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Titelaufnahme

Titel
Studies into the chemoenzymatic modification of cellulose by the laccase/TEMPO system / submitted by Ilabahen Patel
VerfasserPatel, Ilabahen
Begutachter / BegutachterinPotthast, Antje ; Peterbauer, Clemens Karl
Betreuer / BetreuerinPotthast, Antje
Erschienen2010
Umfang116 Bl. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Univ. für Bodenkultur, Diss., 2010
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Laccase / Laccase-Mediator-System / LMS / TEMPO / Cellulose / Oxidation / Gelpermeationschromatographie / GPC / 4-Acetamido-TEMPO / ionische Flüssigkeiten
Schlagwörter (EN)laccase / laccase-mediator system / LMS / TEMPO / cellulose / oxidation / gel permeation chromatography / GPC / 4-acetamido-TEMPO / ionic liquids
Schlagwörter (GND)Cellulose / Modifikation <Biochemie> / Laccase / TEMPO <Organische Chemie>
URNurn:nbn:at:at-ubbw:1-19335 Persistent Identifier (URN)
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Studies into the chemoenzymatic modification of cellulose by the laccase/TEMPO system [5.48 mb]
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Klassifikation
Zusammenfassung (Deutsch)

Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit der enzymatischen Modifizierung von Cellulosen durch das Laccase-Mediator-System (LMS). 2,2,6,6-Tetramethylpiperidine-1-oxyl (TEMPO) ist ein solcher Mediator; der bisher allerdings nur in chemischen Systemen zusammen mit Hypochlorit/Hypobromit zur Oxidation von niedermolekularen Kohlenhydraten und Cellulosen eingesetzt wurde. Der Effekt des Laccase/TEMPO-Systems auf Cellulose wurde detailliert untersucht, insbesondere im Hinblick auf Molmasseveränderungen und die Einführung von funktionellen Gruppen, wofür Größenausschluß-Chromatografie mit selektiver Fluoreszenzmarkierung oxidierter Gruppen (Carbonyle, Carboxyle) zur Anwendung kam. Die LMS-Behandlung führte zu einer gleichmäßigen Oxidation des cellulosischen Materials auch im hochmolekularen Bereich, was ein untypisches Verhalten im Vergleich zur konventionellen, chemischen Celluloseoxidationen darstellt. Der enzymatische Weg wurde eingehend mit der herkömmlichen Oxidation mittels TEMPO/Hypochlorit verglichen. Drei verschiedene Enzym-Präparationen wurden hinsichtlich ihrer Eignung zum Einsatz in organischen Lösungsmitteln untersucht: lösliche (lyophilisierte) und immobilisierte Laccase sowie crosslinked enzyme crystals (CLECs). Letztere hatten eine deutlich erhöhte Aktivität im Vergleich mit der lyophilisierten oder immobilisierten Form. Ebenso wurde die Rolle von 4-Acetamido-TEMPO in der Celluloseoxidation untersucht, wobei der Schwerpunkt auf mögliche Nebenreaktionen sowie auf die chemische Struktur von TEMPO-Zersetzungsprodukten und Intermediaten gelegt wurde. Der Abbau war stark vom pH-Wert des Reaktionsmediums abhängig. Unter sauren Bedingungen (pH 5) wird 4-Oxo-TEMPO in einer oxidativen Deaminierung gebildet. Im alkalischen Medium läuft zuerst ein ähnlicher Prozess ab, auf den jedoch unmittelbar eine Favorskij-Umlagerung folgt, die zu einem Pyrrolidin-3-carbonsäure-Derivat (PROXYL) führt. Schließlich wurde eine neue Anwendung des Laccase-Mediator-Systems zur Regenerierung von NAD(P)+ aus NAD(P)H untersucht.

Zusammenfassung (Englisch)

The topic of this thesis is the enzymatic modification of cellulose by the laccase/TEMPO system. 2,2,6,6-Tetramethylpiperidine-1-oxyl (TEMPO), which has so far been applied mainly in chemical oxidation systems together with hypohalite to effect oxidation of low-molecular weight carbohydrates and cellulosics, is also an effective mediator in combination with laccase. The effect of the laccase/TEMPO system on cellulosics with regard to molecular weight changes and introduction of functional groups has been studied using gel permeation chromatography in combination with selective fluorescence labeling of oxidized groups (carbonyls and carboxyls). LMS treatment caused uniform oxidation of the cellulosic material, also in the high molecular-weight area, which is a non-typical behavior compared to conventional chemical oxidations of cellulose. The chemoenzymatic approach was compared to the well-known chemical approach employing TEMPO/hypohalite. The performance of three different laccase preparations was studied with regard to applicability in organic solvents for synthetic-organic carbohydrate and cellulose chemistry: soluble (lyophilized) laccase, immobilized enzyme and crosslinked enzyme crystals (CLECs). The latter showed a significantly higher activity compared to the immobilized and the lyophilized variants. We also examined the role of 4-acetamido-TEMPO as the mediator part of LMS in cellulose oxidation systems, with a special focus on possible side reactions, degradation pathways and the chemical structure and fate of the TEMPO-derived species. Degradation was strongly dependent on the pH value of the reaction mixture. Under acidic conditions (pH 5), 4-oxo-TEMPO is formed by an oxidative deamination process. In alkaline media, a similar process proceeds, but is immediately followed by a Favorskij rearrangement to form a pyrrolidine-3-carboxylic acid (PROXYL) derivative. Eventually, a novel LMS system for the regeneration of NAD(P)+ from NAD(P)H for use in dehydrogenase-catalyzed reactions was studied.