reazioni stereoselettive degli alcheni

REAZIONI STEREOSELETTIVE DEGLI ALCHENI
LA REAZIONE DI DIELS-ALDER
L’enorme valore della reazione di Diels-Alder è dovuto alla sua elevata regio- e stereo-selettività.
Oltre a formare due nuovi legami C-C, la reazione genera fino a quattro nuovi stereocentri.
Il fatto che la reazione proceda attraverso uno stato di transizione ciclico molto ordinato esercita un
preciso controllo sulla configurazione dei nuovi centri stereogenici.
REGIOSELETTIVITA’
La reazione di un diene sostituito in modo non simmetrico con un dienofilo sostituito in modo non
simmetrico può, in linea di principio, portare a due isomeri, ma in pratica di solito ne prevale uno.
Butadiene 1-sostituito
prevale l’isomero 1,2- disostituito
Butadiene 2-sostituito
prevale l’isomero 1,4-disostituito
Orientamento governato dai coefficienti degli orbitali alle estremità dei due sistemi
coniugati: gli atomi con i coefficienti più grandi si legano in modo preferenziale nello
stato di transizione.
1
CO2Me
CO2Me
+
+
CO2Me
minore
prevalente
+
CHO
CHO
+
CHO
toluene, 120°C, senza catalizzatore
59
:
41
benzene, 25°C, SnCl4
96
:
4
In presenza di acidi di Lewis la polarizzazione del dienofilo è aumentata per coordinazione
all’acido di Lewis e questo porta ad un aumento della regioselettività. In queste condizioni si
possono spesso ottenere elevate rese di un singolo isomero.
STEREOSELETTIVITA’
Per quanto riguarda la stereoselettività, ci sono due aspetti che vanno considerati:
1. selettività endo rispetto ad eso
2. controllo della stereochimica assoluta.
2
1
Poiché la reazione genera fino a 4 nuovi centri stereogenici, sono possibili, in linea di
principio, 16 stereoisomeri.
Il numero degli stereoisomeri è ridotto dal fatto che entrambi i componenti danno
addizione soprafacciale.
A
A
A
C
C
+
B
D
C
D
B
D
endo
A
A
B
A
C
C
+
D
B
C
B
D
D
B
eso
Lo stato di transizione eso e l’addotto eso di solito comportano minori interazioni steriche
rispetto ai corrispondenti endo, ma in molti casi è l’addotto endo quello che prevale.
L’addotto endo, meno stabile, è il prodotto principale in condizioni di controllo cinetico,
quando la reazione è effettivamente irreversibile.
Questo perché lo stato di transizione endo è stabilizzato da interazioni secondarie degli
orbitali.
3
Quando si usa catalisi da acidi di Lewis, la stereoselettività della reazione aumenta.
Il catalizzatore funziona coordinandosi al dienofilo, abbassando l’energia del LUMO e
quindi riducendo la differenza di energia tra l’HOMO del diene e il LUMO del dienofilo.
L’aumento del coefficiente dell’orbitale sul C del carbonile aumenta anche l’interazione
secondaria degli orbitali e questo porta ad un aumento del rapporto endo/eso.
La stereoselettività assoluta della reazione di Diels-Alder su può controllare usando:
un diene chirale,
un dienofilo chirale
un acido di Lewis chirale.
DIENOFILI CHIRALI
Molte reazioni di Diels-Alder chirali dipendono dall’uso di un dienofilo che contiene
un ausiliario chirale.
esempi
O
R
Et
O
N
O
Et2AlCl
-100°C
O
O
N
O
R=H
86% d.e.
R = Me
90% d.e.
> 98% endo
Al
O
R
Et
O
N
O
4
2
O
R
O
N
R
Et2AlCl
O
O
-100°C
N
O
R=H
R = Me
90% d.e.
96% d.e.
O
Gli ausiliari chirali degli esempi derivano dalla valina e dalla norerfedrina.
Negli ultimi due casi si pensa che l’acido di Lewis tenga il dienofilo in una conformazione
relativamente rigida, coordinando entrambi i carbonili.
DIENI CHIRALI
E’ stato preparato un certo numero di dieni chirali, che danno reazioni di Diels-Alder molto
stereoselettive.
O
esempio
OH
O
OMe
H
O
OH O
OH O
B(OAc)3, 0°C
H
H
OMe
O
O
>95% d.e.
5
endo
Winterfeldt ha usato un diene omochirale come gruppo protettore chirale per avere addizione
coniugata stereoselettiva al cicloesan-2,5-dione. Come risultato della regioselettività e della
stereoselettività della cicloaddizione solo una faccia di uno dei doppi legami del dienone è
esposto all’attacco da parte del nucleofilo che si avvicina.
Ar
O
Ar
H
H
+
MeO
Nu-
OMe
MeO
OMe
Ar
O
O
H
H
O
OMe
MeO
H
Nu
Δ
Nu
MeO OMe
Un secondo esempio comporta la sintesi asimmetrica di un butanolattone dall’anidride maleica.
Ar
O
Ar
H
H
O
+
O 1. RMgBr
H
H
2. Et3SiH
O
O
Δ
Ar
R
H
O
O
R
O
O
H
O
6
3
ACIDI DI LEWIS CHIRALI
Molti catalizzatori a base di B e Al contenenti leganti chirali impartiscono selettività notevoli alle
reazioni di Diels-Alder.
Corey ha dimostrato che una diazaalluminolidina è un catalizzatore efficace per la
cicloaddizione di derivati del ciclopentadiene a dienofili attivati.
BnO
O
O
N
H
BnO
O +
10% mol cat.
H
prostaglandine
-78°C
O
96% e.e.
cat. =
N
O
O
CF3SO2 N Al N SO2CF3
Me
Il legante è un derivato dell’1,2-diammino-1,2-difeniletano, che si forma in situ, facendo
reagire la bis-solfonammide con AlMe3.
7
Esempi di reazioni catalizzate da acidi di Lewis contenenti B chirale:
OH
OH
O
O
H
+
OMe
OH O
BH3/AcOH
-78°C
da -78° a -20°C
Cl2B
O
Me
R
OH O H OMe
H
R
HCO2Me
R=H
R = Me
>98% e.e.
97% e.e.
93% e.e.
O
Nel caso degli esempi qui riportati, un’analisi ai raggi X del complesso dienofilo-acido di Lewis
ha confermato la rappresentazione dello stato di transizione.
8
4
Corey ha anche mostrato che un’ossaborolidina derivata dal triptofano impartisce un’elevatissima
enantioselettività alla cicloaddizione della 3-bromoacroleina al ciclopentadiene.
Br
O
5% mol cat.
H
-78°C, 1 h
+
CHO
96% eso (CHO)
> 99% e.e.
Br
O
H
N
Ts
cat. =
O
B
H
N
Bu
Br
O
N
H
H
H
O
O
B Bu
N
Ts
L’elevata selettività viene attribuita ad un’interazione attrattiva tra il dienofilo e l’unità
indolica che porta ad esposizione preferenziale di una faccia del dienofilo al diene.
A supporto di questa ipotesi è stato dimostrato che i derivati ossaborilidinici
derivati da altri amminoacidi danno selettività minori.
9
ACIDI DI LEWIS VOLUMINOSI
Sono stati usati acidi di Lewis voluminosi per aumentare la stereoselettività della reazione
di Diels-Alder.
La reazione del metil terz-butil fumarato con metil alluminio bis(2,6-di-terz-butil-4-metilfenossido)
(MAD) dà un complesso organoalluminio-fumarato, la cui struttura è stata provata mediante NMR a
bassa temperatura.
O
O
tBu
Me
O
OMe
+
O
Al
tBu
O
OMe
O
O
Al
O
MAD
La reazione di Diels-Alder di questo complesso con ciclopentadiene dà quasi esclusivamente la
formazione dell’addotto che ha il gruppo metossicarbonile endo.
O
tBu
O
OMe
O
+
Δ, 80°C
Et2AlCl/ -78°C
MAD, -78°C
H
H
CO2Me +
CO2But
48 : 52
46 : 54
99 : 1
H
H
CO2But
CO2Me
Invece l’uso di dietil alluminio cloruro come acido di Lewis non dà nessuna selettività.
10
5
Anche gli esteri metilici ed etilici si possono differenziare efficacemente con MAD.
La reazione di Diels-Alder del (-)-mentil fumarato di metile con ciclopentadiene in
diclorometano sotto l’influenza di MAD procede con d.e. 86% con rapporto endo/
eso-(CO2Me) 98.4:1.6. Invece la reazione catalizzata da dietilalluminio cloruro dà d.e.
80% ed un rapporto endo/eso solo 57:43
O
R*O
OMe
+
O
H
Δ, 80°C
Et2AlCl/ -78°C
MAD, -78°C
22.8
52.5
91.4
H
CO2R* +
CO2Me
:
:
:
CO2R*
H
+
H
CO2Me
26.4
4.6
7.0
:
:
:
CO2Me
H
+
CO2Me
H
CO2R*
24.0
5.2
0.2
H
:
:
:
H
26.8
37.7
1.4
11
AUSILIARI CHIRALI
Gli acrilati di D-glucosio e L-ramnosio (pseudoenantiomeri) reagiscono con ciclopentadiene dando
gli addotti enantiomerici con eccellente diastereoselettività
O
O
O
O
O
O
O
O
O
H3C
OO
O
O
TlCl2(OiPr)2
O
O
O
- 30°C
O
O
O
O
O
O
H3C
OO
O
O
O
R : S = 98 : 2
C
OH
O
R : S = 6 : 94
C
OH
12
6
IDROBORAZIONE STEREOSELETTIVA
L'idroborazione si può eseguire con una varietà di reagenti, tra cui il diborano, il borano.THF, il
borano dimetil solfuro, il 9-borabiciclo[3.3.1]borano ed il catecolborano.
H
H
H
B
H
B
B
H
H
H3B.SMe2
H
O
O
H3B
B H
O
L'idroborazione non catalizzata di un alchene
sostituito in modo non simmetrico è regioselettiva
e stereoselettiva (sin).
R2BH
La selettività è largamente dominata da fattori
sterici.
R
BH3
R
R
B
THF
B
R
CH3
R H
R
R
R'
BH3
R
THF
H
B
BH3
B
THF
R'
Ci sono tre modi con cui la steroselettività (e in un caso la regioselettività) di questo
processo si può controllare:
1. controllo del substrato
2. controllo del reagente
3. controllo del catalizzatore.
13
CONTROLLO DEL SUBSTRATO
L'idroborazione di un substrato chirale procede in modo diastereoselettivo come illustrato
dai seguenti esempi.
BH3
HO
THF
H2O2
-OH
HO
HO
B
H
H
OH
90% d.e.
1. BH3/THF
CH2OH
2. H2O2, -OH
H
CONTROLLO DEL REAGENTE
Gli agenti di idroborazione chirale più noti sono il mono- ed il diisopinocanfenilborano.
Il diisopinocanfenilborano si può preparare direttamente per idroborazione dell'α- pinene.
Sono disponibili entrambi gli enantiomeri, (+) e (-).
