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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer
2-Ketocarbonsäure,
die leicht in eine entsprechende Carbonsäure umgewandelt werden kann,
und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung einer 2-Ketocarbonsäure unter
Verwendung von Kohlendioxid, das einen potentiellen Umweltschadstoff
darstellt, als wirksame chemische Ressource.
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Technischer
Hintergrund
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Als
Gegenmaßnahme
gegen das gravierende Umweltproblem der globalen Erwärmung wird
in den letzten Jahren gefordert, den durch verschiedene sogenannte
Treibhausgase, von denen Kohlendioxid eines der bekanntesten Schadstoffgase
darstellt, hervorgerufenen Treibhauseffekt wesentlich zu verringern.
Eine Verringerung des Kohlendioxids in der Atmosphäre kann
durch Verringerung der Emission des Gases erzielt werden, jedoch
auch durch Erhöhung
der Bindung oder Immobilisierung des Kohlendioxidgases aus Emissionsquellen.
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Es
wurden bereits zahlreiche Vorschläge für Wege der Bindung von Kohlendioxid
in einer Emissionsquelle gemacht, zu denen die Absorption im Meerwasser,
elektrochemische Reaktionen zur Synthese von Kohlenwasserstoffverbindungen
wie Methan oder alkoholischen Verbindungen wie Methanol aus Kohlendioxid,
die Quasi-Photosynthesereaktion zur Synthese von Methanol und dergleichen
gehören.
Ferner wurde ein Verfahren zur Bindung von Kohlendioxidgas zur Erzeugung
einer Carbonsäure durch
eine quasienzymatische Reaktion in Gegenwart eines Metallkomplexkatalysators
oder in einer organischen Synthesereaktion entwickelt, jedoch ist dieses
Verfahren auf Versuche im Labormaßstab beschränkt.
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In
den letzten Jahren besteht in dieser Hinsicht ein allgemeiner Trend
dahingehend, bestimmte Enzymreaktionen aufgrund ihrer Vorteile der
relativ geringen Umweltbelastung wieder in Betracht zu ziehen. Dieser
Vorteil der geringen Umweltbelastung kann allerdings gemäß den oben
erwähnten
verschiedenen Verfahren wegen des erheblich hohen Energieverbrauchs
bei diesen Verfahren und der unerlässlichen Verwendung eines organischen
Lösungsmittels
bei diesen Reaktionen kaum erzielt werden.
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Es
liegt ferner ein Bericht über
die Anwendung einer Enzymreaktion zur Bindung von Kohlendioxid vor.
Die bisher entwickelte Enzymreaktion ist allerdings auf die Erhöhung der
Wasserlöslichkeit
von Kohlendioxid durch eine Carbonatdehydratase beschränkt.
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Der
Artikel von Marie-Anne E. Foppen et al. mit dem Titel "Reversal of an enzymatic
decarboxylation: thiamin mediated carboxylation of acetaldehyde into
pyruvic acid" (Recl.
Trav. Chim. Bays-Bas, Band 109, Nr. 5, 1990, Seiten 359–360) beschreibt,
wie Acetaldehyd über
die Umsetzung von 2-(1-Hydroxyethyl)-thiamin mit Kohlendioxid bei
50 atm (DMF, 20 °C)
in Brenztraubensäure
umgewandelt wird (Ausbeute 42 %).
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Der
Artikel von Marco Wieser et al. mit dem Titel "Carbon dioxide fixation by reversible
pyrrole-2-carboxylate decarboxylase and its application" (Journal of Molecular
Catalysis B: Enzymatic 11 (2001) 179–184) beschreibt, wie induzierbare
Pyrrol-2-carboxylat-decarboxylase
aus Bacillus megaterium PYR2910 die reversible Decarboxylierung
von Pyrrol-2-carboxylat in stöchiometrische
Mengen von Pyrrol und Kohlendioxid katalysiert.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
ein Balkendiagramm, das die pH-Abhängigkeit der Ausbeute an in
Beispiel 1 erzeugter Brenztraubensäure zeigt.
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2 ist
ein Balkendiagramm, das die Abhängigkeit
der Ausbeute des Brenztraubensäure-Produkts
von der Konzentration der in Beispiel 2 hergestellten Natriumcarbonat-Pufferlösungen zeigt.
