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chirale Alkohole herstellen - Asymmetrische Reduktion

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chirale Alkohole herstellenAsymmetrische Reduktion

Mit Chiralidon®- R/S einfach und grün chirale Alkohole herstellen Reaktionen, die zu enantiomerenreinen sekundären Alkoholen führen, spielenin der Synthese von chiralenZwischenprodukten wie z.B. Active Pharmaceutical Ingredients (APIs) eine herausragende Rolle.

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chirale Alkohole herstellen: Asymmetrische Reduktion

Beispielsweise ist zu nennen (S)-Ethyl-4-chlor-3-hydroxybutanoat ((S)-ECHB) für die Herstellung von Statinen wie dem Cholesterinsenker Atorvastatin. Ältere chirale Arzneimittel sind nach wie vor als Racemate im Handel, weil es früher an geeigneten kostengünstigen Methoden fehlte, diese enantiomerenrein herzustellen wie beispielsweise das Fungizid Miconazol, das als Racemat im Handel ist, dessen (R)-Enantiomer aber etwa doppelt so wirksam ist. Hier wäre (R)-2-Chlor-1-(2,4-dichlorphenyl)ethanol ((R)-CDPE) das gewünschte chirale Intermediat (Bild 1).

Heute gibt es mehrere Möglichkeiten, um solche chiralen sekundären alkoholischen Bausteine herzustellen. Zum einen bietet sich der „chiral pool“ (Weinsäure, Milchsäure, Iso-ascorbinsäure) an, um daraus durch Umwandlung und Erhalt der chiralen Eigenschaften die entsprechenden Bausteine herzustellen. Zum anderen sind es Reduktionen mit chemischen Methoden (Wasserstoff, BH3 u.a.m.) in Gegenwart von chiralen, meist metallorganischen Katalysatoren. Diese wurden und werden weiterhin intensiv untersucht. Letztlich sind die biokatalytischen Methoden zu nennen, die in den letzten Jahren einen enormen Aufschwung erhalten haben – mit einem noch nicht absehbaren Potential für die organische Synthese. Biokatalytische Reaktionen zeichnen sich durch Umweltfreundlichkeit, hohe Effizienz, was die Enantioselektivtät angeht, und einfache Reaktionsführung aus [1]. Sie sind der Inbegriff der grünen Katalyse.

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Die in der chemischen Reaktionsführung am häufigsten eingesetzten Biokatalysatoren sind die Hydrolasen wie die Lipasen und die Esterasen. Mit deren Hilfe lassen sich chirale Alkohole entweder durch kinetische Racematspaltung von entsprechenden Estern herstellen oder durch Veresterungen von racemischen Alkoholen in organischen Lösungsmitteln (Hexan, Toluol), in denen sie bemerkenswert stabil sind. Diese Reaktionen sind bereits Stand der Technik und werden auch im Produktionsmaßstab angewendet.

chirale Alkohole herstellen: Asymmetrische Reduktion

Enzyme in organischen Lösungsmitteln
Die Anwendung von Enzymen in organischen Lösungsmitteln ist für den Chemiker besonders interessant, weil hier nicht von bekannten Reaktionstechniken und Reaktionsführungen abgewichen wird. Also kein wässriges Medium, kein Puffer, keine pH-Kalibrierung während der Reaktion. Die einfache Reaktionstechnik beschränkt sich auf Rühren bis zum Reaktions- ende, Abfiltrieren des Katalysators und Isolierung der Produkte durch Destillation, Kristallisation oder Chromatographie. Dies gilt insbesondere für Lipasen wie dem Novozym® 435 (novo nordisk®), ein Immobilisat, bei dem das Enzym auf einem Polyacrylat adhäsiv gebunden ist. Novozym® 435 hat sich im Labor zu einem Standardenzym für enantioselektive Veresterungen im organischen Lösungsmittel mit breitem Substratspektrum entwickelt.

Als zweite wichtige Enzymklasse haben sich die Alkoholdehydrogenasen (ADH) für die asymmetrischen Synthesen von chiralen Alkoholen etabliert. Prochirale Ketone, meist Methylketone wie beispielsweise 2-Octanon, oder substituierte Methylketone wie Halogenmethylketone, werden direkt zu einem homochiralen Alkohol umgesetzt, und zwar mit hohen chemischen und optischen Ausbeuten in einer Einfachheit, wie sie kaum von einem metallkatalytischen chemischen Reduktionsprozess erreicht wird.