E' molto efficace per l'idroborazione asimmetrica di alcheni cis, ma meno efficace nel caso
di alcheni trans-disostituiti e trisostituiti.
14
7
)2BH
BH3
2
Ipc2 B
H
H2O2
H
-OH
THF
α-pinene
HO
(R)-2-butanolo
98% e.e.
(-)-Ipc2BH
)2BH 1. TMEDA
BH2
2. BF3.Et2O
α-pinene
(-)-IpcBH2
(-)-Ipc2BH
H H
B
BH2
+
H2O2
-OH
H
HO
(S)-2-butanolo
73% e.e.
H
B
BH2
H2O2
-OH
HO
66% e.e.
Si possono ottenere eccessi enantiomerici maggiori per ricristallizzazione dei di- o trialchilborani diastereomerici prima dell'ossidazione.
15
CONTROLLO DEL CATALIZZATORE
L'idroborazione da parte del catecolborano può essere catalizzata da complessi rodio-difosfina ed in
alcuni casi anche la regioselettività della reazione cambia.
OH
H
B
OH
OH
1. 9-BBN
83%
9-BBN =
2. H2O2, -OH
1. CB/RhL2+BF42. H2O2, -OH
OH
L2 = Ph2P(CH2)4PPh2
72%
OH
B H
O
OTBS
OTBS
OTBS
Pr i
O
CB = catecolborano
Pr i
HO
+
9-BBN
CB, Rh(PPh3)2Cl
Pr i
HO
Me
Me
5 : 95
97 : 3
Usando leganti difosfinici chirali si possono ottenere enantioselettività ragionevolmente elevate. 16
8
1. CB/RhL2+BF4-
OH
2. H2O2, -OH
H
O
PPh2
PPh2
L2 =
PPh2PPh2
O
80% e.e.
65% e.e.
H
PAr2
H
PAr2
Ar = 2-metossifenile
17
RISOLUZIONE CINETICA
Si ha risoluzione cinetica quando un enantiomero in una miscela racemica reagisce più rapidamente
dell’altro.
H2O
CO2Me +
OH
CO2Me
OH
G. roseum
CO2H +
OH
CO2Me
OH
La resa massima è 100%, ma l’eccesso enantiomerico del prodotto diminuisce man mano che la
reazione procede.
Invece l’eccesso enantiomerico del materiale di partenza aumenta con il procedere della reazione.
Se si lascia completare la reazione, il prodotto è racemico.
Si ha risoluzione cinetica se kR ≠ kS e la reazione viene interrotta ad un certo punto tra 0% e
100% di conversione.
La situazione ideale è una in cui solo un enantiomero reagisca, così che al 50% di conversione si
possa ottenere 50% del materiale di partenza e 50% di prodotto, entrambi con 100% e.e.
Esempi di risoluzione cinetica:
CH3
(CO)3Cr
CH2OH
CH3
OAc
lipasi
(CO)3Cr
CH3
+
CH2OAc (CO) Cr
3
CH2OH
18
9
OH
OH
N
t-BuOOH
OH
N
+
(-)-DIPT
Ti(O-iPr)4
37%
95% e.e.
59%
63% e.e.
OSiMe3
O
O
N+
O-
ammide di Li chirale
+
HMPA, TMSCl, -105°C
45%
90% e.e.
51%
94% e.e.
veloce
R
+
S
R'
lento
S'
racemico
19
dipendenza dell’e.e. del materiale
di partenza e del prodotto dalla %
di conversione per l’idrolisi
catalizzata da enzima di un estere
racemico.
Oltre alla risoluzione cinetica diretta ci sono situazioni in cui la risoluzione cinetica si ha in
combinazione con altri processi asimmetrici.
RISOLUZIONE CINETICA ACCOMPAGNATA DA INDUZIONE ASIMMETRICA
veloce
Questa situazione è molto simile alla
precedente, con la differenza che
durante la risoluzione cinetica si creano
centri stereogenici (uno o più).
R
+
S
RS
lento
SR
racemico
La massima resa di prodotto è 100%, ma il suo eccesso enantiomerico diminuisce man
mano che la reazione procede.
20
10
Esempio: ossaciclopropanazione di Sharpless di un alcool allilico secondario racemico.
OH
OH
OH
t-BuOOH
+
O
(+)-DIPT 0.6 equiv.
O
anti
49%
94% d.e., > 96% e.e.
sin
ca. 1%
In figura: dipendenza
della resa (---------) e
dell’e.e. (_______)
dell’epossi alcool
diastereomerico dal %
di conversione.
21
con (+)-DIPT
Poiché (+)-DIPT richiede l’enantiomero
R per dare l’ossaciclopropanazione dal
lato schermato dal cicloesile, questo
reagisce più lentamente
dell’enantiomero S (kS/kR = 104) e dà
scarsa stereoselettività.
H OH
OH
H
non ostacolato
ostacolato
esempi:
O
O
Ar
Ar
H
H
O
+
H
ArS
O
O
+
O
ArSH
MeO
O
O
1% mol chinidina
-33°C
MeO
OH
[Rh(dipamp)]
O +
CO2R
(-)-Ipc2BCl
O
O
25% resa, 57% e.e.
MeO2C
OH
+ MeO2C
OH
O
OH
O
MeO
CH3
H2
MeO2C
O
CO2R
CO2R
+
22
11
SINTESI ASIMMETRICA SEGUITA DA RISOLUZIONE CINETICA
In questa situazione un substrato achirale viene convertito in due prodotti enantiomerici, che danno
risoluzione cinetica.
veloce
lento
S'R
SR
S'R'
achirale
lento
SR'
veloce
achirale
La risoluzione cinetica aumenta l’eccesso enantiomerico del primo prodotto formato.
La resa di questo prodotto aumenta fino ad un massimo e poi diminuisce, ma il suo eccesso
enantiomerico continua ad aumentare, per la risoluzione cinetica.
Esempio: idrolisi catalizzata da enzima del diacetato meso.
veloce
HO
OAc
meso
OH
HO
OAc
AcO
lento
lento
AcO
OH
veloce
meso
23
% di monoacetato e % di diacetato in funzione del % di diolo, per l’idrolisi catalizzata
da enzima di un diacetato meso.
24
12
RISOLUZIONE CINETICA SEQUENZIALE
La risoluzione cinetica sequenziale può in alcuni casi portare ad eccessi enantiomerici
elevatissimi, se la selettività dei due passaggi si somma.
X
X
A
B
A
Y
X
A
B
A
veloce
B
X
B
A
Y
B
A
B
A
B
Y
X
B
A
B
lento
A
Y
Y
B
A
B
lento
A
A
R'R'
R'R
RR
B
S'S'
S'S
SS
X
Y
veloce
I due gruppi X in ciascun enantiomero sono in intorni identici e perciò, se uno
dei gruppi X dell’enantiomero SS reagisce più rapidamente nel primo
passaggio, reagirà più rapidamente anche nel secondo passaggio.
25
esempio:
usando Absidia glauca
OAc
OAc
205
OH
OAc
12.5
S
OH
OH
S
S
1
OAc
OAc
1.3
OH
OAc
OH
OH
R
R
R
esempi:
O
OH
O
O
S,S
OH
OH
O
OH
R,R
t-BuOOH, L-(+)DIPT
Ti(O-iPr)4
O
O
OH
O
S,S
O
O
OH
O
OH
OH
R,R
26
13
OH OH
OH
OH
S,S
R,R
PCL
OAc
OH
OAc OH
OAc
S,S
PCL = Pseudomonas
cepacid lipasi
R,R
27
PROCEDIMENTI DI RISOLUZIONE DINAMICA
La risoluzione cinetica è stata da tempo riconosciuta come uno strumento efficiente per la
preparazione di composti enantiomericamente arricchiti.
Però, come con i processi convenzionali di risoluzione, la resa massima di uno stereoisomero
del materiale di partenza o del prodotto che si può ottenere è 50%.
Qualsiasi procedimento che permetta l'epimerizzazione del substrato
prima della reazione ha il vantaggio che può, in linea di principio,
portare a conversione quantitativa di un materiale di partenza
racemico in un singolo stereoisomero del prodotto.
RISOLUZIONE CINETICA DINAMICA (DKR, Dynamic Kinetic Resolution)
catalizzatore chirale
Il processo più semplice di questo
tipo che comporta l'equilibrazione
dei due enantiomeri, è mostrato
nello Schema.
(S)-A
(S)-B
veloce
catalizzatore chirale
(R)-A
(R)-B
lento
Perché il processo sia efficace, la velocità di racemizzazione (krac) deve essere
almeno uguale (o più veloce) alla velocità di reazione dell’enantiomero che
reagisce più velocemente (kS).
28
14
Confronto tra risoluzione cinetica (KR) e risoluzione cinetica dinamica (DKR)
kF
OH
R'
R
Resa massima 50%
R'
R
trasformazione
chimica o
enzimatica
+
X
OH
R
X
veloce
kS
R
lento
R'
kF
OH
R
X
veloce
R'
R'
R
Resa teorica
> 99%
trasformazione
chimica o
enzimatica
krac
X
OH
R
R'
kS
R
lento
R'
R'
29
Una DKR efficace si ottiene se:
krac > kR >> kS
La racemizzazione si può ottenere in diversi modi:
- racemizzazione termica
- base-catalizzata
- acido-catalizzata
- catalizzata da metalli di transizione
OH
(S)
Ar
H + HCN
HO
CN
Ar
H
CN
Ar
CN
Ar
O
OAc
lipasi da Pseudomonas capacia
(S)
OAc
-OH
OH
Ar
OAc
lipasi da Pseudomonas capacia
Ar
CN
(R)
OAc
CN
(R)30
15
Quando la reazione è eseguita in presenza di una resina a scambio anionico, si ha interconversione
con rese elevate in un enantiomero dell’acetato della cianidrina.
La benzaldeide dà resa 86% dell’enantiomero S dell’acetato
della cianidrina, con 84% e.e.
esempi:
N
CO2R Streptomices griseus
N
pH 9.7
O
CO2H
O
resa 92%, 85% e.e.
lipasi da Pseudomonas capacia
CO2H
pH 7.0
COSEt
resa 100%, 76% e.e.
31
OH
OH
CN
Alcaligenes faecalis
CO2H
pH 8.0
OH
AcO
resa 91%, ca. 100% e.e.
lipasi da Pseudomonas capacia
+
SR
OAc
R = butile
R = ottile
SR
resa 87%, 87% e.e.
resa 88%, >95 % e.e.
OH
O
H
OAc
AcO
CO2R
lievito di birra
CO2R
resa 78%, 90% e.e.
32
16
Particolarmente interessante è la combinazione biocatalisi/catalisi da metalli di
transizione, possibile dopo che è stata dimostrata la compatibilità degli enzimi
con i catalizzatori di palladio
Risoluzione cinetica dinamica chemioenzimatica
O
O
Pd(0)/L
Me
O
Me
R
Me
O
(1997)
Me
R
iPrOH
Me
R
OH
lipasi
Successivamente, ottimi risultati sono stati ottenuti con catalizzatori di rutenio e lipasi.