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Offenbarung
der Erfindung
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Der
vorliegenden Erfindung liegt entsprechend die Aufgabe zugrunde,
Mittel zur synthetischen Herstellung einer 2-Ketocarbonsäureverbindung
mit niederem Molekulargewicht aus Kohlendioxid als chemischer Ressource,
die als Ausgangsmaterial dient, unter Verwendung einer spezifischen
Enzymreaktion anzugeben, die nicht zu einer gravierenden Umweltbelastung
führt.
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Dementsprechend
umfasst das durch die vorliegende Erfindung angegebene Verfahren
zur synthetischen Herstellung einer 2-Ketocarbonsäure aus
Kohlendioxid als Ausgangsreaktant den Schritt der Umsetzung von
Kohlendioxid mit einer Aldehydverbindung in Gegenwart einer Decarboxylase
zur Erzielung einer Additionsreaktion, welche die umgekehrte Reaktion
zur enzymatischen Decarboxylierungsreaktion einer 2-Ketocarbonsäure darstellt.
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Die
Form des eingesetzten Kohlendioxids bei dem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren
unterliegt keiner besonderen Einschränkung; so kann es sich um gasförmiges Kohlendioxid, um
verflüssigtes
Kohlendioxid, um überkritisches Kohlendioxid
und auch um Carbonationen handeln.
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Wie
oben erwähnt,
ist die enzymatische Additionsreaktion, die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
zwischen Kohlendioxid und einer Aldehydverbindung abläuft, die
Umkehrreaktion zur Decarboxylierungsreaktion, die in Gegenwart einer
Decarboxylase stattfindet. Das Kohlendioxid, das beim erfindungsgemäßen Verfahren
eingesetzt werden kann, kann, abgesehen von der Gasform, der flüssigen Form
und der überkritischen
Form, in Form von Carbonationen vorliegen, wie dies bei einer wässerigen Lösung einer
wasserlöslichen
Carbonatverbindung wie etwa einer Pufferlösung auf Natriumcarbonatbasis
der Fall ist.
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Die
2-Ketocarbonsäureverbindung
als Reaktionsprodukt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist natürlich je
nach der mit dem Kohlendioxid umzusetzenden Aldehydverbindung unterschiedlich.
Von den verschiedenen bekannten Decarboxylasen ist Brenztraubensäuredecarboxylase
im Hinblick auf die relativ gute Einsetzbarkeit für verschiedene
Aldehydverbindungen bevorzugt. Wenn Carbonationen zum Beispiel mit
Acetaldehyd umgesetzt werden, wobei eine Brenztraubensäuredecarboxylase
in Gegenwart von Thiamin verwendet wird, ist das Reaktionsprodukt Brenztraubensäure. Wenn
flüssiges
Kohlendioxid bei 25 °C
mit Acetaldehyd in einer gemischten Lösung von Thiamin/Brenztraubensäuredecarboxylase
und Acetaldehyd umgesetzt wird, kann Brenztraubensäure erhalten
werden. Die Effizienz bei der Herstellung von Brenztraubensäure durch
die gleiche Reaktion wie oben kann verbessert werden, wenn die Reaktion in überkritischem
Kohlendioxid durchgeführt
wird.
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Unter
Verwendung unterschiedlicher Kombinationen von Aldehydverbindungen
und Decarboxylase können
zahlreiche von Brenztraubensäure
verschiedene 2-Ketocarbonsäuren
hergestellt werden. Ein bevorzugtes Reaktionsmedium, in dem die
Umsetzung gemäß der Erfindung
durchgeführt
wird, ist eine alkalische Pufferlösung mit einem pH-Wert im Bereich
von 10 bis 12 oder, noch bevorzugter, in der Nähe von pH 11. Die Reaktionstemperatur
liegt im diesem Fall bevorzugt im Bereich von 10 bis 40 °C oder noch
bevorzugter bei oder in der Nähe
von 25 °C.
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Nach
Vervollständigung
der Reaktion in der oben beschriebenen Weise kann das Reaktionsgemisch
einer Behandlung zur Isolierung und Reinigung der 2-Ketocarbonsäure als
Zielprodukt nach einem herkömmlichen
Verfahren der Reversphasenchromatographie unterzogen werden. Wenn
das erfindungsgemäße Verfahren
bei geeigneter Wahl der Reaktionsbedingungen durchgeführt wird,
kann die 2-Ketocarbonsäure
als gereinigtes Zielprodukt in einer Ausbeute von 50 % oder höher erhalten
werden, bezogen auf die Menge der als Ausgangsreaktant eingesetzten
Aldehydverbindung.
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Im
Folgenden wird das Verfahren der vorliegenden Erfindung anhand von
Beispielen näher
beschrieben, die allerdings den Umfang der Erfindung in keiner Weise
einschränken.
