Formiatpuffer oder Phosphatpuffer. Der pH-Wert des Reaktionsgemischs wird vorzugsweise auf 2 bis 7, noch bevorzugter auf 2 bis 4, eingestellt, da in diesen Bereichen die jeweiligen Enzyme ihr Aktivitätsmaximum aufweisen.The process is preferably carried out in a buffer in order to be able to keep the reaction conditions, in particular the pH, stable during the oxidation. Preferably, the reaction is carried out in bis-tris buffer, acetate buffer, formate buffer or phosphate buffer. The pH of the reaction mixture is preferably adjusted to 2 to 7, more preferably to 2 to 4, since in these areas the respective enzymes have their maximum activity.
In weiteren bevorzugten Ausführungsformen wird das erfindungsgemäße Verfahren unter unter O2-Überdruck durchgeführt, um so die Ausbeuten zu erhöhen. Es wird dabei jedoch nicht einfach das Reaktionsgleichgewicht verschoben, was daran zu erkennen ist, dass manche Enzyme nach Erreichen eines Aktivitätsmaximums bei höheren Drücken wiederum geringere Ausbeuten ergeben. Vorzugsweise wird die Oxidation unter einem unter O2-Überdruck von 1 bis 6 bar, vorzugsweise 2 bis 3 bar, durchgeführt. Noch höhere Werte ergeben keine oder kaum zusätzliche Verbesse- rungen, oftmals sogar niedrigere Umsätze, und würden den apparativen Aufwand deutlich erhöhen. In den obigen Druckbereichen ist beispielsweise eine herkömmliche Parr-Apparatur problemlos einsetzbar.In further preferred embodiments, the process according to the invention is carried out under O 2 overpressure so as to increase the yields. However, it is not simply shifted the reaction equilibrium, which can be seen from the fact that some enzymes after reaching a maximum activity at higher pressures turn lower yields. The oxidation is preferably carried out under an O 2 overpressure of 1 to 6 bar, preferably 2 to 3 bar. Even higher values result in little or no additional improvement, often even lower turnovers, and would significantly increase the expenditure on equipment. In the above pressure ranges, for example, a conventional Parr apparatus can be used easily.
In weiteren bevorzugten Ausführungsformen wird das Verfahren unter Lichteinwir- kung, d.h. unter Bestrahlung durchgeführt, da so die Ausbeuten, speziell bei Verwendung von Laccasen als Enyzme, um ein Vielfaches gesteigert werden können.
In zusätzlichen bevorzugten Ausführungsformen wird das Verfahren in Gegenwart eines organischen Lösungsmittels oder Lösungsmittelgemischs durchgeführt, das vorzugsweise aus C-ι-4-Alkanolen, Dimethylsulfoxid, Toluol, Aceton, Dioxan, Tetra- hydrofuran, Dimethylformamid und Gemischen davon ausgewählt wird und vorzugs- 5 weise in einem Anteil von 1 bis 20, noch bevorzugter 5 bis 15, Vol.-% des Reaktions- gemischs enthalten ist.In further preferred embodiments, the process is carried out under the action of light, ie under irradiation, since in this way the yields, in particular when laccases are used as enzymes, can be increased many times over. In additional preferred embodiments, the process is carried out in the presence of an organic solvent or solvent mixture, which is preferably selected from C 1-4 -alkanols, dimethylsulfoxide, toluene, acetone, dioxane, tetrahydrofuran, dimethylformamide and mixtures thereof, and preferably 5 in a proportion of 1 to 20, more preferably 5 to 15, Vol .-% of the reaction mixture is contained.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung somit die Verwendung von fungalen Peroxidasen und Laccasen, fungalen Halogenperoxidasen, bakteriellen Halogenper-In a further aspect, the invention thus relates to the use of fungal peroxidases and laccases, fungal halogen peroxidases, bacterial halogenated
0 oxidasen, Lignin-Peroxidasen, Meerrettich-Peroxidase oder Rindermilch-Peroxidase zur Katalyse der oxidativen Spaltung von mit dem aromatischen Ring konjugierten ethylenischen Doppelbindungen gegebenenfalls substituierter Vinylaromaten mit molekularem Sauerstoff, wobei dieselben Enzyme bevorzugt werden, wie zuvor für das Verfahren des ersten Aspekts der Erfindung beschrieben wurde.0 oxidases, lignin peroxidases, horseradish peroxidase or bovine milk peroxidase for catalysing the oxidative cleavage of aromatic ring-conjugated ethylenic double bonds of optionally substituted vinylaromatic with molecular oxygen, the same enzymes are preferred as before for the method of the first aspect of the invention has been described.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Die Fig. 1 bis 3 zeigen die Änderung des Umsatzes im erfindungsgemäßen Verfahren bei Zusatz verschiedener organischer Lösungsmittel. !0Figs. 1 to 3 show the change in conversion in the process according to the invention with the addition of various organic solvents. ! 0
Die Erfindung wird nun anhand von spezifischen Beispielen detaillierter beschrieben, die lediglich zur Illustration dienen und nicht als Einschränkung aufzufassen sind.The invention will now be described in more detail by way of specific examples which are given by way of illustration only and not by way of limitation.
BEISPIELEEXAMPLES
.5.5
Nachdem in Vorversuchen die Reaktivität unterschiedlicher Enzyme als Katalysatoren der Oxidation von Arylalkenen mit molekularem Sauerstoff festgestellt worden war, wurde zunächst das pH-Optimum der einzelnen Enzyme für derartige Reaktionen in einer Modellreaktion mit trans-Anethol als Vinylaromat der Formel (1) ermittelt. 0 Zur Einstellung von pH-Werten von 2 bis 7 wurden bekannte Puffersysteme eingesetzt.
