Design von 3D‐gedruckten heterogenen Reaktorsystemen zur Überwindung von Inkompatibilitätshürden bei der Kombination von Metall‐ und Enzym‐Katalyse in einem Eintopf‐Prozess

Abstract

AbstractDie Kombination von Chemo‐ und Biokatalyse ermöglicht die Entwicklung neuartiger ökonomischer und nachhaltiger Eintopfverfahren für die Herstellung von Industriechemikalien, welche vorzugsweise in Wasser ablaufen. Während kürzlich anhand einer Reihe von Beispielen der Nachweis für die Kompatibilität solcher Katalysatoren aus diesen beiden unterschiedlichen “Welten der Katalyse” aufgezeigt wurde, blieb die Zusammenführung nicht kompatibler Chemo‐ und Biokatalysatoren für gemeinsame Anwendungen in einem Reaktor eine Herausforderung. Eine konzeptionelle Lösung besteht in der Kompartimentierung der katalytischen Einheiten durch Heterogenisierung kritischer Katalysatorkomponenten, wodurch diese von dem komplementären, nicht kompatiblen Katalysator, Substrat oder Reagenz “abgeschirmt” werden. Am Beispiel eines Eintopfverfahrens, das aus einer Metall‐katalysierten Wacker‐Oxidation und einer enzymatischen Reduktion als nicht‐kompatible Einzelreaktionsschritte besteht, zeigen wir, dass durch den Einsatz des 3D‐Drucks von heterogenen, die kritische Metallkomponente Kupfer enthaltenden Materialien solche Hürden der Inkompatibilität überwinden werden können. Der Einsatz eines 3D‐gedruckten Cu‐Keramikgerüsts als Metallkatalysator‐Komponente ermöglicht eine effiziente Kombination mit dem Enzym und die gewünschte zweistufige Umwandlung von Styrol in das chirale Alkoholprodukt mit hohem Gesamtumsatz und exzellenter Enantioselektivität. Dieses auf 3D‐Druck heterogenisierter Metallkatalysatoren basierende Konzept zur Kompartimentierung stellt eine skalierbare Methodik dar und eröffnet zahlreiche Perspektiven im Hinblick auf dessen Nutzung als allgemeiner Lösungsansatz auch für weitere verwandte chemoenzymatische Forschungsherausforderungen.