Design and optimization of a multienzymatic cascade towards fragrance aldehydes

Abstract

Aromatische Aldehyde finden in der Industrie zahlreiche Anwendungen, z. B. als Aromastoffe, als Duftstoffe für Parfüms und Kosmetika. Sie weisen auch wertvolle Eigenschaften als Zwischenprodukte für die chemische Synthese von Arzneimitteln auf. Einige prominente Beispiele sind Vanillin, der Hauptbestandteil von Vanilleextrakt, oder Benzaldehyd, das zur Herstellung von Mandel- oder Kirscharomen verwendet wird. Bei der industriellen Herstellung von Duftstoffaldehyden werden jedoch häufig Petrochemikalien oder giftige Chemikalien als Ausgangsstoffe verwendet. Darüber hinaus haben die damit verbundenen Prozesse einen hohen Energiebedarf und damit einen großen CO2-Fußabdruck. Umweltfreundliche Verfahren zur Herstellung von Duftstoffen werden aufgrund mangelnder Wettbewerbsfähigkeit oder Anwendbarkeit noch nicht in großem Umfang eingesetzt. In dieser Arbeit wird eine Erweiterung der Anwendbarkeit einer zuvor entwickelten enzymatischen Kaskade für die Synthese aromatischer Duftaldehyde aus Phenylpropenen vorgestellt.Die zuvor in vivo etablierte chemoenzymatische Kaskade nutzt eine Wacker-Oxidation, um natürlich vorkommende Phenylpropene in Ketone umzuwandeln, aus denen dann in einer Reihe von enzymatischen Transformationen, durch eine Baeyer Villiger Monooxygenase (BVMO), eine Esterase und eine Alkohol Dehydrogenase (ADH), die entsprechenden Aldehyde entstehen. Leider wurde sie durch die Bildung von Nebenprodukten aufgrund der Überoxidation der Aldehyde zu Carbonsäuren stark beeinträchtigt. Um die Bildung von Carbonsäuren abzuschwächen, wurden die Enzyme für die Kaskade extrahiert und dazu eine geeignete Alkoholdehydrogenase aus möglichen Kandidaten gescreent. Des Weiteren wurde durch Zugabe eines Hilfssubstrats eine Verschiebung des Reaktionsgleichgewichts zur Produktseite erreicht. Die Anwendungsreichweite der Reaktionssequenz wurde an acht natürlichen und nicht natürlichen 2-Propenylbenzolen getestet, welche unterschiedliche Ausbeuten der jeweiligen Aldehyde ergaben.

Aromatic aldehydes bear many applications in industry, such as utilization as flavourings or as fragrance ingredients for perfumes and cosmetics. They also show valuable properties as intermediates for chemical synthesis of pharmaceuticals. Some prominent examples are Vanillin, which is the main ingredient in vanilla extract, or benzaldehyde which is used to produce almond or cherry flavourings. However, industrial production of fragrance aldehydes often involves the use of petrochemicals or toxic chemicals as precursors. Furthermore, the processes associated have a high energy demand and thus a high carbon footprint. Green processes towards the production of fragrance have not been yet widely adopted due to lack of competitiveness or applicability. Herein an expansion of the applicability of a previously developed enzymatic cascade towards the synthesis of aromatic fragrance aldehydes from phenylpropenes is presented.The previously in vivo established chemoenzymatic cascade uses a Wacker oxidation to transform naturally occurring phenylpropenes into ketones, then in a series of enzymatic transformations, including a Baeyer Villiger monooxygenase (BVMO), an esterase and an alcohol dehydrogenase (ADH), affords the corresponding aldehydes. Unfortunately, it was majorly affected by side product formation due to over oxidation of the aldehydes towards the carboxylic acids. To mitigate the formation of carboxylic acids the enzymes for the cascade were extracted and to do so a suitable ADH was screened out of possible candidates. Further, a shift towards the product side was achieved by addition of an auxiliary substrate. The scope of the reaction sequence was demonstrated on eight natural and non-natural 2‐propenylbenzenes, yielding varying amounts of the respective aldehydes.