Beispiele 1 bis 16After the reactivity of different enzymes as catalysts of the oxidation of aryl alkenes with molecular oxygen had been determined in preliminary experiments, the pH optimum of the individual enzymes for such reactions was first determined in a model reaction with trans-anethole as the vinyl aromatic of the formula (1). 0 For adjusting pH values of 2 to 7, known buffer systems were used. Examples 1 to 16
Oxidation von trans-Anethol bei unterschiedlichem pHOxidation of trans-anethole at different pH
trans-Anethol p-Anisaldehyd Acetaldehyd trans-anethole p-anisaldehyde acetaldehyde
Die jeweiligen Enzyme (je 3 mg der durchwegs festen Präparate) wurden in die Wells von "Riplate LV" 5 ml Deep Well Plate (HJ-Bioanalytik GmbH) gefüllt. Danach wurden 900 μl des jeweiligen Puffers und 6 μl (0,04 mmol) trans-Anethol zugesetzt. Die Platten wurden anschließend in aufrechter Position in einen O2-Druckreaktor gestellt.The respective enzymes (in each case 3 mg of the consistently solid preparations) were filled into the wells of "Riplate LV" 5 ml Deep Well Plate (HJ-Bioanalytik GmbH). Thereafter, 900 μl of the respective buffer and 6 μl (0.04 mmol) of trans-anethole were added. The plates were then placed in an upright position in an O 2 pressure reactor.
0 Der Reaktor wurde mit reinem molekularem Sauerstoff gespült, und der Druck wurde auf 2 bar Sauerstoff eingestellt. Nach 24 h bei 170 U/min und 25 0C wurden die Reaktionsgemische in 2-ml-Eprouvetten übergeführt, und die Wells wurden mit EtOAc (600 μl) nachgewaschen. Diese 600 μf wurden zu den jeweiligen Eprouvetten zugesetzt, um damit auch eine erste Extraktion der wässrigen Reaktionsgemische durch-0 The reactor was purged with pure molecular oxygen and the pressure was adjusted to 2 bar oxygen. After 24 h at 170 U / min and 25 0 C, the reaction mixtures were transferred to 2 ml test tubes, and the wells were washed with EtOAc (600 ul). These 600 .mu.f were added to the respective Eprouvetten so that also a first extraction of the aqueous reaction mixtures through-
5 zuführen. Nach einer zweiten Extraktion mit reinem EtOAc (600 μl) wurden die vereinigten organischen Phasen über Na2SO4 getrocknet und mittels GC bezüglich des Umsatzes zu p-Anisaldehyd (4-Methoxybenzaldehyd) analysiert.5 feed. After a second extraction with pure EtOAc (600 μl), the combined organic phases were dried over Na 2 SO 4 and analyzed by GC for the conversion to p-anisaldehyde (4-methoxybenzaldehyde).
Die Puffer zur Einstellung des pH-Werts waren folgende: !0 pH 2 - Trimethylammoniumformiat/Ameisensäure, 20 mM pH 3 - Trimethylammoniumformiat/Ameisensäure, 20 mM pH 4 - Natriumacetat/Essigsäure, 50 mM pH 5 - Natriumacetat/Essigsäure, 50 mM pH 6 - Bis-Tris-Puffer, 50 mM »5 pH 7 - Bis-Tris-Puffer, 50 mMThe pH adjusting buffers were as follows: pH 0 - trimethylammonium formate / formic acid, 20 mM pH 3 - trimethylammonium formate / formic acid, 20 mM pH 4 - sodium acetate / acetic acid, 50 mM pH 5 - sodium acetate / acetic acid, 50 mM pH 6 - Bis Tris buffer, 50mM »5 pH 7 - Bis Tris buffer, 50mM
Die in den jeweiligen Beispielen eingesetzten Enzyme und die bei unterschiedlichen pH-Werten erzielten Umsätze von trans-Anethol zu p-Anisaldehyd sind in der nachstehenden Tabelle 1 angegeben. JO
The enzymes used in the respective examples and the conversions of trans-anethole to p-anisaldehyde achieved at different pH values are given in Table 1 below. JO
n.b.: nicht bestimmt nb: not determined
Aus dieser Tabelle geht bereits eindeutig die überraschende katalytische Wirkung der getesteten Peroxidasen, Halogenperoxidasen und Laccasen in der obigen Oxida- tionsreaktion hervor. Peroxidasen sind im Vergleich zu Halogenperoxidasen und Laccasen zwar klar reaktiver, jedoch reichen auch die Umsätze mancher anderer Enzyme, insbesondere von Agaricus bisporus-Laccase, durchaus für eine präparative Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens aus, ohne eine der später beschriebenen Optimierungen vornehmen zu müssen.The surprising catalytic activity of the tested peroxidases, haloperoxidases and laccases in the above oxidation reaction is clearly evident from this table. Although peroxidases are clearly more reactive in comparison to haloperoxidases and laccases, the conversions of some other enzymes, in particular of Agaricus bisporus laccase, are quite sufficient for a preparative performance of the process according to the invention without having to carry out any of the optimizations described below.
Als nächstes wurde der Einfluss des Sauerstoffdrucks auf die Wirksamkeit der Enzyme als Biokatalysatoren getestet.
Beispiele 17 bis 31Next, the influence of oxygen pressure on the activity of the enzymes was tested as biocatalysts. Examples 17 to 31
Oxidation von trans-Anethol bei unterschiedlichem SauerstoffdruckOxidation of trans-anethole at different oxygen pressure
Die Reaktion und GC-Messung erfolgte im Wesentlichen wie in den Beispielen 1 bis 16, nur dass der Druck für jedes getestete Enzym zwischen 2 und 6 bar variiert wurde. Aufgrund des zu hohen apparativen Aufwands wurden keine höheren Drücke untersucht. Die Ergebnisse der Tests sind in nachstehender Tabelle 2 angeführt.The reaction and GC measurement were essentially as in Examples 1 to 16, except that the pressure for each enzyme tested was varied between 2 and 6 bar. Due to the high expenditure on equipment, no higher pressures were investigated. The results of the tests are shown in Table 2 below.
Tabelle 2Table 2
*) Flüssiges Präparat, von dem 20 μl (anstelle von 3 mg) eingesetzt wurden.*) Liquid preparation of which 20 μl (instead of 3 mg) was used.
Auffällig ist, dass keine generelle Präferenz für höhere oder niedrigere Drücke feststellbar ist. Die Erwartung, höhere Sauerstoffdrücke würden das Reaktionsgleich- gewicht zur Produktseite verschieben, hat sich somit nicht erfüllt. Vielmehr scheint jedes Enzym nicht nur einen optimalen pH-, sondern auch einen optimalen Druckbereich aufzuweisen.
In weiteren Versuchen wurden die verschiedenen Enzyme mit unterschiedlichen Substraten, d.h. Arylalkenen der Formel (1), unter ansonsten im Wesentlichen gleichen Bedingungen getestet, um Substratspezifitäten ableiten zu können. Die Ausnahme war lediglich die Durchführung der Reaktionen beim zuvor festgestellten pH- Optimum des jeweiligen EnzymsIt is striking that there is no general preference for higher or lower pressures. The expectation that higher oxygen pressures would shift the reaction equilibrium to the product side has thus not been fulfilled. Rather, each enzyme seems to have not only an optimal pH, but also an optimal pressure range. In further experiments, the various enzymes with different substrates, ie arylalkenes of the formula (1), were tested under otherwise substantially identical conditions in order to be able to derive substrate specificities. The exception was only the execution of the reactions at the previously determined pH optimum of the respective enzyme
Beispiele 32 bis 36Examples 32 to 36
Enzymvergleich anhand der Oxidation von trans-AnetholEnzyme comparison by the oxidation of trans-anethole
trans-Anethol p-Anisaldehyd Acetaldehyd trans-anethole p-anisaldehyde acetaldehyde
Die Reaktionen, Aufarbeitungen und GC-Messungen erfolgten wie für die Beispiele 1 bis 16 beschrieben (2 bar Sauerstoff) und mit dem jeweils dem pH-Optimum entsprechenden Puffer. Die eingesetzten Enzyme, Puffer, pH-Werte und die Umsätze von trans-Anethol zu p-Anisaldehyd sind in der nachstehenden Tabelle 3 angegeben.The reactions, work-up and GC measurements were carried out as described for Examples 1 to 16 (2 bar oxygen) and with each of the pH optimum corresponding buffer. The enzymes used, buffers, pH values and the conversions of trans-anethole to p-anisaldehyde are given in Table 3 below.
Es zeigte sich erneut klar, dass trans-Anethol mittels Enzymkatalyse in mitunter sehr guter Ausbeute zu p-Anisaldehyd oxidiert werden kann und dass Peroxidasen Lacca- sen klar überlegen sind, obwohl auch Letztere durchaus für präparative Zwecke eingesetzt werden können.
Beispiele 37 bis 40It was once again clear that trans-anethole can be oxidized to p-anisaldehyde in sometimes very good yield by enzyme catalysis, and that peroxidases are clearly superior to laccases, although the latter can also be used for preparative purposes. Examples 37 to 40
Enzymvergleich anhand der Oxidation von 4-AminostyrolEnzyme comparison by the oxidation of 4-aminostyrene
4-Aminostyrol 4-Aminc ibenzalde Formaldehyd4-aminostyrene 4-amine ibenzalde formaldehyde
Analog zu den Beispielen 32 bis 36 wurde anstelle von trans-Anethol 4-Aminostyrol mit verschiedenen Enzymen und in unterschiedlichen Puffern zu 4-Aminobenzalde- hyd oxidiert. Zusätzlich wurde bei der Aufarbeitung der pH der wässrigen Phase auf 10 eingestellt, um eine Salzbildung der Aminogruppen zu verhindern. Die Ergebnisse der Versuche sowie der GC-Messungen sind in Tabelle 4 angeführt.Analogously to Examples 32 to 36, instead of trans-anethol, 4-aminostyrene was oxidized with various enzymes and in different buffers to 4-aminobenzaldehyde. In addition, in the work-up, the pH of the aqueous phase was adjusted to 10 to prevent salt formation of the amino groups. The results of the experiments as well as the GC measurements are given in Table 4.
Tabelle 4Table 4
Es zeigt sich, dass unter den Versuchsbedingungen von den vier getesteten Enzy- men nur Laccase von Coriolus versicolor die Oxidation von 4-Aminostyrol mit gutem Umsatz katalysieren konnte. Dieser Umstand, sowie die Tatsache, dass dieses Enzym hier mehr als das Doppelte seiner Leistungsfähigkeit im Falle von trans-Anethol entwickelte, belegen eindeutig eine Substratspezifität der Enzyme.
