DE2221534A1 - Process for the oxidation of hydrocarbons, alcohols and aldehydes - Google Patents
Process for the oxidation of hydrocarbons, alcohols and aldehydesInfo
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Description
DR.-ING. VON KRtISLER DR.-ING. SCHÖNWALD DR.-ING. TH. MEYER DR. FUES DIPL-CHEM. ALEK VON KREISLER DIPL.-CHEM. CAROLA KELLER DR.-ING. KLÖPSCH DIPL.-ING. SELTING DR.-ING. BY KRtISLER DR.-ING. SCHÖNWALD DR.-ING. TH. MEYER DR. FUES DIPL-CHEM. ALEK VON KREISLER DIPL.-CHEM. CAROLA KELLER DR.-ING. KLÖPSCH DIPL.-ING. SELTING
KÖLN 1, DEICHMANNHAUSCOLOGNE 1, DEICHMANNHAUS
Köln, den 2.5.1972 . ·■■ ' Kl/Ax Cologne, 2.5.1972. · ■■ ' Kl / Ax
Verfahren zur Oxydation von Kohlenwasserstoffen, Alkoholen und AldehydenProcess for the oxidation of hydrocarbons, alcohols and aldehydes
Die Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur Oxydation von Kohlenwasserstoffen, Alkoholen und Aldehyden, die mit Wasser im wesentlichen nicht mischbar oder in Wasser unlöslich sind, unter Verwendung eines aus den Zellen von Mikroorganismen extrahierten Enzyms oder Enzymkomplexes.The invention relates to an improved process for the oxidation of hydrocarbons, alcohols and aldehydes, which are substantially immiscible or insoluble in water using a enzyme or enzyme complex extracted from the cells of microorganisms.
Verfahren zur Oxydation von Kohlenwasserstoffen, Alkoholen und Aldehyden unter Verwendung von Enzymen, die aus den Zellen von Mikroorganismen extrahiert worden sind, wurden bereits vorgeschlagen. Verfahren zur Gewinnung von Enzymen oder Enzymkomplexen, die sich für die Verwendung bei diesen Oxydationsverfahren eignen, sind ebenfalls in der Literatur beschrieben worden.Process for the oxidation of hydrocarbons, alcohols and aldehydes using enzymes derived from the cells of microorganisms have been extracted have already been proposed. Method of extraction of enzymes or enzyme complexes suitable for use in these oxidation processes are also has been described in the literature.
Gegenstand der Erfindung ist ein enzymatiscb.es Oxydationsverfahren mit erhöhter Reaktionsgeschwindigkeit.The invention relates to an enzymatic oxidation process with increased reaction speed.
Das Verfahren gemäß der Erfindung zur enzymatischen Oxydation von Kohlenwasserstoffen, Alkoholen und Aldehyden, die mit Wasser im wesentlichen nicht mischbar oder in ■ Wasser im wesentlichen unlöslich sind und nachstehend als "Substrat" bezeichnet werden, ist dadurch gekennzeichnet,The method according to the invention for the enzymatic oxidation of hydrocarbons, alcohols and aldehydes, which are essentially immiscible with water or are essentially insoluble in water and hereinafter as "Substrate" is characterized by
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daß man eine Lösung äes "Substrats" in einem Amid bildet, das sowohl mit Wasser als auch mit dem "Substrat" mischbar ist und die Formelthat a solution of the "substrate" is formed in an amide which is miscible with both water and the "substrate" is and the formula
hat, in der R^, Rp oder R, für'ein Wasserstoffatom oder einen aliphatischen C.-Cp--Rest stehen» die Lösung des "Substrats" im Amid in einem wässrigen Puffer, der einen Pjj-Wert im Bereich von 6,5 bis 9,5 hat, und in Gegenwart eines das "Substrat" oxydierenden, aus einem Mikroorganismus extrahierten Enzyms und eines Coenzyms dispergiert und hierdurch ein Reaktionsgemisch bildet, das, bezogen auf die Lösung, eine Spurenmenge bis 50 Vol.-# des "Substrats" im Amid enthält, und das Reaktionsgemisch zur Oxydation des "Substrats in Gegenwart von Sauerstoff bei einer Temperatur im Bereich von 20 bis 380C hält.has, in which R ^, Rp or R, stand for'a hydrogen atom or an aliphatic C.-Cp - radical »the solution of the" substrate "in the amide in an aqueous buffer, which has a Pjj value in the range of 6, 5 to 9.5, and dispersed in the presence of an enzyme extracted from a microorganism which oxidizes the "substrate" and a coenzyme, thereby forming a reaction mixture which, based on the solution, contains a trace amount of up to 50% by volume of the "substrate "Contains in the amide, and the reaction mixture for the oxidation of the" substrate in the presence of oxygen at a temperature in the range from 20 to 38 0 C holds.
