TECHNISCHE HERSTELLUNG VON AMINOSÄUREN

Anastasia Zinchenko Sarah Calcagno

Betreuerin: Saskia Hähn

OC 6 Vortrag 16.07.2009

GLIEDERUNG

1. Einleitung

2. Herstellungsmethoden

3. Zusammenfassung und Fazit

4. Literaturquellen

EINLEITUNG

Erste Entdeckungen:

1806: N. Vauquelin und P. Robiquet - Asparagin

1818: J. Proust - Leucin

1820: H. Braconnot - Glycin

Erste technische Herstellung: 1908 in Japan

Natriumglutamat aus Salzsäurehydrolysat des Weizenklebers (Gluten)

EINLEITUNG

Technische Herstellung – Warum?

Bedarf an Aminosäuren:

Jahresproduktion liegt bei 1,6 Millionen Tonnen

Glutaminsäure: 650 000 TonnenD,L-Methionin: 450 000 TonnenL-Lysin: 450 000 TonnenL-Threonin: 30 000 Tonnen

EINLEITUNG

Verwendung:

- Lebensmittelindustrie:Geschmacksverstärker, Süßstoffe (Glu, Gly, Cys)

- Futtermittelindustrie:Tierernährung (Met, Lys, Trp, Thr)

- Pharmaindustrie:Medikamente, Infusionslösungen (Acetyl-Cys, L-DOPA)

Kosmetika, Pflanzenschutzmittel, Stabilisatoren für PVC, Dispersionshilfen, Hilfsmittel in der Galvanotechnik

HERSTELLUNGSMETHODEN

Extraktionsmethode

Enzymatische Methoden

Fermentationsmethode

Chemische Synthesen

EXTRAKTIONSMETHODE

Gewinnung von AS aus Proteinen (z.B. Kollagen, Keratin, ...)

1. Kochen mit HCl Peptidbindungen werden gespalten

2. Neutralisation Cys- und Tyr-reiche Fraktion fällt in Wasser aus

3. Eindampfen Leu- und Ile-reiche Fraktion fällt aus

4. Trennung der restlichen 16 Aminosäuren über Ionenaustausch-Chromatographie und fraktionierende Kristallisation

Cystein Tyrosin Prolin

ENZYMATISCHE METHODEN

Von technischer Bedeutung sind:

1. Umwandlung von Fumarsäure in L-Asparaginsäure mit AspartaseAspartase aus Escherichia coli und Brevibacterium flavum

Firmen: Naning Only Time, Kyowa Hakko Kogyo, Tanabe Seiyaku (China)Naturstoffe der chemischen Industrie, Spektrum, 1.Auflage, 2007, 139

ENZYMATISCHE METHODEN

2. Herstellung von L-3,4-Dihydroxyphenylalanin (L-DOPA)

Dreikomponentenreaktion mit einer Ganzzellenzympräperation aus Erwinia herbicola

mit Indol: L-Tryptophan

Firma:Ajinomoto (Japan)Naturstoffe der chemischen Industrie, Spektrum, 1.Auflage, 2007, 154

ENZYMATISCHE METHODEN

3. Herstellung von L-t-Leucin und AS mit anspruchsvollen Seitenketten

reduktive Aminierung mit einer AS-Dehydrogenase aus Bacillus spahaericus

Firma:Degussa/Rexim (Deutschland)Naturstoffe der chemischen Industrie, Spektrum, 1.Auflage, 2007, 154

ENZYMATISCHE METHODEN

4. Racematspaltung überführt D,L-Methionin in L-Methionin2-stufiger Prozess:

Batchbetrieb: Acylase geht bei Aufarbeitung verloren

Naturstoffe der chemischen Industrie, Spektrum, 1.Auflage, 2007, 152

ENZYMATISCHE METHODEN

4. Racematspaltung

Neuentwicklung der Degussa: EMR-TechnologieEnzym-Membran-Reaktor (Hohlfasermembran)

Rührkesselkaskade

Methionin Valin Alanin Phenylalanin Tryptophan

FERMENTATIONSMETHODE

Von technischer Bedeutung:

