Liese, AndreasAndreasLiese12031830X0000-0002-4867-9935Huang, LeiLeiHuang2018-12-032018-12-032018http://tubdok.tub.tuhh.de/handle/11420/1898Lactone und Lactame sind cyclische Ester bzw. Amide. Sie werden als Monomere für die Synthese von Polyestern und Polyamiden wie Polycaprolacton und Polycaprolactam eingesetzt und finden als vielseitig einsetzbare Polymere Anwendungen im täglichen Leben sowie in der Industrie. Weiterhin werden Lactone und Lactame als Rohstoffe in der pharmazeutischen Industrie, als Aromen und Duftstoffe oder zum Bleichen verwendet. Bei der industriellen Synthese der meisten Lactone und Lactame werden seit langem chemische Synthesemethoden angewendet, die vor Jahrzehnten auf teure Metallkatalysatoren, aggressive Chemikalien, hohe Temperaturen und auf nicht erneuerbare Ressourcen angewiesen sind. Daher besteht die Notwendigkeit, nachhaltigere Methoden für die Synthese von Lactonen und Lactamen zu entwickeln. Im Allgemeinen zeigen enzymatische Reaktionen eine hohe Selektivität und können unter milden Bedingungen durchgeführt werden, was im Vergleich zu chemischen Methoden zu umweltfreundlicheren Verfahren führt. Im ersten Teil der Dissertation wurde eine Nicotinamidadenindinucleotid (NADH)-abhängige redoxneutrale und konvergente Kaskade für Lactonisierungen entwickelt. Die redoxneutrale, konvergente Kaskade besteht aus einer kürzlich entdeckten Flavin-haltigen Typ-II-Monooxygenase aus Rhodococcus jostii RHA1 (FMO-E) und der bekannten Pferdeleber-Alkoholdehydrogenase (HLADH). Zwei Moläquivalente Keton-Substrat, umgesetzt durch FMO-E und ein Moläquivalent Diol-Substrat, umgesetzt durch HLADH, reagierten zu drei Moläquivalenten eines einzelnen Lactons als Produkt mit hoher Atomeffizienz und autarker Cofaktorregeneration. Hierzu wurden zwei Modellreaktionskaskaden für die Synthese von γ-Butyrolacton und chiralen, bicyclischen Lactonen gezeigt. Die biochemische Charakterisierung von FMO-E und HLADH wurde zunächst anhand der jeweiligen Substrate der einzelnen Enzyme in den evaluierten Kaskaden durchgeführt, um die optimalen Reaktionsbedingungen zu ermitteln. Nachdem diese für die enzymatische Kaskade festgelegt werden konnten, war es möglich, sowohl achirale als auch chirale Lactonprodukte in hohen analytischen Ausbeuten (87%) und moderaten bis hohen Enantioselektivitäten (bis zu 99%) zu synthetisiert. Im zweiten Teil wurde eine direkte Synthese von Lactamen (5-, 6- und 7-gliedrig) ausgehend von Aminoalkoholen in einer parallelen Kaskade durchgeführt. Dazu bildete die HLADH zusammen mit der wassererzeugenden NADH-Oxidase-Variante aus Streptococcus mutans (SmNOX) die parallele Kaskade. Zunächst wurden die entscheidenden Reaktionsparameter für die Effizienz dieser neuen Kaskadenreaktion untersucht. Der pH-Wert des Puffers, die Konzentrationen von HLADH und NAD+ wurden als die Schlüsselparameter für die Lactambildungsreaktion identifiziert. Unter den optimierten Bedingungen konnte bei dieser neu entwickelten Kaskadenreaktion, bzgl. der Synthese von γ-Butyrolactam, eine analytische Ausbeute von bis zu 95% erzielt werden, wobei die Ausbeute mit zunehmender Ringgröße abnahm, wie es auch aus der Literatur für Ringschlussreaktionen bekannt ist. Insgesamt befasste sich diese Arbeit mit neuen biokatalytischen Ansätzen zur Synthese von Lactonen und Lactamen. Für die Lactonsynthese wurde eine NADH-abhängige redoxneutrale, konvergente Kaskade, bestehend aus FMO-E und HLADH, für die Synthese von γ-Butyrolacton und chiralen, bicyclischen Lactonen mit hoher Atomeffizienz in eigenständiger Cofaktorregeneration entwickelt. Über die Lactamsynthese wurde hiermit erstmals von der direkten Synthese von Lactamen aus Aminoalkoholen berichtet, welche durch eine Alkoholdehydrogenase realisiert werden konnte. Die NAD+-Regeneration wurde hierbei ebenfalls durch die Kupplung