Stereospezifische Reduktionen rnit Wasserstoffgas, modifizierten Metallkatalysatoren, Methylviologen und Enzymen oder Mikroorganismen** Von Iordanes Thanos und Helmut Simon*

Mit Reduktasen, die Elektronen von reduzierten Violo- genen wie Methylviologen (MVoe) aufnehmen konnen, lassen sich zahlreiche 2-Enoate und 2-Oxocarboxylate ste- reospezifisch reduzieren['-'I. Dabei wird das in katalyti- schen Mengen vorhandene Methylviologen im Kreis ge- fiihrt (Schema l).

MV@@:abhan-

giges Enzym E l e k t r o n e n - donor

o d e r NAI)(P)

Schema 1. Methylviologen (MV") ist das N.N'-Uimethyl-4,4'-bipyridin Lh- kation.

MVZ@ haben wir bisher auf drei Wegen reduziert"]: I ) Mit Wasserstoffgas in Kombination rnit einer Hydrogena- se, 2) rnit Formiat in Kombination rnit einer Formiat-De- hydrogenase und 3) elektrochemisch.

Wir haben nun gefunden, daB man Methylviologen und andere Viologene auch mit Palladium, Platin oder Raney- Nickel und Wasserstoffgas reduzieren kann, wenn man diese Katalysatoren mit fluorhaltigen Tensiden wie Zo- nyl@-FSC m~difiziert[~.'l. In Gegenwart der so vorbehan- delten Katalysatoren werden 2-Enoate oder 2-Oxocarho- xylate von Wasserstoffgas nicht reduziert. Fugt man kata- lytische Mengen MV2@ und entsprechende Enzyme zu, so verlauft die Reduktion ausschliefllich enzymatisch. Abhil- dung 1 zeigt ein typisches Ergebnis. Tiglinat l a wird durch Palladium und Wasserstoff rasch reduziert. Mit dem Ten- sid vorbehandeltes Palladium vermag im Verlauf von 25 h keine Wasserstoffaufnahme von l a zu bewirken. Werden

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0 8 16 2 4

Abb. 1. Geschwindigkeit der Hydrierung von l igl inrt la untrr glrichen Be- dingungen (80 mM la in 10 mL 0.1 M Kaliumphosphatpuffer (pH 6.5) und 4 mM Methylviologen unter Hz bei Raumtemperatur geschiittelt), jedoch in Gegenwart verschiedener Katalysatoren. Kurve 1 : 12 mg Palladium auf Koh- le; Kurve 2: 12 mg modifiziertes Palladium auf Kohle und 12 pL Zonyla- FSC; Kurve 3: wie Kurve 2. jedoch zusatzlich 0.4 mg ( - 6 Einheiten) Enoat- Reduktase. Die Reaktionen wurden gaschromatographisch verfolgt.

t [hl-

einem solchen Ansatz MV2" und Enoat-Reduktase zuge- geben, so entsteht enantiomerenreines (R)-2-Methylbutyrat 2a. Damit ergeben sich besonders einfache Systeme, die nur ein Enzym enthalten und den grol3eren Aufwand der elektrochemischen Zelle vermeiden. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengestellt.

Zur Bestimmung des Enantiomerenuberschusses wur- den die in die organische Phase iiberfiihrten Produkte 2a und 2b nach Helmchen16] mit (R)-2-Amino-2-phenyletha-

a, R' = CH,; b, R' = C6H,

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Tahelle I . Reduktion der Substrate la, Ib, 3 und 5 mil Hz, modifizicrten Metallkatalysatoren, Methylviologen und Biokatalysatoren (weitere experimentelle Bedingungen siehe Legende zu Abb. I : Enzyme siehe [I]).

Versuch Anratz- Substrat Produkt MV Katalysator Biokatalysator Bemerkungen Nr. volumen

ImLl [mMl ["o eel [mMl [mgl

I 10 I s (80) 24 (>97) 4 Pd [a] (12.2) Enoat-Reduktase 298% Produkt nach IS h 2 3 Ib (80) 2b (>97) 4 Pd la1 (27) 1.5 Einh. Enoat-Reduktase 3 3.2 Ib (70) 2b(>97) 3 PI (10) 1.5 Einh. Enoat-Reduktase 4 3.2 l b (70) 2b(>97) 3 Ni [c] (10) 2 x 1.5 Einh. Enoat-Reduktase 5 50 3 (100) 4 (>95) 4 Pd [a] (30) 2-Oxocarboxylat-Reduktase >98% Produkt nach 50 h 6 10 5 (100) 6 [d] 3 Pd la1 (7) 140 mg Candidu urilis nach 9 h bei 25°C 90% 1,2-

Propandiol

la] Palladium auf Kohle. Gewichtsverhtiltnis 1 : 10, moditiziert mil ZonyP-FSC. Gewichtsangabe inklusive Trlger. [b] Nach Reduktion von PIO, durch H2 mit Zonyl@-FSC modifiziert. [c] Raney-Nickel wurde mil ZonyP-FSC modifiziert und nach drei Wochen verwendet. [dl ee-Wert dieses Materials nicht bestimmt. Der Hefestamm bildet jedoch (ZR)-I,Z-Propandiol 6 mit ee>95% [I].