Besonders gut geeignet als "Substrat" sind aliphatische Kohlenwasserstoffe, Alkohole und Aldehyde mit vorzugsweise wenigstens 6 bis 20 C-Atomen. Vorzugsweise sind die Kohlenstoff atome in gerader Kette angeordnet. Der Kohlenwasserstoff ist vorzugsweise gesättigt. Geeignet zur Behandlung gemäß der Erfindung sind beispielsweise n-Decan, n-Hexadecan, 1-Decanol, 1-Tetradecanol, 1,10-Decandiol,\ 1,10-Hexadecandiol, 1-Decanol und Tetradeoanol.Aliphatic hydrocarbons, alcohols and aldehydes are particularly suitable as “substrate”, preferably with at least 6 to 20 carbon atoms. The carbon atoms are preferably arranged in a straight chain. The hydrocarbon is preferably saturated. Suitable for the treatment according to the invention are, for example, n-decane, n-hexadecane, 1-decanol, 1-tetradecanol, 1,10-decanediol, 1,10-hexadecanediol, 1-decanol and tetradeoanol.
Die geeignetste Konzentration des Substrats im Reaktionsgemisch liegt im Bereich von 0,1 bis 20 χ TO ^ Mol.The most suitable concentration of the substrate in the reaction mixture is in the range from 0.1 to 20 χ TO ^ mol.
Die Enzyme oder Enzymkomplexe, die sich für das Verfahren gemäß der Erfindung eignen, können durch Kultivieren von Mikroorganismen, die Kohlenwasserstoffe verbrauchen, auf einem Kohlenwasserstoff als Quelle von assimilierbarem Kohlenstoff und Extraktion des Enzyms oder Enzymkomplexes in bekannter Weise gewonnen werden (siehe beispielsweiseThe enzymes or enzyme complexes which are suitable for the method according to the invention can be obtained by culturing Microorganisms that consume hydrocarbons on a hydrocarbon as a source of assimilable Carbon and extraction of the enzyme or enzyme complex can be obtained in a known manner (see for example
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The Archives of Microbiology J0Mo Lebeault et.al. 72.140-153, 1970). Geeignete Enzyme oder Enzymkomplexe können' aus den Zellen beliebiger Bakterien, Hefen oder Pilzen gewonnen werden, die Kohlenwasserstoffe oxydieren können oder' zur Oxydation von Kohlenwasserstoffen adaptiert worden sind.The Archives of Microbiology J 0 Mo Lebeault et.al. 72.140-153, 1970). Suitable enzymes or enzyme complexes can be obtained from the cells of any bacteria, yeast or fungus which can oxidize hydrocarbons or which have been adapted for the oxidation of hydrocarbons.
Wenn eine spezielle Oxydation durchgeführt werden soll, kann ein einzelnes Enzym verwendet werden. Beispielsweise kann eine Alkoholdehydrogenase für die Oxydation von Alkoholen zu Aldehyden verwendet werden. Andererseits kann ein Enzymkomplex verwendet werden, wenn mehr als eine Oxydationsstufe durchgeführt werden soll. Beispielsweise wird ein Enzyrakomplex verwendet, um Alkane zu den entsprechenden Säuren zu oxydieren. Die chemische und physikalische Struktur der Enzyme oder Enzymkomplexe ist nicht in allen Einzelheiten bekannt. Im unversehrten Mikroorganismus befinden sich diese Enzyme jedoch hauptsächlich in der Mitochondria und im Zytoplasma.If a particular oxidation is to be performed, a single enzyme can be used. For example can be an alcohol dehydrogenase for the oxidation of Alcohols can be used to form aldehydes. On the other hand, an enzyme complex can be used if more than one Oxidation stage is to be carried out. For example, an enzyme complex is used to convert alkanes to the corresponding To oxidize acids. The chemical and physical structure of the enzymes or enzyme complexes is not known in every detail. In the intact microorganism, however, these enzymes are mainly found in the mitochondria and in the cytoplasm.
Die Menge des Enzyms oder Enzymkomplexes im Reaktionsgemisch kann 0,1 bis 10 g/l betragen.The amount of enzyme or enzyme complex in the reaction mixture can be 0.1 to 10 g / l.
Als Coenzym eignet sich für die Oxydation von Decanen beispielsweise Nicotinamidadenindinueleotid (NAD oder NADH), das durch Nico-tinamidadenindinucleotidphosphat (NADP oder NADPH) ersetzt werden kann. Die Molarität desAs a coenzyme it is suitable for the oxidation of decanes for example nicotinamide adenine dinucleotide (NAD or NADH), which is replaced by nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADP or NADPH) can be replaced. The molarity of the
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Coenzyms im Reaktionsgemisch kann im Bereich von 10 bisCoenzyme in the reaction mixture can range from 10 to
10~5 liegen.10 ~ 5 lie.
Die Amide dürfen das Enzym oder den Enzymkomplex zumindest in den Mengen und unter den Bedingungen, unter denen sie im Reaktionsgemisch vorhanden sind, nicht deaktivieren. Die verwendete Amidinenge beträgt gewöhnlich 10 Vol.-$, bezogen auf das Volumen des Reaktionsgemisches„ Vorzugsweise wird das Amid in einer Menge von etwa 3 Vol.-$, bezogen auf da3 Volumen des Reaktionsgemisches, verwendet. Geeignet als Amide sind beispielsweise Ν,Ν-Dimethylforma-The amides may contain the enzyme or the enzyme complex at least in the amounts and under the conditions under which they are present in the reaction mixture, do not deactivate. The amount of amidine used is usually 10 vol .- $, based on the volume of the reaction mixture “Preferably the amide is sourced in an amount of about $ 3 volume to the volume of the reaction mixture. Suitable amides are, for example, Ν, Ν-dimethylforma-
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mid, Formamid, Ν,ΪΓ-Diäthylformamid, N~Ä'thylformamid und N-Methylformamid.mid, formamide, Ν, ΪΓ-diethylformamide, N ~ ethylformamide and N-methylformamide.
Beliebige wässrige Puffer, die üblicherweise für enzymatische Reaktionen verwendet werden, z.B. ein Trissalzsäure- oder Phosphatpaffer, können verwendet werden.Any aqueous buffer commonly used for enzymatic reactions, e.g. a tris hydrochloric acid or phosphate buffers can be used.
Die Oxydation wird unter verhältnismäßig milden Reaktionebedingungen, die allgemein für die Durchführung von enzymatischen Reaktionen angewendet werden, durchgeführt. Beispielsweise kann die Temperatur im Bereich von 20 bis 380O liegen. Bevorzugt wird eine Temperatur im Bereich von 22 bis 250C, Für die Oxydation von n-Alkanen zu Alkoholen und für die Oxydation von Aldehyden zu Säuren ist ein Pjj-Wert im Bereich von 7*5 bis 8,5 am geeignetsten. Pur die Oxydation von Alkoholen zu Aldehyden ist dagegen ein pjT-Wert im Bereich von 8,5 bis 9,5 besonders geeignet.The oxidation is carried out under the relatively mild reaction conditions which are generally used for carrying out enzymatic reactions. For example, the temperature in the range of 20 to 38 may be 0 O. A temperature in the range of 22 to 25 0C, are, for the oxidation of n-alkanes to alcohols and for the oxidation of aldehydes to acids PJJ value in the range of 7 * 5 to 8.5 is most suitable is preferred. In contrast, a pjT value in the range from 8.5 to 9.5 is particularly suitable for the oxidation of alcohols to aldehydes.
Der Sauerstoff kann als freier Sauerstoff, z.B. als luftsauerstoff, vorliegen. Es ist auch möglich, gebundenen Sauerstoff, z.B. den in Hydroxylgruppen oder Wasser vorhandenen Sauerstoff, zu ver-wenden.The oxygen can be used as free oxygen, e.g. as atmospheric oxygen, are present. It is also possible to use bound oxygen, e.g. those present in hydroxyl groups or water Oxygen to use.
Das Verfahren gemäß der Erfindung eignet sich zur Oxydation von Diolen zu ω-Hydroxysäuren. Beispielsweise kann Decandiol zu Hydroxydecansäure oxydiert werden. Kohlenwasserstoffe können entweder in Alkohole oder in Säuren umgewandelt werden. Die Alkohole können entweder in den Aldehyd oder in die Säure und die Aldehyde in die Säure umgewandelt werden.The method according to the invention is suitable for oxidation from diols to ω-hydroxy acids. For example, can Decanediol are oxidized to hydroxydecanoic acid. Hydrocarbons can either be in alcohols or in acids being transformed. The alcohols can either be in the aldehyde or in the acid and the aldehydes in the acid being transformed.
70 mg Decan wurden in 1 ml Dimethylformamid gelöst. 0,1 ml dieser Lösung wurden mit 3 ml eines wässrigen Tris-Salzsäurepuffers gemischt, der einen Decan oxydierenden Enzymkomplex und ein Coenzym enthielt. Der Puffer hatte einen PH~Wert von 8,0. Das Decan hatte eine Molarität von 18,0 χ 10~5 im Gemisch.70 mg of decane were dissolved in 1 ml of dimethylformamide. 0.1 ml of this solution was mixed with 3 ml of an aqueous tris-hydrochloric acid buffer which contained a decane-oxidizing enzyme complex and a coenzyme. The buffer had a P value of 8.0 H ~. The decane had a molarity of 18.0 χ 10 ~ 5 in the mixture.
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Das Decan oxydierende Enzym war durch Kultivierung der Hefe Candida tropicalis auf n-Tetradecan als Kohlenstoffquelle gewonnen worden. Das Fermentationsmedium wurde zentrifugiert, wobei eine Creme, die Hefezellen enthielt, erhalten wurde. Die Zellen wurden mit einer isotonischen Lösung von Natriumchlorid- gewaschen und in einem Tris-Salzsäurepuffer "bei Pu 7,8 suspendiert. Die Zellsuspension wurde durch eine French-Druckzelle gegeben und das Produkt 20 Minuten bei 4000 g zentrifugiert. Die überstehende Flüssigkeit hatte eine Konzentration von 10 bis 20 mg Protein/ml. Zu dem oben beschriebenen Gemisch wurde 1 mg der überstehenden Flüssigkeit gegeben (die den Decan oxydierenden Enzymkomplex enthielt).The decane oxidizing enzyme was obtained by cultivating the yeast Candida tropicalis on n-tetradecane as a carbon source been won. The fermentation medium was centrifuged, leaving a cream containing yeast cells was obtained. The cells were washed with an isotonic solution of sodium chloride and in a tris-hydrochloric acid buffer "suspended at Pu 7.8. The cell suspension was passed through a French pressure cell and the product centrifuged at 4000 g for 20 minutes. The protruding Liquid had a concentration of 10 to 20 mg protein / ml. 1 mg was added to the mixture described above added to the supernatant liquid (which contained the decane-oxidizing enzyme complex).
Nicotinamidadenindinucleotidphosphat (NADPH) wurde als Coenzym dem Gemisch in einer solchen Menge zugesetzt, daß seine Molarität 17 x 10 betrug. Das Gemisch wurde 30 Minuten bei 250C in Gegenwart von Luftsauerstoff bebrütet. Die Analyse des Gemisches ergab dann, daß 85 Gew.-^ des Decans zu einem Gemisch von Decanol und Decansäure oxydiert worden war. Der Anteil des Decanols betrug 20 Gewo-$6 und der Anteil der Decansäure 65 Gew.-^.Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADPH) was added as a coenzyme to the mixture in such an amount that its molarity was 17 × 10. The mixture was incubated for 30 minutes at 25 ° C. in the presence of atmospheric oxygen. Analysis of the mixture then indicated that 85% by weight of the decane had been oxidized to a mixture of decanol and decanoic acid. The proportion of the decanol was 20 wt o - $ 6, and the proportion of the decanoic acid 65 wt .- ^.
1,10-Decandiol wurde zu 10-Hydroxydecansäure auf die in Beispiel 1 beschriebene V/eise oxydiert, wobei jedoch das Decan durch die gleiche Gewichtsmenge 1,10-Decaudiol ersetzt wurde. 10-Hydroxydecansäure wurde in einer Ausbeute von 70 bis 80 Gew.-^ erhalten.1,10-decanediol was converted to 10-hydroxydecanoic acid on the in Example 1 described oxidizes, but the Decane replaced by the same amount by weight of 1,10 decaudiol became. 10-hydroxydecanoic acid was obtained in a yield of 70 to 80 wt .- ^.
Decanol wurde zu Decansäure auf die in Beispiel 1 beschriebene Weise oxydiert, wobei jedoch das Decan durch Decanol ersetzt wurde. Die Decansäure wurde in einer Ausbeute von 95 bis 98 Gew.-96 erhalten.Decanol was oxidized to decanoic acid in the manner described in Example 1, but the decane was replaced by decanol was replaced. The decanoic acid was obtained in a yield of 95 to 98% by weight.
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Zum Vergleich wurde Decan zu Decanol und Decansäure auf die in Beispiel 1 beschriebene Weise mit dem wesentlichen Unterschied oxydiert, das das Dimethylformamid v/eggelassen und das Gemisch in dem Bemühen, die Reaktion zu beschleunigen, gerührt wurde. Die Analyse des Gemisches ergab, daß nur 10 Gew.-0Jo des Decans zu einem Gemisch von Decanol und Decansäure oxydiert worden waren. Der Anteil des Decanols betrug 20 Gew.-^ und der Anteil der Decansäure 65 Gew.-^.For comparison, decane was oxidized to decanol and decanoic acid in the manner described in Example 1 with the essential difference that the dimethylformamide was omitted and the mixture was stirred in an effort to accelerate the reaction. Analysis of the mixture showed that only 10 wt - 0 Jo of decane had been oxidized to a mixture of decanol and decanoic acid.. The proportion of decanol was 20% by weight and the proportion of decanoic acid was 65% by weight.
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