Novel chemo-enzymatic strategies for asymmetric aldol-type reactions using in situ formed acetaldehyde in deep eutectic solvents

Müller, Christoph R.; Leitner, Walter; Spieß, Antje

doi:34785

Novel chemo-enzymatic strategies for asymmetric aldol-type reactions using in situ formed acetaldehyde in deep eutectic solvents

Müller, Christoph R.

2016

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Master of Science Christoph Robert Müller aus Speyer

ImpressumAachen 2016

Umfang1 Online-Ressource (VI, 131 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen, 2016

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Leitner, Walter (Thesis advisor)^RWTH* ; Spieß, Antje (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-02-25

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-018978
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/571203/files/571203.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/571203/files/571203.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Chemie (frei) ; deep eutectic solvent (frei) ; asymmetric organocatalysis (frei) ; aldol reaction (frei) ; one-pot multi-step reactions (frei) ; green chemistry (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
Die Dissertation widmet sich der Fragestellung, ob eine in situ generierte Bildung von Acetaldehyd vorteilhaft für bestimmte katalytische Prozesse ist. Hierbei liegt der Ansatz in der langsamen Verfügbarkeit von hoch reaktivem Acetaldehyd. Als Ausgangspunkt wird die Produktion ausgehend von Vinylestern, mittels Umesterung durch das Enzym CALB, und Ethanol, durch Alkoholdehydrogenasen betrachtet. Als Test- und Nachweisreaktion wurde die Kreuzkupplung von Acetaldehyd und para-Nitrobenzaldehyd gewählt – eine Aldolreaktion katalysiert durch Prolinderivate. Entsprechend handelt es sich bei dem Gesamtkonzept um eine Chemo-Enzymatische Ein-Topf Mehrstufenreaktion.Ein besonderes Augenmerk lag in der Verwendung des Lösungsmittels. Eine neue Klasse von Lösungsmitteln – Deep Eutectic Solvents (DES, tief eutektische Lösungsmittel) – stellte sich als besonders vorteilhaft für die Reaktion heraus. Hierbei handelt es sich meist um eine Salzschmelze, welche aus mindestens zwei Komponenten besteht und deren Mischung einen niedrigeren Schmelzpunkt hat als die einzelnen Komponenten. Zudem ist ein Schmelzpunkt von <150 °C ein notwendiges Kriterium um zu der Klasse der DES zu zählen. Nach der Optimierung der Testreaktion konnte das gewünschte Produkt mit bis zu 84 % Ausbeute und 96 % ee optischer Reinheit isoliert werden. Im Anschluss wurden weitere Studien bezüglich der Rezyklierbarkeit des Lösungsmittels als auch des Katalysators durchgeführt. Hierbei konnte in einem ersten „Proof of Concept“ gezeigt werden, dass sich prinzipiell der homogene Organokatalysator in der DES Phase immobilisieren lässt. Somit konnte über vier Zyklen ohne die Zugabe neuen Katalysators, das gewünschte Produkt produziert werden. Allerdings wurde durch jeden weiteren Zyklus DES und kleine Mengen des Katalysators mitextrahiert wodurch ab dem fünften Zyklus keine Aktivität mehr beobachtet werden konnte. Insgesamt konnte jedoch ein System entwickelt werden, welches aktuellen Systemen in vielen Aspekten überlegen ist. So konnte unter anderem die äquivalente Menge der Acetaldehydquelle stark reduziert werden, giftige Komponenten durch ungiftige oder schwach giftige Reagenzien ersetzt werden, während die Ausbeute pro Zeiteinheit konstant blieb oder anstieg. Insgesamt handelt es sich um eine grundlegende Arbeit, die das Potential von DES im Bereich der Organo- und Biokatalyse aufzeigt, als auch die Vorteile einer in situ Generierung von instabilen Reaktionspartnern.

This Ph.D. thesis deals with the question, if an in situ generation of acetaldehyde is advantageous for chosen catalytic processes. Starting point of this idea is a slow release of highly reactive acetaldehyde by transesterification reactions of vinyl esters with the enzyme CALB. Another approach is the oxidation by alcohol dehydrogenases. As benchmark reaction for detecting acetaldehyde, the cross coupling aldol reaction with p-nitrobenzyaldehyde catalyzed by proline derivatives was chosen. Overall, this system describes a chemo-enzymatic one-pot multi-step reaction. One of the key factors was the use of a new solvent class: A deep eutectic solvent (DES). Under all tested solvents, this solvent class delivered best results. A deep eutectic solvent is a mixture of molten salts which has a lower melting point than those observed for the single components. An important criteria for counting to the class of DES is a melting point of <150 °C. After optimization, the sensitive benchmark reaction gave the desired product in up to 84 % yield and 96 % ee. Further studies focus then on the recyclability of the solvent. It was also possible to demonstrate that the organocatalyst was immobilized in the DES phase. In a first proof of concept, four cycles could be successfully conducted without further addition of catalyst. Even though the system suffers catalyst leaching, this system is superior in certain aspects compared to already established reaction systems (e.g. by reducing the amount of acetaldehyde equivalents to a minimum, substituting hazardous components with harmless ones). In conclusion, this work emphasizes the potential of DES in the area of bio- and organocatalysis as well as the advantage of generating highly reactive reaction partners in situ.

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