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Organic Synthesis with Enzymes in Non-Aqueous Media

Giacomo Carrea, Sergio Riva

Gebunden, 328 Seiten
1. Auflage, 2008
ISBN: 3-527-31846-1
Wiley-VCH

Beschreibung

Closing a gap in the literature, this comprehensive book examines and discusses different non-aqueous systems from organic solvents to ionic liquids for synthetic applications, thus opening the door to new successful methods for biocatalytic reactions. It gathers into one handy source the information otherwise widely spread throughout the literature, combining useful background information with a number of synthetic examples, including industrial scale processes for pharmaceutical and fine chemicals.

Extremely well structured, the text introduces the fundamentals of non-aqueous enzymology, before going on to new reaction media and synthetic applications using hydrolases and non-hydrolytic enzymes.

The one-stop reference for everyone working in this hot field.

Besprechung

Enzyme bieten vielmals einzigartige Selektivitäten in der Umsetzung geeigneter Substrate. Neben Beispielen enantioselektiver Reaktionen sind erstaunliche Chemoselektivität und Regioselektivität bei der Umsetzung multifunktionaler Moleküle berichtet worden. Ein Nachteil ist hingegen, dass Enzyme nur mit Einschränkungen in organischen Lösungsmitteln funktionieren, denn sowohl Enzym als auch die ursprünglichen, biologischen Substrate sind wasserlöslicher als die Moleküle, die den chemischen Alltag bestimmen.

Damit Enzyme mit einer vergleichbaren Aktivität und Selektivität wie unter physiologischen Bedingungen auch in einem organischen Lösungsmittel funktionieren, stehen einige sehr interessante Techniken zur Verfügung, die im ersten Teil des Buches beschrieben werden. Ganz grundsätzlich werden mehrere Effekte erläutert, welche auf die Funktion eines Enzyms Einfluss haben. Auch wenn die Kapitel sich partiell überschneiden, so sind die Grundlagen absolut lesenswert und für fortgeschrittene Studenten auch in der mathematischen Formelsprache, die in einigen Kapiteln verwendet werden, nachvollziehbar. Auch im nachfolgenden Teil, der mit einer grossen Zahl an Beispielen von Reaktionen aufwartet, fallen einige Kapitel mit einem hohen Anteil an konkreten Formeln auf, die vor allem Ingenieure ansprechen dürfen. So werden z.B. biphasische Umsetzungen detailliert auch in Bezug auf den industriellen Massstab mit einer Vielzahl an mathematischen Formeln erläutert, wohingegen andere Kapitel sich auf Reaktionen aus der aktuellen Literatur beschränken.

Die sehr gute Einleitung und die Vielzahl an Beispielen von Umsetzungen wichtiger funktioneller Gruppen, sowie die sehr guten eher formelbehafteten, technischen Kapitel machen das Buch für alle interessant, die sich für Enzyme interessieren oder im Scale-Up von Reaktionen nach Alternativen suchen bzw. konkrete Angaben und Hinweise zum Einsatz von Enzymen benötigen.

Inhalt

Part One Biocatalysis in Neat Organic Solvents – Fundamentals.

1 Fundamentals of Biocatalysis in Neat Organic Solvents (Patrick Adlercreutz).

1.1 Introduction.

1.2 Effects of Water on Biocatalytic Reactions.

1.3 Solvent Effects.

1.4 Effects on Equilibria.

1.5 Effects of pH in Organic Solvents.

1.6 Concluding Remarks.

2 Effects of Organic Solvents on Enzyme Selectivity (Jaap A. Jongejan).

2.1 Introduction.

2.2 Enzyme Enantioselectivity.

2.3 Effects of Organic Solvents on the E-value.

2.4 Possible Causes of the Complexity of Solvent Effects on E.

2.5 The Accuracy of E-value Determinations.

2.6 Kinetic and Thermodynamic Analysis of the Specifi city Constants.

2.7 Solvents Effects on Non-Hydrolytic Enzymes.

2.8 Major Achievements.

2.9 Concluding Remarks.

3 Activating Enzymes for Use in Organic Solvents (Anne L. Serdakowski, Jonathan S. Dordick).

3.1 Introduction.

3.2 Water – A Unique and Necessary Solvent for Enzymatic Catalysis.

3.3 Enzyme Activation in Nonaqueous Media.

3.4 Salt-Activated Enzymes.

3.5 Conclusions.

Part Two Biocatalysis in Neat Organic Solvents – Synthetic Applications 4 Exploiting Enantioselectivity of Hydrolases in Organic Solvents (Hans-Erik Högberg).