O
O
O
Ru-cat
OH
R'
R
O
CALB
+
R
70°C
R'
resa fino a 92%
>99% ee
Cl
Ph
O
O H
Ph
Ph
Ru-cat =
Ph
Ph
Ru
Ph Ru H
OC
CO
Ph
CALB = lipasi B Candida antartica
Ph
CO
(Novozym-435)
(2001)
CO
33
Le reazioni chemioenzimatiche sono state applicate alla sintesi di diversi derivati degli
alcooli
O
resa fino a 87%
ee fino a >99%
O
O
N3
R
O
O
O
Cl
R
resa fino a 91%
ee fino a 95%
O
X
R
R
resa fino a 93%
ee fino a 99%
OH
O
O
CN
R
O
O
P
n
R
OR'
OR'
resa fino a 86%
ee fino >95%
R
n
OR'
n = 0,1
O
n = 0,1
O
O
resa fino a 93%
ee fino a 99%
O
n
OR'
n = 2,3
resa fino a 91%
ee fino a 98%
(2001)
34
Però servono temperature elevate (70°C) e tempi di reazione lunghi (24-48 h)
17
In seguito è stato trovato un catalizzatore di rutenio che racemizza gli alcooli in meno di 10 min a
temperatura ambiente
O
O
OH
O
CALB
O
+
Ph
Ph
Ru-cat
Ru-cat =
resa 95%
>99% ee
toluene,
temp. amb.
3h
O
O
O
O
O 2N
Cl
MeO
O
O
O
resa 97%
>99% ee
14 h
resa 92%
>99% ee
17 h
resa 93%
>99% ee
6h
resa 94%
>99% ee
6h
resa 95%
>99% ee
3h
O
N
O
O
S
O
resa 98%
>99% ee
6h
O
O
O
O
O
Ph
Ph Ru
Cl
OC
CO
CALB = lipasi B Candida antartica
(2004-2005)
O
Ph
Ph
Na2CO3
Ph
resa 99%
99% ee
5h
resa 93%
96% ee
6h
O
O
resa 98%
>99% ee
17 h
35
altri esempi
CO2
O
O
N
O
Li
N
CO2H
O
N
O
O
N
resa 75%, >99%e.e.
(-)-sparteina
MeI
O
N
O
O
O
N
O
Li
O
N
N
N
CH3
N
(-)-sparteina
resa 72%, >95%e.e.
36
18
(R,S)-A
Un secondo tipo di risoluzione
cinetica dinamica si incontra
nella reazione di una miscela di
diastereomeri, che si equilibrano,
con un reagente achirale.
C
(R,R)-B
veloce
C
(R,R)-A
(R,S)-B
lento
Un esempio di questo tipo è dato dalla reazione di una miscela di α-bromoammidi
epimeriche con un nucleofilo.
Riscaldando l’α-bromoammide in MeCN o DMSO si ha epimerizzazione.
Questo processo è più rapido aggiungendo KBr.
La reazione con un nucleofilo soft ingombrato, come la
dibenzilammina, permette che avvenga l’equilibrazione, dando
un singolo diastereomero del prodotto, in resa quantitativa.
37
O
R
N
Br
S
(S)
O
N
H
O
O
R
N
veloce
N
S
O
O
(R)
O
N
(R)
Br
S
O
R
N
H
O
O
R
N
lento
N
S
O
O
(S)
La reazione con un nucleofilo hard non ingombrato, come l’azide di sodio, avviene
senza epimerizzazione, dando l’azide R dal bromuro S e viceversa.
Risultati simili sono stati ottenuti con Nu all’O e allo S.
38
19
E’ stata studiata anche la reazione di α-bromoammidi diastereomeriche con nucleofili.
In DCM si ha risoluzione cinetica senza epimerizzazione. Invece in DMF, DMSO o HMPA,
si forma con resa quasi quantitativa uno dei diastereomeri del prodotto.
N
O
CH3
Br
O
N
O
O
N
O
NH2
veloce
O
CH3
N
CH3
NH2
Br
O
N
O
O
N
O
lento
N
O
O
CH3
(R)
(R)
resa 96%, 88% e.e.
Et3N o
K2CO3
O
O
H
N
N
O
CH3
(S)
CH3
CH3
O
H
N
CH3
(S)
39
CH3
N
E’ stato fatto un tentativo di
razionalizzare la stereoselettività
osservata in termini di un
modello conformazionale.
H
H
..
NH2
OO
N
BrO
O CH3
Però il prodotto principale ottenuto aveva la configurazione opposta a quella
prevista su basi puramente steriche.
CH3
N
H
OO
N H
Br
O
O. . .
CH3
.
H ..
N
H
Perciò è stato suggerito che il
gruppo estereo in effetti assista
l’avvicinamento del nucleofilo.
40
20
Una reazione simile studiata è la seguente:
O
H3 C N
O
O
N
NH2
H3 C N
CH3
Br
H3 C
O
N
CH3
HN
H3 C
resa 100%, 74% e.e.
La risoluzione cinetica dinamica è stata ottenuta usando esteri dell’acido chirale
pantolattone.
O
NH2
O
R
Br
R
O
O H
O
NH
O
O H
O
R = Ph
R = Et
resa 77%, 82% e.e.
resa 70%, 75% e.e.
41
Quando la risoluzione cinetica
dinamica avviene con creazione di
un nuovo centro stereogenico, si
ottiene la sintesi stereoselettiva di
un composto che contiene due
centri stereogenici.
C*
(R)-A
(R,R)-B + (R,S)-B
kR
C*
(S)-A
(S,R)-B + (S,S)-B
kS
Scegliendo le opportune condizioni di reazione è quindi possibile convertire un composto racemico
in uno qualsiasi di quattro possibili stereoisomeri.
O
O
OLi
N
O
O
B
O
O
NaI, 18-corona-6
Br
OO B O
N
resa 100%,
>97 % d.e.
>94% e.e.
racemico
42
21
Alcuni dei primi esempi di risoluzione cinetica dinamica hanno riguardato l’idrogenazione
stereoselettiva di β-chetoesteri, usando catalizzatori di Ni o di Ru.
OH O
O
O
H2
OMe
NH
(S)
OMe
(S,R)
PPh3
(R)-BINAP =
PPh3
OH O
O
H2
OMe
NH
(R)
O
O
O
98% d.e.
98% e.e.
NH
(R)-BINAP - Ru(II)
veloce
OMe
NH
(R)-BINAP - Ru(II)
lento
(R,R)
O
O
La riduzione di β-chetoesteri si può ottenere usando lievito di birra e altri microorganismi
O
O
lievito di birra
O
O
CO2Et
resa 74%
98% e.e.
CO2Et
43
OH
O
Scegliendo accuratamente le condizioni di reazione opportune, è possibile ottenere da un dato βchetoestere uno solo dei quattro diastereomeri possibili.
OH
OH
MeO
MeO
CO2Et
resa 100%
97% d.e.
H2
96% e.e.
(R)-BINAP - Ru(II)
CO2Et
resa 98%
98% d.e.
99% e.e.
Rhizopus arrhizus
O
MeO
H2
CO2Et
lievito di birra
(S)-BINAP - Ru(II)
OH
MeO
OH
MeO
resa 93%
93% d.e.
86% e.e.
CO2Et
CO2Et
resa 70%
98% d.e.
95% e.e.
Si possono ottenere diastereoselettività migliorate usando enzimi isolati invece di
organismi intatti, dato che, per esempio, nel lievito di birra possono operare in
competizione parecchi enzimi.
44
22
RISOLUZIONE CINETICA DINAMICA INDOTTA PER CRISTALLIZZAZIONE
(CIDR, Crystallization Induced Dynamic Resolution)
Un’altra situazione in cui una miscela di isomeri in equilibrio si può convertire in rese elevate in
un singolo isomero si ha quando un isomero del materiale di partenza o del prodotto cristallizza
dalla soluzione.
Per esempio, il narwedine racemico isomerizza in condizioni basiche, mediante una reazione
retro-Michael. (-)-nawerdine essenzialmente puro si può cristallizzare con resa dell’84% quando
una soluzione in EtOH/Et3N è inseminata con alcuni cristalli dell’enantiomero (-).
O
O
CH3
N CH
3
O
EtOH/Et3N
CH3
N CH
3
O
80°C
MeO
MeO
In un secondo esempio il derivato della benzodiazepina epimerizza in presenza di una quantità
catalitica di un’aldeide aromatica attraverso l’immina intermedia, più acida.
L’addizione dell’acido (+)canfor-10-solfonico dà un
sale cristallino dell’ammina
S, con eccellente eccesso
diastereomerico.
H3C
N
H3C
N
O
O
1. ArCHO
N
NH2
N
+
NH3 (+)-CSA-
2. (+)-CSA
resa 91%
> 98% d.e. 45
Infine, la cristallizzazione di una miscela di α-bromoammidi epimeriche in presenza di bromuro
di tetrametilammonio dà il diastereomero R con resa del 91%.
O
H3C N
H3C
O
O
N
CH3
Br
Bu4NBr
cristallizzazione
da THF
H3C N
H3C
O
N
CH3
Br
resa 91%
98% d.e.
46
23
BIOCATALISI
Spesso ci sono dei pregiudizi riguardo all’uso di enzimi per la trasformazione di substrati organici.
“gli enzimi sono sensibili”
questo è certamente vero per la maggior parte degli enzimi: non si può bollirli in acqua. Però è
vero anche per molti reagenti organici (per esempio, il butillitio).
Se si usano certe precauzioni, gli enzimi possono essere notevolmente stabili. Alcuni tollerano
anche temperature >100°C e pressioni superiori a parecchie centinaia di bar.
“gli enzimi sono costosi”
Alcuni lo sono, ma altri no.
Spesso, considerando l’efficienza e la possibilità di riutilizzo (enzimi immobilizzati)
talora sono convenienti anche gli enzimi costosi.
“gli enzimi sono attivi solo sui loro substrati naturali”
questo è vero per alcuni, ma non per tutti. All’inizio degli studi un dogma tacitamente accettato
era che “gli enzimi sono i catalizzatori della Natura, sviluppati durante l’evoluzione per la
regolazione dei percorsi metabolici”. Questa definizione ristretta implicava che i composti
organici di sintesi non potessero essere considerati substrati.
Molti enzimi presentano un’elevata specificità di reazione, ma accettano un’ampia varietà di substrato.
“gli enzimi funzionano solo nel loro ambiente naturale”
E’ generalmente vero che gli enzimi esplicano la capacità catalitica maggiore in acqua, che
non è il solvente preferito in chimica organica. Però i biocatalizzatori possono funzionare
47
nei solventi organici, anche se con attività minore.
VANTAGGI E SVANTAGGI DEI BIOCATALIZZATORI
1. Vantaggi dei biocatalizzatori
☺ gli enzimi sono catalizzatori molto efficienti
I catalizzatori chimici si possono usare in concentrazione 0.1-1% moli, mentre la maggior
parte delle reazioni catalizzate da enzimi si possono eseguire con 10-3-10-4 % moli.
☺ gli enzimi sono accettabili per l’ambiente
A differenza dei metalli pesanti, i biocatalizzatori sono “environmentally benign”, perché
completamente biodegradabili.
