[PDF] Enzymkatalysierte Cyanhydrin-Synthese in organischen

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[2] Y. Kameda, N. Asano, M. Yoshikawa, K. Matsui, J. Antibiot. 33 (1980)

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Vasella. Helu. Chim. Aeta 68 (1985) 989.

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G. Nayah, R. C. Whistler, ibid. 34 (1969) 97.

Enzymkatalysierte Cyanhydrin-Synthese in organischen Liisungsmitteln

Von Franz EffenbergeP. Thomas Ziegler und

SieSfried Forster

PfiZ et al. haben die enantioselektive Addition von

Blausaure

2 an Benzaldehyd und zahlreiche andere Alde-

hyde

1 in Gegenwart des Enzyms Mandelonitril-Lyase

(,,(R)-Oxynitrilase") zu optisch aktiven (R)-Cyanhydrinen

3 beschriebenl''. In den bisher ausschlieRlich angewende-

ten wal3rigen oder wa13rig-alkoholischen Systemen lauft je- doch neben der enzymkatalysierten Addition auch die che- mische Addition ab, die zu Racematen fiihrt, so daR haufig nur mal3ige optische Ausbeuten bei der Reaktion erhalten werdedl'l. 1 2 3 Die leichte Zuganglichkeit['' der Mandelonitril-Lyase (E.C.

4.1.2.10) aus Bittermandeln (prunus umygdulus) und Unter den

von uns gepriiften organischen Losungsmit- teln erwies sich Ethylacetat als am besten geeignet; die er- zielte Enantiomerenreinheit ist hoher als in H20/EtOH. Das Enzym kann dabei auf Tragern fixiert eingesetzt wer- den, es ist reisolierbar und kann wiederverwendet werden. Von den untersuchten Tragermaterialien ECTEOLA-Cel- lulose, DEAE-Cellulose, Glasperlen und Cellulose eignet sich Cellulose am besten. t -0 2b 40 60 f[minl - Abb. 1. Geschwindigkeit der chemischen (---) und enzymatischen Addition (-) von HCN an Benzaldehyd (Anfangskonzentration 5. IO-'hi) in H20/

EtOH und in

Ethylacetat(EE)/Cellulose.

Bei den friiheren Untersuchungen1'' war lediglich aus den Drehwerten der erhaltenen Produkte auf die optische Ausbeute geschlossen worden. Da nur Mandelslurenitril in reiner Form bekannt war, war nur im Falle der Reaktion von Benzaldehyd mit Blauslure auf diese Weise eine Aus- sage uber die optische Reinheit des Produkts moglich; im allgemeinen lassen aber die Drehwerte keine genauen Aus- sagen iiber die optische Reinheit einer Verbindung zu. Au- Rerdem konnen Cyanhydrine sehr leicht uber die Gleich- gewichtsreaktion racemisieren. Wir haben daher die erhal- tenen Cyanhydrine mit (R)-a-Methoxy-a-trifluormethyl- phenylessigsilurechlorid [R( +)-MTPA-Chl~ridl~'~ in die diastereomeren Ester iiberfuhrt und deren optische Rein- heit gaschromatographisch ermittelt. In Tabelle

1 sind die

Ergebnisse der von uns durchgefiihrten enzymatischen

Cyanhydrinsynthesen einerseits in H20/EtOH (nach

''I) und andererseits in Essigester einander gegenubergestellt. die groRe Bedeutung optisch aktiver Cyanhydkne zur Ge- optisc. aktiver ~~i~~~lk~h~l~[iC~, a-~ydroxycar- bonsauren,

Pyrethroid-In~ektizide[~'I, Imidazole und Hete-

r~cyclen'~~~ veranlaRte uns, diese Reaktion eingehender zu von Cyanhydrinen mit moglichst hoher Enantiomerenrein- Tabelle 1. Enzymatische Bildung von Cyanhydrinen 3 in H20/EtOH (siehe

Arbeitsvorschrift A) und in

Ethylacetat(EE)/Cellulose (siehe Arbeitsvor-

schfift B). untersuchen. Unser Ziel war die praparative Herstellung

3 in H20/EtOH 3 in EE/Cellulose

Reakt.- Ausb.

ee [a] Rcakt.- Ausb. ee [a] zeit zeit ' L-1. bl [Yo] [Oh1 bl VoI [%I neir. In Wasser/Ethanol fuhrte die Variation der Reaktions- bedingungen (pH- Wert, Temperatur, Konzentration) zu keinen wesentlichen Verbesserungen gegeniiber den frtihe- ren Befunden[". Bei Verwendung von organischen, nicht mit Wasser mischbaren Losungsmitteln, in denen enzym- katalysierte Reaktionen ebenfalls ablaufen k6nnen[41, wird die chemische Reaktion jedoch weitgehend unterdriickt, wahrend die enzymatische Cyanhydrinbildung nur etwas verlangsamt wird (Abb.