Beispiel 41It emerges that under the experimental conditions of the four enzymes tested, only laccase from Coriolus versicolor catalyzed the oxidation of 4-aminostyrene with good conversion. This fact, as well as the fact that this enzyme has more than doubled its performance in the case of trans-anethole, clearly demonstrates substrate specificity of the enzymes. Example 41
Oxidation von 4-MethoxystyrolOxidation of 4-methoxystyrene
4-Methoxystyrol p-Anisaldehyd Formaldehyd4-methoxystyrene p-anisaldehyde formaldehyde
Analog zu Beispiel 32 wurde anstelle von trans-Anethol 4-Methoxystyrol mit der Per- oxidase von Coprinus cinereus, Charge 1 zu p-Anisaldehyd oxidiert. Die Ergebnisse der beiden Versuche sind in Tabelle 5 angeführt.Analogously to Example 32, instead of trans-anethol, 4-methoxystyrene was oxidized with the peroxidase from Coprinus cinereus, batch 1 to p-anisaldehyde. The results of the two experiments are shown in Table 5.
Tabelle 5Table 5
BeiEnzym Puffer pH Umsatz zu spiel Anisaldehyd (%)When enzyme buffer pH conversion to play anisaldehyde (%)
32 Peroxidase von Coprinus cinereus, Charge 1 Me3N/HCOOH 2 6132 Coprinus cinereus peroxidase, lot 1 Me 3 N / HCOOH 2 61
41 Peroxidase von Coprinus cinereus, Charge 1 Me3N/HCOOH 2 341 Coprinus cinereus peroxidase, lot 1 Me 3 N / HCOOH 2 3
Dieses Beispiel belegt erneut die Substratspezifität der Enzyme. Die getestete Peroxidase kann offensichtlich die Oxidation der beidseitig substituierten Doppelbindung von trans-Anethol sehr gut katalysieren, die einseitig unsubstituierte von Methoxy- styrol jedoch kaum. Die Substituenten an der Vinylgruppe üben somit einen wesentlichen Einfluss auf die Katalysereaktion aus.
This example again demonstrates the substrate specificity of the enzymes. The peroxidase tested can obviously catalyze the oxidation of the double-substituted double bond of trans-anethole very well, but the one-sided unsubstituted of methoxy- styrene hardly. The substituents on the vinyl group thus exert a significant influence on the catalytic reaction.
Beispiele 42 und 43Examples 42 and 43
Oxidation von 2-BromstyrolOxidation of 2-bromostyrene
2-Bromstyrol 2-Br ombenzald« Formaldehyd2-bromostyrene 2-bromobenzene «formaldehyde
Analog zu den Beispielen 32 und 33 wurde anstelle von trans-Anethol 2-Bromstyrol mit der Peroxidase von Coprinus cinereus, Charge 1 und der Meerrettich-Peroxida- se, Charge 1 , oxidiert, in diesem Fall zu 2-Brombenzaldehyd. Die Ergebnisse der vier Versuche sind in Tabelle 6 angeführt.Analogously to Examples 32 and 33, instead of trans-anethol, 2-bromostyrene was oxidized with the peroxidase from Coprinus cinereus, batch 1 and the horseradish peroxidase, batch 1, in this case to 2-bromobenzaldehyde. The results of the four experiments are shown in Table 6.
Dieses Ergebnis belegt erneut, dass auch die Substituenten am Aromaten einen wesentlichen Einfluss auf die Katalysereaktion ausüben.
This result proves once again that the substituents on the aromatic also exert a significant influence on the catalytic reaction.
Beispiel 44Example 44
Oxidation von ω.co-Dimethylstyrol (2-Methyl-1-phenyl-1-propen)Oxidation of ω.co-dimethylstyrene (2-methyl-1-phenyl-1-propene)
ω,ω-Dimethylstyrol Benzaldehyd Acetonω, ω-dimethylstyrene benzaldehyde acetone
Analog zu Beispiel 33 wurde anstelle von trans-Anethol ω,ω-Dimethylstyrol mit Meer- rettich-Peroxidase, Charge 1 oxidiert, in diesem Fall zu Benzaldehyd. Die Ergebnisse der beiden Versuche sowie jener von Beispiel 43 sind zu Vergleichzwecken in Tabelle 7 angeführt.Analogously to Example 33, instead of trans-anethole, ω, ω-dimethylstyrene was oxidized with radish peroxidase, batch 1, in this case to benzaldehyde. The results of both experiments and those of Example 43 are shown in Table 7 for comparison.
Wiederum wird die Substratspezifität belegt. Die Gegenwart zweier Methylgruppen am ω-Kohlenstoff von Styrol anstatt nur einer und das Fehlen von Substitution am Aromaten wirken sich spürbar auf die Katalyse aus.
Again, the substrate specificity is proven. The presence of two methyl groups on the ω-carbon of styrene rather than just one and the lack of aromatic substitution have a significant effect on catalysis.
Beispiele 45 bis 47Examples 45 to 47
Oxidation von IndenOxidation of indene
Inden 2-(Formylmethyl)benzaldehydIn the 2- (formylmethyl) benzaldehyde
Analog zu den Beispielen 32, 33 und 36 wurde anstelle von trans-Anethol Inden mit der Peroxidase von Coprinus cinereus, Charge 1 , Meerrettich-Peroxidase, Charge 1 , und der Laccase von Coriolus versicolor oxidiert, in diesem Fall zu 2-(Formylmethyl)- benzaldehyd. Die Ergebnisse der sechs Versuche sind in Tabelle 8 angeführt.Analogously to Examples 32, 33 and 36, instead of trans-anethole indene, it was oxidized with Coprinus cinereus peroxidase batch 1, horseradish peroxidase batch 1 and the laccase of Coriolus versicolor, in this case 2- (formylmethyl) - benzaldehyde. The results of the six experiments are shown in Table 8.
