Biocatálisis

La biocatálisis se refiere al uso de sistemas vivos (biológicos) o sus partes para acelerar (catalizar) reacciones químicas. En los procesos biocatalíticos, los catalizadores naturales, como las enzimas, realizan transformaciones químicas en compuestos orgánicos. Para esta tarea se emplean tanto enzimas que han sido más o menos aisladas como enzimas que aún residen dentro de las células vivas. La biotecnología moderna, específicamente la evolución dirigida, ha hecho posible la producción de enzimas modificadas o no naturales. Esto ha permitido el desarrollo de enzimas que pueden catalizar nuevas transformaciones de moléculas pequeñas que pueden ser difíciles o imposibles usando la química orgánica sintética clásica. La utilización de enzimas naturales o modificadas para realizar síntesis orgánica se denomina síntesis quimioenzimática; las reacciones realizadas por la enzima se clasifican como reacciones quimioenzimáticas.

Historia

La biocatálisis sustenta algunas de las transformaciones químicas más antiguas conocidas por los humanos, ya que la elaboración de cerveza es anterior a la historia registrada. Los registros más antiguos sobre la elaboración de cerveza tienen alrededor de 6.000 años y se refieren a los sumerios.

El empleo de enzimas y células enteras ha sido importante para muchas industrias durante siglos. Los usos más obvios han sido en las empresas de alimentos y bebidas, donde la producción de vino, cerveza, queso, etc. depende de los efectos de los microorganismos.

Hace más de cien años, la biocatálisis se empleaba para realizar transformaciones químicas en compuestos orgánicos no naturales creados por el hombre, y en los últimos 30 años se ha observado un aumento sustancial en la aplicación de la biocatálisis para producir productos químicos finos, especialmente para el sector farmacéutico. industria.

Dado que la biocatálisis se ocupa de enzimas y microorganismos, históricamente se clasifica por separado de la "catálisis homogénea" y "catálisis heterogénea". Sin embargo, desde el punto de vista mecanicista, la biocatálisis es simplemente un caso especial de catálisis heterogénea.

Ventajas de la síntesis quimioenzimática

-Las enzimas son ambientalmente benignas, siendo completamente degradadas en el medio ambiente.

-La mayoría de las enzimas normalmente funcionan en condiciones suaves o biológicas, lo que minimiza los problemas de reacciones secundarias no deseadas como la descomposición, isomerización, racemización y reordenamiento, que a menudo plagan la metodología tradicional.

-Las enzimas seleccionadas para la síntesis quimioenzimática pueden inmovilizarse sobre un soporte sólido. Estas enzimas inmovilizadas demuestran una estabilidad y reutilización mejoradas.

-A través del desarrollo de la ingeniería de proteínas, específicamente la mutagénesis dirigida al sitio y la evolución dirigida, las enzimas se pueden modificar para permitir una reactividad no natural. Las modificaciones también pueden permitir una gama más amplia de sustratos, mejorar la velocidad de reacción o la renovación del catalizador.

-Las enzimas exhiben una selectividad extrema hacia sus sustratos. Normalmente, las enzimas muestran tres tipos principales de selectividad:

• Chemoselectividad: Dado que el propósito de una enzima es actuar en un solo tipo de grupo funcional, otras funcionalidades sensibles, que normalmente reaccionan en cierta medida bajo catalisis química, sobreviven. Como resultado, las reacciones biocatalíticas tienden a ser "limpiadas" y la purificación laboriosa de productos de impurezas emergentes a través de reacciones laterales puede ser omitida en gran medida.
• Regioselectividad y diastereoselectividad: Debido a su compleja estructura tridimensional, las enzimas pueden distinguir entre grupos funcionales que están químicamente situados en diferentes regiones de la molécula de sustrato.
• Enantioselectividad: Como casi todas las enzimas están hechas de L-aminoácidos, las enzimas son catalizadores quiral. Como consecuencia, cualquier tipo de quiridad presente en la molécula del sustrato es "reconocida" sobre la formación del complejo de sustrato de enzimas. Por lo tanto, un sustrato proquiral puede transformarse en un producto ópticomente activo y ambos enantiómeros de un sustrato racial pueden reaccionar a diferentes tasas.

Estas razones, y especialmente la última, son las principales razones por las que los químicos sintéticos se han interesado en la biocatálisis. Este interés, a su vez, se debe principalmente a la necesidad de sintetizar compuestos enantiopuros como componentes básicos quirales para fármacos y agroquímicos.

Biocatalisis asimétrica

El uso de la biocatálisis para la obtención de compuestos enantiopuros se puede dividir en dos métodos diferentes:

1. Resolución cinética de una mezcla rústica
2. Síntesis asimétrica biocatalyzed

En la resolución cinética de una mezcla cítrica, la presencia de un objeto quiral (la enzima) convierte a uno de los estereoisómeros del reaccionante en su producto a una tasa de reacción mayor que al otro estereoisómero reaccionario. La mezcla estereoquímica se ha transformado ahora en una mezcla de dos compuestos diferentes, haciéndolos separables por metodología normal.

La resolución cinética biocatalyzed se utiliza extensamente en la purificación de mezclas de aminoácidos sintéticos. Muchas rutas populares de síntesis de aminoácidos, como la síntesis de Strecker, resultan en una mezcla de R y S enantiomers. Esta mezcla puede ser purificada por (I) aislante la amina usando un anhidrido y luego (II) deacylando selectivamente sólo el enantiómero L usando acilase renal de cerdo. Estas enzimas son típicamente extremadamente selectivas para un enantiómero que conduce a diferencias muy grandes en la tasa, permitiendo la desacilacion selectiva. Por último, los dos productos son ahora separables por técnicas clásicas, como la cromatografía.

El rendimiento máximo en tales resoluciones cinéticas es del 50%, ya que un rendimiento de más del 50% significa que algunos isómeros equivocados también ha reaccionado, dando un menor exceso enantiomérico. Por lo tanto, esas reacciones deben terminarse antes de alcanzar el equilibrio. Si es posible llevar a cabo tales resoluciones bajo condiciones en las que los dos enantiómeros de sustrato se están convirtiendo continuamente, todo sustrato puede en teoría convertirse en producto de enantiopure. Esto se llama resolución dinámica.

In síntesis asimétrica biocatalyzed, una unidad no-chiral se convierte en quiral de tal manera que los diferentes estereoisómeros posibles se forman en diferentes cantidades. La quiralidad se introduce en el sustrato por influencia de la enzima, que es quiral. La levadura es un biocatalyst para la reducción enantioselectiva de cetonas.

La oxidación de Baeyer-Villiger es otro ejemplo de reacción biocatalítica. En un estudio, se descubrió que un mutante especialmente diseñado de Candida antarctica era un catalizador eficaz para la adición de Michael de acroleína con acetilacetona a 20 °C en ausencia de disolvente adicional.

Otro estudio demuestra cómo la nicotina racémica (mezcla de enantiómeros S y R 1 en el esquema 3) se puede desracemizar en un procedimiento en un solo recipiente que involucra una monoaminooxidasa aislada de Aspergillus niger, que es capaz de oxidar solo el enantiómero S de la amina a la imina 2 y que involucra un par reductor de amoníaco-borano que puede reducir la imina 2 de nuevo a la amina. 1. De esta manera, la enzima consumirá continuamente el enantiómero S mientras se acumula el enantiómero R. Incluso es posible estereoinvertir S puro en R puro.

Biocatálisis habilitada para fotoredox

Recientemente, la catálisis fotoredox se ha aplicado a la biocatálisis, lo que permite transformaciones únicas que antes eran inaccesibles. La química fotoredox se basa en la luz para generar intermediarios de radicales libres. Estos radicales intermedios son aquirales, por lo que se obtienen mezclas racémicas de producto cuando no se proporciona un entorno quiral externo. Las enzimas pueden proporcionar este entorno quiral dentro del sitio activo y estabilizar una conformación particular y favorecer la formación de un producto enantiopuro. Las reacciones de biocatálisis habilitadas por fotoredox se dividen en dos categorías:

1. Coenzima interna/cofactor photocatalyst
2. Fotógrafo externo

Ciertos cofactores comunes de transferencia de átomos de hidrógeno (HAT) (NADPH y Flavin) pueden funcionar como reactivos de transferencia de un solo electrón (SET). Aunque estas especies son capaces de realizar HAT sin irradiación, sus potenciales redox aumentan en casi 2,0 V tras la irradiación con luz visible. Cuando se combina con sus respectivas enzimas (típicamente ene-reductasas), los químicos han utilizado este fenómeno para desarrollar metodologías de reducción enantioselectiva. Por ejemplo, se pueden sintetizar lactamas de tamaño mediano en el entorno quiral de una eno-reductasa a través de una ciclación radical reductiva, favorecida por Baldwin, terminada por HAT enantioselectiva de NADPH.

La segunda categoría de reacciones biocatalíticas fotoredox habilitadas utiliza un fotocatalizador externo (PC). Se pueden utilizar muchos tipos de PC con una amplia gama de potenciales redox, lo que permite una mayor capacidad de ajuste del reactivo en comparación con el uso de un cofactor. Se utilizó rosa de bengala y PC externa junto con una oxidorreductasa para desacilar enantioselectivamente alfa-acil-cetonas de tamaño mediano.

Usar una PC externa tiene algunas desventajas. Por ejemplo, las PC externas suelen complicar el diseño de la reacción porque la PC puede reaccionar tanto con el sustrato unido como sin unir. Si se produce una reacción entre el sustrato no unido y la PC, se pierde la enantioselectividad y pueden ocurrir otras reacciones secundarias.