1). Dadurch nimmt die Enantio-

merenreinheit der Cyanhydrine deutlich zu.

1'1 Prof. Dr. F. Effenberger, Dr. T. Ziegler, Dr. S. F6rster

lnstitut fur Organische Chemie der UniversitBt

Pfaffenwaldring 55, D-7000 Stuttgan 80

Benzaldehyd

3-Phenoxy-

benzaldehyd

Furfural

Nicotin-

aldehyd

Crotonaldehyd

Phenyl-

acetaldehyd

3-Methylthio-

propionaldehyd

Pivalaldehyd

Butyraldehyd 1 99

5 99 2 86

2.5 78

1.5 68
4 82 3 87

2.5 56

2 75 86

10.5 69
6.7 76
27
60
45
69

2.5 95 99

192 99 98

4

88 98.5

4.5 89 14

3 68 97

4.5 95 40

6.5 97

80

4.5 78 73

4.5 75 96

[a] Als (R)-( +)-MTPA-Derivate.

Angew. Chern. 99 (1987) Nr. 5 8 VCH Verlaqsgesellschaft mbH. 0-6940 Weinheim. 1987 W4-8249/87/0505-049IO 02.50/0 491

Der Vergleich zeigt, daO in Essigester zwar langere Re- aktionszeiten in Kauf genommen werden miissen, die Enantiomerenreinheit jedoch wesentlich besser ist als bei den Reaktionen in EtOH/H20. Neuere Untersuchungen, optisch aktive Cyanhydrine mit Dipeptid-Katalysatoren'b' oder durch enzymatische Esterspaltung['] 0-acylierter Cyanhydrine henustellen, verliefen beziiglich det optischen und praparativen Aus- beuten wenig befriedigend.

Kotolysotor

T[K]

Arbeitsvorschrift

A) Zu 10 mL 0.05~ Acetat-Puffer (pH 5.4, 50% Ethanol) werden 150 pL Mandelonitril-Lyase-UIsung (700 EinheitedmL, A, =65 Einheitedmg in

0.02~ Acetat-Puffer, pH 5.4) pipettiert, dann werden 5 mmol Aldehyd 1 und

250 pL (6.5 mmol) 2 zugegeben. Man schiittelt bis zur Bildung einer klaren

LBsung, lBBt bei Raumtemperatur die in Tabelle

I angegebene Zeit stehen,

extrahiert mit Chloroform, trocknet den Extrakt und entfernt die organische

Phase im Rotationsverdampfer.

B) Man laBt

2 g Trager (AVICEL-Cellulose) in 20 mL 0.01 M Acetat-PuiTer

(pH

5.4) 1-2 h quellen. Nach Absaugen. Abpressen und Uberfiihren des Tra-

gen in einen Einhalskoben laBt man

150 pL Mandelonitril-Lyase-Lasung

(siehe unter A) zutropfen, gibt 20 mL Ethylacetat (mit 0.01 M Acetat-Puffer, pH

5.4, gesfrttigt), 5.0 mmol 1 und 250 pL (6.5 mmol) 2 zu, IfrDt die in Tabelle

1 angegebene Zeit bei Raumtemperatur stehen, saugt und preDt ab, wascht

mit Ethylacetat, trocknet die vereinigten UIsungen und entfernt die organi- sche Phase im Rotationsverdampfer.

Beispiel:

0.53 g Benzaldehyd 1, R= Ph, ergaben nach A in 1 h Reaktionszeit

0.66 g (99%) Benzaldehydcyanhydrin 3, R-Ph, [albo- +45" (e=5, CHCI,),

ee=86%. Nach Methode B wurden in 2.5 h 0.63 g (95%) 3, R-Ph, [a]g= +49' (c=5, CHCI,). ee=99.3% erhalten.

Eingegangen am

26. Januar,

ergfrnzte Fassung am

16. Februar 1987 [Z 20681

[SOz] [Cu] [Nil [Ni/Si02] [Rh/C] ':Co/C] [Ni/C]

870 770 670 570 520 470 360

[I] a) W. Becker, U. Benthin, E. Eschenhof. E. Pfeil, Biochem. Z. 337(1963) 156;
b) W. Becker, E. Pfeil, ibid. 346 (1966) 301; c) W. Becker, H. Freund, E. Pfeil, Angew. Chem. 77 (1965) 1139; Angew. Chem. Inr. Ed. Engl. 4 (1965) 1079; E. Pfeil, W. Becker, DBP 1300111 (1969); Chem. Absrr. 72 (1970)

P3061t.

