Multi-perspective analysis of the applicability of bio-based solvents as sustainable options for biocatalysis

Biocatalysis and sustainable solvents are two increasingly popular instruments of the green synthetic toolkit. This thesis explores the use of bio-based solvents in reactions catalysed by Candida Antarctica lipase B, and discusses their greenness and wider applicability. Firstly, to clarify the mechanism of solvent influence on enzyme catalysis, a systematic multi-variable approach is applied for the first time. The results challenge the established theory which relied solely on partition coefficient, logP, revealing that catalytic performance is governed instead by the solvent’s ability to engage in hydrogen bonding. In addition, thermodynamic insight is given, with evidence of isokinetic effect and of genuine enthalpy-entropy compensation. Both effects were previously undocumented for such systems. Secondly, a strong case is made for citrus waste-derived solvents, D-limonene and p-cymene, as effective alternatives to typical petroleum-derived counterparts used in such processes. Their first use as media for biocatalysis is herein reported, in particular applied to the chemo-enzymatic synthesis of the pharmaceutical compound (S,S)-Reboxetine. Finally, novel methods from socio-economic sciences are employed to reveal the main barriers faced by users in the uptake of green solvents. As a result of a survey of stakeholder perception, the most pressing priorities to be addressed appear 1) cost, 2) lack of data, and 3) availability & supply. The third of these aspects is later examined in detail as part of a dedicated case-study, which compares D-limonene potential supply against toluene demand. While complete global substitution appears unlikely, the greatest potential is shown for citrus-growing countries such as Brazil, Spain, India and South Africa which could feasibly implement the substitution as exemplary models of bio-economy

Application of bio-based solvents for biocatalysed synthesis of amides with Pseudomonas stutzeri lipase (PSL)

Bio-based solvents were investigated for the biocatalysed amidation reactions of various ester-amine combinations by Pseudomonas stutzeri lipase (PSL). Reactions were undertaken in a range of green and potentially bio-based solvents including terpinolene, p-cymene, limonene, 2-methyl THF, ɣ-valerolactone, propylene carbonate, dimethyl isosorbide, glycerol triacetate and water. Solvent screenings demonstrated the importance and potential of using non-polar bio-based solvents for favouring aminolysis over hydrolysis; whilst substrate screenings highlighted the unfavourable impact of reactants bearing bulky para- or 4-substituents. Renewable terpene-based solvents (terpinolene, p-cymene, D-limonene) were demonstrated to be suitable bio-based media for PSL amidation reactions. Such solvents could provide a greener and more sustainable alternative to traditional petrochemical derived non-polar solvents. Importantly, once the enzyme (either PSL or CALB) binds with a bulky para-substituted substrate, only small reagents are able to access the active site. This therefore limits the possibility for aminolysis to take place, thereby promoting the hydrolysis. This mechanism of binding supports the widely accepted 'Ping Pong - Bi Bi' mechanism used to describe enzyme kinetics. The work highlights the need to further investigate enzyme activity in relation to para- or 4-substituted substrates. A priority in PSL chemistry remains a methodology to tackle the competing hydrolysis reaction

Application of bio-based solvents for biocatalysed synthesis of amides with Pseudomonas stutzeri lipase (PSL)

Bio-based solvents were investigated for the biocatalysed amidation reactions of various ester-amine combinations by Pseudomonas stutzeri lipase (PSL). Reactions were undertaken in a range of green and potentially bio-based solvents including terpinolene, p-cymene, limonene, 2-methyl THF, ɣ-valerolactone, propylene carbonate, dimethyl isosorbide, glycerol triacetate and water. Solvent screenings demonstrated the importance and potential of using non-polar bio-based solvents for favouring aminolysis over hydrolysis; whilst substrate screenings highlighted the unfavourable impact of reactants bearing bulky para- or 4-substituents. Renewable terpene-based solvents (terpinolene, p-cymene, D-limonene) were demonstrated to be suitable bio-based media for PSL amidation reactions. Such solvents could provide a greener and more sustainable alternative to traditional petrochemical derived non-polar solvents. Importantly, once the enzyme (either PSL or CALB) binds with a bulky para-substituted substrate, only small reagents are able to access the active site. This therefore limits the possibility for aminolysis to take place, thereby promoting the hydrolysis. This mechanism of binding supports the widely accepted 'Ping Pong - Bi Bi' mechanism used to describe enzyme kinetics. The work highlights the need to further investigate enzyme activity in relation to para- or 4-substituted substrates. A priority in PSL chemistry remains a methodology to tackle the competing hydrolysis reaction

