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.
+
+
CO 2 Me
CHO
CO 2 Me
prevalente
CHO
toluene, 120°C, senza catalizzatore 59 : 41
benzene, 25°C, SnCl4 96 : 4
+
+
CO Me 2
minore
CHO
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.
1
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
B
+
D
endo
B
D
B
D
A
C
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.
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
esempi
Molte reazioni di Diels-Alder chirali dipendono dall’uso di un dienofilo che contiene
un ausiliario chirale.
R
O
O
N O
Et2AlCl -100°C
O
O
N O
A
B
R = H 86% d.e.
R = Me 90% d.e.
> 98% endo
C
D
+
eso
A
B
R
C
D
Al Et Et
O
O
N O
3
4
2

R
O
O
N O
Et2AlCl -100°C
O
R
O
N
O
R = H 90% d.e.
R = Me 96% d.e.
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.
esempio
O
O
OMe
H
OH
O
O
B(OAc) 3 , 0°C
O
H
OH O
O
H
O
>95% d.e.
H
OMe
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
+
MeO
Δ
O
OMe
O
Nu
MeO OMe
MeO
Ar H
H O
OMe
Nu -
MeO
Ar H
H O
H Nu
OMe
Un secondo esempio comporta la sintesi asimmetrica di un butanolattone dall’anidride maleica.
Ar
+
Δ
O
O
O
R
H
O O
O
Ar H
H O
O
1. RMgBr
2. Et3SiH R
Ar H
H O
H
O
5
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
N
O
O
BnO
+
H
10% mol cat.
-78°C
H
prostaglandine
O N
96% e.e.
O
O
cat. =
CF SO 3 2
N N
Al SO CF 2 3
Me
Il legante è un derivato dell’1,2-diammino-1,2-difeniletano, che si forma in situ, facendo
reagire la bis-solfonammide con AlMe 3 .
Esempi di reazioni catalizzate da acidi di Lewis contenenti B chirale:
OH
O
O
Cl 2 B
O
+
O
Me
OMe
R
OH
OH
BH 3 /AcOH
-78°C
da -78° a -20°C
O
H
OH O H OMe
H
R
H CO2Me >98% e.e.
R = H 97% e.e.
R = Me 93% e.e.
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
7
4

Corey ha anche mostrato che un’ossaborolidina derivata dal triptofano impartisce un’elevatissima
enantioselettività alla cicloaddizione della 3-bromoacroleina al ciclopentadiene.
cat. =
+
Br
O
H
H
N
N
H
B
O
O
Ts
5% mol cat.
-78°C, 1 h
Bu
H
N
O
H
Br
CHO
O
B
N
Ts
H
Br
O
Bu
96% eso (CHO)
> 99% e.e.
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.
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
OMe O
O
Al O
Me
t
t BuO
Bu
+
OMe
O
O
Al
MAD
La reazione di Diels-Alder di questo complesso con ciclopentadiene dà quasi esclusivamente la
formazione dell’addotto che ha il gruppo metossicarbonile endo.
tBuO O
O
+
OMe
H
CO Me + 2
CO But
H 2
Δ, 80°C 48 : 52
Et2AlCl/ -78°C 46 : 54
MAD, -78°C 99 : 1
Invece l’uso di dietil alluminio cloruro come acido di Lewis non dà nessuna selettività.
H
CO But
2
CO Me
H 2
9
10
5

Anche gli esteri metilici ed etilici si possono differenziare efficacemente con MAD.
R*O
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-(CO 2 Me) 98.4:1.6. Invece la reazione catalizzata da dietilalluminio cloruro dà d.e.
80% ed un rapporto endo/eso solo 57:43
O
O
+
OMe
H
CO R* 2 +
CO Me
H 2
CO R* 2
H
+
H
CO Me 2
CO Me 2
H
+
H
CO R* 2
Δ, 80°C 22.8 : 26.4 : 24.0 : 26.8
Et 2 AlCl/ -78°C 52.5 : 4.6 : 5.2 : 37.7
MAD, -78°C 91.4 : 7.0 : 0.2 : 1.4
AUSILIARI CHIRALI
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
TlCl 2 (OiPr) 2
- 30°C
O
O
H 3
C
O O
H 3
C
O O
O
O
O
O
O
O
O
O
H
H
CO 2 Me
Gli acrilati di D-glucosio e L-ramnosio (pseudoenantiomeri) reagiscono con ciclopentadiene dando
gli addotti enantiomerici con eccellente diastereoselettività
C
O OH
R : S = 98 : 2 R : S = 6 : 94
C
O OH
11
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 H
B B
H
H H
H 3 B.SMe 2 H 3 B O
L'idroborazione non catalizzata di un alchene
sostituito in modo non simmetrico è regioselettiva
e stereoselettiva (sin).
La selettività è largamente dominata da fattori
sterici.
R
R
BH 3
THF
R
R
H
B
R
R'
R
H
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.
CONTROLLO DEL SUBSTRATO
HO THF HO
BH 3
THF
B
B
CH 3
O
B
O
R 2 BH
BH 3
THF
H
B
R R
L'idroborazione di un substrato chirale procede in modo diastereoselettivo come illustrato
dai seguenti esempi.
BH 3
B H
CONTROLLO DEL REAGENTE
H 2 O 2
- OH
HO
OH H
90% d.e.
1. BH3 /THF
2. H2O2 , -OH 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 (-).
H
13
CH 2 OH
E' molto efficace per l'idroborazione asimmetrica di alcheni cis, ma meno efficace nel caso
di alcheni trans-disostituiti e trisostituiti.
14
B
7