4.1 Introduction.

4.2 Enantioselective Reactions in Organic Solvents.

4.3 Summary and Outlook.

5 Chemoenzymatic Deracemization Processes (Belén Martín-Matute and Jan-E. Bäckvall).

5.1 Introduction.

5.2 Dynamic Kinetic Resolution.

5.3 Cyclic Deracemizations.

5.4 Concluding Remarks.

6 Exploiting Enzyme Chemoselectivity and Regioselectivity (Sergio Riva).

6.1 Introduction.

6.2 Chemoselectivity of Hydrolases.

6.3 Regioselectivity of Hydrolases.

6.4 Closing remarks.

7 Industrial-Scale Applications of Enzymes in Non-Aqueous Solvents (David Pollard and Birgit Kosjek).

7.1 Introduction.

7.2 Ester Synthesis by Esterifi cation.

7.3 Resolution of Racemic Alcohols.

7.4 Kinetic Resolution of Racemic Amines.

7.5 Resolution of Amino Alcohols and Methyl Ethers.

7.6 Resolution of an Ester.

7.7 Desymmetrization by Transesterifi cation.

7.8 Regioselective Acylation.

7.9 Asymmetric Ring Opening of Racemic Azlactone.

7.10 Cyanohydrin Formation.

7.11 Outlook.

Part Three Biocatalysis in Biphasic and New Reaction Media.

8 Biocatalysis in Biphasic Systems: General (Pedro Fernandes and Joaquim M. S. Cabral).

8.1 Introduction.

8.2 Organic-Aqueous Biphasic Systems: General Considerations.

8.3 Classifi cation of the Systems: Macro- and Microheterogeneous Systems.

8.4 Mechanisms of Enzyme Inactivation.

8.5 Approaches to Protection of the Enzyme.

8.6 Solvent Selection.

8.7 Operational Parameters.

8.8 Reactor Types.

8.9 Downstream Processing.

8.10 Recent Applications.

8.11 Conclusions.

Acknowledgments.

9 Biocatalysis in Biphasic Systems: Oxynitrilases (Manuela Avi and Herfried Griengl).

9.1 Introduction.

9.2 Biphasic Systems.

9.3 Conclusion.

10 Ionic Liquids as Media for Enzymatic Transformations (Roger A. Sheldon and Fred van Rantwijk).

10.1 Introduction.

10.2 Solvent Properties of Ionic Liquids.

10.3 Enzymes in Ionic Liquids.

10.4 Enzymes in Nearly Anhydrous Ionic Liquids.

10.5 Stability of Enzymes in Nearly Anhydrous Ionic Liquids.

10.6 Whole-Cell Biotransformations in Ionic Liquids.

10.7 Biotransformations in Ionic Liquid Media.

10.8 Downstream Processing.

10.9 Conclusions.

11 Solid/Gas Biocatalysis (Isabelle Goubet, Marianne Graber, Sylvain Lamare, Thierry Maugard and Marie-Dominique Legoy).

11.1 Introduction.

11.2 Operating Solid/Gas Systems.

11.3 Infl uence of Operational Parameters on the Dehalogenase Activity of Whole Dehydrated Cells.

11.4 Conclusion.

12 Biocatalysis with Undissolved Solid Substrates and Products (Alessandra Basso, Sara Cantone, Cynthia Ebert, Peter J. Halling and Lucia Gardossi).

12.1 Introduction.

12.2 The Reaction System: Classifi cation.

12.3 Theory.

12.4 Factors Affecting the Reactions in the Presence of Undissolved Substrates/Products.

12.5 Precipitation-Driven Synthesis of Peptides.

12.6 Precipitation-Driven Synthesis of Esters and Surfactants.

12.7 The Synthesis of β-Lactam Antibiotics in the Presence of Undissolved Substrates.

12.8 Conclusion.