Biotransformacje.pdf

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

cyklodekstryny

lipaza

butanian glicydolu

fumaraza

kwas (-)-jabłkowy

10 2

aminoacylaza

b-tyrozynaza

lipaza

hydroksylaza

(-)-metionina, (-)-walina

(-)-fenyloalanina

(-)-dopa

(-)-karnityna

aspartaza

termolizyna

kwas (-)-asparaginowy

aspartam

10 3

hydantoinaza

aldonolaktonaza

(+)-fenyloglicyna

kwas (+)-pantotenowy

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,

reakcje utleniania i redukcji

hydroksylazy

transferazy

transaldolaza, transketolaza, transferazy,

reakcje przenoszenia grup funkcyjnych z cząsteczki

kinazy, fosfomutazy

donora do cząsteczki akceptora

hydrolazy

esterazy, peptydazy, tiolazy,

hydroliza i tworzenie wiązań w estrach, amidach

fosfolipazy, amidazy, dezamidazy,

glikozydazy

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:

[

]

−

[

ent

−

]

⋅

100

[

]

[

ent

−

]

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

[

]

odpowiada stosunkowi integracji odpowiednich

[

ent

−

]

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

[

]

abs

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

[

]

[

]

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).

drożdże

piekarskie

+ CH 3 CHO

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

NHCH 3

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.

CHO

drożdże

piekarskie

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).

drożdże

piekarskie

OEt

NHAc

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

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: