Development of enzyme-catalysed resolution, desymmetrisation and cascade processes. Use of lipases, alcohol dehydrogenases and transaminases in stereoselective synthesis

Resumen

Esta Tesis Doctoral se engloba dentro del campo de la Biocatálisis, disciplina que estudia el empleo de enzimas como catalizadores de reacciones químicas que generalmente se desarrollan con una gran eficiencia atómica, bajo condiciones de reacción suaves y con una alta (estereo)selectividad. Todo ello, permite el desarrollo de rutas sintéticas más económicas y que generan menos deshechos que los procesos químicos convencionales, lo que se ha traducido en que la Biocatálisis haya ido ganando importancia en la industria como una herramienta sostenible para la preparación de compuestos de interés en muy diversos sectores como el farmacéutico, agrícola o textil, entre otros. Esta Tesis Doctoral consta de una introducción general y seis capítulos distribuidos en dos bloques en los que se emplean distintas clases de enzimas con la intención de desarrollar procesos altamente estereoselectivos aprovechando la quiralidad intrínseca que presentan los biocatalizadores. En la Introducción, se adentra al lector en el campo de la Biocatálisis, definiendo las diferentes clases de enzimas existentes, y haciendo especial hincapié en los biocatalizadores empleados en el desarrollo de este trabajo como son las lipasas, las alcohol deshidrogenasas y las transaminasas, así como los diferentes medios de reacción en los que pueden llevarse a cabo las biotransformaciones. En los Capítulos 1-3 (Bloque I), se ha abordado la síntesis de compuestos nitrogenados ópticamente activos. Para ello, se han utilizado dos tipos de enzimas: las lipasas, pertenecientes a la clase de las hidrolasas, y las transaminasas, que son un tipo de transferasas. En el Capítulo 1, se ha empleado la lipasa de Candida antarctica de tipo B (CAL-B) para poner a punto un proceso de resolución cinética de aminas racémicas que son precursores de derivados de benzoxazina y que habían sido sintetizadas previamente. Así, se consiguió llevar a cabo la síntesis enantioselectiva de dichas aminas y de las correspondientes amidas. Estos resultados han sido publicados en “Stereoselective Access to 1-[2-Bromo(het)aryloxy]propan-2-amines Using Transaminases and Lipases; Development of a Chemoenzymatic Strategy Toward a Levofloxacin Precursor” (J. Org. Chem. 2016, 81, 9765-9774). En el Capítulo 2, se ha hecho uso de diversas transaminasas para llevar a cabo la biotransaminación de - y -cetoésteres y sintetizar los correspondientes aminoésteres, inestables en el medio de reacción y que ciclan espontáneamente dando lugar a interesantes lactamas ópticamente activas. Los resultados obtenidos tras la puesta a punto de este proceso en cascada se recogieron en el artículo titulado “Conversion of - and -Keto Esters into Optically Active Lactams. Transaminases in Cascade Processes” (Adv. Synth. Catal. 2018, 360, 686-695). En el Capítulo 3 se han utilizado transaminasas en la resolución cinética dinámica de una serie de -alquil--cetoamidas, previamente sintetizadas mediante métodos químicos convencionales. Tras un intenso proceso de optimización, se han conseguido obtener las correspondientes -aminoamidas sustituidas en posición  de manera diastereo- y enantioenriquecida. Un resumen de estos resultados ha sido recientemente enviado a la revista Catalysis Science & Technology para su posible publicación con el artículo titulado “Efficient Synthesis of -Alkyl--Amino Amides by Transaminase-Mediated Dynamic Kinetic Resolutions” (ID del manuscrito: CY-ART-05-2019-001004). En el Bloque II (Capítulos 4-6) se han empleado alcohol deshidrogenasas como catalizadores en procesos de resolución cinética dinámica y desimetrización. Además, se ha llevado a cabo un estudio de su actividad empleando como cosolvente una mezcla eutéctica compuesta por glucosa y cloruro de colina. En el Capítulo 4, se han estudiado una serie de -cetoamidas sustituidas en posición  como sustratos de diferentes alcohol deshidrogenasas sobreexpresadas en Escherichia coli. Así, se han sintetizado las correspondientes -hidroxiamidas de manera enantio- y diastereoselectiva. Los resultados obtenidos mediante este procedimiento han sido recientemente aceptados para su publicación en “Synthesis of α-Alkyl-β-Hydroxy Amides through Biocatalytic Dynamic Kinetic Resolution Employing Alcohol Dehydrogenases” (Adv. Synth. Catal. 2019, DOI: 10.1002/adsc.201900317). En el Capítulo 5 se ha puesto a punto un método de desimetrización de 1,4-dicetonas utilizando la alcohol deshidrogenasa proveniente de Ralstonia species. Tras optimizar distintos parámetros de reacción como el cosolvente empleado, la temperatura y el tiempo de reacción, se han conseguido obtener los correspondientes (1S,4S)-dioles con buenos rendimientos y selectividades, publicando los resultados en “Stereoselective Enzymatic Reduction of 1,4-Diaryl-1,4-Diones to the Corresponding Diols Employing Alcohol Dehydrogenases” (Catalysts 2018, 8, 150). Finalmente, en el Capítulo 6 se ha estudiado el comportamiento de diversas alcohol deshidrogenasas en disolventes compuestos por medios acuosos y una mezcla eutéctica que contiene glucosa y cloruro de colina. La novedad de este sistema radica en el empleo de esta mezcla eutéctica como cosolvente y como fuente de glucosa con el fin de regenerar el cofactor necesario para el funcionamiento de los enzimas redox. Los resultados obtenidos se han recogido en el artículo “A Designer Natural Deep Eutectic Solvent to Recycle the Cofactor in Alcohol Dehydrogenase-Catalysed Processes”, recientemente aceptado en Green Chem. 2019, DOI:10.1039/C9GC00318E.