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Beispiel 1.
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Eine
Menge von 1 ml einer 0,1 M Natriumcarbonat-Pufferlösung mit
variiertem pH-Wert wurde mit Acetaldehyd in einer Konzentration
von 0,1 mM, Thiamin in einer Konzentration von 1 μM und 1 Einheit einer
im Handel erhältlichen
Brenztraubensäuredecarboxylase
gemischt; das Gemisch wurde 1 Stunde bei 25 °C gerührt, um die enzymatische Additionsreaktion
des Acetaldehyds mit den Carbonationen zu bewirken. Die oben erwähnte 1 Einheit
des Enzyms ist eine Menge an Enzym, die in der Lage ist, 1,0 μM Brenztraubensäure unter
Bildung von Acetaldehyd zu decarboxylieren. Nach vollständiger Umsetzung wurde
das Reaktionsgemisch mit 100 μl
1 M Salzsäure
gemischt und dann einer Analyse durch Hochleistungs-Flüssigchromatographie
unter Verwendung einer Silicagelsäure von 4,0 mm Durchmesser
und 150 ml Länge
(Wakosil C-18AR, Produkt von Wako Jun-yaku Co.) bei 25 °C unterzogen,
wobei eine 0,05%-ige wässerige
Lösung
von TFA (Trifluoressigsäure)
als Elutionsmittel bei einem Durchsatz von 1 ml/min verwendet wurde.
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Die
Ausbeuten an Brenztraubensäure-Produkt
für die
entsprechenden pH-Werte wurden unter Verwendung einer Eichkurve
berechnet, die zuvor mit bekannten Proben von Brenztraubensäure erzeugt
worden war. Die Ergebnisse sind in dem Balkendiagramm von 1 dargestellt,
aus dem hervorgeht, dass die Ausbeute an Brenztraubensäure vom pH-Wert
abhing, wobei die höchste
Ausbeute von 62 % erzielt wurde, wenn der pH-Wert gleich 11 war.
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Beispiel 2.
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Es
wurde die gleiche enzymatische Additionsreaktion wie in Beispiel
1 bei 25 °C
während
1 h durchgeführt,
wobei Natriumcarbonat-Pufferlösungen in
verschiedenen Konzentrationen, die jeweils einen pH-Wert von 11
aufwiesen, anstelle der Pufferlösungen
mit variierten pH-Werten eingesetzt wurden. Jedes der Reaktionsgemische
wurde nach vollständiger
Umsetzung in gleicher Weise wie in Beispiel 1 der Analyse durch
Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie
unterzogen, um die Ausbeute an Brenztraubensäure-Produkt für die betreffenden
Konzentrationen zu berechnen. Die erhaltenen Ergebnisse sind in
dem Balkendiagramm von 2 dargestellt, aus dem hervorgeht,
dass die Ausbeute an Produkt mit steigender Konzentration der Pufferlösung anstieg,
wobei der höchste
Wert von 82 % bei einer Konzentration von 0,5 M innerhalb des untersuchten Bereichs
erzielt wurde.
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Beispiel 3.
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Eine
Menge von 2 ml einer 0,5 M Tris/Salzsäure-Pufferlösung mit einem pH-Wert von
8,8 wurde mit Acetaldehyd in einer Konzentration von 0,1 μM, Thiamin
in einer Konzentration von 1 μM
und 1 Einheit der Brenztraubensäuredecarboxylase
gemischt, worauf 3 ml verflüssigtes
Kohlendioxid zugemischt wurden. Das Reaktionsgemisch wurde 1 h bei
25 °C unter
Druck gerührt,
um die Reaktion zu bewirken. Nach Vervollständigung der Umsetzung wurde das Reaktionsgemisch
in gleicher Weise wie in Beispiel 1 der Analyse durch Hochleistungs-Flüssigchromatographie
unterzogen, wobei das Ergebnis erhalten wurde, dass die Ausbeute
an Brenztraubensäure-Produkt 50 % betrug.
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Beispiel 4.
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Die
gleiche enzymatische Additionsreaktion wie in Beispiel 1 wurde wiederholt
mit dem Unterschied, dass der Acetaldehyd durch die gleiche molare
Menge Propionaldehyd ersetzt wurde, wobei sich als Resultat ergab,
dass das Produkt 2-Ketobuttersäure
in einer Ausbeute von 52 % erhalten wurde, wenn die Natriumcarbonat-Pufferlösung einen pH-Wert
von 11 aufwies.