) BH 2 HO H
B H
2
BH3 THF
Ipc2 H2O2 -OH α-pinene (-)-Ipc2BH (R)-2-butanolo
98% e.e.
BH 2
BH 2
(-)-Ipc 2 BH
H
H
B
) BH 1. TMEDA
2 BH2 +
2. BF3 .Et2O H
B
H 2 O 2
- OH
H 2 O 2
- OH
HO
(-)-IpcBH 2
HO
H
α-pinene
(S)-2-butanolo
73% e.e.
Si possono ottenere eccessi enantiomerici maggiori per ricristallizzazione dei di- o trialchilborani
diastereomerici prima dell'ossidazione.
CONTROLLO DEL CATALIZZATORE
66% e.e.
L'idroborazione da parte del catecolborano può essere catalizzata da complessi rodio-difosfina ed in
alcuni casi anche la regioselettività della reazione cambia.
OH
1. 9-BBN
2. H 2 O 2 , - OH
2. H 2 O 2 , - OH
1. CB/RhL 2 + BF4 -
OTBS
Pri
OH
OH
H
B
83% 9-BBN =
OH
72%
OH
L2 = Ph2P(CH2 ) 4PPh2 CB = catecolborano
O
B
O
H
OTBS
OTBS
HO Pri
+ HO
Pri
Me
Me
9-BBN 5 : 95
CB, Rh(PPh 3 ) 2 Cl 97 : 3
Usando leganti difosfinici chirali si possono ottenere enantioselettività ragionevolmente elevate.
16
15
8

L 2 =
PPh 2
PPh 2
65% e.e.
1. CB/RhL 2 + BF4 -
2. H 2 O 2 , - OH
PPh 2 PPh 2
80% e.e.
H
OH
RISOLUZIONE CINETICA
H
O
PAr2 PAr2 O
H
Ar = 2-metossifenile
Si ha risoluzione cinetica quando un enantiomero in una miscela racemica reagisce più rapidamente
dell’altro.
OH
CO 2 Me
+
OH
H2O CO2Me G. roseum
OH
CO 2 H +
OH
CO 2 Me
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 k R ≠ k S 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:
(CO) 3 Cr
CH 3
CH 2 OH
lipasi
OAc
(CO) 3 Cr
CH 3
+
CH2OAc (CO) Cr 3
CH 3
CH 2 OH
17
18
9

O
OH
N
t-BuOOH
(-)-DIPT
Ti(O-iPr) 4
ammide di Li chirale
HMPA, TMSCl, -105°C
dipendenza dell’e.e. del materiale
di partenza e del prodotto dalla %
di conversione per l’idrolisi
catalizzata da enzima di un estere
racemico.
R
+
S
racemico
OH
veloce
N
+
OH
+
N
O-
37% 59%
95% e.e. 63% e.e.
lento
O
+
OSiMe 3
45% 51%
90% e.e. 94% e.e.
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
R
RS
precedente, con la differenza che
durante la risoluzione cinetica si creano
centri stereogenici (uno o più).
+
S
lento
SR
racemico
La massima resa di prodotto è 100%, ma il suo eccesso enantiomerico diminuisce man
mano che la reazione procede.
R'
S'
19
20
10