Für die Herstellung beider Enantiomeren stehen mittlerweile eine Vielzahl von unterschiedlichen Alkoholdehydrogenasen zur Verfügung, die sich ebenfalls durch große chemische Stabilität und einem – wenn auch nicht vergleichbar mit den Lipasen – großen Substratspektrum auszeichnen. Die ADH werden mit den bekannten gentechnischen Methoden hergestellt, wobei Enzyme mit katalytischen Eigenschaften für bestimmte Selektivitäten erhalten werden können. So lässt sich das oben erwähnte (S)-ECHB mit 99 % chemischer Ausbeute und einer Enantiomerenreinheit von 99 % durch Reduktion mit einer ADH aus Lactobacillus kefir einfach synthetisieren [2]. Das (R)-CDPE wird durch die Reduktion des entsprechenden Ketons mit einer chemischen Ausbeute von 99 % und einer Enantiomerenreinheit von ebenfalls 99 % erhalten, und zwar mit ADH-T einer ADH aus Thermoanaerobacter sp. [3]. Beides sind bereits Standard-Ketoreduktasen, die für ein breites Substratspektrum stehen.

Chiralidon®-R/S

Die enzymatische Reduktion in wässrigem Puffer mit Alkoholdehydrogenasen ist bereits auch eine in der Technik gut eingeführte Reaktion, die kaum von einer klassisch chemischen Reduktion übertroffen wird. Im chemischen Labor hingegen wendet man diese Methode allerdings seltener an. Im Unterschied zu den Lipasen benötigen Alkoholdehydrogenasen für ihre Wirksamkeit ein weiteres Molekül, das sogenannte Coenzym. Dies sind kleinere, ganz spezifisch auf die ADH abgestimmte Moleküle, die insofern wichtig sind, weil von diesen heraus die eigentliche Reduktion erfolgt, und zwar im Sinne einer Hydridübertragung auf den prochiralen Carbonylkohlenstoff. Die beiden wichtigen Coenzyme heißen NADH und NADPH. Jede ADH ist entweder NADH oder NADPH abhängig. Während der Reduktion binden die Coenzyme an ganz spezifischer Stelle an der ADH und übertragen dann enantioselektiv ein Hydridion. Die Coenzyme werden dabei oxidiert und zwar zu NAD+ bzw. NADP+.

Um wieder funktionsfähig zu sein, muss das Coenzym erneut in die entsprechende hydrierte Form NADH bzw. NADPH überführt (regeneriert) werden. Dies geschieht vorteilhafterweise mit einem zweiten Substrat, dem Cosubstrat und derselben ADH. In den meisten Fällen ist dieses Cosubstrat Isopropylalkohol. Die Regenerierung des Coenzyms erfolgt nun dadurch, dass Isopropylalkohol unter Bildung von Aceton oxidiert und das Coenzym reduziert wird. Diese Reaktionsführung ist bereits Stand der Technik und führt zu den genannten hohen chemischen und optischen Ausbeuten.

In den chemischen Laboren hat sich die Reduktion mit Alkoholdehydrogenasen aber noch nicht so durchgesetzt, wie es bei den Lipasen der Fall ist. Dies kann daran liegen, dass es bisher für diese Biokatalysatoren noch kein geeignetes einfach zu handhabendes Immobilisat gab, das auch Reaktionen in organischem Lösungsmittel erlaubt.

Isolierung und Reinigung der Produkte
Klassischerweise erfordert die ADH-Katalyse einige Vorarbeiten: Puffer muss angesetzt, der pH-Wert eingestellt, ADH, Coenzym und Cofactor wie Magnesiumsalze müssen eingewogen, hinzugefügt und gelöst werden. Das Substrat und das Cosubstrat Isopropylalkohol werden zugegeben, danach kann das Reaktionsgemisch gerührt werden.

