Deep eutectit solvents : properties and biocatalytic applications

Maugeri, Zaira; Leitner, Walter (Thesis advisor); Pohl, Martina (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2015)
Doktorarbeit

Kurzfassung

Stark eutektische Lösungsmittel (DES; von englisch Deep Eutectic Solvents) sind in den letzten Jahren als eine neue Klasse von ionischen Flüssigkeiten aufgekommen. Generell werden DESs durch Vermischen eines quaternären Ammoniumsalzes (typischerweise Cholinchlorid und Derivate) mit Wasserstoffbrücken-Donormolekülen (beispielsweise Amine, Amide, Alkohole, Carbonsäuren, Zuckern oder Polyolen) gebildet. Das Mischen dieser beiden Komponenten durch leichtes Erwärmen in einem bestimmten molaren Verhältnis führt zu einer Erniedrigung des Schmelzpunkts. In den meisten Fällen resultiert dies bei Raumtemperatur zur Bildung einer Flüssigkeit. DESs teilen mehrere Eigenschaften mit herkömmlichen ionischen Flüssigkeiten wie zum Beispiel Leitfähigkeit, Polarität, Viskosität, Dichte, Oberflächenspannung, Brechungsindex und/oder chemische Inertheit. Sie sind zudem einfach herzustellen, es entstehen kein Abfall- bzw. Nebenprodukte und es werden keine weiteren Reinigungsschritte benötigt. Außerdem sind die einzelnen DESs-Komponenten in der Regel biologisch abbaubar und nicht giftig. Im ersten Teil der Dissertation wird die Synthese neuartiger DESs ausgehend von Cholinchlorid und nachhaltigen Wasserstoffbrücken-Donatoren beschrieben. Diese neuartigen DESs wurden durch Messung von Schmelzpunkt, pH-Wert, Wassergehalt und Viskosität charakterisiert. Außerdem wurden kinetische Untersuchungen bezüglich der Wasseraufnahme durchgeführt und die Löslichkeiten in protischen und aprotischen organischen Lösungsmitteln untersucht. DESs lösen protischen Verbindungen wie Alkohole, während aprotische Verbindungen (z.B. Ketone oder Ester) unter Bildung einer zweiten Phase abgetrennt werden können. Basierend auf dieser Eigenschaft wurde ein neuartiges Verfahren etabliert, um Mischverbindungen aus Alkohol-Ester, Alkohol-Keton und Amin-Keton zu trennen. In den meisten Fällen wurde dabei eine Effizienz von >90% und eine Reinheit von 90-99% der getrennten Verbindungen erreicht. Der zweite Teil der Doktorarbeit beschäftigte sich mit verschiedenen biokatalytischen Anwendungen dieser Lösungsmittel. Mehrere Reaktionen (wie Umesterungen, enantioselektive Epoxidierungen, Peptidsynthesen, Carboligationen und Reduktionen) wurden mithilfe isolierten Enzymen und ganze Zellen durchgeführt. Trotz der oft als denaturierende Eigenschaften der Wasserstoffbrücken-Donoren (z.B. Harnstoff) waren DESs in der Regel mit diesen Biokatalysatoren kompatibel. Ein wichtiges Kriterium war hierbei der Wasseranteil in den Reaktionsmischungen, wie es analog auch bei anderen nicht konventionellen Medien beschrieben ist. Für jede Reaktion und für jedes Enzym wurde der optimale Wasseranteil und die beste Zusammensetzung des DES identifiziert.

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