Herstellung von L-Glutaminsäure aus D-Glucose

Chemie in unserer Zeit, 1984, 18, 73

FERMENTATIONSMETHODE

Mikroorganismen + Nährlösung1. Schüttelkolben (1 l)2. Vorfermenter (1000 l) + ständige Luft und 3. Zwischenfermenter (10 000 l) Ammoniakzufuhr4. Hauptfermenter (100 000 l)

Wildtyp-Mikroorganismen auxotrophe MutantenFeedbackhemmung keine Hemmung

Firmen:Degussa/Rexim, Wacker (Deutschland)

FERMENTATIONSMETHODE

Mikroorganismen + Nährlösung1. Schüttelkolben (1 l)2. Vorfermenter (1000 l) + ständige Luft und 3. Zwischenfermenter (10 000 l) Ammoniakzufuhr4. Hauptfermenter (100 000 l)

Leucin Isoleucin Lysin Tyrosin Alanin ValinPhenylalanin Tryptophan Threonin

Glutaminsäure

CHEMISCHE SYNTHESEN

Herstellung von Aminosäuren ausgehend von petrochemischen Rohstoffen

1. Synthese von Valin

2. Synthese von Methionin

CHO NH3 HCN CHNH2

COOHH3O+ +

D,L- Valin

+

CHEMISCHE SYNTHESEN

Methionin-Synthese

Naturstoffe der chemischen Industrie, Spektrum, 1.Auflage, 2007, 139 Ausbeute > 90%

STEREOISOMERENTRENNUNG

Methoden zur Trennung anfallender Enantiomere:

1. Enzymatische Verfahren

2. Kristallisationsmethode

3. Trennung über diastereomere Salze

STEREOISOMERENTRENNUNG

Enzymatische Verfahren

Chemie in unserer Zeit, 1984, 18, 73

STEREOISOMERENTRENNUNG

Kristallisationsmethode

Übersättigte Lösung wird mit einem der Enantiomere angeimpft.

Anwendung beim Pharmawirkstoff L-(S)- (Carboxymethyl)cystein (L-SCC)

Chemie in unserer Zeit, 1984, 18, 73

STEREOISOMERENTRENNUNG

Trennung über diastereomere Salze

Verwendung einer chiralen Substanz als Trennreagenz oder einer Mischung aus Trennreagentien der gleichen „Familie“

Es wird ein Gemisch aus diastereomeren Salzen erhalten. Dieses kann durch

Kristallisation getrennt werden.

ASYMMETRISCHE SYNTHESE

Amidocarbonylierung

● Verwendung von Cobalt- und Palladiumkatalysatoren● Entdeckt von Hachiro Wakamatsu Anfang der 70er Jahre

(Ajinomoto)

● Aufbau des Aminosäuregerüstes nur in einem Schritt

● Atomökonomisch und ökologisch

Chem. Rev., 2003, 103, 2795

ASYMMETRISCHE SYNTHESE

Cobaltkatalysierte Amidocarbonylierung

Angew. Chem., 2000, 112, 1027

ASYMMETRISCHE SYNTHESE

Palladiumkatalysierte Amidocarbonylierung

Angew. Chem., 2000, 112, 1027

ASYMMETRISCHE SYNTHESE

Amidocarbonylierung

Das Strukturmotiv der N-Acylaminocarbonsäuren erscheint in zahlreichen Verbindungen.

Angew. Chem., 2000, 112, 1027

ASYMMETRISCHE SYNTHESE

Enantioselektive Synthese

● Enantioselektive Hydrierung unter Verwendung von Rhodium mitchiralen Phosphorliganden

● Entwickelt von W.S. Knowles und L. Horner in den 60er Jahren

● Von Monsanto in den technischen Maßstab übertragen und für L-Dopa Produktion verwendet

ASYMMETRISCHE SYNTHESE

Enantioselektive Synthese

● Es ist eine große Vielfalt der chiralen Liganden vorhanden.

● Sehr gute Ausbeuten von über 95% erreichbar.