☺ gli enzimi funzionano in condizioni blande
Gli enzimi funzionano in un intervallo di pH 5-8 (di solito attorno a 7) ed in
un intervallo di temperatura 20-40°C, preferibilmente attorno ai 30°C.
Questo minimizza I problemi di reazioni secondarie indesiderate (decomposizione,
isomerizzazione, racemizzazione, trasposizione) che spesso affliggono I metodi tradizionali.
☺ gli enzimi sono compatibili tra loro
Gli enzimi funzionano in condizioni di reazione uguali o molto simili. Perciò si possono usare in
una sequanza di reazioni nello stesso recipiente. L’uso di un sistema multienzimatico semplifica
il processo, perché non è necessario isolare I prodotti intermedi.
48
24
☺ gli enzimi non sono legati al loro ruolo naturale
Presentano un’elevata tolleranza di substrato e spesso possono lavorare anche in solvente organico.
☺ gli enzimi possono catalizzare un ampio spettro di reazioni
Come tutti I catalizzatori, gli enzimi accelerano una reazione, ma non spestano l’equilibrio
termodinamico. In linea di principio, alcune reazioni catalizzate da enzimi si possono effettuare
in entrambe le direzioni.
C’è un processo catalizzato da enzimi per quasi ogni tipo di reazioni organiche:
Idrolisi-sintesi di esteri, ammidi, lattoni, lattami,
eteri, anidridi, ossaciclopropani, nitrili.
Ossidazione-riduzione di alcani, alcheni, aromatici,
alcooli, aldeidi e chetoni, solfuri e solfossidi.
Addizione-eliminazione di acqua, ammoniaca, HCN.
Alogenazione-dealogenazione, alchilazione e
dealchilazione, carbossilazione e decarbossilazione,
isomerizzazione, condensazione aciloinica ed aldolica.
Tra le reazioni più importanti che non si possono catalizzare con enzimi c’è la reazione
di Diels-Alder.
D’altra parte ci sono reazioni enzimatiche che non avvengono in chimica organica, come 49
l’ossidrilazione di alcani.
Gli enzimi presentano tre tipi principali di selettività
Chemioselettività
Lo scopo dell’enzima è di funzionare su un solo gruppo funzionale: altre
funzionalità, che con catalizzatori chimici reagirebbero, sopravvivono.
Esempio: l’idrolisi enzimatica degli esteri non tocca gli acetali.
Regioselettività e diastereoselettività
Data la loro complessa struttura tridimensionale, gli enzimi possono
distinguere tra gruppi funzionali che sono situate in regioni differenti
della stessa molecola.
Enantioselettività
Quasi tutti gli enzimi sono fatti con L-amminoacidi e perciò sono
catalizzatori chirali. Di conseguenza, un substrato prochirale può essere
trasformato in un prodotto otticamente attivo attraverso un processo di
asimmetrizzazione. Opure gli enantiomeri di un substrato racemico
possono reagire con velocità diverse, dando risoluzione cinetica.
50
25
1. Svantaggi dei biocatalizzatori
gli enzimi sono forniti dalla Natura in una sola forma enantiomerica
Non c’è un modo generale per creare enzimi speculari da D-amminoacidi: è perciò impossibile
invertire l’induzione chirale di una data reazione enzimatica (a meno che non ci sia un enzima con
esattamente la selettività stereochimica opposta).
gli enzimi richiedono parametri operativi ristretti
Il vantaggio di lavorare in condizioni di reazione blande ha delle controindicazioni: se ad un dato
pH e ad una data temperatura la reazione procede lentamente, c’è poca possibilità di variarli.
Temperature elevate e pH estremi portano a disattivazione delle proteine e altrettanto fa
l’elevata concentrazione di sali.
La tecnica comune di abbassare la temperatura per aumentare la selettività è di uso limitato
con le reazioni enzimatiche.
gli enzimi presentano la massima attività catalitica in acqua
L’acqua (elevato punto di ebollizione ed elevato calore di vaporizzazione) è spesso il
solvente meno adatto per la maggior parte delle reazioni organiche. La maggior parte dei
composti organici non è solubile in acqua.
gli enzimi sono vincolati ai loro coenzimi naturali
Gli enzimi sono quasi esclusivamente vincolati ai loro cofattori naturali che servono
da carriers di equivalenti redox (NADH) o di energia chimica (ATP).
La maggior parte di questi “reagenti biologici” è costituita da molecole instabili e
troppo costose per essere usate in quantità stechiometrica.
51
Il riciclo dei cofattori è ancora lontano dall’essere realizzato.
gli enzimi sono inclini a fenomeni di inibizione
Molte reazioni enzimatiche sono soggette ad inibizione da substrato o da prodotto, che provoca
la cessazione dell’attività dell’enzima a concentrazioni elevate di substrato e/o prodotto.
All’inibizione da substrato si può ovviare tenendo bassa la sua
concentrazione ed aggiungendolo in continuo.
Per l’inibizione da prodotto è più difficile la rimozione del prodotto.
gli enzimi possono causare allergie
Questo inconveniente può essere minimizzato maneggiando gli enzimi con le stesse
cautele con cui si maneggiano i composti chimici.
ENZIMI ISOLATI O SISTEMI A CELLULA INTERA ?
Lo stati fisico dei biocatalizzatori che si usano nelle biotrasformazioni può essere molto diverso.
La decisione se usare enzimi isolati, più o meno purificati, o microorganismi
interi, liberi o immobilizzati, dipende da molti fattori:
- il tipo di reazione
- se ci sono cofattori da riciclare
- la scala in cui si deve effettuare la biotrasformazione.
52
26
Biocatalizzatore Forma
enzimi isolati
qualsiasi
sciolto in
acqua
cellule intere
Pro
apparecchiatura semplice,
lavorazione semplice,
migliore produttività dovuta
a maggiore tolleranza della
concentrazione
elevata attività dell’enzima
sospesi in
solventi
organici
immobilizzati
facile da eseguire, facile
lavorazione, facile recupero
dell’enzima
facile recupero dell’enzima
qualsiasi
non è necessario riciclare il
cofattore
colture in
crescita
cellule non in
crescita
cellule
immobilizzate
attività più elevate
Contro
necessario riciclare il cofattore
possibilità di reazioni laterali,
substrati lipofili insolubili, la
lavorazione richiede estrazione
attività ridotta
perdita di attività durante
l’immobilizzazione
attrezzatura costosa, laboriosa
lavorazione a causa dei grandi
volumi, bassa produttività dovuta a
minore tolleranza della
concentrazione, bassa tolleranza dei
solventi organici, probabili reazioni
laterali, dovute a metabolismo non
controllato
grandi biomasse, più sottoprodotti,
difficile controllo del processo
attività inferiori
lavorazione più facile, meno
sottoprodotti
possibilità di riusare le cellule attività inferiori
53
L’insieme di tecniche biochimiche, microbiologiche e di ingegneria biochimica (biotecnologia) ha
portato allo sviluppo di metodi per preparare molti composti chimici (dagli amminoacidi alle
penicilline) partendo da fonti di carbonio poco costose (carboidrati) e cocktails di sali usando
cellule intere. Queste sintesi richiedono molti passaggi biochimici e si indicano come
“fermentazione”.
Biotrasformazioni microbiche che utilizzano un solo passaggio biochimico (o pochi) usando il
potenziale enzimatico del microbo per convertire composti organici di sintesi nel prodotto
desiderato si chiamano “enzimazioni”.
Caratteristiche di fermentazione ed enzimazione
Enzimazione
microorganismo
cellule non in crescita
tipo di reazione
breve, catalitico
numero di passaggi
pochi
numero di enzimi attivi
pochi
materiale di partenza
substrato
prodotto
naturale o non naturale
tolleranza della concentrazione elevata
isolamento del prodotto
facile
sottoprodotti
pochi
Fermentazione
cellule in crescita
lungo, processo vitale
molti
molti
fonte di C e N
solo naturale
bassa
laborioso
molti
54
27
CLASSIFICAZIONE E NOMENCLATURA
Attualmente circa 3000 enzimi sono stati riconosciuti dalla International Union
of Biochemistry.
Se è vera la previsione che in Natura esistono 25 000 enzimi, circa
il 90% di questi biocatalizzatori deve ancora essere scoperto.
Solo una piccola parte degli enzimi già studiati (circa 300, ∼10%) è disponibile
commercialmente.
Per potertlo identificare, ciascun enzima ha un numero di 4 cifre
EC A.B.C.D
EC = Enzyme Commission
A indica il tipo principale di reazione
B sta per il sottotipo, indicando il tipo di substrato o il tipo di molecola
trasferita
C indica la natura del co-substrato
D è il numero individuale dell’enzima
Classe
dell’enzima
1
Ossidoreduttasi
2
Transferasi
3
Idrolasi
4
Liasi
5
Isomerasi
6
Ligasi
Numero
tipo di reazione
classificato disponibile
650
90
Ossidazione-riduzione:
ossigenazione di legami C-H, C-C,
C=C, rimozione complessiva o
addizione di H
720
90
Trasferimento di gruppi:
aldeidico, chetonico, acile,
fosforile o metile
636
150
Idrolisi-formazione di esteri,
ammidi, lattoni, lattami,
ossaciclopropani, nitrili, anidridi,
glicosidi, alogenuri organici
255
35
Addizione-eliminazione di
molecole piccole a legami C=C,
C=N, C=O
120
6
Isomerizzazioni come
racemizzazione, epimerizzazione,
trasposizione
80
5
Formazione-rottura di legami C-O,
C-S, C-N, C-C con concomitate
scissione di trifosfato
55
utilità
+++
+
+++
++
±
±
56
28
E’ necessario dare fare attenzione per quanto riguarda le attività catalitiche, che vengono misurate
in diversi sistemi.
Il sistema di unità standard è
l’International Unit
1 I.U. = 1 μmole di substrato
trasformata per minuto
si usano anche nmoli/min o nmoli/ora
1 katal = 1 mole s-1
Un’altra scala si basa sul sistema SI
e definisce l’attività con il katal
E’ una grandezza troppo grande per un uso pratico è perciò ancora non è stata molto accettata.
Un confronto dell’attività di enzimi diversi è possibile solo se il procedimento di saggio si
effettua esattamente nello stesso modo.
Spesso I dati di letteratura non sono sufficienti ed i dati di attività devono essere determinati
indipendentemente.
Il potere catalitico di un biocatalizzatore può essere descritto con il cosiddetto numero di
turnover (TON, TurnOver Number)
Indica il numero di molecole di substrato che vengono convertite da una molecola di
catalizzatore. Invece il numero di molecole di substrato che vengono convertite da una
molecola di catalizzatore nell’unità di tempo si definisce frequenza di turnover (TOF)
Per reazioni biochimiche l’unità di tempo è il secondo. Per reazioni più lente, si usa il minuto. 57
Per la maggior parte degli enzimi
TOF = 10-1000 s-1.
