Enzymy. Stereochemia

reakcji.

Różnicowanie, enancjomery

D

A

B

C

D

C

B

A

operator

(R)

(S)

A> B> C > D

A'

B'

C'

A'

B'

C'

V(R) > V(S)

H

H

O

2

CR

H

O

2

CR'

H

H

O

2

CR

CH

2

-O

2

CR

CH

2

-O

2

CR

R'CO

2

-H

2

C

COOMe

Ph

Me

COOMe

re

si

Grupy enantiopowe

A

si

A

re

B

C

operator

A> B> C

A'

B'

C'

V

si

> V

re

A

re

A

si

C

B

(R)

A'

B'

C'

Różnicowanie, enantiotopowe

Ph

Me

re

si

O

A

B

C

a

b

O

A

B

C

b

a

O

operator

operator

Różnicowanie, enantiofacjalne

Enantioselektywne reakcje

R + E = [ R E ]

K

(R)

E + P

R + E = [ R E ]

K

(S

)

E + Q

ΔΔ G# = - ΔΔH# - T ΔΔS#

ΔΔG# = -RT ln kR/kS

ΔΔG# kR/kS e.e. [ % ]

0,118

1.2

10

1,74

19

90

2,17

39

95

3,14

199

99

Enzymatyczne stereoróżnicowanie

Enantiofacjalne stereoró¿nicowanie

Hydrolazy

O

X

R

O

Y

Z

si

re

Z

X

O

Y

H

O

CH

2

OPh

Me

O

OCH

2

OMe

si

re

O

CH

2

OPh

OCH

2

OMe

H

(R)

X

X

R

2

R

1

X

Y

R

2

R

1

COOMe

MeOOC

H

Ph

COOH

MeOOC

H

Ph

COOMe

HOOC

H

Ph

k

(R)

k

(S)

Chiralny

Achiralny

slektywnosc

k

(S)

k

(R) /

Enantiotopowe róznicowanie

Hydrolazy

H

H

O

2

CR

H

O

2

CR'

H

H

O

2

CR

CH

2

-O

2

CR

CH

2

-O

2

CR

R'CO

2

-H

2

C

COOMe

Ph

Me

COOMe

re

si

Grupy enantiopowe

A

si

A

re

B

C

operator

A> B> C

A'

B'

C'

V

si

> V

re

A

re

A

si

C

B

(R)

A'

B'

C'

Różnicowanie, enantiotopowe

Ph

Me

re

si

O

A

B

C

a

b

O

A

B

C

b

a

O

operator

operator

Różnicowanie, enantiofacjalne

Enantioselektywne reakcje

R + E = [ R E ]

K

(R)

E + P

R + E = [ R E ]

K

(S

)

E + Q

ΔΔ G# = - ΔΔH# - T ΔΔS#

ΔΔG# = -RT ln kR/kS

ΔΔG# kR/kS e.e. [ % ]

0,118

1.2

10

1,74

19

90

2,17

39

95

3,14

199

99

Enzymatyczne stereoróżnicowanie

Enantiofacjalne stereoró¿nicowanie

Hydrolazy

O

X

R

O

Y

Z

si

re

Z

X

O

Y

H

O

CH

2

OPh

Me

O

OCH

2

OMe

si

re

O

CH

2

OPh

OCH

2

OMe

H

(R)

X

X

R

2

R

1

X

Y

R

2

R

1

COOMe

MeOOC

H

Ph

COOH

MeOOC

H

Ph

COOMe

HOOC

H

Ph

k

(R)

k

(S)

Chiralny

Achiralny

slektywnosc

k

(S)

k

(R) /

Enantiotopowe róznicowanie

Hydrolazy

Y

X

R

2

R

1

X

Z

R

2

R

1

COOMe

MeOOCH

2

C

H

Ph

k

(R)

k

(S)

Chiralny

selektywnosc

k

(S)

k

(R) /

Enantiotomeryczne róznicowanie

Hydrolazy

X

Y

R

2

R

1

X

Y

R

2

R

1

CH

2

COOMe

MeOOC

H

Ph

COOH

MeOOCH

2

C

H

Ph

CH

2

COOMe

HOOC

H

Ph

Wydajność 50% max.

Sekwencyjny rozdział

R

#

OAc + H

2

O

R

#

OH + AcOH

R

#

OH + C

6

H

11

COOH

C

6

H

11

COOR

#

C

6

H

11

COOR

#

+ H

2

O

R

#

OH +C

6

H

11

COOH

HO

E=8

HO

RCOOH

RCOO

E=90

woda/heksan , lipaza ( Mucor sp.)