Esempio: ossaciclopropanazione di Sharpless di un alcool allilico secondario racemico.
OH
OH
OH
t-BuOOH
+
(+)-DIPT 0.6 equiv. O
O
anti sin
49% ca. 1%
94% d.e., > 96% e.e.
In figura: dipendenza
della resa (---------) e
dell’e.e. (_______)
dell’epossi alcool
diastereomerico dal %
di conversione.
Poiché (+)-DIPT richiede l’enantiomero
R per dare l’ossaciclopropanazione dal
lato schermato dal cicloesile, questo
reagisce più lentamente
dell’enantiomero S (k S /k R = 104) e dà
scarsa stereoselettività.
esempi:
MeO
MeO 2 C
Ar
O O
OH
H OH
ostacolato
O Ar H
H
+ O
O
ArSH
1% mol chinidina
-33°C
H 2
[Rh(dipamp)]
O CO2 R (-)-Ipc 2 BCl
MeO 2 C
ArS
MeO
CH 3
OH
H O
O O
OH CO2 R
+
+
con (+)-DIPT
+
+
OH
H
non ostacolato
O
O
O O
MeO
25% resa, 57% e.e.
MeO 2 C
OH
O CO2 R
21
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
SR
achirale
lento
S'R
SR'
lento
veloce
S'R'
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.
AcO
meso
OAc
veloce
lento
HO
OAc
lento
AcO OH veloce
HO
meso
% di monoacetato e % di diacetato in funzione del % di diolo, per l’idrolisi catalizzata
da enzima di un diacetato meso.
OH
23
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.
esempio:
esempi:
X X
A B
B A
SS
X X
B A
A B
RR
veloce
lento
Y X
A B
B A
S'S
Y X
B A
A B
R'R
veloce
lento
Y Y
A B
B A
S'S'
Y Y
B A
A B
R'R'
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.
usando Absidia glauca
S
OAc
OAc
OAc
OAc
12.5
1
S
OH
OAc
OH
OAc
205
R R R
O
O
OH OH
S,S
O
1.3
O
OH OH
R,R
t-BuOOH, L-(+)DIPT
Ti(O-iPr) 4
O O O O O O
OH OH
OH OH
S,S R,R
S
OH
OH
OH
OH
25
26
13

OH OH OH OH
S,S R,R
PCL
OAc
OAc OAc OH OH
S,S
R,R
PCL = Pseudomonas
cepacid lipasi
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)
Il processo più semplice di questo
tipo che comporta l'equilibrazione
dei due enantiomeri, è mostrato
nello Schema.
(S)-A
(R)-A
catalizzatore chirale
veloce
catalizzatore chirale
lento
(S)-B
(R)-B
Perché il processo sia efficace, la velocità di racemizzazione (k rac) deve essere
almeno uguale (o più veloce) alla velocità di reazione dell’enantiomero che
reagisce più velocemente (k S).
27
28
14

Confronto tra risoluzione cinetica (KR) e risoluzione cinetica dinamica (DKR)
OH
R R'
+
OH
R R'
OH
R R'
k rac
OH
R R'
kF veloce
trasformazione
chimica o
enzimatica
k S
lento
Una DKR efficace si ottiene se:
kF veloce
X
R R'
X
R R'
trasformazione
chimica o
enzimatica
k S
lento
k rac > k R >> k S
La racemizzazione si può ottenere in diversi modi:
O
Ar H + HCN
X
R R'
X
R R'
- racemizzazione termica
- base-catalizzata
- acido-catalizzata
- catalizzata da metalli di transizione
HO CN
Ar H
Ar
- OH
Ar
OH
CN
(S)
OH
CN
(R)
Resa massima 50%
Resa teorica
> 99%
OAc
lipasi da Pseudomonas capacia
Ar CN
OAc
(S)
OAc
lipasi da Pseudomonas capacia
Ar CN
OAc
(R) 30
29
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.
esempi:
AcO
La benzaldeide dà resa 86% dell’enantiomero S dell’acetato
della cianidrina, con 84% e.e.
O
N
COSEt
OH
OH
+
SR
H
CN
O
CO 2 R
Streptomices griseus
pH 9.7
lipasi da Pseudomonas capacia
pH 7.0
Alcaligenes faecalis
pH 8.0
CO H 2
N
O
resa 92%, 85% e.e.
OH
CO 2 H
CO 2 H
resa 100%, 76% e.e.
resa 91%, ca. 100% e.e.
OAc
lipasi da Pseudomonas capacia
AcO
OAc SR
CO 2 R
lievito di birra
R = butile resa 87%, 87% e.e.
R = ottile resa 88%, >95 % e.e.
OH
CO R 2
resa 78%, 90% e.e.
31
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
O
O
R Me
Me
Risoluzione cinetica dinamica chemioenzimatica
O
Pd(0)/L
O Me lipasi
OH
(1997)
R Me
iPrOH R Me
Successivamente, ottimi risultati sono stati ottenuti con catalizzatori di rutenio e lipasi.
Ru-cat =
Ph
R
Ph
O
OH
R R'
Ph
OC
+
O
O H
Ph
Ph
Ru
Ru H
CO
O
P
n
OR'
OR'
CO
O
Cl
Ph
Ph
CO
O
Ph
R
O
Ru-cat
CALB
70°C
O
O
O
R R'
resa fino a 92%
>99% ee
CALB = lipasi B Candida antartica
O
n
OR'
(Novozym-435)
R
n
OR'
(2001)
Le reazioni chemioenzimatiche sono state applicate alla sintesi di diversi derivati degli
alcooli
O
resa fino a 87%
O
ee fino a >99%
O
R
N3 O
O
O
R
Cl
R
CN
resa fino a 93%
resa fino a 91%
ee fino a 95%
OH
R
X
O
ee fino a 99%
O
O O
n = 0,1
resa fino a 86%
ee fino >95%
n = 2,3
n = 0,1
33
resa fino a 93%
ee fino a 99%
resa fino a 91%
ee fino a 98% (2001)
Però servono temperature elevate (70°C) e tempi di reazione lunghi (24-48 h)
34
17

