WYKORZYSTANIE METOD BIOTECHNOLOGICZNYCH DO OTRZYMYWANIA OPTYCZNIE CZYNNYCH ALKOHOLI

Podobne dokumenty
ENZYMY W CHEMII. Michał Rachwalski. Uniwersytet Łódzki, Wydział Chemii, Katedra Chemii Organicznej i Stosowanej

Przemiana materii i energii - Biologia.net.pl

Enzymy katalizatory biologiczne

ENZYMY W CHEMII. Michał Rachwalski. Uniwersytet Łódzki, Wydział Chemii, Katedra Chemii Organicznej i Stosowanej

Mechanizmy działania i regulacji enzymów

Projektowanie Procesów Biotechnologicznych

KINETYKA INWERSJI SACHAROZY

Technologia chemiczna - laboratorium. Instrukcja do ćwiczenia Redukcja związków organicznych za pomocą drożdży Saccharomyces cerevisiae

BIOSYNTEZA ACYLAZY PENICYLINOWEJ. Ćwiczenia z Mikrobiologii Przemysłowej 2011

OTRZYMYWANIE KARBOKSYMETYLOCELULOZY

Wydzielanie i oczyszczanie PLE

WŁASNOŚCI SPEKTRALNE NUKLEOTYDÓW PIRYDYNOWYCH (NAD +, NADP + ) OZNACZANIE AKTYWNOŚCI TRANSAMINAZY ALANINOWEJ

UNIWERSYTET PRZYRODNICZY WE WROCŁAWIU,

Kinetyka reakcji hydrolizy sacharozy katalizowanej przez inwertazę

1. Oznaczanie aktywności lipazy trzustkowej i jej zależności od stężenia enzymu oraz żółci jako modulatora reakcji enzymatycznej.

Kinetyka chemiczna jest działem fizykochemii zajmującym się szybkością i mechanizmem reakcji chemicznych w różnych warunkach. a RT.

Wpływ wybranych czynników na efektywność procesu

Zadanie: 2 (4 pkt) Napisz, uzgodnij i opisz równania reakcji, które zaszły w probówkach:

Estry. 1. Cele lekcji. 2. Metoda i forma pracy. 3. Środki dydaktyczne. a) Wiadomości. b) Umiejętności

Pochodne węglowodorów, w cząsteczkach których jeden atom H jest zastąpiony grupą hydroksylową (- OH ).

Chemia klasa VII Wymagania edukacyjne na poszczególne oceny Semestr II

SPIS TREŚCI OD AUTORÓW... 5

a) 1 mol b) 0,5 mola c) 1,7 mola d) potrzebna jest znajomość objętości zbiornika, aby można było przeprowadzić obliczenia

Laboratorium 5. Wpływ temperatury na aktywność enzymów. Inaktywacja termiczna

Plan dydaktyczny z chemii klasa: 2TRA 1 godzina tygodniowo- zakres podstawowy. Dział Zakres treści

Kryteria oceniania z chemii kl VII

Laboratorium 4. Określenie aktywności katalitycznej enzymu. Wprowadzenie do metod analitycznych. 1. CZĘŚĆ TEORETYCZNA

Zakład Chemii Organicznej, Wydział Chemii UMCS Strona 1

Wymagania edukacyjne niezbędne do uzyskania poszczególnych śródrocznych i rocznych ocen klasyfikacyjnych CHEMIA klasa III Oceny śródroczne:

Wykład 2. Kinetyka reakcji enzymatycznych.

WOJEWÓDZKI KONKURS PRZEDMIOTOWY DLA UCZNIÓW SZKÓŁ PODSTAWOWYCH WOJEWÓDZTWA ŚLĄSKIEGO W ROKU SZKOLNYM 2018/2019 CHEMIA

PL B1. UNIWERSYTET IM. ADAMA MICKIEWICZA W POZNANIU, Poznań, PL BUP 24/17

Bliskie spotkania z biologią METABOLIZM. dr hab. Joanna Moraczewska, prof. UKW. Instytut Biologii Eksperymetalnej, Zakład Biochemii i Biologii Komórki

Wpływ czynników utleniających na przebieg modelowego procesu utleniania cykloheksanolu i cykloheksanonu

Zadanie 1. [ 3 pkt.] Uzupełnij zdania, wpisując brakującą informację z odpowiednimi jednostkami.

SZYBKOŚĆ REAKCJI CHEMICZNYCH. RÓWNOWAGA CHEMICZNA

WPŁYW SUBSTANCJI TOWARZYSZĄCYCH NA ROZPUSZCZALNOŚĆ OSADÓW

PL B1. Symetryczne czwartorzędowe sole imidazoliowe, pochodne achiralnego alkoholu monoterpenowego oraz sposób ich wytwarzania

CHEMIA klasa 3 Wymagania programowe na poszczególne oceny do Programu nauczania chemii w gimnazjum. Chemia Nowej Ery.

WPŁYW SUBSTANCJI TOWARZYSZĄCYCH NA ROZPUSZCZALNOŚĆ OSADÓW

Zidentyfikuj związki A i B. w tym celu podaj ich wzory półstrukturalne Podaj nazwy grup związków organicznych, do których one należą.

1,2,3,4,6-PENTA-O-ACETYLO- -D-GLUKOPIRANOZA

Obliczenia stechiometryczne, bilansowanie równań reakcji redoks

Mg I. I Mg. Nie można ich jednak otrzymać ze związków, które posiadają grupy chlorowcowe w tak zwanym ustawieniu wicynalnym.

Oranż β-naftolu; C 16 H 10 N 2 Na 2 O 4 S, M = 372,32 g/mol; proszek lub

PL B1. Kwasy α-hydroksymetylofosfonowe pochodne 2-azanorbornanu i sposób ich wytwarzania. POLITECHNIKA WROCŁAWSKA, Wrocław, PL

XX KONKURS CHEMICZNY KLAS TRZECICH GIMNAZJALNYCH ROK SZKOLNY 2012/2013

Wymagania programowe na poszczególne oceny chemia kl. III 2014/2015

Wymagania edukacyjne na poszczególne roczne oceny klasyfikacyjne z przedmiotu chemia dla klasy 7 w r. szk. 2019/2020

WYMAGANIA EDUKACYJNE w klasie III

Kuratorium Oświaty w Lublinie

Enancjoselektywne reakcje addycje do imin katalizowane kompleksami cynku

CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA SZYBKOŚĆ REAKCJI CHEMICZNYCH. ILOŚCIOWE ZBADANIE SZYBKOŚCI ROZPADU NADTLENKU WODORU.

Synteza eteru allilowo-cykloheksylowego w reakcji alkilowania cykloheksanolu bromkiem allilu w warunkach PTC.

Konkurs przedmiotowy z chemii dla uczniów dotychczasowych gimnazjów 24 stycznia 2018 r. zawody II stopnia (rejonowe)

a) hydroliza octanu n-butylu b) hydroliza maślanu p-nitrofenylu 4/7 O O PLE bufor ph 7,20 OH H 2 aceton O PLE O N O N O bufor ph 7,20 acetonitryl

I KSZTAŁCENIA PRAKTYCZNEGO. Imię i nazwisko Szkoła Klasa Nauczyciel Uzyskane punkty

Ocenę niedostateczną otrzymuje uczeń, który: Ocenę dopuszczającą otrzymuje uczeń, który: Ocenę dostateczną otrzymuje uczeń, który:

SZCZEGÓŁOWE KRYTERIA OCENIANIA Z CHEMII DLA KLASY II GIMNAZJUM Nauczyciel Katarzyna Kurczab

Repetytorium z wybranych zagadnień z chemii

PL B1. Instytut Chemii Przemysłowej im.prof.ignacego Mościckiego,Warszawa,PL BUP 07/06

Definicja immobilizacji

Zagadnienia do pracy klasowej: Kinetyka, równowaga, termochemia, chemia roztworów wodnych

Oznaczanie mocznika w płynach ustrojowych metodą hydrolizy enzymatycznej

Odwracalność przemiany chemicznej

WYMAGANIA EDUKACYJNE z chemii dla klasy trzeciej gimnazjum

WYMAGANIA EDUKACYJNE na poszczególne oceny śródroczne i roczne. Z CHEMII W KLASIE III gimnazjum

Laboratorium. Podstawowe procesy jednostkowe w technologii chemicznej

PL B1. POLITECHNIKA POZNAŃSKA, Poznań, PL BUP 24/09. JULIUSZ PERNAK, Poznań, PL OLGA SAMORZEWSKA, Koło, PL MARIUSZ KOT, Wolin, PL

Konkurs przedmiotowy z chemii dla uczniów dotychczasowych gimnazjów. 07 marca 2019 r. zawody III stopnia (wojewódzkie)

(86) Data i numer zgłoszenia międzynarodowego: , PCT/AT01/ (87) Data i numer publikacji zgłoszenia międzynarodowego:

BADANIE WŁASNOŚCI KOENZYMÓW OKSYDOREDUKTAZ

VIII Podkarpacki Konkurs Chemiczny 2015/2016

Plan wynikowy z chemii do klasy III gimnazjum w roku szkolnym 2017/2018. Liczba godzin tygodniowo: 1.