L’efficienza delle trasformazioni microbiche (dove non si può misurare
l’attività catalitica degli enzimi coinvolti) è caratterizzata dal cosiddetto
numero di produttività (PN Productivity Number), definito come:
PN = nprod/mdry x t
Dove:
nprod è la quantità di prodotto
mdry è la quantità di massa secca di cellule e
t è il tempo della trasformazione.
Questo numero ricorda l’attività specifica definita per gli enzimi puri, ma include anche altri
fattori importanti, come l’inibizione, I fenomeni di trasporto e la concentrazione.
58
29
TECNICHE SPECIALI
La maggior parte dei biocatalizzatori si può usare in maniera diretta, considerandoli come
catalizzatori chirali ed applicando metodologie standard. In più, sono sono state sviluppate
tecniche speciali, che hanno ampliato il campo di applicazione.
1. ENZIMI IN SOLVENTI ORGANICI
L’acqua ha un ruolo contraddittorio nel funzionamento dei sistemi enzimatici: da una parte,
l’enzima dipende dall’acqua per la maggior parte delle interazioni non covalenti che aiutano a
tenerlo nella sua conformazione attiva. D’altra parte, l’acqua prende parte alla maggior parte
delle reazioni che portano a denaturazione.
Di conseguenza la sostituzione di parte dell’acqua (non tutta!) con un solvente
organico mantiene l’attività enzimatica.
Non si possono usare solventi completamente anidri: un po’ d’acqua è
sempre necessaria per la catalisi.
Quanta acqua serva per mantenere l’attività catalitica dipende dall’enzima.
chimotripsina
polifenolo ossidasi
50 molecole di H2O per molecola di enzima
3.5 x 107 molecole di H2O per molecola di enzima
Quella che deve rimanere è la piccola frazione di acqua strettamente legata alla superficie
59
dell’enzima (“bound water”), detta anche “acqua strutturale” (“structural water”).
Le trasformazioni biocatalitiche in solventi organici offrono I seguenti vantaggi:
La resa complessiva di processi in solventi organici è di solito migliore, perché non
si deve estrarre il prodotto. Si evitano così le perdite per emulsione ed il recupero del
prodotto è facilitato dal basso p.e. del solvente.
I substrati non polari si trasformano più velocemente, perché più solubili.
Poiché il mezzo organico è un ambiente ostile per i microorganismi, la
contaminazione microbica è trascurabile. Questo è particolarmente importante per
reazioni su scala industriale, dove mantenere la sterilità è un problema serio.
La disattivazione e/o l’inibizione dell’enzima causata da prodotti o substrati
lipofili è minimizzata: essndo solubili nei solventi organici, restano sulla
superficie dell’enzima con una bassa concentrazione locale.
Molte reazioni collaterali dipendono dall’acqua e perciò sono soppresse in solvente organico.
Spesso non serve immobilizzare l’enzima: basta filtrarlo alla fine della reazione.
Poiché molte reazioni responsabili della denaturazione dell’enzima sono
idrolitiche, l’enzima è più stabile in un ambiente a basso contenuto d’acqua.
Ad esempio, la lipasi pancreatica suina è attiva per molte ore in solvente organico al
99% a 100°C, ma si denatura rapidamente a temperatura ambiente in acqua.
Il vantaggio più importante è la possibilità di spostare gli equilibri in favore della
sintesi a scapito dell’idrolisi.
60
30
I sistemi-solvente utilizzati per reazioni catalizzate da enzimi in solvente organico sono di tre tipi
Enzima sciolto in soluzione monofasica acqua-solvente organico
Enzima sciolto in soluzione biofasica acqua-solvente organico
Enzima sospeso in soluzione organica monofasica
EFFETTO del pH
In soluzione organica non si può misurare facilmente. D’altra parte lo stato di ionizzazione
dell’enzima (che dipende dal pH) determina la sua conformazione e quindi le sue proprietà di
attività e selettività.
Lo stato di ionizzazione dei gruppi carichi della proteina non cambia quando viene messa in un
solvente organico (“memoria del pH” dell’enzima): è importante usare enzimi solidi ottenuti per
precipitazione o liofilizzazione da un tampone al loro pH ottimale.
Esempi di applicazioni di enzimi in mezzo non acquoso
ESTERIFICAZIONE
Da un acido carbossilico ed un alcool: si forma acqua che non è solubile nel solvente
organico e perciò circonda l’enzima, separandolo dal substrato.
61
Per evitare l’arresto della reazione si può:
1. rimuovere l’acqua man mano che si forma (evaporazione, distillazione
azeotropica, aggiunta di setacci molecolari o di sali che catturano l’acqua
2. evitare la formazione di acqua usando un passaggio di trasferimento di acile
Reazione su scala industriale:
6-O-acil derivati di alchil glucopiranosidi, utili tensioattivi non ionici biodegradabili, sono stati
sintetizzati da acidi grassi con 6-O-acil glucopiranosidi, con una reazione catalizzata dalla lipasi
da Candida antarctica, termostabile, in assenza di solvente.
Per completare la reazione, l’acqua che si forma viene allontanata per evaporazione a pressione
ridotta.
HO
HO
HO
C11H23CO2H
O
lipasi da
Candida Antarctica
O
OH
OR'
O
HO
HO
H2O, 70°C, 0.01 bar
R'
C11H23
H
Me
Et
OR'
i-Pr
OH
Pr
Bu
O
resa di
monoestere diesteri
<5%
53%
93%
93%
96%
94%
0%
4%
5%
4%
17%
22%
62
31
SEPARAZIONE DI STEREOISOMERI E/Z
Miscele stereoisomeriche degli alcooli terpeni allilici geraniolo e nerolo, che
vengono usati come additivi nella preparazione di aromi e fragranze, sono stati
separati mediante acilazione con anidride acetica usando lipasi pancreatica suina
(PPL, Porcine Pancreatic Lipase) come catalizzatore.
O
OH
OH
R
O
(RCO)2O, Et2O
+
lipasi pancreatica
suina
E geraniolo
Z nerolo
R
% estere
geranile
% nerolo
C3H7
C5H11
C7H15
85
66
72
16
7
7
selettività
kE/kZ
11
13
15
A seconda del donatore di acile usato, il geraniolo, leggermente meno ingombrato,
è stato acilato più rapidamente, dando acetato di geranile e lasciando inalterato il
nerolo.
L’anidride acetica non è adatta, perché dà bassa resa e scarsa selettività, mentre
63
hanno maggior successo anidridi più lunghe.
ASIMMETRIZZAZIONE DI DIOLI PROCHIRALI E meso
Derivati chirali dell’1,3-propandiolo sono utili “mattoni” (building blocks) per la
preparazione di composti biotattivi enantiomericamente puri (fosfolipidi, fattore
attivante le piastrine, PAF “platelet activating factor”, antagonisti del PAF, ecc.)
Un modo semplice per ottenere questi sintoni è partire da 1,3-propandioli 2-sostituiti,
che a loro volta si ottengono da derivati dell’acido malonico.
A seconda del sostituente R in 2, sono stati ottenuti monoesteri R o S con eccellenti
purezze ottiche, usando lipasi da Pseudomonas sp. (PSL). Un aumento della
stereoselettività si ottiene abbassando la temperatura.
OH
R
OH
OCOR'
lipasi da
Pseudomonas sp.
donatore di acile
solvente organico
R
S
R + R
OH
OH
R
OCOR'
donatore
di acile
R'
solvente
config. % e.e.
Me
acetato di vinile
Me
CHCl3
acetato di vinile
Me
CH2Ph
CH2-1-naftil acetato di vinile
Me
stearato di vinile
C17H35 i-Pr2O
OCH2Ph
acetato di isopropenile Me
CHCl3
OCH2Ph
S
R
R
S
S
OCH2Ph
OCH2Ph
OCH2Ph
S
S
S
acetato di vinile
acetato di vinile
acetato di vinile
Me
Me
Me
-
>98
>94
86
92
96
90 (25°C)
92 (17°C)
94 (8°C)
64
32
2. IMMOBILIZZAZIONE
Nelle reazioni catalizzate enzimi sono stati incontrati tre inconvenienti significativi
Molti enzimi non sono sufficientemente stabili nelle condizioni operative e possono
perdere l’attività catalitica (autoossidazione, autodigestione, denaturazione ad opera del
solvente o dei soluti)
Poiché alcuni enzimi sono molecole solubili in acqua, il loro uso ripetuto (importante
per l’economicità) è problematico, perché sono difficili da recuperare dal solvente e
separare da substrati e prodotti
La produttività dei processi industriali, misurata come resa nel tempo, è spesso bassa a
causa della limitata tolleranza dell’enzima alle concentrazioni elevate di substrato o di
prodotto.
Questi problemi si possono superare mediante l’immobilizzazione dell’enzima. Questa tecnica
comporta o l’aggancio di un enzima ad un supporto solido (accoppiamento su un carrier) o il
legame delle molecole di enzima tra loro (cross-linking).
In alternativa, il biocatalizzatore può essere confinato in un’area ristretta, da cui
non può uscire, ma dove rimane cataliticamente attivo (intrappolamento in una
matrice solida o in uno scomparto ristretto di una membrana).
Come conseguenza, la catalisi (omogenea con l’enzima nativo) diventa eterogenea
quando l’enzima è immobilizzato.
A seconda della tecnica di immobilizzazione, le proprietà del biocatalizzatore (stabilità, selettività,
caratteristiche di pH e temperatura) cambiano, qualche volta in meglio, altre volte in peggio. Al
65
momento non è possibile fare previsioni sulle conseguenze dell’immobilizzazione.
Accoppiamento
cross-linking
al carrier
B
B
Enz
C
Enz
C
B
C
B
Enz
Enz
B
Adsorbimento
Ionico
B
Covalente
B = biocatalizzatore
(enzima o cellula intera)
Enz
Enz
Cross-linking
C = carrier
Enz
C
co-Cross-linking
= enzima
66
33
Intrappolamento
in Matrice
con Membrane
Enz
Enz
Enz
Enz
Enz
Enz
Enz
Enz
Enz
Enz
Micella inversa
Fibra cava
Reattore a
membrana
Gel o Polimero
C = carrier
Enz
= enzima
= tensioattivo
67
ADSORBIMENTO
E’ il metodo di immobilizzazione più facile e più vecchio. Si può usare con enzimi isolati o con cellule
intere.
Adsorbimento di cellule intere di Acetobacter su legno per la
fermentazione dell’aceto da etanolo
1815.
Forze di adsorbimento: forze di van der Waals, interazioni ioniche, legame idrogeno
Carriers (organici ed inorganici): carbone, allumina, celite, cellulosa, vetro poroso,
resine sintetiche.
L’adsorbimento è il metodo scelto per lavorare in solventi organici lipofili, dove non può
essereci desorbimento
LEGAME IONICO
Le resine a scambio ionico, con le loro superfici polari, adsorbono facilmente le proteine.
Si usano sia resine a scambio cationico (carbossimetilcellulosa o Amberlite IRA) che a scambio
anionico (N,N-dietilamminoetilcellulosa o cellulosa-DEAE).
Il legame ionico è più forte dell’adsorbimento, ma è sensibile alla presenza di altri ioni. Di
conseguenza è necessario mantenere in modo opportuno la concentrazione di ioni ed il pH
per evitare desorbimento dell’enzima.
