Biotransformacje w syntezie organicznej

Pierwsze udokumentowane zastosowanie procesów biotechnologicznych miało

miejsce 8000 lat temu, kiedy to na obszarach bliskiego wschodu produkowano piwo.

Jednakże świadome wykorzystanie procesów biotransformacyjnych datuje się dopiero od

początków XIX w. kiedy to uruchomiono przemysłową produkcję octu winnego, w której

biokatalizator stanowiły bakterie octowe.

Popularność jaką cieszą się metody biotechnologiczne w przemyśle chemicznym i

farmaceutycznym wyraźnie ilustruje skala w jakiej otrzymuje się produkty przy pomocy tych

metod (tabela 1).

Tabela 1. Produkcja przemysłowa wybranych związków

chemicznych przy udziale biokatalizatorów

biokatalizator

produkt

skala [tony/rok]

sukraza dekstranu

lipaza

cyklodekstryny

butanian glicydolu

10

fumaraza

aminoacylaza

b-tyrozynaza

lipaza

hydroksylaza

kwas (-)-jabłkowy

(-)-metionina, (-)-walina

(-)-fenyloalanina

(-)-dopa

(-)-karnityna

10

2

aspartaza

termolizyna

hydantoinaza

aldonolaktonaza

kwas (-)-asparaginowy

aspartam

(+)-fenyloglicyna

kwas (+)-pantotenowy

10

3

nitrylaza

lipaza

amidaza penicylanowa

akryloamid

masło kakaowe

kwas 6-aminopenicylowy

10

4

izomeraza glukozy

fruktoza

10

6

Metody „bio” posiadają szeregi istotnych zalet:

- wysoka stereo-, regio- i chemoselektywność,

- mała energochłonność, łagodne warunki reakcji, nietoskyczne lub tanie rozpuszczalniki,

unikanie niebezpiecznych i szkodliwych dla środowiska substratów (zielona chemia),

- zadowalająca wydajność,

- immobilizacja enzymów i mikroorganizmów na nośnikach, a przez to możliwość

prowadzenia procesów w trybie ciągłym z efektywnym wykorzystaniem biokatalizatorów.

Należy również wymienić szereg wad, którymi cechują się omawiane metody:

- często żmudna izolacja produktów z mieszaniny reakcyjnej,

- niska produktywność objętościowa (stosunek ilości produktu do objętości reaktora),

- często brak ogólnych reguł pozwalających na racjonalne zaprojektowanie warunków

procesu i idąca za tym konieczność optymalizacji metodą licznych prób.

Za procesy biotechnologiczne uważa się te, które polegają na wykorzystaniu

metabolizmu żywych organizmów, syntetyzujących z prostych związków pożądane produkty,

o bardziej złożonej budowie, przy czym synteza ta przebiega na drodze wielu etapów

przemian biochemicznych. Natomiast procesy biotransformacyjne definiujemy jako

pojedyncze reakcje chemiczne realizowane przy udziale enzymów (izolowanych lub

zawartych w komórkach).

Podział enzymów można przeprowadzić ze względu na rodzaj katalizowanej reakcji

(tabela 2).

Tabela 2. Podział enzymów na klasy

klasa

podklasa

typ katalizowanej reakcji

oksyreduktazy

dehydrogenazy, oksydazy, reduktazy,

peroksydazy, katalazy, oksygenazy,

hydroksylazy

reakcje utleniania i redukcji

transferazy

transaldolaza, transketolaza, transferazy,

kinazy, fosfomutazy

reakcje przenoszenia grup funkcyjnych z cząsteczki

donora do cząsteczki akceptora

hydrolazy

esterazy, peptydazy, tiolazy,

fosfolipazy, amidazy, dezamidazy,

glikozydazy

hydroliza i tworzenie wiązań w estrach, amidach

laktonach, laktamach, epoksydach, nitrylach,

bezwodnikach, glikozydach

liazy

dekarboksylazy, aldolazy, ketolazy,

hydratazy, dehydratazy, syntazy, liazy

reakcje addycji / eliminacji małych cząsteczek do

wiązań podwójnych

izomerazy

racemazy, epimerazy, mutazy

izomeryzacja

ligazy

syntetazy, karboksylazy

reakcje tworzenia lub rozpadu wiązań sprzężone z

rozerwaniem wiązania pirofosforanowego w ATP

Pożądane produkty procesów biotransformacyjnych stanowią cząsteczki optycznie

czynne, często o wielu centrach asymetrii. W przypadku jednego centrum chiralnego miarą

czystości produktu jest nadmiar enancjomeryczny, definiowany jako stosunek ilości jednego z

izomerów do ilości ich obu. Nadmiar enancjomeryczny produktu P, ee (ang. enantiomeric

excess) można wyrazić wzorem:

%

100

]

P

ent

[

]

P

[

]

P

ent

[

]

P

[

ee

⋅

−

+

−

−

=

gdzie:

[P] – stężenie produktu,

[ent-P] – stężenie jego enancjomeru.