Program zajęć z biochemii dla studentów kierunku weterynaria I roku studiów na Wydziale Lekarskim UJ CM w roku akademickim 2013/2014

Kuratorium Oświaty w Lublinie

1. REAKCJA ZE ZWIĄZKAMI POSIADAJĄCYMI KWASOWY ATOM WODORU:

KINETYKA HYDROLIZY SACHAROZY

(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1

Badanie szybkości hydrolizy lipidów mleka i oznaczanie aktywności lipazy trzustkowej

MATERIAŁY POMOCNICZE 1 GDYBY MATURA 2002 BYŁA DZISIAJ CHEMIA ZESTAW EGZAMINACYJNY PIERWSZY ARKUSZ EGZAMINACYJNY I

Ćwiczenie IX KATALITYCZNY ROZKŁAD WODY UTLENIONEJ

Zagadnienia z chemii na egzamin wstępny kierunek Technik Farmaceutyczny Szkoła Policealna im. J. Romanowskiej

4. Stereoizomeria. izomery. konstytucyjne różne szkielety węglowe, różne grupy funkcyjne różne położenia gr. funkcyjnych

Ćwiczenie 8 Wyznaczanie stałej szybkości reakcji utleniania jonów tiosiarczanowych

XIV Konkurs Chemiczny dla uczniów gimnazjum województwa świętokrzyskiego. II Etap - 18 stycznia 2016

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH: PROCESY ESTRYFIKACJI NA PRZYKŁADZIE OTRZYMYWANIA WYBRANYCH PLASTYFIKATORÓW

XXV KONKURS CHEMICZNY DLA GIMNAZJALISTÓW

LCH 1 Zajęcia nr 60 Diagnoza końcowa. Zaprojektuj jedno doświadczenie pozwalające na odróżnienie dwóch węglowodorów o wzorach:

Podstawy biogospodarki. Wykład 7

(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1

Recykling surowcowy odpadowego PET (politereftalanu etylenu)

Katedra Chemii Fizycznej Uniwersytetu Łódzkiego. Wpływ stężenia kwasu na szybkość hydrolizy estru

Węglowodory poziom podstawowy

Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych

Zakład Chemii Organicznej, Wydział Chemii UMCS Strona 1

7-9. Stereoizomeria. izomery. konstytucyjne różne szkielety węglowe, różne grupy funkcyjne różne położenia gr. funkcyjnych

Ćwiczenie 5 Izolacja tłuszczów z surowców naturalnych

Oznaczanie aktywności - i β- amylazy słodu metodą kolorymetryczną

Transkrypt:

WYKRZYSTANIE METD BITECHNLGICZNYCH D TRZYMYWANIA PTYCZNIE CZYNNYCH ALKHLI 1. Wstęp Problem otrzymywania czynnych optycznie enancjomerów ma podstawowe znaczenie w wielu gałęziach przemysłu chemicznego, np.: spożywczym, kosmetycznym, a szczególnie w przemyśle farmaceutycznym, gdzie czystość optyczna związku bardzo często decyduje o możliwości stosowania go jako leku. Dlatego opracowano wiele różnych metod otrzymywania czystych enancjomerów, ale uzyskiwane wyniki są bardzo różne, często niezadowalające ze względu na konieczność stosowania drogich odczynników i zbyt małą czystość optyczną produktów. gromny postęp w otrzymywaniu optycznie czynnych związków nastąpił po opracowaniu metod biotechnologicznych i reakcji biotransformacji. Pod pojęciem produkcji biotechnologicznej rozumie się procesy wykorzystujące metabolizm organizmów żywych, które z prostego źródła węgla (glukoza) i ewentualnie odpowiedniego prekursora w trakcie skomplikowanych przemian biochemicznych wytwarzają bardziej złożony związek chemiczny np. penicylinę G. Biotransformacje natomiast obejmują pojedyncze, konkretne przekształcenia chemiczne katalizowane najczęściej przez izolowane enzymy, preparaty enzymatyczne lub mikroorganizmy np. redukcja grupy karbonylowej ketonu. dużej atrakcyjności metod bio decydują następujące zalety: Wysoka chemo-, regio-, stereo- i enancjoselektywność Efektywność katalizy reakcje przebiegają 10 8-10 15 -razy szybciej, a wystarczy stężenie 10-3 -10-4 %mol (chemiczne: 0,1-1%mol) Możliwość sterowania parametrami biokatalizatorów dzięki zastosowaniu narzędzi biologii molekularnej Reakcje przebiegają w łagodnych warunkach (temp. pokojowa, ph neutralne) Reakcje mogą przebiegać w wodzie, jak i w rozpuszczalnikach organicznych Nie zachodzą reakcje uboczne Biodegradowalność katalizatorów Kompatybilność enzym jest wybiórczy w stosunku do danego substratu synteza onepot Enzymy są katalizatorami produkowanymi przez organizmy żywe, wpływającymi na szybkość i specyficzność tysięcy reakcji chemicznych. Źródłem enzymów mogą być mikroorganizmy (bakterie, drożdże, grzyby makroskopowe), komórki roślinne i zwierzęce. Chociaż są syntetyzowane w komórkach, mogą także działać poza nimi. Wiele enzymów po wyekstrahowaniu zachowuje w pełni swoją aktywność, którą można jeszcze poprawić przez oczyszczanie, wysalanie, immobilizację czy modyfikację chemiczną lub metodami biologii molekularnej. Jak już wspomniano, enzymy są podstawowymi katalizatorami przemian chemicznych zachodzących w przyrodzie. Ich liczba jest ogromna, do tej pory sklasyfikowano kilka tysięcy różnych enzymów. Nazwy są tworzone przez dodanie końcówki aza, np. ureaza, lipaza, kinaza. Najczęściej nazwa enzymu nawiązuje do przekształcanego substratu lub do typu reakcji, którą enzym katalizuje. Na przykład enzym rozkładający celulozę nazywa się celulazą. Bardzo często łączy się nazwę reakcji z nazwą substratu, np. dehydrogenaza alkoholowa, dekarboksylaza argininy, izomeraza retinalu. Niektóre enzymy posiadają tylko nazwy zwyczajowe, jak pepsyna (gr. pepsis trawienie), papaina (izolowana z papai), bromelaina (izolowana z owoców ananasa). 1