In seguito è stato trovato un catalizzatore di rutenio che racemizza gli alcooli in meno di 10 min a
temperatura ambiente
Ph
OH
resa 95%
>99% ee
3 h
altri esempi
+
O
O
S
resa 98%
>99% ee
6 h
O
O
N
O
O
MeO
resa 94%
>99% ee
6 h
O
O
O
N
O
Ru-cat
CALB
Na2CO3 toluene,
temp. amb.
3 h
O Li
O Li
N
O
O
O
resa 93%
96% ee
6 h
O
O
Ph
resa 95%
>99% ee
Cl
resa 93%
>99% ee
6 h
O
O
N
CO 2
N
(-)-sparteina
N
(2004-2005)
MeI
N
O
N
O
resa 99%
99% ee
5 h
(-)-sparteina
O
O
Ru-cat =
Ph
Ph Ph
Ph
Ph
Ru Cl
OC CO
CALB = lipasi B Candida antartica
O
resa 92%
>99% ee
17 h
O
O
N
O
N
O
O N 2
resa 97%
>99% ee
14 h
O
O
O CO 2 H
O
O
resa 98%
>99% ee
17 h
resa 75%, >99%e.e.
O CH 3
N
resa 72%, >95%e.e.
O
35
36
18

Un secondo tipo di risoluzione
cinetica dinamica si incontra
nella reazione di una miscela di
diastereomeri, che si equilibrano,
con un reagente achirale.
(R,S)-A
(R,R)-A
C
veloce
C
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.
N
S
O O
(S)
(R)
N
S
O O
O
O
Br
Br
R
R
N
H
veloce
N
H
lento
N
S
O O
N
S
O O
O
N
R
(R,R)-B
(R,S)-B
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.
O
N
R
(R)
(S)
37
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
N
O
O
(S)
Et 3 N o
K 2 CO 3
CH 3
O
Br
CH 3
N
O
N
O
O
(R)
CH 3
O
Br
CH 3
E’ stato fatto un tentativo di
razionalizzare la stereoselettività
osservata in termini di un
modello conformazionale.
H
N
CH 3
O O
N H
O....
H ..
N
CH3 O
H
veloce
lento
NH 2
NH 2
N
O
N
O
O
CH 3
N
O
N
O
O
..
O
H
N
CH3 (R)
resa 96%, 88% e.e.
NH 2
CH 3
O
H
N
CH 3
H
H
N
N
O
CH 3
CH 3
(S)
O O
BrO
Però il prodotto principale ottenuto aveva la configurazione opposta a quella
prevista su basi puramente steriche.
Br
Perciò è stato suggerito che il
gruppo estereo in effetti assista
l’avvicinamento del nucleofilo.
39
40
20