Der nächste Schritt ist die Isolierung der Produkte, die praktisch immer durch Extraktion erfolgt. Hier gibt es sehr häufig Probleme der Phasentrennung, weil es oft zu Emulsionsbildung kommt. Bei anderen Produkten (2-Butanole, 2,3-Butandiole) kommt die sehr gute Wasserlöslichkeit hinzu, so dass man sehr oft mit sehr großen Mengen Lösungsmitteln extrahieren muss, um die gewünschte Ausbeute zu erhalten.

Die nächsten Schritte sind die Isolierung des Produktes durch Destillation, Kristallisation oder Chromatographie. Die wässrige Enzymphase kann eventuell weiterverwendet werden, wenn man erneut Coenzym hinzugibt. Anderenfalls muss sie entsorgt werden.

Ein Immobilisat vereinfacht die Reduktion mit ADH erheblich. Dieses Immobilisat steht nun zur Verfügung. Chiralidon®-R/S ist ein spezieller Katalysator, der die enantioselektiven Reduktionen mit Alkoholdehydrogenasen problemloser macht und mit dem die Reduktion sogar in einem organischen Lösungsmittel durchgeführt wird. Dies ist ein Vorteil für sowohl schlecht wasserslösliche als auch für sehr gut wasserlösliche Substrate.

Chiralidon® ist ein Feststoff (Bild 2). Der Katalysator enthält alles, was für die Reduktion benötigt wird: Die Alkoholdehydrogenase, die entweder R- oder S-spezifisch gemäß der Prelog-Regel [1] reduziert (Chiralidon®-R oder Chiralidon®-S), das Coenzym (NADPH oder NADH), den Cofactor (Mg-Salz) und den Puffer. Es ist ein All-inclusive-Immobilisat, bei dem alles, was für die enantioselektive Katalyse benötigt wird, enthalten ist [4].

Chiralidon vereinfacht Prozess deutlich
Die Reaktionsführung ist denkbar einfach. Man legt das Lösungsmittel vor, eine Mischung aus Isopropylalkohl (IPA) und Wasser (standardmäßig 90/10, v/v), löst das Substrat in dieser Mischung auf und gibt dann – je nachdem, welche Stereospezifität man haben möchte – Chiralidon®-R oder Chiralidon®-S hinzu. Gerührt wird meist bei Raumtemperatur, wobei man unbedingt beachten muss, dass der Katalysator beim Rühren nicht zermahlen wird, was Unwirksamkeit bewirkt. Die Reaktion kann über DC oder GC leicht verfolgt werden.

Auch die Aufarbeitung ist denkbar einfach. Der Katalysator wird abfiltriert. Das Produkt befindet sich in der organischen Phase. Die Aufarbeitung erfolgt wie üblich: Durch Destillation, Kristallisation oder Chromatographie wird das Produkt isoliert und gereinigt. Abfall fällt praktisch nicht an. Das Chiralidon® wird nach dem Abfiltrieren mit IPA gewaschen und im Vakuum getrocknet. Es kann vielfach wiederverwendet werden. Im Kühlschrank ist Chiralidon® über Monate stabil und verträgt auch schon mal ein, zwei Tage Raumtemperatur.

Fazit
Mit Chiralidon®-R/S steht dem Chemiker im Labor ein einfacher, wirksamer und grüner Katalysator für die enantioselektive Reduk-tion von prochiralen Ketonen zur Verfügung. Wer den herausragenden Katalysator testen möchte wende sich bitte an die unten angegebene E-Mail-Adresse.

Literatur
[1] G.E. Jeromin, M. Bertau; Bioorganikum, Praktikum der Biokatalyse. 2005 Wiley-VCH Verlag & Co. KGaA, Weinheim, ISBN 3-527-31245-5.
[2] M. Amidjojo and D. Weuster-Botz; Tetrahedron Asymmetry 16 (2005) 899-901.
[3] J. Mangas-Sánchez, E. Busto, V. Gotor-Fernández, F. Malpartida and V. Gotor; J. Org. Chem. 2011, 76, 2115-2122.
[4] G.E. Jeromin, Biotechnol Lett (2009) 31:1717-1721.

Prof. Dr. Günter E. Jeromin

Prof. Dr. Günter E. Jeromin
Ehemals Fachhochschule Aachen, Campus Jülich
Organische Chemie und Biokatalyse
Heidelberg
E-Mail: chiralidon@googlemail.com

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