von SmNOX erreicht, wobei Wasser das einzige Nebenprodukt darstellte.Lactones and lactams are cyclic esters and amides, respectively. They are the monomers of polyesters and polyamides, such as polycaprolactone and polycaprolactam, which are the commonly used polymer materials in our daily life and in industry. Apart from that, lactones and lactams are also widely used as raw materials in the pharmaceutical industry and as flavors and fragrances or laundry detergents for bleaching. Up to date, the industrial synthesis of most of the lactones and lactams applies chemical synthesis methods established decades ago that need expensive metal catalysts, aggressive chemicals, high temperature, and depend on non-renewable resources. Thus, there is a necessity to develop more sustainable methods for the synthesis of lactones and lactams. In general, enzymatic reactions show high selectivity and can be conducted in mild conditions leading to environmentally benign approaches compared to chemical methods. In the first part of the PhD study, a nicotinamide adenine dinucleotide (NADH)-dependent redox-neutral convergent cascade for lactonizations was developed. The redox-neutral convergent cascade is composed of a recently discovered type II flavin-containing monooxygenase from Rhodococcus jostii RHA1 (FMO-E) and the well-known horse liver alcohol dehydrogenase (HLADH). Two molar equivalents of ketone substrate converted by FMO-E and one molar equivalent of diol substrate converted by HLADH were converted into three molar equivalents of the single lactone product with high atom efficiency and self-sufficient cofactor regeneration. Two model cascade reactions were demonstrated for the synthesis of γ-butyrolactone and chiral bicyclic lactones. Biochemical characterization of FMO-E and HLADH was firstly done using the individual substrates of the enzymes in the evaluated cascades in order to find the optimal reaction conditions. Having identified the optimized conditions for the enzymatic cascade, achiral and chiral lactone products could be synthesized in high analytical yields (87%) and moderate to high enantioselectivities (up to 99%). In the second part of the PhD study, a direct synthesis of lactams (5-, 6- and 7-membered) starting from amino alcohols in a parallel cascade was developed. HLADH together with the H2O forming NADH oxidase variant from Streptococcus mutans (SmNOX) made up the parallel cascade. First, crucial reaction parameters for the efficiency of this novel cascade reaction were elucidated. pH of the buffer, concentrations of HLADH and NAD+ were identified as the key parameters for the lactamization reaction. Under the optimized conditions, up to 95% analytical yields could be achieved in this newly developed cascade reaction in the case of γ-butyrolactam, whereby the yield decreased with increasing ring-size, as also known from the literature for ring-closure reactions. Overall this PhD study dealt with new biocatalytic approaches for the synthesis of lactones and lactams. For lactone synthesis, NADH-dependent redox-neutral convergent cascade consisting of FMO-E and HLADH was developed for the synthesis of γ-butyrolactone and chiral bicyclic lactones with high atom efficiency in a self-sufficient cofactor regeneration fashion. For lactam synthesis, it was the first report on the direct synthesis of lactams from amino alcohols catalyzed by an alcohol dehydrogenase. The NAD+ regeneration was also achieved by coupling the SmNOX forming H2O as the sole by-product.enhttp://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/LactonsyntheseLactamsyntheseRhodococcus jostii RHA1Pferdeleber-AlkoholdehydrogenaseAlkoholdehydrogenaseNaturwissenschaftenDoctoral Thesisurn:nbn:de:gbv:830-882.02420910.15480/882.189511420/189810.15480/882.1895Pörtner, RalfRalfPörtnerOther