AcO

R=C

6

H

11

Dynamiczny rozdział

R

S

E

E

Ps

Pr

Wydajność 99%

Warunki:

V(R) >> V(S)
Racemizacja: szybka
Hydroliza niekatalityczna wolna

COOR

2

H

2

N

R

1

COOR

2

NH

2

R

1

E1

E2

COOR

2

H

2

N

R

1

E1 pyridoxal-5-phosphate

R

1

Wydajnosc e.e.

PhCH

2

92% 98%

Phe

HO-Ph-CH

2

95% 97% Tyr

Me

2

CH-CH

2

87% 93% Leu

Dynamiczny rozdział racematu

R2 = PhCH2

Oksydoreduktazy. Stereoselektywna redukcja

Transferazy

Synthetase-catalysed synthesis of CMP-
Neu5Ac

Synthesis of UDP-galctose and
N-acetyl-lactosamine (LacNAc)

Liazy.
Synthesis of (S)-malic acid by means of a fumarase

Synthesis of (S)-aspartic acid by means
of an
aspartase

Synthesis of
acrylamide

Synthesis of (R)-phenylacetylcarbinol by
means of a pyruvate decarboxylase

Scheme 19. Oxynitrilase-catalysed
synthesis of
(S)-4-phenoxybenzcyanhydrine

Epimerazy.
Epimerase-catalysed isomerisation of
N-acetylglucosamine to N-acetylmannosamine

Reakcje enzymatyczne

- lipaza

Katalizowana lipazą z Pseudomonas synteza

chiralnego substratu do otrzymania epitolonu A

S

N

OH

S

N

OH

S

N

O

+

99% ee

S

N

O

O

OH

O

OH

O

epotilon A

O

OH

lipaza

katalizator

OH

+

O

O

katalizator =

Ru

CO

Cl

Co

Ph

Ph

N

Ph

H

Dynamiczny kinetyczny rozdział fenyloetanolu

Reakcje enzymatyczne

- lipaza

OH

m-krezol

OH

H

2

/cat.

OH

OH

OH

mentol

izomentol

neomentol

neoizomentol

OH

OH

OH

OH

OH

O

OH

OH

OH

OH

OH

OH

OH

lipaza

racemizacja

O

1./ destylacja

2./ hydroliza

OH

Schemat procesu produkcji mentolu

Reakcje enzymatyczne - lipaza

Reakcje enzymatyczne

- utleniania i redukcji

Wszystkie możliwe reakcje redukcji można

zakwalifikować

do jednej z czterech kategorii:

1.

reakcje enancjoselektywne i stereospecyficzne

2.

reakcje enancjoselektywne ale niestereospecyficzne

3.

reakcje enancjonieselektywne lecz stereospecyficzne

4.

reakcje enancjonieselektywne i niestereospecyficzne

Przykładem reakcji typu pierwszego jest stereoselektywna

redukcja anologu prostaglandyny- 15-keto-PGE

1

Przykłady transformacji typu drugiego nie są znane.

Reakcje enzymatyczne

- utleniania i redukcji

Reakcją typu trzeciego jest katalizowana przez drożdże

Sacharomyces cerevisiae transformacja prostaglandyny E

1

do

izomerów

i 15-deoksyprostaglandyny F

1

Reakcje enzymatyczne

- utleniania i redukcji

Curvularia falcata jest zdolna do niespecyficznego redukowania

(+-)-trans-2-dekalonu ( przykład reakcji typu czwartego)

Reakcje enzymatyczne

- utleniania i redukcji

Reakcje enzymatyczne

- utleniania i redukcji

• w procesach tych można użyć enzymu rozkładającego D-
aminokwasy
(oksydazy D-aminokwasów) i w wyniku reakcji otrzymywać optycznie
czyste
D-aminokwasy

• lub też można użyć oksydazy L-aminokwasów co prowadzi do
otrzymania
izomerów L

COOEt

O

COOEt

OH

COOEt

OH

wyd. 61; 4% ee

O

wyd. 56%; 96% ee

Mg

2+

wyd. 63%; 94% ee

wyd. 56%; 96% ee

Cl

OEt

O

Wpływ dodatków (jonów magnezu(II), metylowinyloketonu, chloromrówczanu etylu)

na przebieg reakcji redukcji 3-oksopentanonianu etylowego.

