Enzymatische Carboxylierung in Ionischen Flüssigkeiten

Die Verwendung von CO2 als alternative Kohlenstoffquelle zur Synthese von wertvollen, chemischen Bausteinen stellt eine der großen Herausforderungen in der organischen Synthesechemie dar, insbesondere aufgrund der hohe Stabilität von Kohlendioxid und der damit verbundenen niedrigen Reaktivität, wodurch extrem harsche Reaktionsbedingung (z.B. in der Kolbe-Schmitt Reaktion) benötigt werden. Eine vielversprechende und besonders umweltverträgliche (`grüne`) Alternative zur Nutzung von CO2 stellt die Verwendung von Biokatalysatoren dar. Kürzlich konnte ein biokatalytisches System zur regioselektiven Carboxylierung von aromatischen Verbindungen (Phenol- und Styrol-Derivate) entwickelt werden, dass unter milden Reaktionsbedingungen abläuft. Benzoesäure-Decarboxylasen katalysieren die ortho-Carboxylierung am aromatischen Ring von Phenolen wohingegen Phenolsäure-Decarboxylasen ausschließlich die beta-Carboxylierung am -C- Atom der Seitenkette von Styrolen katalysieren. Die großen Herausforderungen in diesem Projekt sind (i) die Verschiebung der ungünstigen thermodynamische Lage des Reaktionsgleichgewichts in Richtung der Produktbildung, sowie (ii) die Entwicklung von Biokatalysatoren mit einer großen Substratbreite durch Enzyme-Engineering. Nachfolgend, die wichtigsten Punkte welche im Rahmen dieses Projekt untersucht werden: i)Engineering der Biokatalysatoren insbesondere zur Erweiterung der Substrattoleranz (Mutantendesign) ii) Evaluierung des Substratspektrumsauf strukturell/elektronisch unterschiedliche Substratklassen iii)Prozessoptimierung insbesondere zur Verbesserung der Ausbeute der jeweiligen Produkte: In-situ product removal Verwendung von ionischen Flüssigkeiten Kaskadenreaktionen iv) Effizienzanalyse Die komplementären Expertisen der beiden Projektpartner (Arbeitsgruppe Udo Kragl, Universität Rostock und Arbeitsgruppe Kurt Faber, Universität Graz) stellt eine ideale Kombination zur Bearbeitung der Schlüsselfragen in diesem Projekt dar.

Neue umweltfreundliche Synthesestrategien wurden etabliert, welche CO2 als alternative Kohlenstoffquelle für die Produktion von interessanten Molekülen verwenden. Kohlenstoff ist einer der wichtigsten Bestandteile einer Vielzahl von chemischen Produkten welche noch immer fast ausschließlich aus nicht erneuerbaren fossilen Rohstoffen wie Erdöl, Erdgas oder Kohle gewonnen werden. Die schwindenden Vorräte dieser fossilen Quellen erfordern die dringende Entwicklung von neuen Synthesestrategien und Technologien um unseren Lebensstandard langfristig auch für kommende Generationen erhalten zu können. In Akademie und Industrie wird ein großer Aufwand betrieben, um neue Produktionsprozesse zu entwickeln, die auf alternativen Rohstoffen basieren. Die Verwendung von CO2 als alternative Kohlenstoffquelle, welches in enormen Mengen (35 Gt/a) in die Atmosphäre abgegeben wird, stellt einen vielversprechenden Lösungsansatz dar, dessen Realisierung ein großer Durchbruch hinsichtlich Nachhaltigkeit und sowohl ökologischer als auch ökonomischer Gesichtspunkte wäre. Aufgrund der hohen chemischen Stabilität ist allerdings ein hoher Energieaufwand notwendig, um Kohlendioxid als Synthesebaustein zu verwenden, wodurch es bis dato nur sehr wenige großtechnische Prozesse gibt. Die Produktion von Salicylsäure über die Kolbe- Schmitt Reaktion, die zur Herstellung von Aspirin eingesetzt wird, ist wahrscheinlich eines der prominentesten Beispiele. Harsche Reaktionsbedingungen und unbefriedigende Regioselektivitäten limitieren die Effizienz dieser Prozesse. In jüngster Vergangenheit haben sich biokatalytische Konzepte als vielversprechende und nachhaltige Alternativen etabliert. Hierbei werden Enzyme verwendet, die unter sehr milden Bedingungen die Fixierung von CO2 katalysieren.Dieentsprechenden carboxylierten Produkte werden als Synthesebausteine in unterschiedlichsten Bereichen der chemischen Industrie (Pharma-, Polymer-, Kosmetik-, Lebensmittelindustrie etc.) verwendet. Im Laufe dieses Projektes konnten wir das Portfolio für biokatalytische (De)Carboxylierungs- reaktionen erfolgreich erweitern, die letztere Reaktion ist nun auf eine Vielzahl von strukturell sehr unterschiedlichen Verbindungen anwendbar. Der österreichische Teil beschäftigte sich hauptsächlich mit chemischen Aspekten dieser Reaktion, der mit dem Know-how im Bereich der Prozessoptimierung unseres Kooperationspartners von der Universität Rostock zu starken Synergieeffekten führten, welche die Anwendbarkeit und Effizienz unseres gemeinsamen Konzeptes signifikant verbesserten. Weitere nationale und internationale Kooperationen innerhalb dieses multidisziplinären Lösungsansatzes für nachhaltige Synthesestrategien waren ebenfalls sehr erfolgreich.