Wartości [P] i [ent-P], a raczej ich stosunek, uzyskuje się w praktyce z eksperymentów NMR

(widma diastereoizomerycznych pochodnych) oraz drogą chromatografii na chiralnych fazach

stacjonarnych. W obu przypadkach

]

P

ent

[

]

P

[

−

odpowiada stosunkowi integracji odpowiednich

sygnałów. Inną metodą określenia czystości produktu jest pomiar jego skręcalności właściwej

[

α] i porównanie jej ze skręcalnością właściwą czystego enancjomeru [α]

abs

. Iloraz ten

definiuje czystość optyczną, op (ang. optical purity):

%

100

]

[

]

[

op

abs

⋅

α

α

=

.

O ile [

α]

abs

rzeczywiście odpowiada skręcalności właściwej czystego enancjomeru, to

czystość enancjomeryczna (ee) równa się czystości optycznej (op).

Jeżeli produkt stanowi mieszaninę diastereoizomerów, to w tym wypadku operuje się

terminem nadmiar diastereoizomeryczny, de (ang. diastereoisomeric excess):

%

100

]

D

[

]

D

[

]

D

[

]

D

[

ee

2

1

2

1

⋅

+

−

=

,

gdzie [D

1

] i [D

2

] określają stężenia diastereoizomerów.

1. Reakcje z użyciem drożdży piekarskich

Drożdże piekarskie, Saccharomyces cerevisiae (ang. baker yeasts) są niezwykle cennym

biokatalizatorem reakcji tworzenia wiązania C-C, hydrolizy estrów, asymetrycznej redukcji

grupy karbonylowej i wiązania C=C. Niska cena, łatwa dostępność i nieskomplikowane

warunki reakcji stanowią o dużej popularności tego katalizatora w syntezie chemicznej.

Asymetryczna kondensacja acyloinowa jest pierwszą opisaną syntezą z zastosowaniem

drożdży piekarskich (Neuberg, 1921) [2] i stanowi przykład formowania wiązania C-C.

Aktywnym enzymem jest tu dekarboksylaza pirogronianowa (rys 1).

O

+

CH

3

CHO

drożdże

piekarskie

O

OH

Rys. 1. Kondensacja acyloinowa przy użyciu drożdży piekarskich

Wkrótce po doniesieniu Neuberga rozpoczęto produkcję D-(-)-efedryny na skalę

przemysłową (1930).

CH

3

NH2

H

2

/ Pt

O

OH

NHCH

3

OH

D-(-)-efedryna

Rys. 2. Synteza D-(-)-efedryny

Innym przykładem zastosowania syntezy acyloinowej z udziałem drożdży piekarskich

może być synteza zredukowanej acyloiny i zredukowanego alkoholu furylowego, które

wykorzystuje się w syntezie

α-tokoferolu (witaminy E), rys. 3.

O

CHO

drożdże

piekarskie

O

OH

OH

O

OH

O

O

O

HO

O

HO

α-tokoferol

Rys. 3. Synteza

α-tokoferolu

Własności hydrolityczne drożdży piekarskich wynikają z obecności w ich komórkach

esteraz i lipaz. Hydroliza racemicznych estrów N-acetyloaminokwasów prowadzi do

powstania optycznie czynnych kwasów oraz nieprzereagowanych estrów o konfiguracji D [3]

(rys. 4).

OEt

O

R

NHAc

drożdże

piekarskie

OEt

O

R

NHAc

OH

O

R

NHAc

+

Rys. 4. Hydroliza wiązania estrowego w estrach etylowych N-acetyloaminokwasów

Duże zainteresowanie skierowane jest na zastosowanie drożdży piekarskich do

stereospecyficznej redukcji wiązania podwójnego C=C. Jest to doskonała droga

otrzymywania chiralnych substratów w syntezie asymetrycznej. Najwięcej danych

eksperymentalnych zgromadzono dla przypadku trójpodstawionego wiązania podwójnego [4]

(rys. 5).

H

R

3

R

1

R

2

drożdże

piekarskie

R

1

R

3

R

2

*

Rys. 5. Redukcja wiązania podwójnego C=C

Konfiguracja na powstałym centrum chiralnym zależy od rodzaju izomeru (Z / E) oraz od

właściwości podstawników R. Wydajności reakcji wahają się w granicach 30-65% i ee >

80%.

Na uwagę zasługuje katalizowana drożdżami redukcja aromatycznych związków

nitrowych. Przykładem może być otrzymywanie 1-amino-3-nitrobenzenu z 1,3-

dinitrobenzenu [5] (rys. 6).

NO

2

NO

2

drożdże piekarskie
NaOH
CH

3

OH / H

2

O

70-80

o

C, 2h

NH

2

NO

2

Rys. 6. Redukcja aromatycznych związków nitrowych

Najszerzej jednak eksploatowanym zastosowaniem drożdży piekarskich w

asymetrycznej katalizie jest redukcja grupy karbonylowej w ketonach, diketonach i

ketoestrach. Stwierdzono, że reakcję redukcji katalizują co najmniej dwie reduktazy obecne w

komórkach drożdży. Ich stereochemiczne preferencje mogą być różne. Zmiana

rozpuszczalnika i modyfikacje strukturalne substratu wpływają istotnie na ee produktu.

Atak jonu wodorkowego może nastąpić zarówno od lica re jak i si (rys. 7).

Si-face

Re-face

R

R

L

S

Rys. 7. Definicja lica re (re-face) i lica si (si-face) ugrupowania karbonylowego. R

L

oznacza

duży, R

S

mały objętościowo podstawnik

Stereochemia produktu reakcji określona jest regułą Preloga [1] (rys. 8).

O

R

L

R

S

H

-

atak od lica si

OH

R

L

R

S

Rys. 8. Ilustracja reguły Preloga

Na rys. 9 znajdują się przykłady stereospecyficznej redukcji ketonów [6].

O

R

1

R

2

OH

R

1

R

2

R

1

CH

3

CH

3

CH

3

CH

3

CF

3

CH

3

CH

3

CH

3

CH

3

R

2

C

2

H

5

n-C

4

H

9

Ph
CF

3

CH

2

Br

C(CH

3

)

2

NO

2

CH

2

OH

(CH

2

)

2

CH=C(CH

3

)

2

cyklo-C

6

H

11

ee [%]

67

82
89

>80
>80
>96

91
94

>95

Rys. 9. Redukcja ketonów za pomocą drożdży piekarskich

Produkty redukcji

β-ketoestrów stanowią niezwykle cenne chiralne bloki budulcowe.

Poniższy przykład pokazuje syntezę (R)-fluoksetyny, czynnego składnika popularnego leku

psychotropowego Prozac (koncern Eli Lilly). Pierwszy etap tej syntezy, stereospecyficzna

redukcja benzoilooctanu etylu do S-(-)-3-fenylo-3-hydroksypropionianu etylu jest tematem

jednego z ćwiczeń wykonywanych w naszej pracowni.

O

O

O

S. cerevisiae

OH

O

O

(i) LiAlH

4

(ii) MsCl

OH

OMs

O

N

H

F

3

C

x HCl

(i) F

3

CPhOH, Ph

3

P, DEAD

(ii) NaI, MeNH

2

(iii) HCl / Et

2

O

Rys. 10. Asymetryczna synteza popularnego leku psychotropowego (R)-fluoksetyny (Prozac)

Podobnie jak w przypadku reakcji redukcji ketonów, tu również na optyczną czystość

produktu ma wpływ rozpuszczalnik i rodzaj podstawników w cząsteczce. Ilustruje to poniższy

przykład.

O

Me

OEt

O

OH

Me

OEt

O

S

O

Et

OEt

O

OH

Et

OEt

O

S

O

n-Pr

OEt

O

OH

n-Pr

OEt

O

R

H

2

O

Et

2

O

97

77

2

30

86

43

ee [%]

Rys. 11. Ilustracja wpływu wielkości podstawnika przy prochiralnym atomie węgla oraz

rozpuszczalnika na czystość optyczną produktu

Literatura

[1]

Prelog, V., Pure Appl. Chem., 9:119, (1964).

[2]

Neuberg, C., Hirsch, J., Biochem. Z., 115: 282, (1921).

[3]

Csuk, R., Glanzer, B.I., Chem. Rev., 91: 49-97, (1991).

[4]

Servi, S., Synthesis, 1-25, (1990).

[5]

Baik, J.L. et al., Tetrahedron Lett., 35: 3965, (1994).

[6]

Faber, K., Biotransformations in Organic Chemistry, Springer-Verlag, Berlin-

Heidelberg, (2004).