OTRZYMYWANIE ZWIĄZKÓW O AKTYWNOŚCI BIOLOGICZNEJ POPRZEZ ROZDZIAŁ ICH ENANCJOMERÓW KATALIZOWANY PRZEZ LIPAZY

Transkrypt

1 TRZYMYWAIE ZWIĄZKÓW AKTYWŚCI BILGICZEJ PPRZEZ RZDZIAŁ ICH EACJMERÓW KATALIZWAY PRZEZ LIPAZY a Monika Siepka, Witold Gładkowski, b Ewelina Siepka azwa instytucji: Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, a Katedra Chemii, orwida 25, Wrocław, b Katedra Technologii Surowców Zwierzęcych i Zarządzania Jakością, Chełmońskiego 37/41, Wrocław. piekun naukowy: prof. dr hab. Cz. Wawrzeńczyk Streszczenie: Teoretyczne wprowadzenie do tematyki kinetycznego i dynamicznego kinetycznego rozdziału oraz przykłady praktycznego zastosowania tego typu procesów do otrzymywania związków o właściwościach zapachowych, antyfidantnych oraz syntonów w produkcji leków. Słowa kluczowe: kinetyczny rozdział, dynamiczny kinetyczny rozdział, lipazy, reguła Kazlauskasa. 1. Wstęp Kinetyczny rozdział oraz dynamiczny kinetyczny rozdział należą do istotnych metod umożliwiających otrzymanie chiralnych, bioaktywnych związków (Wińska i wsp., 2010). Kinetyczny rozdział (KR) jest definiowany jako proces, w wyniku którego enancjomery racematu zostają przekształcone w produkty z różną szybkością (Rys. 1). Rys. 1. Schemat poglądowy klasycznego rozdziału kinetycznego (Pellissier H., 2011). Enzymatyczny kinetyczny rozdział należy do użytecznych metod otrzymywania chiralnych składników m.in. w przemyśle farmaceutycznym i agrochemicznym (Chen Q. i wsp., 2010). Jest on zaliczany do metod biokatalitycznych, które w porównaniu z metodami chemicznymi, charakteryzują się większą szybkością reakcji (10 12 razy), wyższą wydajnością, chemo- regio- i enancjoselektywnością, a także mniejszym skażeniem środowiska (Kamal i wsp., 2008).

2 Maksymalna teoretyczna wydajność jaką można uzyskać w tym procesie sięga zaledwie 50%, co stanowi jej znaczne ograniczenie. Dynamiczny kinetyczny rozdział (DKR) umożliwia uzyskanie produktów ze znacznie wyższymi wydajnościami dzięki sprzężeniu racemizacji in-situ z kinetycznym rozdziałem katalizowanym przez enzymy lipolityczne (Rys. 2). Rys. 2. Schemat poglądowy dynamicznego kinetycznego rozdziału. DKR umożliwia całkowite przereagowanie racemicznego substratu w pojedynczy enancjomer produktu z teoretycznie 100%-ową wydajnością (Pellissier, 2003). Muszą być jednak spełnione następujące kryteria: nieodwracalność procesu rozdziału, jego selektywność (E 20) oraz znaczna przewaga szybkości procesu racemizacji nad szybkością rozdziału (k inv >k A ) w warunkach optymalnych zarówno dla jednego jak i drugiego procesu (Pellissier H., 2011). 2. pis zagadnienia, przegląd literatury i dyskusja Kinetyczny rozdział wykorzystywany jest najczęściej do rozdziału mieszaniny racemicznej alkoholi w procesie enancjoselektywnej estryfikacji lub hydrolizy estru katalizowanej przez lipazy. Hydroliza estru wykorzystywana jest również do otrzymywania optycznie czynnych kwasów. Reguła Kazlauskasa Lipazy wykazują zwykle większą enancjoselektywność w procesie kinetycznego rozdziału w stosunku do alkoholi drugorzędowych niż pierwszo- czy trzeciorzędowych (Gotor-Fernandez i wsp., 2006). Ich enancjopreferencję można przewidzieć na podstawie reguły Kazlauskasa. piera się ona na różnicy w rozmiarach podstawników przy centrum chiralności alkoholi drugorzędowych lub ich estrów. Lipazy wydajniej rozdzielają mieszaniny racemiczne alkoholi lub estrów cechujących się zróżnicowaniem wielkości podstawników przy asymetrycznym atomie węgla niż tych z podobnym rozmiarem podstawników. Wynika to z budowy centrum katalitycznego lipaz, które można przedstawić jako dwie lub więcej kieszeni o różnym rozmiarze (Rys.3). Miejsce wiążące substrat zawiera duża hydrofobową część dla dużego podstawnika L (large) i ograniczony region dla podstawnika o małym lub średnim rozmiarze M (medium).

