Innovatieve Katalytische Methodologieën voor Decarboxylatie van Gefunctionaliseerde Carboxylzuren.

De term decarboxylatie verwijst naar een chemische reactie waarin een carboxylzure functionele groep wordt verwijderd uit een organisch molecule via de splitsing van een C-C binding, wat uiteindelijk leidt tot de vrijzetting van koolstofdioxide. Deze reactie is uitermate geschikt bij de selectieve defunctionalisatie van hernieuwbare koolstofbronnen, waardoor deze grondstoffen vlotter toegang vinden tot de chemische industrie. In deze thesis staat de decarboxylatie van aminozuren tot stikstofchemicaliën centraal. De toepassingsmogelijkheden situeren zich in de productie van bulk- en fijnchemicaliën. De beschikbaarheid van aminozuren vormt allerminst een obstakel, aangezien deze moleculen vandaag geproduceerd worden uit suikers en ammoniak via grootschalige fermentatieprocessen. Eiwitrijke nevenstromen die ontstaan in de agro-industrie en bij de productie van biobrandstoffen vormen belangrijke alternatieve bronnen van aminozuren. De productie van glutaminezuur en chemische routes naar afgeleide producten werden uitgewerkt in een casestudy, om de eventuele rol van aminozuren in de toekomstige bioraffinaderij te illustreren.

Bij de decarboxylatie van aminozuren kan men twee reactietypes onderscheiden: enerzijds de oxidatieve decarboxylatie tot nitrillen, anderzijds de niet-oxidatieve decarboxylatie tot amines en afgeleiden. In de context van de valorisatie van eiwitafval kan decarboxylatie dus bijdragen tot het recycleren van organische stikstof uit natuurlijke bronnen. Bovendien laat deze reactie toe om de uitdagende afscheiding van aminozuren uit waterige mengsels te vermijden, omdat de decarboxylatieproducten niet langer een zwitterionisch ladingsgedrag vertonen. De huidige procedures voor decarboxylatie van aminozuren worden echter geassocieerd met een hoge afvalberg. Daarom werden in dit werk drie complementaire katalytische strategieën ontwikkeld die toelaten om deze reactie uit te voeren met milieuvriendelijke reagentia alsook onder milde condities.

De eerste strategie is gebaseerd op de katalytische oxidatie van halides en biedt een verbetering ten opzichte van de klassieke hypobromiet-gebaseerde oxidatieve decarboxylatie van aminozuren tot nitrillen. Hypobromiet kan in situ worden aangemaakt via oxidatie van ammoniumbromide met waterstofperoxide in aanwezigheid van een heterogene katalysator. Waterstofperoxide wordt beschouwd als een ‘groen’ oxidans omdat het tijdens de reactie wordt omgezet tot water. De katalysator bestaat uit wolframaat dat geïmmobiliseerd is op een dubbellaag hydroxide en kan dus worden gerecycleerd. Zowel de oxidatie van het halide als de oxidatieve decarboxylatie van het aminozuur worden versneld door de katalysator, waardoor de bromideconcentratie met minstens 50% verlaagd kan worden in vergelijking met klassieke systemen. Dit systeem laat toe om nitrillen met goede tot uitstekende opbrengst te produceren in water bij kamertemperatuur. Het systeem is bovendien compatibel met een brede waaier aan functionele groepen. De katalytische performantie blijft behouden voor mengsels van aminozuren, zoals werd aangetoond voor een hydrolysaat van tarwegluten.

De tweede strategie voor oxidatieve decarboxylatie van aminozuren is gebaseerd op de transitiemetaal-gekatalyseerde dehydrogenatie van de aminogroep in het substraat tot een nitril. De reactie wordt versneld door een alumina-gedragen ruthenium katalysator in aanwezigheid van moleculaire zuurstof. Ook dit oxidans wordt uiteindelijk omgezet tot water. Verscheidene aminozuren worden met goede opbrengst omgezet tot hun overeenkomstige nitrillen wanneer de reactie wordt uitgevoerd in water bij 100 °C. De ruthenium-gekatalyseerde hydratatie van nitrillen tot amides is helaas een inherente nevenreactie en het substraatbereik is relatief beperkt in vergelijking met het hypobromiet-gebaseerde systeem. De afwezigheid van haliden en het gebruik van moleculaire zuurstof als oxidans betekent een belangrijke vooruitgang ten opzichte van eerder ontwikkelde procedures.

De laatste strategie omvat de niet-oxidatieve decarboxylatie van aminozuren tot amines wordt gekatalyseerd door de vorming van een Schiff-base met een carbonylverbinding, en verloopt dus in afwezigheid van transitiemetalen. Uit een brede waaier aan aldehyden en ketonen werd isoforon geïdentificeerd als een performante organokatalysator. De hoge activiteit van isoforon wordt toegeschreven aan een moleculair motief waarin een alfa,beta-onverzadigd keton en een elektrongevende substituent op de C=C binding aanwezig zijn. De Schiff-base stabiliseert het geladen reactie-intermediair via tijdelijke delokalisatie van elektronen. Wanneer de reactie wordt uitgevoerd in 2-propanol bij 150 °C volstaan lage katalysatorbeladingen (≤ 5 mol%) om vele aminozuren om te zetten tot hun overeenkomstige amines met goede tot uitstekende opbrengst. Opmerkelijk, aminozuurafgeleide formamides worden bekomen in hoge opbrengst wanneer de reactie wordt uitgevoerd in N,N-dimethylformamide. De organokatalytische decarboxylatie van aminozuren verloopt met hogere efficiëntie onder milde condities wanneer de amineproducten in situ verder worden omgezet tot inerte, niet-nucleofiele afgeleiden, die niet in staat zijn om in competitie te treden met de organokatalysator voor de vorming van een Schiff-base.