Selective oxidation of alkyl and aryl glyceryl monoethers catalysed by an engineered and immobilised glycerol dehydrogenase

Enzymes acting over glyceryl ethers are scarce in living cells, and consequently biocatalytic transformations of these molecules are rare despite their interest for industrial chemistry. In this work, we have engineered and immobilised a glycerol dehydrogenase from Bacillus stearothermophilus (BsGlyDH) to accept a battery of alkyl/aryl glyceryl monoethers and catalyse their enantioselective oxidation to yield the corresponding 3-alkoxy/aryloxy-1-hydroxyacetones. QM/MM computational studies decipher the key role of D123 in the oxidation catalytic mechanism, and reveal that this enzyme is highly enantioselective towards S-isomers (ee > 99%). Through structure-guided site-selective mutagenesis, we find that the mutation L252A sculpts the active site to accommodate a productive configuration of 3-monoalkyl glycerols. This mutation enhances the kcat 163-fold towards 3-ethoxypropan-1, 2-diol, resulting in a specific activity similar to the one found for the wild-type towards glycerol. Furthermore, we immobilised the L252A variant to intensify the process, demonstrating the reusability and increasing the operational stability of the resulting heterogeneous biocatalyst. Finally, we manage to integrate this immobilised enzyme into a one-pot chemoenzymatic process to convert glycidol and ethanol into 3-ethoxy-1-hydroxyacetone and (R)-3-ethoxypropan-1, 2-diol, without affecting the oxidation activity. These results thus expand the uses of engineered glycerol dehydrogenases in applied biocatalysis for the kinetic resolution of glycerol ethers and the manufacturing of substituted hydroxyacetones. This journal i

Disolventes biobasados derivados de glicerol: Síntesis, propiedades y aplicaciones

El desarrollo de nuevos disolventes es una parte muy importante para la mejora de la sostenibilidad en todo tipo de procesos químicos. A lo largo de esta tesis doctoral se describen en primer lugar una serie de nuevas metodologías sintéticas optimizadas para la preparación de las cuatro principales familias de éteres derivados de glicerol (monoéteres, diéteres simétricos, diéteres no simétricos y triéteres), con el fin de disponer de vías de acceso a nuevos disolventes biobasados. Las estrategias sintéticas desarrolladas se basan en el uso de sustratos derivados de glicerol y por tanto de origen renovable, de la catálisis para maximizar la eficiencia y selectividad en la síntesis, y condiciones suaves de reacción evitando el uso de reactivos peligrosos o tóxicos. Además, se hace hincapié en la evaluación de la sostenibilidad de las síntesis, mediante el cálculo de métricas verdes, en el escalado de los métodos para garantizar que éstos puedan ser implementados fácilmente a escala industrial, y en los estudios computacionales que permiten explicar los mecanismos de reacción. Los métodos de síntesis propuestos han sido también aplicados para la preparación de fármacos derivados de glicerol como guaifenesina, mefenesina y precursores de compuestos beta-bloqueantes.En segundo lugar, se describe la preparación, características, estabilidad y escalado de nuevos disolventes de tipo eutéctico (DES y LTTMs) preparados por combinación de los éteres de glicerol sintetizados y dos sales de amonio biobasadas, concretamente los cloruros de colina y N,N,N-trietil-2,3-dihidroxipropan-1-aminio, el cual ha sido utilizado por primera vez para este propósito generando DES con ambos componentes derivados de glicerol.A continuación, y disponiendo de casi 70 disolventes derivados de glicerol, se han caracterizado espectroscópica-mente y se han determinado más de 30 propiedades físico-químicas y toxicológicas para todos los disolventes en un amplio rango de temperaturas. Entre dichas propiedades se encuentran parámetros físicos de polaridad (permitividad, momento dipolar, refracción...), parámetros solvatocrómicos de polaridad, propiedades físico-mecánicas (densidad, viscosidad, tensión superficial), volatilidad, estabilidad, coeficientes caloríficos y volumétricos, conductividad, etc. Todos los datos espectroscópicos, físicos y químicos se recogen en fichas de disolventes, incluyéndose además la discusión de las variadas tendencias que presentan las propiedades de los disolventes en función de su estructura o sustitución, los parámetros de ajuste de cada propiedad con la temperatura (permitiendo su estimación a cualquier temperatura de trabajo), una serie de mapas bidimensionales de correlación de propiedades que demuestran la utilidad de los disolventes preparados como candidatos para la sustitución de disolventes convencionales o problemáticos, y finalmente la clasificación de los nuevos disolventes.En último lugar, se demuestra la aplicabilidad de los disolventes preparados a través de su aplicación en la síntesis y estabilización de sistemas catalíticos basados en nanopartículas de paladio, que a su vez se utilizan con excelentes resultados en reacciones catalíticas de acoplamiento o de hidrogenación, entre otras. Finalmente se mencionan las colaboraciones surgidas para la aplicación de los disolventes de la tesis como hidrótropos, precursores sintéticos o medios de reacción.<br /