['I Prof. Dr. H. Simon, Dr. I. Thanos no1 umgesetzt ; das ungereinigte Reaktionsgemisch wurde durch Umkehrphasen-HPLC untersucht, oder es wurde die Drehung der isolierten Produkte gemessen. In jedem Fall konnte bei der Chromatographie der Diastereomeren- gemische, die in ~ ~ ~ ~ ~ ~ l ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ h ~ ~ durch umsetzung r a c - h und ruc-2b mit (R)-2-Amino-2-phenylethanol erhal- ten wurden, Basislinientrennung erzielt werden.

Organisch-chemisches lnstitut der Technischen Universitat Miinchen LichtenbergstraBe 4, D-8046 Garching

[*'I Diese Arbeit wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (Son- derforschungsbereich 145). der BASF und dem Fonds der Chemischen lndustrie gefordert. Der Firma Costenoble, D-6236 Eschborn/Ts., dan- ken wir fur Zonylm-Proben. Wir danken Frau c. Filser fur engagirrte technische Assistenz und H e m A. S. Paxinos fur Diskussionen.

Angew. Chem. 98 11986) Nr. 5 8 V C H Verlagsgesellschaft mbH. 0-6940 Weinheim. 1986 W44-8249/86/0505-0455 S 02.50/0 455

Bei den bisher von uns verwendeten Verfahren[’.31 fuhrt Enoat-Reduktase zu Produkten vom Typ 2a und 2b rnit einem Enantiomereniiberschufi (ee) > 96-98%. (ee > 96% bedeutet, daD ee praktisch 100% sein kann.) Die Versuche 1-5 zeigen, daD der Enantiomereniiberschufj der chiralen Sauren sehr hoch ist. Dabei ist es unerheblich, ob modifi- ziertes Pd, Pt oder Raney-Nickel verwendet werden.

Die mit Zonylm-FSC vorbehandelten Katalysatoren re- duzieren Methylviologen mit lhnlicher Geschwindigkeit wie nicht vorbehandelte. Jedoch ist Methylviologen, z. B. in Gegenwart von vorbehandeltem Palladium, mehr als 500mal stabiler als in Gegenwart von unmodifiziertem Pal- ladium. Das modifizierte Palladium greift auch das Pyri- dinnucleotidsystem nicht an. Nicht modifizierte Katalysa- toren zerstoren NAD(P) in einer Wasserstoffatmosphare in ca. einer Stunde. Dies ist sehr wichtig, falls mit Methylvio- logen enzymatisch NAD(P)H gebildet wird, das dann durch eine entsprechende Reduktase verbraucht wird. Versuch 6 zeigt, dal3 es mbglich ist, Hefe far Bioreduktio- nen uber die modifizierten Katalysatoren und Methylvio- logen an Wasserstoffgas zu koppeln.

Bei den Versuchen in Tabelle 1 wurde zum Teil absicht- lich relativ wenig Biokatalysator verwendet, um zu zeigen, daD die Systeme befriedigende Langzeitstabilitaten haben und daB die chiralen Produkte nicht racemisieren.

Wir sehen fur die modifizierten Metallkatalysatoren fol- gende Anwendungsmoglichkeiten: 1) Ein-Enzym-Systeme rnit einfacher Regenerierung billiger Mediatoren. 2) An- koppeln vieler Mikroorganismen, die keine Hydrogenase haben, an Wasserstoffgas. Dies ist moglich, da viele Orga- nismen enzymatisch NAD und/oder NADP rnit MV@’ re- duzieren konnenl’*’]. 3) Beschleunigung der Wasserstoff- aufnahme bei der Hydrierung von Substraten rnit Hydro- genase-haltigen Organismen, wenn die Hydrogenaseaktivi- tat limitierend ist. Es ist von Vorteil, daR man den Verlauf der Reduktion

durch den leicht beobachtbaren Wasserstoffverbrauch kontinuierlich verfolgen kann. SchlieBlich ist die Herstel- lung von reduziertem Methylviologen rnit Wasserstoff und modifiziertem Palladium oder Platin bei praparativen en- zymatischen Arbeiten den Verfahren mit Dithionit[*I, Zinkl’] oder nicht modifiziertem Platin rnit Wasserstoff als Reduktionsmittel weit uberlegen. Bei der praparativen An- wendung dieser Verfahren wurden Sulfit- bzw. Zink-Ionen in hohen Konzentrationen in die Systeme eingebracht wer- den; sowohl das Viologen als auch das Pyridinnucleotid sind in Gegenwart von unmodifiziertem Metall nur kurze Zeit stabil.

Eingegangen am 30. Dezember 1985 [Z 16071

[ I ] H. Simon, J. Bader, H. Giinther, S. Neumann, 1. Thanos, Angew. Chem. 97 (1985) 541; Angew. Chem. Inf. Ed. Engl. 24 (1985) 539.

121 H. Simon, H. Gunther, J. Bader, S. Neumann, Ciba Found. Symp. 111 (1985) 97.

[3] H. Simon, J. Bader, H. Giinther, S. Neumann, I. Thanos in A. I. Laskin et al. (Hrsg.): ,,Enzyme Engineering T’ , Ann. N. Y. Acad. Sci. 434 (1984) 171.

141 Arbeifsuorschri/t: In 20 mL 0.1 M Phosphatpuffer (pH 7) werden 60 mg Palladium auf Kohle (10% Palladium) oder 100 mg Platin oder 100 mg Raney-Nickel mit 120 pL Zonylm-FSC [5 ] versetzt, nachdem vorher die Ltisung von geltistem Sauerstoff durch Begasen mit Wasserstoff befreit worden war. Unter Wasserstoff wird 15 h bei 35°C geschiittelt. Danach werden 2 mL 1 M TrisIHCI-Ltisung (pH 7) zugesetzt. - Vor der Anwen- dung kann der Katalysator abzentrifugiert und in feuchtem Zustand im Arbeitspuffer. der ca. 30 ppm Zonylm-FSC enthslt, aufgenommen wer- den.

P I Zonyle-FSC ist ein Tensid der Zusammensetzung RXCH2)&- (CH&N’(CHJ)~ CH,SO? mit Rr= F(CF2)6.1a.

[61 G. Helmchen, G. Nill, D. Flockerzi. W. Schiihle, M. S. K. Youssef, An- gew. Chem. 91 (1979) 64: Angew. Chem. Inf. Ed. Engl. 18 (1979) 63.

[7] J. Bader, H. Gunther, S. Nagata, H. J. Schuetz. M. L. Link, H. Simon, J. Biolechnol. I (1984) 95.

[S] K. Tsukahara, R. G. Wilkins, J . Am. Chem. SUC. 107 (1985) 2632. (In die- ser Arbeit werden keine Enzyme verwendet, doch werden Kinetik und Literatur der Reduktion von Viologenen durch Dithionit ausfiihrlich be- handelt.)

[9] P. A. Trudinger, Anal. Biochem. 36 (1970) 222.

Ungewohnliche Verbriickung der Metallzentren im dimeren Bis(q-methylcyclopentadieny1)- phenylethinylzirconium** Von Gerhard Erker*, Wougang Fromberg, Richard Mynott, Barbara Gabor und Carl Kriiger

Die besonderen Bindungsverhaltnisse gewinkelter Me- tallocene [Cp,M] fuhren bei der Wechselwirkung mit orga- nischen n-Systemen oft zu sehr ungewohnlichen Komplex- geometried’l. Teuben und de Liefde Meijer beobachteten, dafj (Pheny1ethinyl)titanocen la noch unter den Herstel- lungsbedingungen spontan dirnerisiertt2l. Am Methylcyclo- pentadienyl-Analogon l b klarten Srucky et al. rontgeno-

Ph ’ \

bh 1 2

graphisch die ungewohnliche CC-verkniipfte Struktur des stabilen zweikernigen Reaktionsproduktes 2b ad3] . Wir haben versucht, den entsprechenden Zirconiumkomplex auf einem ahnlichen Weg herzustellen. Dabei stellten wir iiberraschenderweise fest, da13 in diesem System der Aus- tausch des 3d-Elementes Titan gegen das 4d-Element Zir- conium den neuartigen Strukturtyp 5 begunstigt (Cp* =q- G H X H 3 ) -

r /Ph 1 Ph /

Bei der Umsetzung der Zirconocen-Derivate 3I4] und 4Is1 bei Raumtemperatur bildete sich unter Abspaltung von Butadien langsam die schwerlbsliche Verbindung 5. Schon das IR-Spektrum zeigt, da13 es sich bei 5 und 2 um ver-

[*I Prof. Dr. G. Erker [+I, DipLChem. W. Frtimberg, Dr. R. Mynotr, Ing. grad. B. Gabor, Prof. Dr. C. KrIiger Max-Planck-lnstitut fur Kohlenforschung Kaiser-Wilhelm-Platz I, D-4330 Mulheim a. d. Ruhr

Am Hubland, D-8700 Wilrzburg [‘I Neue Adresse: lnstitut fiir Organische Chemie der Universitiit,

[**I Diese Arbeit wurde vom Fonds der Chemischen lndustrie gefordert

456 0 V C H Verlagsgesell.whafi mbH. 0-6940 Weinheim. 1986 0044-8249/86/0505-0456 0 02.50/0 Angew. Chem. 98 (1986) Nr. 5