68
34
ATTACCO COVALENTE
L’attacco covalente di un enzima ad un carrier macroscopico porta a legami stabili e impedisce
la perdita dell’enzima.
Uno svantaggio è si ha perdita di attività dovuta a variazioni conformazionali dell’enzima
(grosso modo ogni legame attaccato ad un enzima ne diminuisce l’attività di circa 1/5).
L’attività residua non va oltre il 60-80% dell’attività dell’enzima nativo.
I gruppi funzionali dell’enzima che sono coinvolti nella formazione di legami
covalenti sono nucleofili (gruppi N-terminali, gruppi amminici in catena laterale
della lisina, carbossili, SH, OH).
L’immobilizzazione covalente in generale comporta due passaggi:
attivazione del carrier con un gruppo “spaziatore” reattivo
attacco dell’enzima
Questo tipo di immobilizzazione è raccomandato solo per enzimi isolati, perché le cellule intere
non sopravvivono alle condizioni drastiche.
Carrier inorganico: vetro poroso
L’attivazione si ottiene per sililazione degli ossidrili usando amminoalchiletossio amminoalchil-clorosilani
69
C
OH +
EtO
EtO
Si
OEt
O
Si
EtO OEt
C
NH2
EtOH
NH2
Enz
Cl2C=S
O
Si
EtO OEt
NH2
glutaraldeide
C
Enz
O
Si
EtO OEt
C
N
C
S
N
Enz
NH2
O
Si
EtO OEt
S
C
N
H
N
H
Enz
C = carrier
Enz = enzima
70
35
Carriers organici: polisaccaridi (cellulosa, destrano, amido, chitina, agarosio).
L’attivazione si ottiene per reazione di due OH adiacenti con bromuro di cianogeno,
formando immidocarbonati reattivi.
L’accoppiamento con l’enzima interessa i gruppi NH2.
Enz
pH 9-11
OH
C
OH
+ Br
O
C
C N
O
NH2
O
NH
C
O
Enz
NH3
HBr
N
immidocarbonato
C = carrier
Enz = enzima
CROSS-LINKING
Legando gli enzimi tra loro con legami covalenti si ottengono aggregati insolubili
ad elevato peso molecolare.
Si può anche avere co-cross-linking con altre proteine inattive che fanno da
“riempimento” (es.: albumina).
71
ll reagente bifunzionale più usato per questo tipo di immobilizzazione è la glutaraldeide.
N
N
N
Enz
N
Enz
N
N
NH2
glutaraldeide
Enz
NH2
NH2
N
N
Enz
N
Enz = enzima
glutaraldeide =
O
O
Vantaggio: semplicità
Svantaggi:
gli aggregati sono spesso gelatinosi e non si possono usare
in reattori ad impaccamento.
Le attività sono spesso limitate da problemi di diffusione
72
36
INTRAPPOLAMENTO IN GEL
I biocatalizzatori si possono “ingabbiare” fisicamente in una matrice macroscopica.
Per assicurare l’attività catalitica è necessario che le molecole di substrato e di
prodotto possano entrare ed uscire dalla struttura macroscopica.
L’intrappolamento in una matrice biologica (agar, alginato, carragenano) si fa di solito con cellule.
La formazione di gel viene iniziata variando la temperatura o la forza ionica del sistema.
Svantaggi: le matrici biologiche sono instabili alle variazioni di temperatura o
del mezzo ed hanno scarsa stabilità meccanica.
73
Per enzimi isolati (più piccoli delle cellule intere) si possono ottenere maglie più strette
polimerizzando monomeri di sintesi in presenza dell’enzima.
O
CONH2
CONH2
+
Enz
O
polimerizzazione
O
N
H
HN
Enz
O
N
H
O
NH
NH
O
HN
O
CONH2
O
Enz = enzima
INTRAPPOLAMENTO IN COMPARTIMENTI DI MEMBRANA
Gli enzimi possono essere racchiusi in uno scomparto ristretto circondato da una membrana.
Questo non porta ad una vera e propria immobilizzazione, ma tiene l’enzima separato dal resto dei
reagenti, analogamente a quanto succede all’interno delle cellule.
Le molecole piccole (substrato, prodotti) attraversano liberamente la membrana, il biocatalizzatore
no.
74
37
Per intrappolare gli enzimi esistono due metodi
A. Micelle e vescicole
Miscele contenenti acqua, un solvente organico ed un “sapone” danno una soluzione trasparente,
in cui l’acqua è circondata dal tensioattivo (surfactant), formando particelle di diametro 6-40 nm
(micelle inverse). si possono considerare come microcellule e permettono che venga mantenuta
l’attività dell’enzima.
Se l’acqua costituisce il grosso del solvente, si possono formare micelle con un doppio strato
di tensioattivo (vescicole o liposomi).
75
tensioattivo
(surfactant)
testa polare
coda non polare
O
O
O
O
O
O
O
O
OH
O
Triton X-100 (non ionico)
Na+ SO3 O
solfonato di sodio del butandioato di bis(2-etilesile)
O
O
AOT (anionico)
O
bromuro di cetiltrimetilammonio
(CTABr, cationico)
Br-
+
N
L’acqua all’interno ha molte proprietà diverse da quelle dell’acqua “normale”: movimento
molecolare ristretto, meno legami idrogeno, maggiore viscosità, minore punto di fusione.
Gli enzimi si possono sistemare all’interno, e rimanere cataliticamente attivi.
Lo scambio di materiale tra una micella e l’altra avviene mediante collisioni ed è un
processo molto veloce.
76
38
B. Membrane sintetiche
Un’alternativa pratica è l’uso di membrane sintetiche, basate su poliammide o polisolfone. Hanno
pori di dimensioni definite, sono disponibili commercialmente e di costo contenuto.
Il biocatalizzatore è trattenuto in uno scomparto del reattore dalla membrana, mentre le molecole
piccole (substrato, prodotti) diffondono liberamente.
Il reattore permette un processo in continuo.
Una forma semplificata di un reattore a membrana che non richiede un’attrezzatura speciale si può
ottenere usando una soluzione dell’enzima contenuta in un tubo da dialisi, montato su un agitatore
magnetico a bassa velocità.
La tecnica, detta “Catalisi enzimatica inclusa in membrana” (MEEC, “Membrane-EnclosedEnzymatic-Catalysis), è applicabile alla maggior parte degli enzimi, tranne le lipasi.
77
Service Center Biocatalysis alla Degussa
78
39
Produzione di enzimi su larga
scala alla Dow Chemical
79
Impianto BASF a
Ludwigshafen: produce più di
1000 tonnellate/anno di ammine
chirali usando biocatalizzatori
80
40
esempio
Sintesi asimmetrica usando desossiribosio-5-fosfato aldolasi
(DERA)
Appartiene ad una classe di aldolasi che usano un intermedio covalente (base di Schiff) per catalizzare
una reazione aldolica tra il donatore (etanale) e l’accettore (D-gliceraldeide-3-fosfato) con formazione di
2-desossiribosio-5-fosfato.
Lys201
Lys201
meccanismo:
+ NH
H
O H
3
H
O H
NH2
O
Asp102
OO
Asp102
OH
CH3
H2N
N
O
Lys167
CH3
Lys167
Lys201
OH
OH
OPO3
O
OPO3
N
OH
OH
+ NH
Asp102
OO
H
O H
3
HN
CH2
O
OPO3-
Lys167
OH
Lys167
81
DERA da E. coli è in grado di tollerare un’ampia gamma di substrati. I requisiti del donatore sono
molto ristretti, mentre per l’accettore le variazioni strutturali sono più ampie. La fosforilazione non
è necessaria.
esempi
donatore
accettore
prodotto
O
O
H3C
O
OH
HO S
OH
Br
Br
OH
O
O
HO
HS
H3C
OH
O
N3
O
HO
HO
H3C
OH
HO
H3C
CH3
O
CH3
OH
H3C
OH
O
O
OH
HO
O
O
H3C
OH
N3 H
O
O
OH
CH3
HO
N3
Wong, 1995-2002
N3
OH
82
41
DERA catalizza l’addizione successiva di più equivalenti di aldeide ad un substrato in una reazione
one-pot. Il prodotto della prima reazione aldolica fa da substrato per la seconda addizione. La
ciclizzazione ad emiacetale stabile interrompe la reazione dopo due addizioni.
esempi
donatore
accettore
prodotto
H3 C
O
O
OH
O
H3C
H3C
O
OH
Cl
O
O
OH
Cl
H3C
H3C
O
O
H3C
H3C
O
OH
O OH
O
OH
O
N3
O
OH
O
N3
H3C
OH
O
O
O
O
HO
OH
HO
H3C
OH
O
83
Wong, 1995-2002
Esempi di applicazioni di DERA
O
HO
O
+
H3C
CH3
O
DERA
OH
BaCO3
H3C
O
I
O
O
Br2
H3C
H3C
OH
O
OH
OH
O
O
O
S
HO
OtBu
H 3C
N
O
O
O
epothilone
(antitumorale)
OH O
O
O
+
OH
O
OSiMe2t-Bu
+
DERA
H 3C
O
S
I
OH
N
H3C
OAc
HO
Wong, 2002
84
42
O
2
O
+
H3C
Cl
DERA
OH
O
Cl
NaOCl
O
O
Cl
AcOH, H2O
OH
OH
a) NaCN, DMF, H2O
b) (CH3)2C(OCH3)2
O
O
OH
OH
N
N
H
c) trimetilsilildiazometano
DMF
O
O
NC
O
O
+
OH
O
O
O
F
OtBu
H2 N
Atorvastatina
(abbassamento colesterolo)
2
O
O
DERA mutante
N3
O
+ Cl
OH
N3
O
O
BaCO3, Br2
H3C
OH
H2O
OH
Wong, 2004
85
LA SINTESI ASIMMETRICA NELL’INDUSTRIA
Importanza economica
dei composti chirali
Farmaci
Aromi, profumi
Additivi alimentari
Composti agrochimici
Metodi utilizzati dall’industria chimica per la loro sintesi:
Sintesi chimica chirale e sintesi enzimatica
Building blocks chirali (dal “serbatoio chirale” o sintetizzati)
Separazione delle miscele racemiche
Processi enzimatici su larga scala
> 1000 tonnellate/anno
acido aspartico, aspartame, riboflavina, niacinammide, D- e L- amminoacidi
Problemi: sono necessari molti anni per lo sviluppo del processo, l’ingegneria e la costruzione
degli impianti
Processi chimii chirali industriali
Pochi, nonostante le centinaia di
reazioni con elevata enantioselettività
86
43
Statistica dei tipi di processi industriali con sintesi chirale
(2001)
Produzione
Trasformazione
Impianto
pilota
Scala di
bancone
>5 t/anno
<5 t/anno
>50 kg
>50 kg
Idrogenazione di enammidi
1
1
2
6
4
Idrogenazione di C=C-CO2R e C=C-C-OH
2
-
3
4
6
Idrogenazione di altri C=C
1
-
1
1
2
Idrogenazione di chetoni (funz. α e β)
2
3
3
2
4
Idrogenazione/riduzione di altri gruppi CO
-
-
2
2
4
Idrogenazione di C=N
1
-
1
-
-
Diossidrilazione di C=C
-
1
-
-
4
Epossidazione di C=C (ossidaz. solfuri)
2
2
1
-
2
Isomerizzazione, apertura di
ossaciclopropani, addizioni
2
4
2
-
1
11
11
15
15
27
Totale
La relativa scarsità di processi chirali industriali è legata ai problemi della catalisi enantioselettiva
87
su larga scala
Perché un processo possa diventare industriale
Costi (cfr. con altri processi)
Tempo (e costo) dello sviluppo
La fattibilità tecnica di un processo enantioselettivo è determinata dai seguenti fattori:
Performance del catalizzatore
Disponibilità e costo del catalizzatore
Tempo di sviluppo
Performance del catalizzatore
- enantioselettività: ee > 90% (se purificabile), > 99% (se non purificabile)
- produttività: TON (moli prodotto/moli cat.) > 1000 (per composti preziosi), > 50 000
(per composti su larga scala e/o meno preziosi). Il riutilizzo del catalizzatore
aumenta la produttività
- attività: TOF (TON/tempo) > 500 h-1 (per prodotti su piccola scala), > 10 000 h-1 (per
composti su larga scala)
Per reazioni in cui il catalizzatore costa meno ed il prodotto ha un maggiore valore aggiunto
(ossidazioni, formazione di legame C-C), TON e TOF possono essere minori.
88
44
Disponibilità e costo del catalizzatore
I leganti chirali e molti precursori di metalli di transizione costano molto e/o non
sono facilmente disponibili.
Fosfine chirali: 100-500$ per quantità di laboratorio
2 000 - 100 000 $ per scala maggiore
Al momento sono disponibili commercialmente solo alcune fosfine chirali
Tempo di sviluppo
Il tempo è un fattore determinante quando si sviluppa un processo per una nuova
entità chimica (NCE) nell’industria farmaceutica o agrochimica.
89
“Pietre miliari” nell’applicazione industriale
Intermedio per L-dopa (morbo di Parkinson). Primo processo commerciale (MONSANTO) ad usare
un catalizzatore chimico enantioselettivo.
O
O
OH
NHAc
MeO
OH
Rh/dipamp
25°C, 10 bar
OAc
NHAc
MeO
P
MeO
P
MeO
OAc
ee 95%
TON 20 000, TOF 1000 h-1
scala: ca. 1 tonnellata/anno
dipamp
Intermedio per (S)-metolachlor (erbicida). Processo commerciale su più larga scala (CIBA-GEIGY
ora SYNGENTA/SOLVIAS) in produzione dal 1996.
OMe
OMe
N
N
Ir / Josiphos
Xyl2P
H
H3 C
PPh2
Fe
50°C,810 bar
ee 80%
TON 2 000 000, TOF > 400 000 h-1
scala: 10 000 tonnellate/anno
Josiphos
90
45
Intermedio per carbapenem (antibiotico). Primo processo (TAKASAGO) ad usare risoluzione
cinetica dinamica
O
O
OH
H
N
RuI2cumene / tolbinap
O
OMe
H
N
PAr2
PAr2
O
OMe
O
ee >97%, de >94%
TON 1 000, TOF 200 h-1
scala: 50-120 tonnellate/anno
binap Ar = Ph
tolbinap Ar = p-Tol
Intermedio per L-mentolo, idrossidiidrocitronellale, D- e L-citronellolo, methoprene (ormone
giovanile). Secondo processo enantioselettivo come scala (TAKASAGO) e primo ad usare
l’isomerizzazione asimmetrica
Rh / binap
NEt2
NEt2
ee 97%
TON 400 000 (riciclato), TOF 440 h-1
scala: >1000 (L-mentolo), 40 (idrossidiidrocitronellale), 20 (D- e Lcitronellolo), 20 (methoprene) tonnellate/anno
91
“Building block” chirale per varie applicazioni. Applicazione in più larga scala dell’epossidazione
di Sharpless (sviluppata da ARCO e messa in opera da PPG-SIPSY).
O
OH
O
Ti / dipt
OH
< 0°C
HO
O
O
HO
O
ee 88-90%
TON > 40, TOF < 1 h-1
scala: molte tonnellate/anno
dipt
“Building block” chirale per varie applicazioni. Prima applicazione del catalizzatore di Jacobsen
per l’apertura di ossaciclopropani (CHIREX).
O
Co / salen
O
OH
+
5-25°C
OH
N
N
OH HO
krel ca. 400, ee 98+99%
TON > 1 000, TOF 3-4 h-1
scala: molte tonnellate/anno
salen
92
46
Intermedio per l’Esomeprazolo (farmaco antiulcera). Prima ossidazione su larga scala dei solfuri
(ASTRA ZANECA).
OMe
OMe
O
O
Ti / det
H
O
S
N
O
ca.3 0°C
N
S
N
O
N
N
OMe
HO
H
N
OMe
O
H
det
ee 92-93%
TON 3-4, TOF 3-4 h-1
scala: molte tonnellate/anno
Intermedio per vari inibitori di ACE. Prima applicazione di un catalizzatore eterogeneo chirale
(CIBA-GEIGY).
OH
O
O
OEt
O
Pt-Al2O3 / HCd
25°C, , 60 bar
N
OEt
HO
ee 94%
TON 4 000, TOF 1000 h-1
scala: molte tonnellate/anno
HCd
93
Many ways are leading to Rome….
Le statine, che influenzano la sintesi del colesterolo e quindi ne regolano il livello nel sangue
(aumentando i livelli di colesterolo LDL ed abbassando quelli di colesterolo HDL) attualmente
sono la classe di farmaci in testa alle vendite mondiali.
O
HO
O
O
HO
O
O
O
O
O
Lovastatina (Mevinacor®, MERCK)
Simvastatina (Zocor®)
F
HO
OH OH O
OH
N
O
S
N
N
O
Rosuvastatina (Crestor®)
O
CO2H
OH
O
Pravastatina (Mevalotin®)
94
47
F
OH OH O
O
OH OH O
N
H
OH
O
N
Ca2+
N
F
Fluvastatina (Cranoc®)
2
Atorvastatina (Sortis®, PFITZER)
Dall’introduzione della Lovastatina (1987) il
mercato delle statine è cresciuto enormemente
nel 2004, $ 30 000 000 000
attualmente leader del mercato è la Pfitzer, la cui
Atorvastatina ha venduto per $ 10 000 000 000 nel
2004
E’ l’ingrediente attivo del farmaco Lipitor (Pfitzer), che abbassa il colesterolo,
95
le cui vendite hanno superato i 12 miliardi di $ all’anno nel 2007.
Un farmacoforo comune in tutte le statine è la cosiddetta
“catena laterale della statina”
derivato dell’acido 3,5-diidrossiesanoico legato ad un anello
eteroaromatico o ad un sistema biciclico
deve essere enantiomericamente e diastereomericamente puro
e si deve poter produrre in tonnellate
La catena laterale dell’ Atorvastatina, (3R,5S)-diidrossiesanoato costituisce il 25%
del peso molecolare del composto e rappresenta il problema sintetico più difficile,
per via dei due centri chirali.
Serve e.e. > 99.5% e d.e. 99%.
X
O
O
S
R
O
OH
Per risolvere il problema, ci si è serviti di diversi approcci.
APPROCCIO BIOCATALITICO
Sono state seguite due vie principali, una che cerca di ottenere intermedi
più corti, in cui si forma un solo centro chirale, l’altra che punta a catene
più lunghe, in cui si formano entrambi i centri chirali.
96
48
Le principali differenze stanno nel costo e nella complessità dei materiali di partenza,
nel numero di passaggi enzimatici, nella quantità di chimica successiva che serve per
produrre la catena laterale completa.
Tutti i metodi hanno dato enantioselettività > 96%
Sistemi di bioriduzione per fare l’(S)-4-cloro-3-idrossibutanoato di etile sono stati
sviluppati da Daicel Chemical Industries (con alcool deidrogenasi, ADH) e Kaneka (con
carbonile reduttasi, CR) da 4-cloroacetato di etile. Un secondo enzima (glucosio
deidrogenasi, GDH, o formiato deidrogenasi, FDH) è stato usato per riciclare i cofattori
dell’enzima.
Daicel/Kaneka
O
OH O
O
ADH o CR
Cl
O
Cl
e
GDH o FDH
95%
(S)-4-cloro-3-idrossibutanoato
di etile
CR
NADPH
O
NADP+
D-glucosio
D-gluconato
97
GDH
OH O
Cl
t-BuOAc
base
O
S
O
OH O
Cl
O
S
78%
riduzione
enzimatica
OH OH O
Cl
Cl
H+
O
R
S
(CH3O)2C(CH3)2
O
O
S
R
Cl
S
O
AcOK
O
O
O
S
R
O
Bu4NCl, DMF
O
R
O
O
O
O
S
O
R
O
99%
71%
O
O
O
K2CO3
O
MeOH
O
O
81%
O
O
S
R
HO
O
O
100%
L’attività e la stabilità di ADH sono state migliorate da Codexis, dove hanno aggiunto
un enzima aloidrina dealogenasi, che sostituisce Cl con CN, dando un intermedio più
98
avanzato, l’ (R)-4-ciano-3-idrossibutanoato di etile.
49
Codexis
OH O
O
O
1. ADH e GDH
Cl
O
NC
O
2. aloidrina dealogenasi
(R)-4-ciano-3-idrossibutanoato
di etile
Questo metodo, usato per la produzione su scala industriale, ha vinto un “Green
Chemistry Award” nel 2006
Usando un enzima nitrilasi, alla Dowpharma hanno effettuato l’idrolisi asimmetrica
del 3-idrossiglutaronitrile (3-idrossipentanodinitrile), ottenendo l’acido 4-ciano-3idrossibutanoico
Dowpharma
OH
CN-
O
NC
OH O
nitrilasi
NC
CN
NC
OH
96%
Vantaggi:
- il dinitrile di partenza si ottiene da un substrato poco costoso, l’epicloridrina (clorometilciclopropano)
- Dowpharma è in grado di esprimere l’enzima in grandi quantità e quindi di
99
rendere industriale il processo
OH O
NC
OH O
O
NC
OH
O
La DSM ha sviluppato una condensazione aldolica catalizzata da un enzima, 2-desossiribosio-5-fosfato aldolasi, DERA).