Synthesis of 3-alkoxypropan-1,2-diols from glycidol: experimental and theoretical studies for the optimization of the synthesis of glycerol derived solvents

A straightforward synthetic methodology has been derived for the synthesis of glycerol monoethers from glycidol and alcohols. Several homogeneous and heterogeneous basic catalysts have been tested, the best results being obtained with readily available and inexpensive alkaline metal hydroxides. In the best case, good yield of the desired monoether is obtained under smooth reaction conditions, always with total conversion of glycidol. The selectivity of the reactions mainly depends on the alcohol used, due to the concurrence of undesired side reactions. A mechanistic study carried out through computational DFT calculations, in which solvent effects are taken into account, also complemented the experiments, has allowed to identify the main reaction paths taking place under reaction conditions, giving insights into the main causes affecting the reaction selectivity and also into how it could be improved

Unveiling the mechanism of hydrotropy : evidence for water-mediated aggregations of hydrotrope around the solute

A recent proposal attributes the origin of hydrotropy to the water-mediated aggregation of hydrotrope molecules around the solute. Experimental evidence for this phenomenon is reported for the first time in this work, using 1H-NMR. A new computational technique to quantify apolarity is introduced and is used to show that apolarity of both solute and hydrotrope is the driving force of hydrotropy.This work was developed within the scope of the projects CICECO-Aveiro Institute of Materials, UIDB/50011/2020 & UIDP/50011/2020, and CIMO-Mountain Research Center, UIDB/00690/2020, both financed by national funds through the FCT/MEC and when appropriate co-financed by FEDER under the PT2020 Partnership Agreement. The NMR spectrometers are part of the National NMR Network (PTNMR) and are partially supported by Infrastructure Project No. 022161 (co-financed by FEDER through COMPETE 2020, POCI and PORL and FCT through PIDDAC). Financial support from Ministerio de Ciencia, Innovación (project RTI2018-093431-B-I00) and the Gobierno de Aragón (Group E37_17R) co-funded by FEDER 2014-2020 “Construyendo Europa desde Aragón” is acknowledged. B. P. S. acknowledges FCT for her PhD grant SFRH/BD/138439/2018.Peer reviewe

Glycerol ethers as hydrotropes and their use to enhance the solubility of phenolic acids in water

The use of glycerol ethers (with alkyl side chain ranging from one to six methyl groups) as hydrotropes to enhance the solubility of gallic and syringic acids in water was here studied. These compounds were selected by their intrinsic interest and for serving as models for lignin fractions. The results obtained were compared against traditional co-solvents, demonstrating the exceptional hydrotropic ability of glycerol ethers. Setschenow constants show that the hydrophobicities of both solute and hydrotrope play an important role in the solubility enhancement by hydrotropy, shedding light into its molecular mechanism

Dietary α‐Linolenic Acid, Marine ω‐3 Fatty Acids, and Mortality in a Population With High Fish Consumption: Findings From the PREvención con DIeta MEDiterránea (PREDIMED) Study