Reakcje enzymatyczne

- utleniania i redukcji

Specyficzność substratowa i stereospecyficzność w reakcji redukcji

symetrycznych dimetylcykloheksanonów przez Colletotricum cingulata

Inne reakcje enzymatyczne

Cl

Cl

O

Cl

Cl

OH

Cl

Cl

OH

Rhodotorula

glutinis

Geotrichum

candidum

O

Cl

O

O

Cl

OH

Candida

sonorensis

O

Cl

OH

Pichia pinus

Enancjospecyficzność przebiegu biokatalitycznej

redukcji

w zależności od rodzaju użytego mikroorganizmu

W syntezie optycznie czynnych aminokwasów

możliwe jest zastosowanie kilku metod

enzymatycznych:

1. Rozdział racemicznych mieszanin pochodnych

aminokwasów za pomocą enzymów

hydrolitycznych

2. Stereospecyficzna kondensacja achiralnych

substratów

3. Stereospecyficzne, redukcyjne aminowanie

ketonokwasów

4. Modyfikacja chiralnych prekursorów (np. przez

hydroksylowanie)

Biotransformacje aminokwasów

– rozdział racematów

Do rozdziału racemicznych mieszanin

najczęściej stosuje się:

• Katalizowane przez esterazy reakcje hydrolizy

estrów aminokwasów

Mieszanina
racemiczna

Reakcji hydrolizy ulega izomer L
natomiast izomer D nie ulega
reakcji

Drugą metodą rozdziału

racemicznych mieszanin jest:

• Selektywna hydroliza N-acylowych pochodnych

aminokwasów za pomocą acylaz

Trzecią metodą rozdziału

racemicznych mieszanin jest:

• Katalizowane przez amidazy i nitrylazy reakcje

hydrolizy amidów aminokwasów

Amidaza katalizuje reakcje hydrolizy izomeru L,

podczas gdy izomer D nie ulega reakcji.

Czwartą metodą rozdziału

racemicznych mieszanin jest:

• Stereoselektywna hydroliza 5-podstawionych

hydantoin przy pomocy hydantoinazy

Hydantoinaza katalizuje reakcje hydrolizy izomeru o

konfiguracji D, natomiast izomer L substratu nie ulega

reakcji.

Transformacja związków alicyklicznych dokonywanych za pomocą

Pseudomonas testosteroni i Nocardia restrictus dobrze obrazuje różnice

specyficznośi dehydrogenaz alkoholowych

Sposoby zwiększenia czystości

enancjomerycznej:

• Zmiana rozpuszczalnika reakcji
• Immobilizowanie enzymu
• Stosowanie dodatków

(etery koronowe, cyklodekstryny, związki

organiczne i nieograniczne)

• Zastosowanie dwóch następujących po

sobie procesów katalizy enzymatycznej

Aminokwasy

COOH

H

2

N

R

1

R

1

Wydajnosc e.e.

PhCH

2

92% 98%

Phe

HO-Ph-CH

2

95% 97% Tyr

Me

2

CH-CH

2

87% 93% Leu

COOH

O

R

1

E3

E1

E2

COOR

2

H

2

N

R

1

R

1

COOH

E1 Hydrolazy
E2 Liazy (addycja NH

3

)

E3 Dehydrogenazy ( reduktywne aminowanie)

Hydrolazy. Schemat reakcji

Hydrolazy. Leki

Zopcione. Lek przeciwbólowy

Candida antarctica lipase A
(CAL A)

Lek psychotropowy

Chiral 1,2-amino alcohols have
proved to be a functionally active
class of compounds with a wide
applicability in
medicinal chemistry. For example,
(S)-2-amino-1-butanol is the chiral
precursor of the antitubercular drug
ethambutol,

cis-(1S,2R)-1-aminoindan-2-ol is a
key component of indinavir, which is
a potent protease inhibitor of human
inmunodeficency virus (HIV).

Chirony jako półprodukty

Aminokwasy

COOH

RHN

R

1

E1

COOR

2

RHN

R

1

COOR

2

NHR

R

1

E1 alfa-chymotrypsyna ( watroba wolowa)

drozdze

R n-C

5

H

11,

Ph(CH

2

)

4

-

R

2

Me

e.e.> 97%

Hydrolazy. Lipase-catalysed
synthesis of (S)-1-
phenylethylamine

Lipase-catalysed synthesis of
(S,R)-2,3-p-
methoxyphenylglycylic acid

Amino acylase-catalysed
enantioselective hydrolysis of N-
acetyl-D,L-methionine

Lipase-catalysed synthesis of
(S,R)-2,3-p-
methoxyphenylglycylic acid

Lipase-catalysed synthesis of
(S)-1-phenylethylamine

Otrzymywanie leków HIV

Półprodukt do otrzymywania leku
Choroby układu krążenia

Nukleozydy. Leki przeciwnowotworowe

Nukleozydy. Leki przeciwnowotworowe