Während die beiden Peroxidasen deutlich geringere katalytische Aktivität mit Inden als Substrat zeigen, gibt es bei der (weniger aktiven) Laccase kaum Unterschiede zu trans-Anethol zu beobachten. Jedenfalls wird jedoch belegt, dass auch in zyklischen Strukturen enthaltene ethylenische Doppelbindungen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren oxidierbar sind.
Vergleichsbeispiele 1 und 2While the two peroxidases show significantly lower catalytic activity with indene than substrate, the (less active) laccase shows little difference to trans-anethole. In any case, however, it has been proven that ethylenic double bonds contained in cyclic structures can also be oxidized by the process according to the invention. Comparative Examples 1 and 2
Oxidation der nichtkoniugierten Doppelbindung von 5-o-Tolyl-2-pentenOxidation of the nonconjugated double bond of 5-o-tolyl-2-pentene
5-o-Tolyl-2-penten 3-o-Tolylpropionaldehyd Acetaldehyd5-o-tolyl-2-pentene 3-o-tolylpropionaldehyde acetaldehyde
Analog zu den Beispielen 32 und 33 wurde anstelle von trans-Anethol 5-o-Tolyl-2- penten mit der Peroxidase von Coprinus cinereus, Charge 1 und Meerrettich-Peroxi- dase, Charge 1 oxidiert, in diesem Fall zu 3-o-Tolylpropionaldehyd. Die Ergebnisse der beiden Versuche sind in Tabelle 9 angeführt.Analogously to Examples 32 and 33, instead of trans-anethol, 5-o-tolyl-2-pentene was oxidized with the peroxidase from Coprinus cinereus, batch 1 and horseradish peroxidase, batch 1, in this case to 3-o- Tolylpropionaldehyd. The results of the two experiments are shown in Table 9.
Tabelle 9Table 9
Diese Ergebnisse zeigen, dass Arylalkene mit nichtkonjugierten Doppelbindungen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht oxidierbar sind. Die Oxidationspro- dukte sind lediglich in analytischen Mengen (< 1 %) zu detektieren.
These results show that aryl alkenes with non-conjugated double bonds are not oxidizable by the process according to the invention. The oxidation products can only be detected in analytical quantities (<1%).
Beispiele 48 bis 51Examples 48 to 51
Oxidation von trans-Anethol unter unterschiedlichen LichtverhältnissenOxidation of trans-anethole under different lighting conditions
Die Reaktionen und GC-Messungen erfolgten für jedes getestete Enzym in doppelter Ausführung im Wesentlichen wie in den Beispielen 32 bis 36 in den dort angegebenen Puffern für das jeweilige Enzym. Allerdings wurde nun in einer ersten Versuchsreihe eine Lampe (PAR 38 EC Spot, Osram Concentra, 120 W, 230 V, 448) in einem Abstand von 50 cm oberhalb des Reaktors angeordnet, um die Reaktionsgemische während der Oxidation zu beleuchten, während in einer zweiten Versuchsreihe der Reaktor zur Verdunkelung mit einer Aluminiumfolie abgedeckt wurde, die perforiert war, um Sauerstoffaustausch mit der Umgebung zu ermöglichen. Die Ergebnisse der vier besten aller getesteten Enzyme sind in nachstehender Tabelle 10 angeführt.Reactions and GC measurements were made for each enzyme tested in duplicate essentially as in Examples 32-36 in the buffers indicated there for the particular enzyme. However, in a first series of experiments, a lamp (PAR 38 EC Spot, Osram Concentra, 120 W, 230 V, 448) was placed at a distance of 50 cm above the reactor in order to illuminate the reaction mixtures during the oxidation, while in a second Experimental series of the reactor for darkening was covered with an aluminum foil which was perforated to allow oxygen exchange with the environment. The results of the four best of all enzymes tested are given in Table 10 below.
Tabelle 10Table 10
Die Ergebnisse zeigen eine deutliche Steigerung der katalytischen Aktivität aller vier Enzyme unter Lichteinstrahlung. Dieser Effekt ist bei den beiden Laccasen besonders stark ausgeprägt, da deren Wirksamkeit auf das Acht- bis Neunfache erhöht wurde. So können auch mit den tendenziell weniger aktiven Laccasen sehr gute Umsätze für präparative Zwecke erzielt werden.
The results show a significant increase in the catalytic activity of all four enzymes under light irradiation. This effect is particularly pronounced in the two laccases, since their effectiveness has been increased to eight to nine times. Thus, even with the tendency for less active laccases very good sales for preparative purposes can be achieved.
Beispiele 52 bis 85Examples 52 to 85
Oxidation von trans-Anethol in Gegenwart verschiedener organischer LösungsmittelOxidation of trans-anethole in the presence of various organic solvents
Analog zu dem für die Beispiele 1 bis 16 beschriebenen Verfahren wurde trans-Anethol mittels Peroxidase von Coprinus cinereus, Charge 1 oder Meerrettich-Peroxida- se, Charge 1 als Katalysator oxidiert. Die so erhaltenen Umsätze zu p-Anisaldehyd von 44 % bzw. 58 % dienten als Blindwerte für nachfolgende Wiederholungen der Verfahren, wobei jedoch jeweils 17 μl eines organischen Lösungsmittels zu den 900 μl des wässrigen Trimethylammoniumformiat/Ameisensäure-Puffers (20 mM) zugesetzt wurden.Analogously to the process described for Examples 1 to 16, trans-anethol was oxidized by means of Coprinus cinereus peroxidase, batch 1 or horseradish peroxidase, batch 1 as catalyst. The thus obtained conversions to p-anisaldehyde of 44% and 58%, respectively, served as blank for subsequent repetitions of the procedures except that 17 μl of an organic solvent was added to each of the 900 μl of aqueous trimethylammonium formate / formic acid buffer (20 mM).