3 Rys. 3. Reguła Kazlauskasa dla rozdziału alkoholi drugorzędowych. Reguła Kazlauskasa dokładnie określa budowę preferowanego izomeru substratu. Szybciej reagującym enancjomerem jest ten, którego rozmiary podstawników wykazują większe dopasowanie z rozmiarami kieszeni enzymu. Drugi enancjomer w wyniku przestrzennego niedopasowania do centrum katalitycznego enzymu reaguje znacznie wolniej. Rys. 4. Enzymatyczna hydroliza i transestryfikacja zgodna z regułą Kazlauskasa (Gotor- Fernandez i wsp., 2006). Reguła ta nie przewiduje konfiguracji preferowanego enancjomeru. kreślenia duży i średni/mały oznaczają jedynie objętości podstawników, a nie ich pierwszeństwo w ustalaniu konfiguracji absolutnej (Chojnacka i wsp., 2006). Przyjmując założenie, iż kolejność podstawników według reguł pierwszeństwa jest następująca: H > podstawnik L > podstawnik M, można stwierdzić, że w reakcji hydrolizy racemicznego estru powstaje (R)-enancjomer alkoholu i pozostaje nieprzereagowany (S)-izomer estru. Analogicznie, w reakcji transestryfikacji racemicznego alkoholu powstaje (R)-enancjomer estru i pozostaje nieprzereagowany (S)-izomer alkoholu. Przykłady kinetycznego rozdziału wykorzystywanego do pozyskiwania związków użytecznych przemysłowo Kinetyczny rozdział (KR) często bywa wykorzystywany do otrzymywania poszczególnych enancjomerów związków, m.in. alkoholi allilowych, które budzą

4 zainteresowanie ze względu na ich właściwości zapachowe oraz antyfidantne przeciwko owadom. Wykorzystywane są również do produkcji leków. Główne składniki aromatu grzybowego są związkami 8-węglowymi, jednak najważniejszym z nich jest okt-1-en-3-ol (1), który posiada dwie formy optycznie czynne. Tylko jeden z enancjomerów jest odpowiedzialny za typowo grzybowy zapach: R-(-)-okt-1-en-3-ol, podczas gdy S-(+)-okt-1-en-3-ol charakteryzuje się pleśniowotrawiastą nutą (Zawirska-Wojtasiak, 2004). Tylko R enancjomer może znaleźć zastosowanie w przemyśle spożywczym jako aromat grzybowy, dlatego opracowano kilka metod rozdziału mieszaniny racemicznej 1-okten-3-olu (1). ajbardziej wydajną metodą jest przeprowadzenie reakcji estryfikacji z propionianem winylu (2) jako donorem grupy acylowej, w eterze diizopropylowym (DIPE) jako medium reakcji i w obecności katalizatora, którym jest preparat immobilizowanej lipazy z Candida antarctica B (ovozym 435) (Schemat 1). astępnie z mieszaniny poreakcyjnej wydziela się nieprzereagowany enancjomer R metodą chromatografii kolumnowej (Chojnacka i wsp. 2005). H (+/-)-1 (+/-)-1) 2 DIPE Lipaza z Candida antarctica typu B ~6h (R)-(-)-1 >96% ee wyd.49% H + (S)-(-)-3 94% ee wyd. 47% Schemat 1. trzymywanie (R)-(-)-okt-1-en-3-olu (3) w reakcji transestryfikacji. Bardzo duże zainteresowanie metodami enzymatycznymi otrzymywania optycznie czynnych związków obserwuje się w produkcji syntonów leków. S-(+)-Pentan- 2-ol (4) stanowi kluczowy produkt pośredni w syntezie leków stosowanych w leczeniu choroby Alzheimera, które hamują uwolnienie peptydu - β-amyloidu lub jego syntezę. Patel i wsp. przedstawiają kinetyczny rozdział pentan-2-olu (4) z zastosowaniem lipazy z Candida antarctica B oraz przy użyciu bezwodnika kwasu bursztynowego jako czynnika acylującego (Schemat 2). Lipaza z Candida antarctica B wykazuje wysoką selektywność w środowisku bezwodnego eteru diizopropylowego, co pozwala na