Tools and techniques for solvent selection: green solvent selection guides

Driven by legislation and evolving attitudes towards environmental issues, establishing green solvents for extractions, separations, formulations and reaction chemistry has become an increasingly important area of research. Several general purpose solvent selection guides have now been published with the aim to reduce use of the most hazardous solvents. This review serves the purpose of explaining the role of these guides, highlighting their similarities and differences. How they can be used most effectively to enhance the greenness of chemical processes, particularly in laboratory organic synthesis and the pharmaceutical industry, is addressed in detail

Förderung der Gruppendynamik durch Bewegungsspiele und Bewegungsübungen

Die Gesundheit der Kinder verschlechtert sich immer mehr, dies aufgrund von zu wenig Bewegung, zu hohem Medienkonsum, ungesunder Ernährung und physischem und sozialem Stress. Zwei Drittel aller Kinder auf der ganzen Welt sind zu wenig aktiv, was sich negativ auf den gesundheitlichen Zustand auswirkt. Während einer vierwöchigen Stellvertretung in einer dritten Primarklasse mit achtzehn Schülerinnen und Schülern wurden unterschiedliche Bewegungsspiele und -übungen durchgeführt, die zum Ziel hatten, mehr über die Auswirkungen der gemeinsamen Bewegung auf die Gruppendynamik der Klasse zu erfahren. Die Autorin war selbst als Stellvertretungslehrerin im Klassenzimmer anwesend und hat die Bewegungsspiele und -übungen unter ihrer Aufsicht durchgeführt. Es wurden Beobachtungen festgehalten, die im Anschluss an die Stellvertretung ausgewertet wurden. Ebenfalls wurde in der Klasse eine Umfrage gemacht, um herauszufinden, wie wohl sich die einzelnen Schülerinnen und Schüler in der Klasse fühlen. Das während der Bachelorarbeit entstandene Endprodukt wurde somit strukturiert aufgebaut. Die Bewegungsspiele und -übungen sind in zwei Kategorien aufgeteilt worden: aktivierende Bewegungsspiele und -übungen und entspannende Bewegungsspiele und -übungen

Förderung der Gruppendynamik durch Bewegungsspiele und Bewegungsübungen

Die Gesundheit der Kinder verschlechtert sich immer mehr, dies aufgrund von zu wenig Bewegung, zu hohem Medienkonsum, ungesunder Ernährung und physischem und sozialem Stress. Zwei Drittel aller Kinder auf der ganzen Welt sind zu wenig aktiv, was sich negativ auf den gesundheitlichen Zustand auswirkt. Während einer vierwöchigen Stellvertretung in einer dritten Primarklasse mit achtzehn Schülerinnen und Schülern wurden unterschiedliche Bewegungsspiele und -übungen durchgeführt, die zum Ziel hatten, mehr über die Auswirkungen der gemeinsamen Bewegung auf die Gruppendynamik der Klasse zu erfahren. Die Autorin war selbst als Stellvertretungslehrerin im Klassenzimmer anwesend und hat die Bewegungsspiele und -übungen unter ihrer Aufsicht durchgeführt. Es wurden Beobachtungen festgehalten, die im Anschluss an die Stellvertretung ausgewertet wurden. Ebenfalls wurde in der Klasse eine Umfrage gemacht, um herauszufinden, wie wohl sich die einzelnen Schülerinnen und Schüler in der Klasse fühlen. Das während der Bachelorarbeit entstandene Endprodukt wurde somit strukturiert aufgebaut. Die Bewegungsspiele und -übungen sind in zwei Kategorien aufgeteilt worden: aktivierende Bewegungsspiele und -übungen und entspannende Bewegungsspiele und -übungen

Biocatalysis in bio-derived solvents: An improved approach for medium optimisation

An improved multi-parameter approach to the correlation of enzymatic activity and solvent properties is proposed. The development of the correlation facilitated the introduction of renewable solvents in a CALB catalysed synthesis of fatty esters