Die Ergebnisse sind in nachfolgenden Tabellen 11 und 12 angeführt und in den Fig. 1 und 2 grafisch dargestellt, wobei die waagrechten Linien die Werte der Versuche ohne Lösungsmittel ("Blindwert") angeben.The results are given in Tables 11 and 12 below and are plotted in Figures 1 and 2, with the horizontal lines indicating the values of the tests without solvent ("blank").
Tabelle 11Table 11
DMSO: Dimethylsulfoxid; DMF: Dimethylformamid; Tween 80: Polyoxyethylen(20)sorbitanmonooleat; THF: TetrahydrofuranDMSO: dimethyl sulfoxide; DMF: dimethylformamide; Tween 80: polyoxyethylene (20) sorbitan monooleate; THF: tetrahydrofuran
Sämtliche Ergebnisse belegen, dass die Gegenwart eines organischen Lösungsmittels prinzipiell möglich ist, ohne die Oxidationsreaktion gänzlich zu hemmen. Wie aus Tabelle 11 und Fig. 1 zu erkennen ist, reagiert Peroxidase von Coprinus cinereus empfindlicher auf den Lösungsmittelzusatz, da die Umsätze durch die LösungsmittelAll results prove that the presence of an organic solvent is possible in principle without completely inhibiting the oxidation reaction. As can be seen from Table 11 and Fig. 1, peroxidase of Coprinus cinereus is more sensitive to the addition of solvent, since the sales through the solvent
I O - mit Ausnahme von DMSO - durchwegs niedriger ausfallen.I O - with the exception of DMSO - consistently lower.
Im Gegensatz dazu führt der Lösungsmittelzusatz bei Meerrettich-Peroxidase als Katalysator in den meisten Fällen zu einer Umsatzerhöhung. Lediglich bei Cyclohexanol und Tween 80 kommt es zu einem Rückgang, und 2-Propanol liefert denselben Wert wie die Blindprobe.
Ohne sich auf eine spezielle Theorie festlegen zu wollen, wird angenommen, dass das Lösungsmittel hier als Lösungsvermittler für die zu oxidierende Verbindung der Formel (1) dient, obwohl nur 1 ,8 Vol.-% Lösungsmittel zum wässrigen Puffer zugesetzt wurden. Um zu überprüfen, ob bei Meerrettich-Peroxidase auch größere Mengen an Lösungsmittel positive Wirkung auf den Umsatz zeigen, wurde eine weitere Testreihe mit zunehmenden Mengen an DMSO, dem einzigen Lösungsmittel, das bei Peroxidase von Coprinus cinereus positive Wirkung gezeigt hatte, durchgeführt.In contrast, the addition of solvents in horseradish peroxidase as a catalyst in most cases leads to an increase in sales. Only cyclohexanol and Tween 80 decrease, and 2-propanol gives the same value as the blank. Without wishing to be bound by any particular theory, it is believed that the solvent here serves as a solubilizer for the compound of formula (1) to be oxidized, although only 1.8% by volume of solvent was added to the aqueous buffer. To check whether horseradish peroxidase also larger amounts of solvent positive effect on sales, another series of tests with increasing amounts of DMSO, the only solvent that had been shown in peroxidase of Coprinus cinereus positive effect performed.
Beispiele 86 bis 96Examples 86 to 96
Oxidation von trans-Anethol in Gegenwart zunehmender Mengen an DMSOOxidation of trans-anethole in the presence of increasing amounts of DMSO
Analog zu den obigen Beispielen 69 bis 85 wurde trans-Anethol mit Meerrettich-Peroxidase als Katalysator oxidiert, wobei die 900 μl an wässrigem Puffer durch zunehmende Prozentsätze an DMSO ersetzt wurden. In Tabelle 13 ist der beim jeweiligen Gehalt an DMSO erzielte Umsatz angegeben. Die Daten sind in Fig. 3 auch grafisch dargestellt.Analogously to Examples 69 to 85 above, trans-anethole was oxidized with horseradish peroxidase as the catalyst, replacing the 900 μl of aqueous buffer with increasing percentages of DMSO. Table 13 shows the conversion achieved for each DMSO content. The data are also shown graphically in FIG.
Tabelle 13Table 13
Es ist ersichtlich, dass Meerrettich-Peroxidase bei einem Gehalt von 40 % DMSO im
Medium etwa genauso aktiv ist wie ohne organisches Lösungsmittel. Bei höheren Konzentrationen fällt die Aktivität rasch ab, und ab 60 % DMSO ist im Wesentlichen keine enzymatische Wirkung mehr feststellbar. Mit 20 bis 30 % DMSO im Medium wurde der Umsatz um etwa 20 % gesteigert. Die besten Ergebnisse, d.h. eine rund 40%ige Umsatzerhöhung, wurden aber mit 5 bis 15 % Lösungsmittel erzielt.It can be seen that horseradish peroxidase at a level of 40% DMSO in the Medium is about as active as without organic solvent. At higher concentrations the activity decreases rapidly, and from 60% DMSO substantially no enzymatic effect is detectable. With 20 to 30% DMSO in the medium, the conversion was increased by about 20%. The best results, ie an approximately 40% increase in sales, were achieved with 5 to 15% solvent.