Background: Epidemiological evidence suggests a cardioprotective role of α‐linolenic acid (ALA), a plant‐derived ω‐3 fatty acid. It is unclear whether ALA is beneficial in a background of high marine ω‐3 fatty acids (long‐chain n‐3 polyunsaturated fatty acids) intake. In persons at high cardiovascular risk from Spain, a country in which fish consumption is customarily high, we investigated whether meeting the International Society for the Study of Fatty Acids and Lipids recommendation for dietary ALA (0.7% of total energy) at baseline was related to all‐cause and cardiovascular disease mortality. We also examined the effect of meeting the society's recommendation for long‐chain n‐3 polyunsaturated fatty acids (≥500 mg/day). Methods and Results: We longitudinally evaluated 7202 participants in the PREvención con DIeta MEDiterránea (PREDIMED) trial. Multivariable‐adjusted Cox regression models were fitted to estimate hazard ratios. ALA intake correlated to walnut consumption (r=0.94). During a 5.9‐y follow‐up, 431 deaths occurred (104 cardiovascular disease, 55 coronary heart disease, 32 sudden cardiac death, 25 stroke). The hazard ratios for meeting ALA recommendation (n=1615, 22.4%) were 0.72 (95% CI 0.56–0.92) for all‐cause mortality and 0.95 (95% CI 0.58–1.57) for fatal cardiovascular disease. The hazard ratios for meeting the recommendation for long‐chain n‐3 polyunsaturated fatty acids (n=5452, 75.7%) were 0.84 (95% CI 0.67–1.05) for all‐cause mortality, 0.61 (95% CI 0.39–0.96) for fatal cardiovascular disease, 0.54 (95% CI 0.29–0.99) for fatal coronary heart disease, and 0.49 (95% CI 0.22–1.01) for sudden cardiac death. The highest reduction in all‐cause mortality occurred in participants meeting both recommendations (hazard ratio 0.63 [95% CI 0.45–0.87]). Conclusions: In participants without prior cardiovascular disease and high fish consumption, dietary ALA, supplied mainly by walnuts and olive oil, relates inversely to all‐cause mortality, whereas protection from cardiac mortality is limited to fish‐derived long‐chain n‐3 polyunsaturated fatty acids. Clinical Trial Registration URL: http://www.Controlled-trials.com/. Unique identifier: ISRCTN35739639

Optimización de la síntesis de derivados de glicerol con interés como disolventes y preparación y caracterización de sus mezclas eutécticas

Máster Universitario en Química molecular y Catálisis Homogénea.[ES]: Durante la realización de este trabajo fin de máster se ha desarrollado una metodología sintética más sostenible para la síntesis de varios monoéteres de glicerol, se han preparado sus mezclas con cloruro de colina, y se ha realizado la caracterización de las propiedades físico-químicas de dichos posibles disolventes alternativos, demostrando además su aplicabilidad. Para la optimización de la síntesis, se han probado diversos catalizadores básicos, tanto homogéneos (KOH y triazabiciclodeceno, TBD), que han demostrado ser muy activos en la apertura de glicidol con un alcohol, como heterogéneos (TBD-sílice, TBD-poliestireno y Amberlita IRA-400), que pese a ser menos activos, mantienen la selectividad hacia el producto deseado, en el caso de la IRA-400, pudiéndose recuperar durante al menos tres ciclos de reacción y regenerar cuando pierde su actividad. Asimismo, las reacciones han sido escaladas (a escala molar o hectogramo) y su sostenibilidad analizada, mediante la comparación de diferentes métricas verdes. Por otro lado, se han preparado las mezclas de los monoéteres sintetizados con cloruro de colina en proporción molar 2:1, las cuales han presentado problemas de separación de fases con la temperatura, lo que sugiere que posiblemente no formen mezclas eutécticas (Deep Eutectic Solvents, DES), sino que simplemente sean disolventes de bajo punto de fusión (Low Melting Mixtures, LMM). En cualquier caso, las mezclas preparadas han mostrado un rango amplio de valores de polaridad, polarizabilidad (índice de refracción), densidad y viscosidad, modulables a través de la sustitución de la cadena R del monoéter, además de ser miscibles en disolventes orgánicos polares e inmiscibles en hidrocarburos. Finalmente, estas mezclas se han probado como disolventes en la reacción de Heck entre yodobenceno y acrilato de butilo, catalizada por nanopartículas de paladio. Se ha observado buena selectividad y recuperabilidad del catalizador, constituyendo estas mezclas una alternativa viable a los líquidos iónicos como medio de reacción.[EN]: In this Master Dissertation, a more sustainable synthetic methodology for the obtaining of glyceryl monoethers has been developed. In addition, their mixtures with choline chloride have been prepared, their main physical-chemical properties have been measured, and their applicability as reaction media has been demonstrated. During the optimization of the synthetic methodology, several basic catalysts were tested. The homogeneous catalysts (KOH and triazabicyclodecene, TBD) were very active in the glycidol ring opening using an alcohol. The heterogeneous catalysts (TBD supported over silica or polysterene TBD-Si or TBD-PS and Amberlite IRA-400) were not so active, although the selectivity toward the desired product was high (excepting the case of the supported TBD catalyst), and the catalyst IRA 400 could be reused three times and regenerated when its activity decreased. Moreover, the reactions were scaled up (molar or hectogram scale) and their sustainability (greenness) was evaluated according to different green metrics. Mixtures of the glycerol ethers with choline chloride (in 2:1 molar ratio) were prepared. These mixtures showed important problems of phase separation upon temperature change. For this reason, these mixtures were probably Low Melting Mixtures (LMM) instead of Deep Eutectic Solvents (DES). Nevertheless, the prepared mixtures showed large variation in polarity, polarizability (refractive index), density and viscosity, properties that are asily modified by changing the monoether substituent R. In addition to this, they are miscible with polar organic solvents and non- miscible with non-polar hydrocarbons. Finally, these mixtures were tested as solvents in a catalytic reaction, namely the Heck C–C coupling reaction between iodobenzene and butyl acrylate, catalyzed by palladium nanoparticles. The catalyst could be recovered four times, keeping good activity and selectivity, and showing that these mixtures are interesting alternatives to the use of ionic liquids as reaction media.Peer Reviewe

Monoéteres de glicerol: síntesis sostenible, propiedades y aplicaciones como fármacos y disolventes para nanocatálisis

Resumen del póster presentado a la 9ª Jornada de Jóvenes Investigadores de Química y Física de Aragón, celebrada el 16 de diciembre de 2021 en la Universidad de Zaragoza.La mejora de la sostenibilidad en los procesos químicos radica en gran medida en el uso de disolventes que sean benignos para la salud y respetuosos con el medio, minimizando el enorme impacto ambiental de los disolventes convencionales. Entre los disolventes sostenibles que están recibiendo un mayor interés, se encuentran los biobasados, de origen renovable y gran versatilidad química. Precisamente, el desarrollo de nuevos biodisolventes derivados de glicerol con el fin de minimizar su huella de carbono, así como valorizar los residuos para lograr una economía circular, es el objetivo principal en el que se enmarca el presente trabajo. En esta comunicación se presenta la síntesis sostenible de monoéteres de glicerol diferentemente sustituidos, a partir de una molécula plataforma renovable derivada de glicerol como es el glicidol, utilizando la catálisis básica y un alcohol como reactivo y disolvente. Los monoéteres sintetizados son de dos tipos, alifáticos y aromáticos. Los alifáticos poseen un enorme potencial como disolventes en nanocatálisis, siendo también precursores de otros disolventes neotéricos como los DES. Por otro lado, los éteres aromáticos sintetizados presentan per se propiedades farmacológicas de gran interés. En ambos casos se muestra la optimización de los parámetros de reacción, la evaluación de la sostenibilidad del método sintético mediante métricas verdes, el escalado de la síntesis, sus propiedades fisicoquímicas más relevantes, así como ejemplos de la capacidad disolvente de los monoéteres aplicándolos en la preparación y estabilización de nanopartículas de paladio para procesos catalíticos.Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades (proyecto RTI2018-093431-B-I00), Gobierno de Aragón (grupo E37_20R) y fondos FEDER 2014–2020 “Construyendo Europa desde Aragón”.Peer reviewe

Designing maps of properties and polarity parameters for the selection of green solvents derived from glycerol

Trabajo presentado al XVII Simposio de Investigadores Jóvenes de la Real Sociedad Española de Química (RSEQ), celebrado en Alcalá de Henares-Madrid del día 23 al 26 de noviembre de 2021.The authors acknowledge the financial support from the Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades (project RTI2018-093431-B-I00), Gobierno de Aragón (E37_20R) and FEDER 2014–2020 European founds. A. L.-D. thanks the MECD for a FPU grant (FPU14/04338).Peer reviewe

Glycerol derivatives for low melting mixtures: synthesis, properties and applications in catalysis

Trabajo presentado a la 8th Green Solvents Conference, celebrada en Kiel (Alemania) del 16 al 19 de octubre de 2016.Deep eutectic solvents (DES) and low melting mixtures (LMM) are attracting great attention as sustainable solvents analogues of ionic liquids. The use of glycerol as the hydrogen bond donor (HBD) in DES and LMM has been described, and these mixtures have been used in different applications. Glycerol ethers are glycerol derivatives with interesting and tunable solvent properties depending on the substituent, e.g. lower viscosity compared to glycerol and low toxicity compared with many organic solvents and ionic liquids. Here we present the optimization of the synthesis of glycerol ethers, following green procedures, and their use as HBD in LMM, together with ammonium halides such as the ubiquitous choline chloride or a glycerol derivative N,N,N-triethyl-1,2- dihydroxypropaneaminium chloride as the ionic part.The authors acknowledge financial support from MINECO (projects CTQ2014-52367-R and A. Leal for an FPU grant) and Gobierno de Aragón (Group E11) Funds.Peer Reviewe