Science, 1982, 217, 401

ASYMMETRISCHE SYNTHESEMechanismus der katalytischen Hydrierung

Science, 1982, 217, 401

ASYMMETRISCHE SYNTHESE

Energetische Betrachtung

Science, 1982, 217, 401

ASYMMETRISCHE SYNTHESE

Enantioselektive Strecker-Synthese

Chem. Rev., 2003, 103, 2795

ASYMMETRISCHE SYNTHESEEnantioselektive Strecker-Synthese

Unter Verwendung von:

chiralen Organokatalysatoren

chiralen Metallkatalysatoren

analogen Synthesen

Chem. Rev., 2003, 103, 2795

ASYMMETRISCHE SYNTHESEEnantioselektive Strecker-Synthese

Überblick über die chiralen Organokatalysatoren

Chem. Rev., 2003, 103, 2795

ASYMMETRISCHE SYNTHESEEnantioselektive Strecker-Synthese

Übersicht über Substrate und Ausbeuten

Chem. Rev., 2003, 103, 2795

ASYMMETRISCHE SYNTHESEEnantioselektive Strecker-Synthese

Überblick über die chiralen Metallkataly-satoren

Chem. Rev., 2003, 103, 2795

ASYMMETRISCHE SYNTHESEEnantioselektive Strecker-Synthese

Übersicht über Substrate und Ausbeuten

Chem. Rev., 2003, 103, 2795

ZUSAMMENFASSUNG UND FAZIT

Extraktionsmethoden

Vorteile● Günstig, wenn natürliche, preiswerte (Abfall-)Proteinquellen verfügbar sind● Leichte Herstellung einiger schwerlöslicher Aminosäuren

Nachteile ● Aufwendige Verfahren zur Reinigung● Diskontinuierliche Verfahren (Batch)● Hohe Personalkosten● Die vom Rohstoff gelieferten Mengen an Aminosäuren sind nicht dem

Bedarf des Marktes angepasst

ZUSAMMENFASSUNG UND FAZIT

Fermentationsmethoden

Vorteile● Preiswerte Kohlenstoff- und Stickstoffquellen als Ausgangsstoffe● Es entstehen fast nur L-Aminosäuren

Nachteile Geringere Ausbeuten als synthetische Verfahren Aufwendige Isolierung der Aminosäuren Diskontinuierliche Betriebsweise (Batch) Größerer Personaleinsatz notwendig

ZUSAMMENFASSUNG UND FAZIT

Chemische Synthesen

Vorteile● Herstellung im großen Maßstab möglich● Einfache Isolierung und Reinigung der Produkte● Kontinuierlicher Betrieb

Nachteile Zusätzliche Schritte zur Enantiomerentrennung und Racemisierung

erforderlich

ZUSAMMENFASSUNG UND FAZIT

Enzymatische Methoden

Vorteile● Einfache Isolierung wegen der hohen Produktkonzentration● Kontinuierliche und automatisierte Durchführung● Geringe Personalkosen

ZUSAMMENFASSUNG UND FAZIT

Schlussfolgerung

Aufgrund der Komplexität biologisch aktiver Verbindungen, sowie des Wachstums der Biotechnologiebranche gehören die enzymatischen und fermentativen Methoden zu zukunftsweisenden Verfahren.

LITERATURQUELLEN

● B. Schäfer, Naturstoffe der chemischen Industrie, Spektrum, 1.Auflage, 2007, 139.

● M. Breuer, K. Ditrich, T. Habicher, B. Hauer, M. Keßeler, R. Stürmer, T. Zelinski, Angew. Chem. 2004, 116, 806– 843.

● B. Hoppe, J. Martens, Chemie in unserer Zeit 1984, 18, 73.● A. Collet, Angew. Chem. 1998, 110, 3429.● M. Ikeda, R. Katsumata, App. Environ. Microbiol. 1992, 11, 921. ● M. Beller, M. Eckert, Angew. Chem. 2000, 112, 1027.● J. Halpern, Science 1982, 217, 401.● H. Gröger, Chem. Rev. 2003, 103, 2795.● E. J. Corey, Org. Lett. 1999, 1, 157.● A. Strecker, Ann. Chem. Pharm. 1850, 75, 27.

VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT