Metal-catalysed deamination and decarboxylation of amino acids

Promovendus/a: Free De Schouwer

Promotor(en): Prof. dr. ir. Dirk De Vos

Aminozuren zijn van nature sterk gefunctionaliseerde biomoleculen met toepassingen in allerhande sectoren zoals in voeding, dierenvoeders, geneesmiddelen, cosmetica etc. Daarnaast kan hun eventuele rol als alternatieve hernieuwbare grondstof voor de productie van bulk- en fijnchemicaliën niet over het hoofd gezien worden. Via eenvoudige selectieve omzettings- en defunctionalisatiereacties kan een breed gamma aan (stikstofhoudende) chemicaliën geproduceerd worden, waardoor ze toegang kunnen vinden tot de chemische industrie. Dit werk focust voornamelijk op de selectieve deaminatie en decarboxylatie van aminozuren naar hoogwaardige chemicaliën. De aandacht zal hierbij in het bijzonder gaan naar glutaminezuur. Glutaminezuur is namelijk één van de meest interessante aminozuren aangezien het een niet-essentieel aminozuur is, het een extra carboxylzure groep bezit en het bovendien efficiënt geproduceerd kan worden via een grootschalige fermentatieproces. Daarnaast zijn er gigantische hoeveelheden glutaminezuur voorhanden in goedkope eiwitrijke afvalstromen vanuit de agro-industrie en de productie van biobrandstoffen. Tal van deze eiwitstromen worden momenteel onderbenut, waardoor grote hoeveelheden hernieuwbare stikstof verloren gaan in de natuur. De omzetting van deze eiwitten en aminozuren naar stikstofhoudende materialen en chemicaliën kan deze grondstoffen bijgevolg sterk opwaarderen en tegelijkertijd de organische stikstof recycleren. Een uitgebreide literatuurstudie, waarin potentiële toepassingen en de reeds verworven valorisatiestrategieën worden geïllustreerd en besproken, gaat daarom vooraf aan het experimenteel gedeelte.

De direct deaminatie en decarboxylatie vormen twee uitermate geschikte strategieën om aminozuren om te zetten naar respectievelijk a,w-bifunctionele carboxylzuren, en amines en amides. De huidige procedures gaan echter vaak gepaard met de vorming van zoutafval, het gebruik van dure en gevaarlijke co-katalysatoren of ze zijn niet geschikt voor de omzetting van glutaminezuur. In dit werk worden er daarom nieuwe methodes uitgewerkt, maar gebaseerd op bestaande heterogene katalytische systemen, gekend vanuit de petrochemische en biomassa-industrie. Hierbij wordt aandacht besteed aan de principes van de green chemistry met als doel het ontwikkelen van eenvoudig toepasbare milieuvriendelijke processen.

In het eerste deel van deze thesis werd de deaminatie van glutaminezuur naar bio‑gebaseerd glutaarzuur – een C5 dicarboxylzuur – en afgeleiden bestudeerd. De deaminatiestrategie is gebaseerd op de metaal-gekatalyseerde hydrodenitrogenatie (HDN), een reactieprincipe dat gekend is uit de raffinage van petroleumfracties om stikstofcomponenten te verwijderen. Om de C-N hydrogenolyse te vergemakkelijken en stikstof te recycleren in een waardevol co‑product, dient glutaminezuur initieel te worden omgezet tot N,N‑dimethlylglutaminezuur via een eenvoudige reductieve N‑alkylatie met Pd/C. De daaropvolgende C-N hydrogenolyse in methanol levert dan uiteindelijk dimethylglutaraat en trimethylamine (TMA) op. De meest efficiënte katalysator voor deze reactie is een platinium gedragen op titania materiaal, welke resulteert in uitstekende opbrengsten van dimethylglutaraat en TMA. Fourier-transform infraroodspectroscopie en extra kinetische experimenten tonen aan dat de uitstekende C-N hydrogenolyseactiviteit en –selectiviteit afkomstig is van een samenspel tussen het metaal en de matige zuurheid van de drager. Dit katalytisch systeem is eveneens instaat om de volledige zure aminozuurfractie (zijnde glutaminezuur en asparaginezuur) om te zetten naar een mengsel van dimethylglutaarzuur en dimethylsuccinaat. Op deze manier kunnen complexe aminozuurscheidingen en doorgedreven productopzuiveringsstappen vermeden worden.

In het tweede deel werd de directe decarboxylatie van (pyro)glutaminezuur onderzocht in water. Hierbij wordt het stikstofatoom rechtstreeks gerecycleerd in het product, 2‑pyrrolidon. De directe decarboxylatie is gebaasd op de Pd-gekatalyseerde decarboxylatie van vetzuren, een reactietype dat reeds veel onderzocht werd binnen het domein van de biomassadeoxygenaties. Aangezien deze reactie typisch uitgevoerd wordt bij temperaturen boven 250 °C komt glutaminezuur voor in zijn cyclisch condensatieproduct pyroglutaminezuur, wat efficiënt kan worden gedecarboxyleerd tot 2-pyrrolidon. Nevenproducten zijn echter afkomstig van de doorreactie van 2‑pyrrolidon. Deze degradatie wordt geïnitieerd door de hydrolyse van de lactamring, maar kan beperkt worden door een genuanceerde dragerkeuze tijdens het ontwerpen van de katalysator. De hoogste opbrengsten werden bekomen met een op alumina gedragen palladiumkatalysator.

In het laatste onderdeel werd deze strategie uitgebreid voor de productie van C3-C5 N‑alkyl-2-pyrrolidonen door een reductieve N-alkylatie van glutaminezuur vooraf te laten gaan aan de decarboxylatie. Beide reacties kunnen worden gekatalyseerd door dezelfde Pd/Al2O3 katalysator. Om een zo hoog mogelijke mono-N-gealkyleerde glutaminezuuropbrengst te bekomen, wordt de reductieve N-alkylatie typisch uitgevoerd onder milde constante H2-druk en een gecontroleerde overmaat van een carbonylcomponent. Sterische en elektronische effecten van de extra alkylgroep hebben een positief effect op de lactamstabiliteit tijdens de decarboxylatiereactie. Daarnaast beïnvloedt het echter ook de reactiviteit van N‑alkylpyroglutaminezuur, wat uiteindelijk toch resulteert in lagere opbrengsten van N‑alklyl‑2‑pyrrolidon t.o.v. 2‑pyrrolidon. Neutralisatie van N‑alkylpyroglutaminezuur met ammonium vermindert echter de hydrolysegraad waardoor de selectiviteit hoog blijft; de hoogste opbrengsten worden voornamelijk bekomen voor N-butyl-2-pyrrolidon en N-isobutyl-2-pyrrolidon. De reductieve N‑alkylatie en decarboxylatie kunnen worden gecombineerd in een one-pot-proces door simpelweg de gasatmosfeer en temperatuur te veranderen. Hierdoor wordt tussentijdse productopzuivering vermeden, wat de duurzaamheid van het proces ten goede komt.