Biokatalytische Methoden in der Organischen Synthese

• Synthese chiraler Caprolactone, 6-Hydroxcarbonsäuren und 1,6-Diole

Eine der Säulen der Grünen Chemie ist die Anwendung katalytischer Methoden einschließlich der Biokatalyse. Im Mittelpunkt unseres Forschungsinteresses steht die Gewinnung chiraler Lactone und 1,6-Diole mittels enzymatischer Methoden.

Chirale Lactone und Hydroxycarbonsäuren sind wertvolle Zwischenprodukte bei der Synthese von Naturstoffen und stellen ebenso Edukte für die Synthese von Polymeren dar. Untersucht wird die Hydrolyse von racemischen substituierten Caprolactonen mit verschiedenen Enzymen, wobei durch kinetische Racematspaltung oder enantioselektive Reaktion sowohl enantiomerenreine Lactone als auch Hydroxycarbonsäuren gewonnen werden können. Im Mittelpunkt des Interesses steht die Untersuchung von 7-substituierten Caprolactonen mit funktionalisierten Seitenketten.

Ausgehend von racemischen substituierten Caprolactonen erhält man durch reduktive Ringöffnung racemische 1,6-Diole. Im Mittelpunkt des Interesses stehen Untersuchungen zur Regio- und Enantioselektivität sowohl der enzymatischen Veresterung von racemischen 1,6-Diolen mit Lipasen oder Esterasen als auch der enzymatischen Hydrolyse von entsprechenden 1,6-Dioldiacetaten.

Im Zusammenhang mit den genannten Schwerpunkten stehen chemisch synthetische Arbeiten zur Darstellung von verschieden substituierten Siebenringlactonen, Hydroxycarbonsäuren und Diolen, die als Edukte für die biokatalytische Untersuchungen dienen, sowie deren Konfigurationsermittlung.

• Enzymatische Baeyer-Villiger-Oxidation

Die enzymatische Baeyer-Villiger-Reaktion unter Verwendung von Monooxygenasen ist ein weiterer Weg zur Synthese enanntiomerenreiner Caprolactone. Monooxygenasen, die wie die Cyclohexanon-Monooxygenase aus Acinetobacter NCIMB 9871 neben der Baeyer-Villiger-Oxidation auch Heteroatomoxidationen katalysieren, sind für die organische Synthesechemie, insbesondere für die Naturstoffsynthese, von großem Interesse. Die Cofaktorabhängigkeit dieser Monooxygenasen und die Probleme bei der Gewinnung der Enzyme erschweren eine Anwendung als Biokatalysatoren im Labor-Maßstab jedoch außerordentlich. Durch die Entwicklung eines effektiven Cofaktorregenierungssystems und eines einfachen Verfahrens zur Gewinnung der Cyclohexanon-Monooxygenase aus einem rekombinannten Escherichia coli-Stamm wurde die Grundlage für die Durchführung enzymatischer Baeyer-Villiger-Oxidationen mit Cyclohexanon-Monooxygenase im chemischen Labor geschaffen, die eine Synthese bisher unbekannter enantiomeren-reiner Lactone ermöglicht. Im Mittelpunkt der Forschungsarbeiten steht auch hier die enzymatische Synthese substituierter Caprolactone mit bisher nicht untersuchten funktionalisierten Seitenketten.

Forschungskontakte bestehen zu den Arbeitsgruppen von Prof. M.D. Mihovilovic, TU Wien, Prof. V.I. Tishkov, Lomonossov-Universität Moskau und Prof. U. Kragl, Universität Rostock.

•  Chirale Verbindungen aus nachwachsenden Rohstoffen

Lävulinsäure, eine bei der Hydrolyse von Hexosen und Hexose haltigen Materialien entstehende Ketocarbonsäure, und ihre Derivate sind Ausgangsstoffe für die Synthese eines breiten Spektrums von Chemikalien, Farbstoffen und Polymeren, wobei die Gewinnung chiraler Moleküle bisher kaum von Bedeutung ist. Im Mittelpunkt unseres Interesses steht die stereoselektive Synthese von chiralen Molekülen ausgehend von Lävulinsäure, deren Estern sowie der aus Lävulinsäure erhältlichen Angelica-Lactone unter Nutzung chemoselektiver und biokatalytischer Methoden.
Kooperation mit Prof. Dr. B. Kamm, Forschungsinstitut für Bioaktive Polymersysteme (BIOPOS) Teltow