Zur Überprüfung, ob diese Wirkung auch bei anderen Reaktionen beobachtbar ist, wurden die folgenden Testreihen zur Herstellung von Vanillin (4-Hydroxy-3-methoxy- benzaldehyd), eines der möglichen, wertvollen Reaktionsprodukte des erfindungsgemäßen Verfahrens, durchgeführt.To check whether this effect is also observable in other reactions, the following series of tests were carried out for the preparation of vanillin (4-hydroxy-3-methoxybenzaldehyde), one of the possible, valuable reaction products of the method according to the invention.
Beispiele 97 bis 104Examples 97-104
Oxidation von Isoeuqenol in Gegenwart von DMSOOxidation of isoeuqenol in the presence of DMSO
Isoeugenol Vanillin AcetaldehydIsoeugenol vanillin acetaldehyde
Analog zu den Beispielen 52 bis 85 wurde anstelle von trans-Anethol Isoeugenol (2-Methoxy-4-propen-1-ylphenol) mit Peroxidase von Copήnus cinereus oder Meer- rettich-Peroxidase als Katalysator oxidiert. Der wässrige Puffer wurde dabei durch 10 bis 20 Vol.-% DMSO ersetzt. Die Ergebnisse sind in nachstehender Tabelle 14 angegeben.
Analogously to Examples 52 to 85, instead of trans-anethol, isoeugenol (2-methoxy-4-propen-1-ylphenol) was oxidized with peroxidase from Copήnus cinereus or radish peroxidase as catalyst. The aqueous buffer was replaced by 10 to 20 vol .-% DMSO. The results are shown in Table 14 below.
Tabelle 14Table 14
Es zeigte sich, dass DMSO bei Coprinus c/nereus-Peroxidase in allen getesteten Konzentrationen eine etwa 15-20%ige Umsatzerhöhung bewirkte, während Meerrettich-Peroxidase bei dieser Reaktion kaum (d.h. maximal 5 %) von der Gegenwart von DMSO profitierte.It was found that DMSO in Coprinus c / nereus peroxidase caused an approximately 15-20% increase in all concentrations tested, while horseradish peroxidase barely benefited (i.e., maximum 5%) in this reaction from the presence of DMSO.
Beispiele 105 bis 114Examples 105 to 114
Oxidation von Coniferylalkohol in Gegenwart von DMSOOxidation of coniferyl alcohol in the presence of DMSO
Coniferylalkohol Vanillin GlykolaldehydConiferyl alcohol Vanillin Glycolaldehyde
Analog zu den Beispielen 97 bis 104 wurde anstelle von Isoeugenol Coniferylalkohol (4-Hydroxy-3-methoxyzimtalkohol) mit den beiden Enzymen oxidiert, was einen alternativen Syntheseweg zu Vanillin unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bereitstellt und zusätzlich Glykolaldehyd (Hydroxyacetaldehyd) als Nebenprodukt liefert, der ein nützliches Reagens in der Proteinchemie darstellt. Der wässrige Puffer wurde erneut, in diesem Fall durch 5 bis 20 % DMSO ersetzt. Tabelle 15 ent-
hält die dabei erzielten Ergebnisse.Analogously to Examples 97 to 104, instead of isoeugenol, coniferyl alcohol (4-hydroxy-3-methoxycinnamyl alcohol) was oxidized with the two enzymes, which provides an alternative route to vanillin using the process according to the invention and additionally gives glycolaldehyde (hydroxyacetaldehyde) as by-product is a useful reagent in protein chemistry. The aqueous buffer was replaced again, in this case with 5 to 20% DMSO. Table 15 keeps the results achieved.
Tabelle 15Table 15
Hier werden mehrere Umstände deutlich erkennbar. Zum einen wurde Coniferylalko- hol mit beiden Enzymen als Katalysator quantitativ zu Vanillin oxidiert, solange kein organisches Lösungsmittel enthalten war. Während zum anderen Meerrettich-Peroxidase 5 % DMSO noch gut vertrug (6 % Verschlechterung) und erst danach deutliche Aktivitätseinbußen (40 bis 70 %) erlitt, fiel Coprinus c/nereus-Peroxidase schon bei 5 % DMSO auf 50 % ihrer Aktivität ab. Bei 15 % DMSO waren bereits rund 90 % der Aktivität verlorengegangen. Diese Ergebnisse beweisen einmal mehr die hohe Spezifität der Enzymkatalysatoren im Verfahren der vorliegenden Erfindung.Here are several circumstances clearly visible. On the one hand, coniferyl alcohol was quantitatively oxidized to vanillin with both enzymes as catalyst, as long as no organic solvent was present. On the other hand horseradish peroxidase 5% DMSO was still well tolerated (6% deterioration) and only then suffered significant activity losses (40 to 70%), Coprinus c / nereus peroxidase dropped to 50% of its activity even at 5% DMSO. At 15% DMSO around 90% of the activity had already been lost. These results once again demonstrate the high specificity of the enzyme catalysts in the process of the present invention.
Somit wurde die Wirksamkeit der Enzyme im erfindungsgemäßen Verfahren eindeutig belegt. Der einschlägige Fachmann kann anhand der obigen Lehre durch Optimierungsreihen leicht die optimalen Bedingungen bezüglich pH, Druck, Lichteinstrahlung und organischer Lösungsmittel für einzelne, spezielle Enzyme in spezifischen Oxidationsreaktionen ermitteln. Die Erfindung erweitert daher das Gebiet der Bio- katalyse zur Herstellung organischer Verbindungen um einen bedeutenden Beitrag.