DSM
HO
O
O
Cl
H
+ 2
OH
DERA
O
H
70%
Cl
HO
OH
O
O
NC
O
O
O
Cl
Processo molto efficiente, relativamente poco costoso, si può fare su larga scala,
100
enantioselettivo; e.e. 99.9%, d.e. 96.6%
50
Alla Bristol hanno effettuato una doppia riduzione del 6-benzilossi-3,5-diossoesanoato
di etile usando una cheto reduttasi. Produce il diolo (3R,5S) con entrambi i centri chirali
Brystol-Myers Squibb
O
O
O
O
OH OH O
cheto reduttasi
O
O
O
APPROCCIO DELL’IDROGENAZIONE CATALITICA
Diverse Compagnie hanno riportato sintesi della catena laterale della statina
mediante idrogenazione asimmetrica
Hoechst
O
tBuOAc
O
base
RuCl2[(R)-BINAP]
O
O
O
100°C, 4 bar
OH O
O
OH O
O
O
S
96%
BEt3, NaBH4
OH OH O
O
O
S
S
O 101
R
71%
(CH3O)2CMe2
H+
O
O
S
O
R
H2
O
O
Pd/C
HO
O
O
S
R
O
O
Saltigo (2004) ha esteso questa metodologia ad un processo su scala di molte
tonnellate, per la produzione di un idrossiestere, usando il legante di sua proprietà,
Cl-MeOBOPHEP nell’idrogenazione a pressione elevata.
APPROCCIO DELLA RISERVA CHIRALE
Sono descritte diverse sintesi della catena laterale delle statine che passano attraverso
l’(S)-3-idrossibutanolattone
HO
OH
CO2H
(S)
O
O
Per la sintesi dell’idrossilattone si è fatto ricorso alla chiral pool di sostanze
otticamente pure, disponibili in Natura
102
51
Samsung
OH
O
OH
OH
O
OH
OH
OH
OH
OH
(2000)
HO
amilopectina
(S)
O
O
O
O
OH
O
OH
OH
O
OH
O
n
O
resa complessiva 50%,
ee > 99.0%
SK Energy
(2004)
OH
HO2C (S)
CO2H
esterificazione
idrogenazione
ciclizzazione
HO
(S)
O
O
acido L-malico
103
ORGANOCATALISI
Per “organocatalisi” si intende l’accelerazione di reazioni chimiche ad
opera di quantità sub-stechiometriche di un composto organico che
non contiene atomi di metallo.
Vantaggi degli organocatalizzatori:
composti resistenti
facilmente ottenibili
non tossici
relativamente inerti all’umidità ed all’ossigeno
La mancanza di metalli di transizione li rende particolarmente
adatti alla preparazione di farmaci
La maggior parte degli organocatalizzatori rientra in una delle seguenti categorie:
Base di Lewis
Base di Brønsted
Acido di Lewis
Acido di Brønsted
104
52
+
S
B S-
B
+
B P-
+
S
S A-
P
Organocatalisi da base di Lewis
A
+
P A
P
Organocatalisi da acido di Lewis
105
+
SH
B H S-
+
B
B H P+
S
S H A-
PH
Organocatalisi da base di Brønsted
A H
+
P H A-
P
Organocatalisi da acido di Brønsted
106
53
Esempi di catalisi da base di Lewis
catalisi da enammina
O
N
H
+
R
N
- H2 O
E
R
R'
R'
La catalisi da enammina comporta un’enammina intermedia generata cataliticamente, per
deprotonazione di uno ione imminio e che reagisce con vari elettrofili
O
O
+
H
B* =
N
H
B*
10% mol
H
O
DMF, 4°C
OH
H
dr = 24 : 1
ee >99%
CO2H
82%
107
O
O
H
O
B*
10% mol
H
OH
H
CH2Cl2, t.a.
B* =
95%
dr = 10 : 1
ee 99%
CO2H
N
H
Esempio di catalisi da acido di Lewis
Cl
Cl
O
Cl
cat*
+ CH3I
O
base, 20°C, 18h
acqua-toluene
HO
O
Cl
O
resa 96%
ee 92%
N+
Br-
cat* =
N
CF3
Gli organocatalizzatori acidi di Lewis di solito
funzionano da catalizzatori di trasferimento di
fase.
108
54
Esempi di catalisi da base di Brønsted
OH
O
cat*
H
CN
+ HCN
toluene, -20°C
O
resa 97%
ee 97%
NH HN
cat*=
HN
N
O
L’HCN con la base di Brønsted dà legame idrogeno e lo ione cianuro, che si addiziona al carbonile
(o all’immina derivata dal catalizzatore).
cat*
N
HN
+ HCN
MeOH, -20°C
H
CN
resa 97%
ee >99%
O
NH
NH
cat*=
HN
O
N
H
NH2
109
Esempi di catalisi da acido di Brønsted
L’organocatalizzatore acido di Brønsted agisce formando legame idrogeno.
Si
cat*
O
Si
20% mol
+ H
O
O
toluene, -40°C
N
O
N
70%
AcCl
O
er 99 : 1
cat* =
O
OH
O
OH
O
110
55
O
O
Et3P, 200% mol
80%
ee 90%
THF, 10°C
CF3
In questo caso l’acido di Brønsted promuove
l’addizione coniugata e poi rimane legato (con
legame idrogeno) all’enolato risultante nella
successiva condensazione aldolica.
CF3
OH
OH
cat* =
OH
10% mol
H
+
O
cat*
CF3
O-
O
O
-
+ Et3P
CF3
PEt3
PEt3
+
+
O
H
O
O
OH
H
O-
PEt3
+
111
APPLICAZIONE DELL’ORGANOCATALISI ALLA SINTESI ENANTIOSELETTIVA DI
ANELLI A 6 TERMINI
E’ stato sviluppato un gran numero di catalizzatori basati su ammine secondarie, per l’α-funzionalizzazione selettiva di aldeidi e chetoni. Il meccanismo si basa sulla formazione di un’enammina chirale
intermedia:
R*
O
H
R
R*
N
+
N
H
R'
H
R
H2O
R'
Il sostituente chirale dell’organocatalizzatore determina l’avvicinamento
stereoselettivo dell’elettrofilo al C nucleofilo nell’enammina intermedia
R*
O
H
R
R'
+
N
R*
+
N
H
HO-
H
R
R'
Gli organocatalizzatori basati su ammine secondarie possono attivare anche composti α,βinsaturi, attraverso uno ione imminio intermedio, che porta ad addizioni coniugate enantioselettive, perché il sostituente chirale nel catalizzatore scherma una faccia del doppio legame
112
C=C.
56
Si è pensato che questo tipo di intermedi potessero essere utili anche in altre
reazioni, come per esempio la etero-Diels-Alder a richiesta elettronica inversa.
alchene ricco di
elettroni
H2O
N
O
R'''
CO2R''
O
etero-diene povero
di elettroni
R'
R
R
R'''
N
N
H
O
R'''
CO2R''
R
R'
CO2R''
O
HO
H2O
R
R'
113
Un secondo approccio per formare anelli a 6 termini è la combinazione addizione di Michaelcondensazione aldolica di β-chetoesteri con chetoni insaturi, in presenza di organocatalizzatori
asimmetrici.
O
primo legame C-C
CO2R
Ar'
R*
R*
+
Ar
R'
secondo legame C-C
aldolica
intramolecolare
O
OH
N
Ar'
CO2R
O
H
Ar'
RO2C
Ar
CO2R
N
R'
Ar'
intermolecolare
R'
HO
Ar'
Ar
Michael
CO2R
H
R'
Ar
OH
H
O
114
57
esempi
CO2R''
O
O
HO
cat*
CO2R''
O
10% mol
+
R
O
R'
R'
R'
R = alchile
R' = arile, alchile
R'' = alchile
CO2R''
R
R
silice
O
PCC
resa: fino a 93%
ee : 94%
Me
Me
cat* =
N
H
Me
Me
Ar
La stereochimica osservata si può spiegare con
il seguente stato di transizione:
Ar
N
R
O
MeO2C
Le proprietà elettroniche dell’enammina governano la regioselettività,
mentre il sostituente 2-diarilmetile sull’anello pirrolidinico scherma ls
faccia si, controllando perciò l’addizione dell’enone in modo selettivo endo
alla faccia re
115
Un’altra applicazione alla formazione di cicloesanoni otticamente attivi usa come
organocatalizzatore il derivato imidazolinico derivato dalla fenilalanina
O
O
O
R
Ar
R
+
Ar'
cat*
CO2R'
10% mol
HO
Ar'
Ar
CO2R'
ee: fino a 99%
Me
N
cat* =
N
H
CO2H
I cicloesanoni così ottenuti permettono di preparare in modo semplice γ- e ε-lattoni
O
O
HO
UPH-TFFA
O
O
O
HO
LiOH
O
HO H
O
O
O
O
O
UPH = addotto urea-H2O2
TFFA = ac. trifluoroacetico
90% ee
90% ee
116
58
ESEMPI RECENTI DI ORGANOCATALISI ASIMMETRICA (2002-2008)
O
N
z
N
N
HN N
N
H
OH
O
N
z
N
N
H
OH
N
HN N
A. Addizione di Michael di enammine a nitroalcheni
O
O
O
cat*
O
O
NH
5% mol
N
N
HN N
N
H
solvente,
temp.amb.
O
O
solvente
catalizzatore
tempo, h
CH2Cl2
MeCN (umido)
THF(umido)
2
3
2
CH2Cl2
2
O
N
H
O
N
+
resa
dr
ee
65%
49%
37%
> 19:1
> 19:1
> 19:1
>99%
>99%
>99%
NESSUNA REAZIONE
117
OH
NO2
O
NO2
base achirale
N
N
HN N
N
H
+
O
NO2
oppure
S
O
NO2
N
H
S
OH
NO2
NO2
O
N
N
HN N
N
H
+
S
NO2
base achirale
N
N
H
resa
N
HN N
O
NO2
S
O
N
N
H
N
HN N
N
H
OH
62%
67%
70%
dr
> 10:1
> 10:1
> 10:1
ee
70%
73%
40%
118
59
B. Addizione di tipo Mannich
O
O
O
cat*
O
O
NH
5% mol
O
N
+
CH2Cl2,
temp.amb.
O
O
catalizzatore
ee
resa
dr
24
82%
>19:1
96
24
75%
>19:1
>99
tempo, h
O
N
H
HN
S
O
O
CH3
O
N
H
HN
S
O
O
119
C. Addizione di Michael asimmetrica di chetoni a nitroalcheni
NO2
O
O
base
NO2
+
O
N
H
resa
OH
N N
N
N
H
N
HN N
N
H
N
N
H
52%
80%
88%
dr
> 19:1
> 19:1
> 19:1
ee
51%
62%
91%
120
60
D. Ciclopropanazione asimmetrica
O
O
O
Cl
+
O
N
DABCO =
O
DABCO
O
base
MeCN, 80°C
79%
69%
1.5 eq. NaOH, 1 eq. DABCO
1.2 eq.Na2CO3, 0.2 eq. DABCO
N
O
R
R
O
N
O
N
Cl
R
O-
O
O
N
R
R
N
+
N
+
R
N
Na2CO3
O
-
R
O
Cl-
N
NaCl
+
R
121
N
O
O
O
10-20% mol cat*
O
Br
N
+
1.3 eq. Cs2CO3
Br
MeCN, 80°C, 24h
Br
O
Et
N
O
O
H
Me
N
N
Et
cat* =
O
O
N
H
O
N
resa 60%, 96% ee (+)
Me
N
N
Et
N
N
Et
Me
O
O
H
O
N
N
resa 60%, 97% ee (-)
H
O
N
Me
N
Il fascicolo di Dicembre 2007 di Chem. Rev. è interamente
dedicato all’Organocatalisi
122
61