Development of novel chemoenzymatic one-pot reactions for the synthesis of fragrance aldehydes

Abstract

Aromatische Aldehyde sind wichtige Aromastoffe und werden in großem Umfang in der Lebensmittel- und Aromaindustrie verwendet. Sie sind chemisch durch verschiedene Verfahren zugänglich, werden aber meist durch stöchiometrische Schritt-für-Schritt-Verfahren synthetisiert. Die Hauptnachteile dieser Methoden sind zum einen, die Abhängigkeit von großen Mengen an Hilfsstoffen, wodurch es zur Bildung erheblicher Abfallmengen kommt, und zum anderen der hohe Zeitaufwand solcher Synthesen. Chemoenzymatische-Eintopfreaktionen stellen eine variable Strategie zur Umgehung dieser Probleme dar. Durch die Kopplung mehrerer Transformationen in einer Reaktionssequenz entfällt u.a. die Notwendigkeit der Isolierung von Zwischenprodukten, was die Abfallmenge reduziert. In dieser Arbeit wird ein Konzeptnachweis für zwei neuartige chemoenzymatische Eintopfreaktionssequenzen zur Synthese aromatischer Aldehyde aus einem erneuerbaren Ausgangsstoff gezeigt. Als idealer Ausgangspunkt wurden natürlich vorkommende Phenylpropenderivate gewählt. Route A umfasst eine chemische Transformation, die mit einer dreistufigen enzymatischen Kaskade gekoppelt ist.Der erste Schritt besteht aus einer PdCl2-katalysierten Isomerisierung der endständigen olefinischen Bindung der 3-Phenylpropene. Hierfür wurde eine einfache lösungsmittelfreie Methode unter milden Bedingungen verwendet. Die konjugierte Doppelbindung wird dann enzymatisch durch eine aromatische Dioxygenase (ADO) gespalten, um die gewünschten Aldehyde zu erhalten. Auch hier wurden acht natürliche und nicht-natürliche Phenylpropene getestet. Route B erlaubte jedoch nur die Umwandlung von Isoeugenol in Vanillin, aufgrund der niedrigen Substratakzeptanz des Enzyms.In der ersten Stufe werden die Phenylpropene durch eine Wacker-Oxidation in die entsprechenden Phenylpropan-2-one umgewandelt. Um die nachfolgenden enzymatischen Reaktionen zu ermöglichen, wurden biokompatible Verfahren aus der Literatur getestet und optimiert. Die erste enzymatische Umsetzung in Form einer Baeyer-Villiger-Oxidation, katalysiert durch eine Baeyer-Villiger-Monooxygenase (PAMO, TmCHMO), führt zur Bildung des Acetatesters. Nach anschließender Hydrolyse durch eine Esterase (PfeI) und Oxidation des gebildeten primären Alkohols durch eine Alkoholdehydrogenase (AlkJ) können die gewünschten Aldehyde gewonnen werden. Die enzymatische Kaskade wurde mit einem Mischkulturansatz unter Verwendung der Ganzzell-Biokatalyse realisiert. Die Anwendungsreichweite der Reaktionssequenz wurde an acht natürlichen und nicht-natürlichen Phenylpropenen demonstriert, und die entsprechenden Aldehyde konnten mit unterschiedlicher Ausbeute gewonnen werden. Route B umfasst eine synthetische Umwandlung, die mit einem enzymatischen Schritt gekoppelt ist

Aromatic aldehydes are important fragrance compounds and are used extensively in the food and flavour industry. They are accessible through various means but are traditionally synthesized by stochiometric step-by-step procedures. The main drawbacks of these methods are the dependence on high amounts of auxiliary substances, which leads to the formation of considerable amounts of waste, and they are also time-consuming. Chemoenzymatic one-pot reactions represent a variable strategy to circumvent these issues. Among other things, the coupling of several transformations into one reaction sequence eliminates the necessity for the isolation of intermediates which reduces the amount of waste produced. Herein a proof of concept for two novel chemoenzymatic one-pot reaction sequences for the synthesis of aromatic aldehydes from a renewable feedstock is demonstrated. Natural occurring phenylpropene derivatives were chosen as the ideal starting point. Route A incorporates one chemical transformation coupled with a three-step enzymatic cascade. In the first step, a Wacker-Oxidation transforms the phenylpropenes to the respective phenylpropan-2-ones. To enable the subsequent enzymatic reactions, biocompatible procedures from the literature were tested and optimized. The first enzymatic transformation in the form of a Baeyer-Villiger-Oxidation catalyzed by a Baeyer-Villiger-monooxygenase (PAMO, TmCHMO) leads to the formation of the acetate ester. After subsequent hydrolysis by an esterase (PfeI) and oxidation of the formed primary alcohol by alcohol dehydrogenase (AlkJ) the desired aldehydes can be obtained. The enzymatic cascade was realized with a mixed culture approach using whole-cell biocatalysis. The scope of the reaction sequence was demonstrated on eight natural and non-natural phenylpropenes, and the respective aldehydes were obtained with varying yields. Route B incorporates a chemical transformation that is coupled with an enzymatic step. The first step consists of a PdCl2 catalyzed isomerization of the terminal olefin bond of 3-phenylpropene. For this, a convenient solvent-free method under mild conditions was utilized. The conjugated double bond is then enzymatically cleaved by an aromatic dioxygenase (ADO) to form the desired aldehyde. Again, eight natural and non-natural phenylpropenes were tested. However, route B only allowed the conversion of isoeugenol to vanillin due to the limitation of the substrate acceptance of the enzyme. In the first step, a Wacker-Oxidation transforms the phenylpropenes to the respective phenylpropan-2-ones. To enable the subsequent enzymatic reactions, biocompatible procedures from the literature were tested and optimized. The first enzymatic transformation in the form of a Baeyer-Villiger-Oxidation catalyzed by a Baeyer-Villiger-monooxygenase (PAMO, TmCHMO) leads to the formation of the acetate ester. After subsequent hydrolysis by an esterase (PfeI) and oxidation of the formed primary alcohol by an alcohol dehydrogenase (AlkJ) the desired aldehydes can be obtained. The enzymatic cascade was realized with a mixed culture approach using whole-cell biocatalysis. The scope of the reaction sequence was demonstrated on eight natural and nonnatural phenylpropenes, and the respective aldehydes were obtained with varying yields. Route B incorporates a chemical transformation which is coupled to an enzymatic step (scheme 2).