Materialien und Bezugsquellen trans-Anethol: Sigma-Aldrich, Cat. 11 ,787-0, Lot.: S16146-283 4-Aminostyrol: Lancaster, 11845, 216-185-8, Batch FA008716 2-Bromstyrol: Sigma-Aldrich, 132683Thus, the effectiveness of the enzymes was clearly demonstrated in the process of the invention. The person skilled in the art can easily determine the optimal conditions with regard to pH, pressure, light irradiation and organic solvents for individual, specific enzymes in specific oxidation reactions by means of optimization series by means of the above teachings. The invention therefore adds a significant contribution to the field of biocatalysis for the production of organic compounds. Materials and sources of trans-anethol: Sigma-Aldrich, Cat. 11, 787-0, Lot .: S16146-283 4-aminostyrene: Lancaster, 11845, 216-185-8, batch FA008716 2-bromostyrene: Sigma-Aldrich, 132683
5 2-Methyl-1-phenyl-1-propen: Sigma-Aldrich, 282510, 13028 BE Inden: Merck-Schuchard, S17014 843, 8.20701.0005 Isoeugenol: Sigma-Aldrich, 117206 Conferylalkohol: Sigma-Aldrich, 2237355 2-Methyl-1-phenyl-1-propene: Sigma-Aldrich, 282510, 13028 BE Inden: Merck-Schuchard, S17014 843, 8.20701.0005 Isoeugenol: Sigma-Aldrich, 117206 Conferyl Alcohol: Sigma-Aldrich, 223735
0 Peroxidase von Coprinus cinereus, Charge 1 : NovoNordisk A/S, Peroxidase SP 502, Batch PPX 3829Peroxidase from Coprinus cinereus, Lot 1: NovoNordisk A / S, Peroxidase SP 502, Batch PPX 3829
Peroxidase von Coprinus cinereus, Charge 2: Novozymes, 51004, OON00008, (produziert in Asp. oryzae) Peroxidase von Coprinus cinereus, Charge 3: Biesterfeld Chemiehandel GmbH & Co. KG,Peroxidase from Coprinus cinereus, Lot 2: Novozymes, 51004, OON00008, (produced in Asp. Oryzae) Peroxidase from Coprinus cinereus, lot 3: Biesterfeld Chemiehandel GmbH & Co. KG,
5 "Baylase"5 "Baylase"
Meerrettich-Peroxidase, Charge 1 : Sigma-Aldrich, P2088 Meerrettich-Peroxidase, Charge 2: Sigma-Aldrich, P8250, 031 K74711 Meerrettich-Peroxidase, Charge 3: Sigma-Aldrich, P6140, 051 K7490 Meerrettich-Peroxidase, Charge 4: Roche, POD10108090001 , Lot.: 93350720Horseradish peroxidase, lot 1: Sigma-Aldrich, P2088 horseradish peroxidase, lot 2: Sigma-Aldrich, P8250, 031 K74711 horseradish peroxidase, lot 3: Sigma-Aldrich, P6140, 051 K7490 horseradish peroxidase, lot 4: Roche , POD10108090001, Lot .: 93350720
!0 Meerrettich-Peroxidase, Charge 5: Sigma-Aldrich, P8125, 031K7465Horseradish Peroxidase, Lot 5: Sigma-Aldrich, P8125, 031K7465
Meerrettich-Peroxidase, Charge 6: Roche, POD10814407001 , Lot.: 93396221 Lignin-Peroxidase: Fluka, Lot. & Fillingcode 1239384, 32506 171 , 42603 Rindermilch-Peroxidase: Sigma-Aldrich, Lactoperoxidase from bovine milk, L-2005, Lot. 16H38311Horseradish Peroxidase, Lot 6: Roche, POD10814407001, Lot .: 93396221 Lignin Peroxidase: Fluka, Lot. & Fillingcode 1239384, 32506 171, 42603 Bovine Milk Peroxidase: Sigma-Aldrich, Lactoperoxidase from bovine milk, L-2005, Lot. 16H38311
!5 Chlorperoxidase von Caldaromyces fumago: Biochemika, 25810! 5 Chloroperoxidase from Caldaromyces fumago: Biochemika, 25810
Bromperoxidase from Corallina officinalis: Sigma-Aldrich, B2170, 123K3783Bromperoxidase from Corallina officinalis: Sigma-Aldrich, B2170, 123K3783
Laccase von Rhus vernicifera: Sigma-Aldrich, L-2157, Lot.: 67H0281Laccase of Rhus vernicifera: Sigma-Aldrich, L-2157, Lot .: 67H0281
Laccase von Coriolus versicolor. Fluka, 38429, Lot. & Filling code 414571/1 , 43001Laccase of Coriolus versicolor. Fluka, 38429, Lot. & Filling code 414571/1, 43001
Laccase von Candida rugosa: Jülich Fine Chemicals Life Science Technology, Laccase CV,Laccase from Candida rugosa: Jülich Fine Chemicals Life Science Technology, Laccase CV,
IO Ord.No. 14.10IO Ord.No. 14:10
Laccase von Agaricus bisporus: Fluka, 40452, Lot. & Filling code 443928/1 42703431 Laccase DeniLite Il Base: Novozymes, OM30402613, Chemical Abtracts Service (CAS) Registry No.: 80498-15-3
LiteraturzitateLaccase of Agaricus bisporus: Fluka, 40452, Lot. & Filling code 443928/1 42703431 Laccase DeniLite Il Base: Novozymes, OM30402613, Chemical Abtracts Service (CAS) Registry No .: 80498-15-3 references
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