Można także spotkać się z nazwami enzymów o końcówce zym np. lizozym (powoduje lizę niektórych bakterii). W celu ujednolicenia nazewnictwa wprowadzono międzynarodowy system nomenklatury enzymów, który dzieli je na sześć klas w zależności od typu prowadzonej reakcji (tabela 3.1). Każdemu enzymowi przypisuje się numer EC składający się z czterech liczb. Przykładowo trypsyna sklasyfikowana jest jako 3.4.21.4, co oznacza: a) 3 hydrolaza b) 4 proteaza hydrolizująca wiązanie peptydowe c) 21 proteaza serynowa (seryna jest głównym aminokwasem w centrum aktywnym) d) 4 czwarty enzym przypisany do tej klasy Pod numerami EC bardzo rzadko występuje tylko jeden enzym. Najczęściej jest to grupa strukturalnie i funkcyjnie podobnych enzymów, które zostały wyizolowane z różnych organizmów lub nawet tkanek. W taki sposób trypsyna izolowana z trzustki człowieka pod względem sekwencji aminokwasowej, struktury przestrzennej i właściwości (punkt izoelektryczny, optymalne ph) może różnić się od trypsyny produkowanej przez np. tygrysa. Enzymy takie nazywane są izoenzymami, natomiast mechanizm działania i substrat jest ten sam. Tabela 1. System międzynarodowej klasyfikacji enzymów Klasa Nazwa Typ katalizowanej reakcji Przykład Dehydrogenaza 1 ksydoreduktazy Przenoszenie elektronów A - + B A + B - mleczanowa 2 Transferazy Przenoszenie grup funkcyjnych A-B + C A + B-C glukokinaza 3 Hydrolazy Reakcje hydrolizy A-B + H 2 A-H + B-H α-chymotrypsyna Rozszczepienie wiązań C-C, 4 Liazy C-, C-N i innych, często dekarboksylaza tworzenie wiązania argininy podwójnego 5 Izomerazy 6 Ligazy Przenoszenie grupy w obrębie cząsteczki Tworzenie wiązań sprzężone z hydrolizą ATP A + B A-B Izomeraza retinalu Karboksylaza 2- oksoglutaranu Mechanizm działania enzymów polega na wiązaniu substratów w odpowiednim położeniu, które umożliwia zajście reakcji, a powstałe produkty są następnie uwalniane (rys. 1.). Należy zwrócić uwagę, że proces jest odwracalny, czyli enzymy mogą katalizować reakcje w obu kierunkach, w zależności od warunków. 2

Rys.1. Reakcja katalizowana enzymatycznie (G.L. Patrick Chemia medyczna WNT 2003); Wiązanie substratów i właściwa reakcja następuje w specyficznej części cząsteczki enzymu. Fragment ten nazywany jest miejscem (centrum) aktywnym (rys. 2.). Mówiąc o części cząsteczki enzymu, mamy na myśli fragment jego struktury przestrzennej, a nie fragment łańcucha peptydowego. W rzeczywistości ze względu na pofałdowanie łańcucha białkowego, aminokwasy budujące centrum aktywne mogą być od siebie bardzo oddalone w sekwencji. Centrum katalityczne najczęściej znajduje się na powierzchni enzymu lub w jej pobliżu, tak aby substraty miały do niego łatwy dostęp, a produkty mogły być szybko usuwane. Może mieć ono kształt rowka lub zagłębienia. Rys. 2. Miejsce aktywne enzymu (G.L. Patrick Chemia medyczna WNT 2003); Niektóre z enzymów występujących w przyrodzie rozpoznaje i katalizuje przemianę tylko jednego, konkretnego substratu. Właściwość tą określa się mianem wąskiej specyficzności substratowej np. ureaza katalizuje rozkład mocznika, katalaza nadtlenku wodoru. Jednakże zdecydowana większość enzymów toleruje szeroką grupę związków o podobnej budowie, w strukturze których występuje tylko charakterystyczny element lub wiązanie. Takimi enzymami są lipazy, które katalizują hydrolizę wiązań estrowych w różnych tłuszczach. takich enzymach mówi się, że posiadają szeroką specyficzność substratową. Można także wyróżnić enzymy które przekształcają ten sam typ wiązania, ale w określonych przypadkach. Na rys. 3. przedstawiono dwa enzymy produkowane w trzustce, które hydrolizują wiązania peptydowe w białkach trypsynę i α-chymotrypsynę. Największe zastosowanie w syntezie znajdują hydrolazy. Enzymy te nie wymagają współdziałania żadnych dodatkowych małocząsteczkowych związków tzw. kofaktorów, w związku z tym są bardzo proste w użyciu. Poza tym produkowane są na ogromną skalę jako dodatki do proszków do prania i innych produktów gospodarstwa, jako dodatki podnoszące walory smakowe żywności itd., dlatego są łatwo dostępne i względnie tanie. Dzieli się je na podklasy w zależności od typu hydrolizowanego wiązania, najpopularniejsze to: 3

Rys. 3. Specyficzność substratowa trypsyny i α-chymotrypsyny Proteazy (peptydazy) hydrolizujące wiązania amidowe w białkach trypsyna, α-chymotrypsyna, papaina, subtilizyna, acylaza penicylanowa Esterazy hydrolizujące wiązania estrowe acetylocholnoesteraza (AChE), esteraza z wątroby świńskiej (PLE) Lipazy hydrolizujące wiązania estrowe w tłuszczach lipazy z Pseudomonas fluorescens (PFL), lipaza z Pseudomonas cepacia (PCL), lipaza B z Candida antarctica (CAL-B) Amylazy hydrolizujące wiązania glikozydowe w wielocukrach α-amylaza, amylazy z kiełkującego jęczmienia Hydrolazy epoksydów hydrolizujące pierścień epoksydowy EH z Aspergillus niger W syntezie optycznie czynnych alkoholi stosuje się najczęściej lipazy. Enzymy te ze względu na rolę fizjologiczną (hydroliza wiązań estrowych w tłuszczach) są naturalnie przystosowane do katalizowania reakcji nie tylko w wodzie, ale dobrze pracują także w obecności rozpuszczalników organicznych. Możliwe jest także prawie całkowite wyeliminowanie wody i zastąpienie jej niepolarnym rozpuszczalnikiem np. heksanem, eterem tert-butylo-metylowym. Niewielka ilość wody w układzie (1-2%) jest niezbędna aby enzym zachował właściwą strukturę przestrzenną, która warunkuje właściwości katalityczne. Polarne rozpuszczalniki organiczne można stosować jako dodatki poprawiające rozpuszczalność (do 10%, czasami w specyficznych przypadkach do 50% v/v) ponieważ dezaktywują enzymy (denaturują białko). Wyeliminowanie wody z układu reakcyjnego powoduje, że można prowadzić także reakcje estryfikacji i transestryfikacji. Poza tym dużo łatwiej jest wyizolować produkty z mieszaniny poreakcyjnej, ponieważ enzym w rozpuszczalniku organicznym nie rozpuszcza się i można go usunąć przez filtrację. Lipazy znajdują zastosowanie w następujących procesach: Hydroliza lub estryfikacja racemicznych lub prochiralnych substratów estrów lub alkoholi Dyssymeryzacja mezo-estrów lub dioli Reakcje z udziałem związków racemicznych realizowane są na drodze rozdziałów kinetycznych czyli opierają się na różnej szybkości, z jaką enancjomery są przekształcane przez enzym. Różnica ta wynika z odmiennego dopasowania przestrzennego izomerów do centrum aktywnego, dzięki czemu reakcja przebiega szybciej w stosunku do jednego z enancjomerów (R), jednakże równocześnie drugi enancjomer (S), chociaż wolniej, także jest przekształcany (rys 4). 4

Rys. 4. Rozdział kinetyczny racemicznych alkoholi Reakcje enzymatyczne są w większości procesami odwracalnymi. Jest to duży problem, ponieważ powstający produkt (R) jest także dobrym substratem dla enzymu a reakcja odwracalna prowadzi do znacznego obniżenia nadmiarów enancjomerycznych. Rozwiązaniem jest zapewnienie takich warunków, w których równowaga będzie przesunięta na korzyść produktów w takim stopniu, że reakcja stanie się praktycznie nieodwracalna lub pseudoniedwracalna. Najczęściej stosowanymi typami reakcji spełniającymi to założenie są reakcje hydrolizy (przebiegające w obecności znacznego nadmiaru wody) oraz reakcje transestryfikacji z zastosowaniem estrów enoli, estrów aktywnych i bezwodników kwasowych (rys.5). Rys. 5. Rozdział kinetyczny z zastosowaniem estrów enoli Wyrażenie efektywności rozdziału kinetycznego za pomocą stałych szybkości reakcji bywa problematyczne, ale można efektywność rozdziału matematycznie powiązać z stopniem konwersji (c) reakcji i nadmiarami enancjomerycznymi nieprzereagowanego substratu (ee s ) i produktu (ee p ). Stosunek enancjomeryczny E charakteryzuje selektywność reakcji enzymatycznej i wyraża się wzorami: Dla produktu; Dla substratu; Wartości E obliczone za pomocą dwóch powyższych równań nie są miarodajne w przypadku bardzo małych albo bardzo wysokich stopni konwersji (błędy wynikają z niedokładności pomiarów). Dlatego wygodniejsze jest użycie poniższego równania, w którym uwzględnia się tylko nadmiary enancjomeryczne. Zależność absolutna 5

Na rys. 6 przedstawione są przykładowe wykresy zależności nadmiarów enancjomerycznych od konwersji dla reakcji o niskiej (E=8) i wysokiej (E=43) enancjoselektywności dla reakcji transestryfikacji alkoholi z udziałem octanu winylu. Rys.6. Zależności nadmiarów enancjomerycznych od konwersji w przypadku reakcji o niskiej i wysokiej enancjoselektywności Jak widać produkt (ester) o wysokiej czystości optycznej może być otrzymany, kiedy konwersja reakcji nie przekracza 50%, a enzym możne swobodnie wybierać enancjomer lepiej dopasowany do centrum aktywnego. Powyżej 50% przereagowania, kiedy stężenie szybciej reagującego izomeru jest już niewielkie, czystość optyczna estru maleje i zależy od szybkości, z jaką przekształcany jest drugi enancjomer. Analogiczna zależność występuje dla nieprzereagowanego substratu. Wysoką czystość optyczną można uzyskać, kiedy konwersja przekroczy 50%. Bardzo istotne jest więc ustalenie czasu, kiedy rozdział osiąga maksimum tzn. kiedy enancjomery posiadają najwyższą (w danym przypadku) czystość i wydajność. Bardzo dużo zależy od enzymu, który został użyty, od jego stereospecyficzności w stosunku do substratu, a także od warunków procesu (rozpuszczalnika, zawartości wody w medium, donora lub akceptora grupy acylowej, temperatury, ph itd.). Dąży się do tego, aby E wynosił co najmniej 15-20 wtedy rozdział jest zadowalający, otrzymujemy produkty z dobrymi wydajnościami i czystościami optycznymi. Gdy E>100 jest to reakcja bardzo selektywna. ptycznie czynne enancjomery alkoholi drugorzędowych można otrzymać także na drodze redukcji grupy karbonylowej ketonów. Enzymami katalizującymi tą reakcje są dehydrogenazy należące do klasy oksydoreduktaz. Niestety mechanizm działania tych enzymów wymaga udziału kofaktorów, czyli niewielkich, w stosunku do enzymu, cząsteczek organicznych lub jonów metali. Kofaktory niekowalencyjnie związane z enzymem nazywane są koenzymami. Dehydrogenazy podczas redukcji grupy karbonylowej wymagają udziału dwunukleotydu nikotynoamidoadeninowego (NADH) lub jego fosforanu (NADPH) (rys. 7). becność NADH lub NADPH jest konieczna gdyż są one przenośnikami anionu wodorkowego, który atakuje węgiel grupy karbonylowej związku związanego w centrum aktywnym dehydrogenazy. gólny mechanizm reakcji katalizowanej przez dehydrogenzay jest następujący (rys. 8): 6

Rys. 7. Struktura koenzymów NAD i NADP i ich form zredukowanych Rys. 8. Stereoselektywność reakcji katalizowanej przez ADH z drożdży piekarniczych Jak wynika z powyższych rysunków mechanizm przeniesienia anionu wodorkowego z kofaktora na substrat zapewnia stereoselektwność reakcji. Mechanizm ten został opisany przez Preloga, który badał reakcje redukcji z zastosowaniem drożdży piekarniczych Saccharomyces cerevisiae już w latach 60-tych ubiegłego wieku. d jego nazwiska pochodzi nazwa reguły określającej stereoselektywność większości dehydrogenaz (z drożdży, Thermoanaerobium brockii, wątroby końskiej) reguła Preloga która mówi, że transfer anionu wodorkowego na atom węgla grupy karbonylowej zachodzi od strony re z wytworzeniem alkoholu o konfiguracji (S), oczywiście przy założeniu, że grupa duża jest starsza od małej zgodnie z zasadami określania starszeństwa podstawników Cahna-Ingolda-Preloga. Jednak jak w każdej regule zdarzają się wyjątki i otrzymujemy produkt o przeciwnej konfiguracji. Przykładem niespełniającym tej reguły jest α-chloroacetofenon redukcja tego związku prowadzi do otrzymania (R)-2-chloro-1- fenyloetanolu. Reguła ta nie sprawdza się dla związków, w których różnica pomiędzy wielkością podstawników po obu stronach grupy karbonylowej jest nieduża. Wadą stosowania izolowanych dehydrogenaz w reakcjach redukcji jest to, że konieczne jest dostarczenie zredukowanego kofaktora (NADH lub NADPH) w ilości równomolowej molowej lub zapewnienie wydajnego systemu ich regeneracji. Mimo, że opracowano kilka świetnych sposobów regeneracji kofaktorów, to metodą najwygodniejszą jest zastosowanie całych komórek mikroorganizmów, które będą regenerowały NADH lub NADPH w procesach metabolicznych. Podczas reakcji redukcji mikroorganizmami do układu reakcyjnego dodaje się etanol lub 7

izopropanol, który powoduje regenerację kofaktora. Najczęściej stosowanymi i najtańszymi mikroorganizmami są drożdże piekarnicze Saccharomyces cerevisiae. Ich dodatkową zaletą jest fakt, że w formie preparatów np. liofilizowanych, mogą pracować w rozpuszczalnikach organicznych zawierających tylko kilka procent wody niezbędnej do zachowania aktywności metabolicznej. czywiście metody biotechnologiczne mają także wady, jedną z najważniejszych jest wrażliwość biokatalizatorów na zmiany warunków reakcji. Związane jest to zazwyczaj z niestabilnością preparatów enzymatycznych, niską produktywnością, wrażliwością na rozpuszczalniki organiczne i ograniczeniem do prowadzenia reakcji w roztworach wodnych. Czasami nawet niewielkie zmiany temperatury czy ph mogą znacznie zmniejszyć aktywność enzymów. Problemy te mogą zostać rozwiązane przez stosowanie preparatów immobilizowanych. Enzymy można osadzać na różnych nośnikach, zamykać wewnątrz polimerów, sieciować. Dzięki procesowi immobilizacji rozpuszczalny, homogeniczny biokatalizator przekształcony zostaje w katalizator heterogeniczny. Pozwala to na stosowanie procesów ciągłych i ułatwia izolowanie produktów. Bardzo często rośnie także jego stabilność, maleje wrażliwości na zmiany ph i temperatury (wysoka aktywność nawet w 80 o C). Immobilizacja powoduje też podwyższenie selektywności w porównaniu z enzymem natywnym. Najczęstsze metody immobilizacji zostały przedstawione na rys.9. Rys. 9. Metody immobilizacji enzymów Pojęcia dodatkowe: Nadmiar enancjomeryczny (ee, enantiomeric excess) miara czystości optycznej związku wyrażona w procentach. Wielkość określająca nadmiar (ilościowy) jednego enancjomeru w 8

stosunku do drugiego. Przyjmuje się, że ma zawsze wartość dodatnią i definiuje się jako stosunek różnicy zawartości poszczególnych enancjomerów do ich sumy. [ R] [ S] [ S] [ R] ee R 100% ee S 100% [ R] [ S] [ R] [ S] Nadmiar enancjomeryczny może być wyznaczony następującymi metodami: 1) porównanie wartości skręcalności właściwych, jednak konieczna jest znajomość wartości skręcalności właściwej dla czystych enancjomerów: D [ ] ee [ ] bad D lit 41 100% np. jeżeli [ ] D lit=-47 o dla (S), a [ ] D bad=-41 o, to ee S 100% 87,2% 47 2) spektrometria 1 HNMR z dodatkiem odczynnika przesunięcia chemicznego np. kompleksu europu, który powoduje tworzenie diastereoizomerycznych kompleksów z enancjomerami, a tym samym różnicowanie sygnałów protonów pochodzących od poszczególnych izomerów. 3) chromatografia cieczowa HPLC lub gazowa na kolumnach z chiralnym wypełnieniem, które różnie oddziaływuje z enancjomerami i powoduje różnicowanie ich czasów retencji. 9

Celem ćwiczenia będzie zapoznanie się z metodą kinetycznego rozdziału racemicznego 1-fenyloetanolu metodą katalizowanej enzymatycznie transestryfikacji octanem winylu. Jako katalizatory zastosowane zostaną różne preparaty enzymatyczne np.: lipaza z Pseudomonas fluorescens (Amano AK) i immobilizowana lipaza B z Candida antarctica (Novozym sp 435). 2. Część doświadczalna a) Transestryfikacja octanem winylu dczynniki: 1-fenyloetanol; octan winylu; eter t-butylowo-metylowy (TBME); lipaza; żel krzemionkowy 230-460 mesh; heksan; octan etylu, 2M NaH, metanol, chlorek metylenu. H Amano AK + + + TBME H H (S) (R) NaH H 2 /MeH H H Wykonanie: Do kolby stożkowej o poj. 100 ml odważyć 1,22g (10 mmol) racemicznego 1-fenyloetanolu i dodać 10 ml eteru t-butylowo-metylowego (TBME), następnie dodać 1,80g (21 mmol) octanu winylu i 0,20g lipazy natywnej lub 0,10g lipazy immobilizowanej, a ścianki opłukać 15 ml TBME. Kolbę umieścić na wytrząsarce (amplituda 3; 180obr/min; temp. pokojowa) na 7 dni. dsączyć enzym na sączku karbowanym i przemyć go 10 ml TBME. Pobrać próbkę (1ml), która posłuży do oszacowania stopnia konwersji. Pozostały przesącz odparować pod zmniejszonym ciśnieniem. trzymany olej nanieść na kolumnę chromatograficzną napełnioną żelem krzemionkowym zawieszonym w heksanie. Rozdział prowadzić stosując jako eluent mieszaninę heksan:octan etylu 10:1 (dla estru), następnie zmienić na heksan:octan etylu 5:1(dla alkoholu). Poszczególne frakcje połączyć i zatężyć na wyparce. Ester rozpuścić w 10 ml metanolu i dodać 10 ml 2M NaH. grzewać w 45 o C przez ok. 1 godz. trzymany w wyniku hydrolizy alkohol ekstrahować chlorkiem metylenu (3x15 ml) (R) 10

połączone fazy organiczne wysuszyć siarczanem (VI) sodu, po odsączeniu środka suszącego odparować rozpuszczalnik. b) Estryfikacja bezwodnikiem bursztynowym H Amano AK H + + TBME (S) (R) H NaH/H 2 H (R) dczynniki: 1-fenyloetanol; bezwodnik bursztynowy; eter t-butylowo-metylowy (TBME); lipaza; nasycony roztwór wodorowęglanu sodu; eter dietylowy; chlorek metylenu; wodorotlenek sodu. Wykonanie: Do kolby stożkowej o poj. 100 ml odważyć 1,22g (10 mmol) racemicznego 1-fenyloetanolu i dodać 10 ml eteru t-butylowo-metylowego. sobno odważyć 1,20g (12 mmol) roztartego w moździerzu bezwodnika bursztynowego i 0,20g lipazy i dodać do kolby, a następnie ścianki opłukać 15 ml TBME. Kolbę umieścić na wytrząsarce (amplituda 3; 180obr/min; temp. pokojowa) na 24h. dsączyć enzym na sączku karbowanym i przemyć go 10 ml TBME. Pobrać próbkę (2ml), która posłuży do oszacowania stopnia konwersji za pomocą 1 HNMR. trzymany przesącz ekstrahować trzykrotnie 100 ml nasyconego roztworu wodorowęglanu sodu. Fazę wodną przemyć 25ml TBME, a następnie połączone fazy organiczne przemyć dodatkowo 20ml wody. Fazę eterową wysuszyć bezwodnym siarczanem sodu i odparować na wyparce otrzymując nieprzereagowany enancjomer (S). Fazę wodną przenieść do kolby zaopatrzonej w mieszadło magnetyczne, dodać 20g wodorotlenku sodu i mieszać przez 3h w temperaturze pokojowej. Następnie roztwór przenieść do rozdzielacza i ekstrahować trzykrotnie 30 ml chlorku metylenu. Fazę organiczną zawierającą enancjomer (R) wysuszyć siarczanem sodu i odparować rozpuszczalnik. 3. pracowanie wyników 1. Na podstawie widm 1 HNMR i chromatogramu GC obliczyć stopnie przereagowania poszczególnych mieszanin. 2. Zmierzyć skręcalność właściwą otrzymanych związków i wyznaczyć ich nadmiary enancjomeryczne w odniesieniu do danych literaturowych. 3. Wyznaczyć nadmiary enancjomeryczne produktów za pomocą HPLC. 4. Wyznaczyć stosunek enancjomeryczny (E). 5. Przedstawić wady i zalety obu metod rozdziału. 11