5 otrzymanie (S)-alkoholu z 98% enancjoselektywnością oraz 43% wydajnością (Patel, 2000). Lipaza z Candida antarctica B H H + (R,S)-4 4 (S)-4 5 (R)-6 Schemat 2. Kinetyczny rozdział mieszaniny racemicznej pentan-2-olu. H Kwas z układem indenu (8) jest istotnym prekursorem ketonów aryloindanowych, które stanowią ważne składniki ludzkich inhibitorów peptydylo-prolilo-cis/transizomerazy, biorącej udział w procesach zwijania się łańcuchów białkowych. Ważnym osiągnięciem było opracowanie warunków dynamicznego kinetycznego rozdziału estru metylowego tego kwasu (7). Rozdział ten przeprowadzony w obecności lipazy z Candida antarctica (CAL B) oraz 1,5,7-triazobicyklo[4.4.0]dec-5-enu jako czynnika powodującego racemizację (Schemat 3). Metoda ta zapewnia syntezę oczekiwanego enancjomerycznie wzbogaconego kwasu indanokarboksylowego z wysoką enancjoselektywnością (97% ee) i bardzo dobrą wydajnością (95%). Produkt tej reakcji jest wykorzystywany do otrzymywania biologicznie aktywnego ketonu (10) (Pellissier H., 2011). H 9 7 C 2 Me bufor, n-heptan Lipaza z Candida antarctica typu B (R)-8 95%, ee = 97% C 2 H + (S)-8 C 2 H Me Me 10 Schemat 3. Dynamiczny kinetyczny rozdział estru 7. F

6 (+)-Scyfostatyna (13) jest uważana za najbardziej specyficzny i silny inhibitor neutralnej sfingomielinazy stosowanej w leczeniu stanów zapalnych oraz zaburzeń immunologicznych i neurologicznych. Jego aktywność biologiczna związana jest z ugrupowaniem epoksycykloheksenu, dlatego Hoye i wsp. opracowali nową strategię w syntezie tego elementu budowy scyfostatyny. Stereoselektywna synteza oparta jest na dynamicznym kinetycznym rozdziale mieszaniny diastereoizomerów przedstawionych na Schemacie 3. Czynnikiem wymuszającym ponowne ustalenie się równowagi między obydwoma stereoizomerami jest w tym przypadku ogrzewanie mieszaniny reakcyjnej w deuterowanym chloroformie lub acetonie w temperaturze 80 C. Warto zauważyć, iż to DKR umożliwia w wyżej wymienionej reakcji zachowanie bez zmian pozostałych czterech centrów stereogenicznych (Hoye i wsp. 2010). H H Troc deuterowany aceton/ chloroform 80 o C H H Troc DKR lipaza Amano PS octan winylu o heksan, 20 C 11-a 11-b 12 Troc = Cl 3 CCH 2 C (grupa blokujaca azot) H Ac Troc 46%, ee=100% H H H (+)-scyfostatyna 13 Schemat 4. Wykorzystanie DKR w syntezie (+)-scyfostatyny. 3. Podsumowanie i wnioski Kinetyczny rozdział i dynamiczny kinetyczny rozdział należą do użytecznych metod stosowanych do otrzymywania optycznie czynnych związków. Mogą być wykorzystywane przez naukowców w skali laboratoryjnej, ale również w przemyśle. Umożliwiają one uzyskanie poszczególnych enancjomerów z wysokimi nadmiarami enancjomerycznymi (ee) Jest to niezwykle istotna zaleta tych procesów, ponieważ właściwości biologiczne związków często zależą od konfiguracji ich centrów chiralności.

7 4. Literatura Chojnacka A., Heluszka A., Pisarski B., Wawrzeńczyk C Preparation of pure enantiomers of oct-1-en-3-ol In lipase-catalyzed reactions. Ann. Pol. Chem. Soc. 1: Chen Q., Yuan Ch Synthesis of novel ruthenium(ii) complex and its unique behaviors in enzymatic dynamic kinetic resolution of secondary alcohols. Tetrahedron. 66: Gotor-Fernandez V., Brieva R., Gotor V Lipases: Useful biocatalysts for the preparation of pharmaceuticals. Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic. 40: Hoye T.H., Jeffrey C.S., elson D.P Dynamic Kinetic Resolution During a Vinylogous Payne Rearrangement: A Concise Synthesis of the Polar Pharmacophoric Subunit of (+)-Scyphostatin. rganic Letters. 12: Kamal A., Azhar M.A., Krishnaji T., Malik M.S., Azeeza S Approaches based on enzyme Mediatel kinetic to dynamic kinetic resolution: A versatile route for Chirac intermediates. Coordination Chemistry Reviews. 252: Patel R.., Banerjee A., anduri V., Goswami A., Comezoglu Enzymatic Resolution of Racemic Secondary Alcohols by Lipase B from Candida Antarctica. Journal of the American il Chemists' Society. 77: Pellissier H Dynamic kinetic resolution. Tetrahedron. 59: Pellissier H Recent developments in dynamic kinetic resolution. Tetrahedron. 67: Wińska K., Grudniewska A., Chojnacka A., Białońska A., Wawrzeńczyk Cz , Enzymatic resolution of racemic secondary cyclic allylic alcohols. Tetrahedron: Asymmetry. 21: Zawirska-Wojtasiak R., ptical purity of (R)-(-)-1-octen-3-ol in aroma of various species of edible mushrooms. Food Chemistry. 86: Adres do korespondencji: Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, Katedra Chemii, orwida 25, Wrocław, monikasiepka@yahoo.com