Onderzoekers van het Van't Hoff Instituut voor Moleculaire Wetenschappen (HIMS) van de Universiteit van Amsterdam hebben het eerste levensvatbare biokatalytische 'groene' proces ontwikkeld voor de chemoselectieve oxidatie van aldehyden tot carbonzuren. Het artikel dat het onderzoek beschrijft, verschijnt in de huidige editie van het tijdschrift Groene chemie .

De oxidatie van aldehyden tot carbonzuren is een belangrijke en industrieel relevante chemische reactie, bijvoorbeeld met betrekking tot de synthese van geneesmiddelen en biobased polymeren. De huidige oxidatieprocedures vereisen het overvloedige gebruik van giftige chemische reagentia en produceren vaak ongewenste bijproducten.

Op zoek naar verbetering van de ecologische voetafdruk voor aldehydeoxidatie, verschillende nieuwe synthetische methoden zijn onderzocht. Tot nu, echter, er geen economisch haalbare procedure is ontwikkeld die is gebaseerd op milieuvriendelijke reagentia en/of oplosmiddelen, en dat een verhoogde productiviteit combineert met een perfecte selectiviteit (wat betekent dat alleen gewenste aldehyde-functionele groepen worden geoxideerd, waardoor de vorming van ongewenste bijproducten wordt geminimaliseerd of zelfs volledig vermeden).

goedaardige biokatalyse

Als interessant 'groen' alternatief, biokatalytisch, op enzymen gebaseerde methoden voor de oxidatie van functionele groepen vertonen milde reactieomstandigheden (omgevingstemperatuur en atmosferische druk) in een waterige omgeving, en ze bereiken over het algemeen zeer goede selectiviteiten. Verder, ze kunnen moleculaire zuurstof gebruiken als een goedaardig oxidatiemiddel.

Het HIMS-onderzoeksteam onder leiding van DrFrancesco Mutti heeft nu met succes het gebruik van aldehydedehydrogenase-enzymen voor de oxidatie van aldehyden tot carbonzuren onderzocht. In een artikel dat onlangs is geaccepteerd door het invloedrijke RSC-tijdschrift Groene chemie , de onderzoekers presenteren een onderzoek naar drie recombinante aldehydedehydrogenasen afkomstig van runderlenzen en de bacteriën Escherichia coli en Pseudomonas putida. Voor regeneratie van het katalytische NAD+-co-enzym, ze pasten de H . toe ₂ O vormende NAD-oxidase uit Streptococcus mutans. De uiteindelijke bio-oxidatie verloopt in waterige fosfaatbuffer, onder milde reactieomstandigheden (40 °C en atmosferische druk) en verbruikt alleen dizuurstof uit lucht als oxidatiemiddel.

Uitgebreide studie

Om het potentieel van de drie enzymen te onderzoeken, de onderzoekers voerden een uitgebreide studie uit waarin ze eenenzestig structureel diverse aldehyden testten. De meeste van deze substraten (alifatische, aryl alifatisch, benzyl-, hetero-aromatische en bicyclische aldehyden) werden omgezet met opbrengsten van ruim 60% en in veel gevallen zelfs meer dan 99%. De enige uitzonderingen waren enkele ortho-gesubstitueerde benzaldehyden en twee bicyclische heteroaromatische aldehyden.

In alle gevallen, de chemoselectiviteit was perfect:er werd geen ander product gedetecteerd behalve het verwachte carbonzuur. Dit betekent dat andere oxideerbare functionaliteiten (zoals de hydroxylgroep, alkeen groepen, aryl groepen, en zwavel en stikstofheteroatomen) bleven onaangeroerd.

hele cellen

Aangezien voor praktische toepassingen het gebruik van hele cellen in plaats van gezuiverde enzymen de voorkeur heeft, het vermijden van tijdrovende en kostbare zuiveringsstappen, de onderzoekers onderzochten ook de bio-oxidatie met E. coli lyofiliseerde zowel hele cellen als rustende cellen. Het bleek dat suppletie van NAD+co-enzym en NOx-recycling-enzym in sommige gevallen achterwege kan blijven omdat de microbiële gastheer voldoende co-enzym produceert, die kunnen worden gerecycled door endogene E. coli-enzymen.

De onderzoekers concluderen dat aldehydedehydrogenasen het potentieel hebben om de eerste keuze te worden voor chemoselectieve oxidatie van aldehyden tot carboxylgroepen. Hun biokatalytische methode is bijzonder aantrekkelijk voor de oxidatie van aldehydegroepen in moleculen die verdere oxideerbare groepen bevatten. Toekomstig onderzoek zal zich richten op het verbeteren van de enzymentolerantie voor substraatconcentratie en stabiliteit op lange termijn om een ​​nog bredere toepassing van deze enzymen mogelijk te maken.