121 E. Hochuli, Helu. Chim. Actu 66 (1983) 489.

131 a) T. Matsuo, T. Nishioka, M. Hirano, Y. Suzuki, K. Tsushima, N. Itaya,

H. Yoshioka, Pesric. Sci. 1980. 202; b) D. G. Neilson, D. A. V. Peters, L.

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24 (1985) 439; b) k M. Klibanov, CHEMTECH 1986. 354.

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Abstr. 104 (1986) 68624~.

[7] H. Hirohara, S. Mitsuda, E. Ando, R Komaki, Srud. Org. Chem. (Amster- dam) 22 (1985) 119; Chem. Absfr. 104 (1986) 67464~.

Decarbonylierungen an Nickel/Kohle-Kontakten**

Von Hans Bock* und Olaf Breuer

Professor Heinz

Harnisch zum 60. Geburtstag gewidmet

Oberflachen-Reaktion.en von Gasen und

mit[ld.'] Festkarpern lassen sich vorteilhaft durch PE-spek- troskopische Echtzeitanalysei2] des Gasgemisches nach Durchstromen der Reaktionszone auffinden und optimie- ren (vgl. Abb. 1). Als Modellreaktion fur heterogen kataly- sierte De~arbonylierungen[~~~ haben wir die Spaltung von

Cr~tonaldehyd[~'~ in CO und Propen bei

10 Pa an Quarz-

wolle, an Metallpulvern und an Tragerkontakten unter-

1'1 Prof. Dr. H. Bock, Dip1.-Chem. 0. Breuer

lnstitut fur Anorganische Chemie der Universitat

Niederurseler Hang,

D-6000 Frankfurt am Main 50

[**I Oberflachen-Reaktionen, 8. Mitteilung. Diese Arbeit wurde von der Hoechst AG, vom Fonds der Chemischen Industrie und von der Max-

Buchner-Stiftung gef6rdert.

~ Vorangehende Mitteilungen vgl. [I]. sucht (Schema

1). Bestgeeignet envies sich ein Nickel/

Kohle-K~ntakt[~], bei dem die

Decarbonylierungstempera-

tur um uber 500 K niedriger liegt als bei Quarzwolle[']. H + co

A H3C\ /

H

H3C\ /

Katalysator H/c=c\ H

Schema 1.

Dal3 die Reaktion durch die vermutlich in den Poren der oberflachenreichen Kohle vorhandenen Nicke\~\uster[~~ katalysiert wird, zeigt die selektive CO-Abspaltung aus

Furfurylaldehyd bei

400 K. Unkatalysiert zerfiillt Furfuryl-

aldehyd erst bei

700 K haherer Temperatur, wobei iiber-

wiegend Propin und CO entstehen (Abb. l)13b1. llOOK It 11 I, I1 I1 I1 It I1 I1 I1 I1 I,

H3C-CrC-H + 2CO

I1 I,

9 10 11 12 13 14 15 16 17 I€[eV]

Abb. 1. Thermische Zersetzung von Furfurylaldehyd an Quarzwolle (oben) und selektive Decarbonylierung an einem NickeVKohle-Kontakt (unten). He( I)-PE-Spektren und Reaktionsapparatur (A: Ausgangssubstanz, V: Vaku- umpumpen-Anschlu0, RZ: beheizte Reaktionszone, P: Produkt-Ausfrierfalle fiir GC-Analyse, PES: Verbindung zum PE-Spektrometer). Als Nebenpro- dukt der unkatalysierten Zersetzung werden geringe Anteile Acetylen (8) be- obachtet. Die schwarzen Banden im mittlercn und unteren Spektrum stam- men von CO

191. Das PE-Spektrum von reinem Furan ist bekannt 191. Die

Abwesenheit einer Acetylenbande im unteren Spektrum beweist. daB bei der Ni./C,-katalysierten Decarbonylierung von Furfurylaldehyd keine Neben- produkte entstehen.

Zahlreiche andere organische Carbonylverbindungen

lassen sich am Ni~kel/Kohle-Kontakt[~~ bei niedrigen Temperaturen im praparativen MaBstab, und nach Aus-

492 0 VCH Verlugsgesellsrhuji mbH. D-6940 Weinherm. 1987 0044-8249/87/0505-0492 $ 0Z.S0/0 Angew. Chem. 99 (1987) Nr. .f

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