Una reazione simile studiata è la seguente:
C
H 3
C
H 3
O
O
N N CH3 Br
NH2 H C 3
O
N N
O
CH3 H C 3
HN
resa 100%, 74% e.e.
La risoluzione cinetica dinamica è stata ottenuta usando esteri dell’acido chirale
pantolattone.
R
O
Br
O
O
H O
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.
NH 2
O O
R
NH
O
H O
(R)-A
(S)-A
C*
k R
R = Ph resa 77%, 82% e.e.
R = Et resa 70%, 75% e.e.
41
(R,R)-B + (R,S)-B
(S,R)-B + (S,S)-B
Scegliendo le opportune condizioni di reazione è quindi possibile convertire un composto racemico
in uno qualsiasi di quattro possibili stereoisomeri.
O
B
O
Br
racemico
O
O OLi
N
NaI, 18-corona-6
O
C*
k S
O OO
O
B
N
resa 100%,
>97 % d.e.
>94% e.e.
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.
(S)
(R)
O O
O
NH
O O
O
NH
OMe
OMe
H 2
(R)-BINAP - Ru(II)
veloce
(R)-BINAP =
H 2
(R)-BINAP - Ru(II)
lento
PPh3 PPh3 OH O
O
NH
OH O
O
NH
OMe
(S,R)
OMe
(R,R)
98% d.e.
98% e.e.
La riduzione di β-chetoesteri si può ottenere usando lievito di birra e altri microorganismi
O
O
O
CO 2 Et
lievito di birra
O
O
OH
CO 2 Et
resa 74%
98% e.e.
Scegliendo accuratamente le condizioni di reazione opportune, è possibile ottenere da un dato βchetoestere
uno solo dei quattro diastereomeri possibili.
resa 100%
97% d.e.
96% e.e.
resa 93%
93% d.e.
86% e.e.
MeO
OH
H 2
(R)-BINAP - Ru(II)
H 2
(S)-BINAP - Ru(II)
MeO
OH
CO 2 Et
MeO
CO 2 Et
O
CO 2 Et
MeO
MeO
OH
Rhizopus arrhizus
lievito di birra
OH
CO 2 Et
CO 2 Et
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.
resa 98%
98% d.e.
99% e.e.
resa 70%
98% d.e.
95% e.e.
43
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
O
MeO
N
CH 3
CH 3
EtOH/Et3N 80°C
O
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.
N O
H C 3
N
NH 2
1. ArCHO
2. (+)-CSA
N
CH 3
CH 3
N
N
O
H C 3
+
NH3 (+)-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%.
C
H 3
N
C
H 3
O
N
O
Br
CH 3
Bu 4 NBr
cristallizzazione
da THF
C
H 3
N
C
H 3
O
N
O
Br
CH 3
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
nei solventi organici, anche se con attività minore.
47
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
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.
49
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.
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.
51
52
26

Biocatalizzatore Forma Pro Contro
enzimi isolati qualsiasi apparecchiatura semplice,
lavorazione semplice,
migliore produttività dovuta
a maggiore tolleranza della
concentrazione
necessario riciclare il cofattore
sciolto in elevata attività dell’enzima possibilità di reazioni laterali,
acqua
substrati lipofili insolubili, la
lavorazione richiede estrazione
sospesi in facile da eseguire, facile attività ridotta
solventi lavorazione, facile recupero
organici dell’enzima
immobilizzati facile recupero dell’enzima perdita di attività durante
l’immobilizzazione
cellule intere qualsiasi non è necessario riciclare il
cofattore
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
colture in attività più elevate grandi biomasse, più sottoprodotti,
crescita
difficile controllo del processo
cellule non in lavorazione più facile, meno attività inferiori
crescita sottoprodotti
cellule possibilità di riusare le cellule attività inferiori
immobilizzate
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 Fermentazione
microorganismo cellule non in crescita cellule in crescita
tipo di reazione breve, catalitico lungo, processo vitale
numero di passaggi pochi molti
numero di enzimi attivi pochi molti
materiale di partenza substrato fonte di C e N
prodotto naturale o non naturale solo naturale
tolleranza della concentrazione elevata bassa
isolamento del prodotto facile laborioso
sottoprodotti pochi 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 utilità
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
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
si usano anche nmoli/min o nmoli/ora
Un’altra scala si basa sul sistema SI
e definisce l’attività con il katal
1 I.U. = 1 μmole di substrato
trasformata per minuto
1 katal = 1 mole s -1
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:
Dove:
PN = n prod /m dry x t
n prod è la quantità di prodotto
m dry 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 50 molecole di H 2 O per molecola di enzima
polifenolo ossidasi 3.5 x 10 7 molecole di H 2 O per molecola di enzima
Quella che deve rimanere è la piccola frazione di acqua strettamente legata alla superficie
dell’enzima (“bound water”), detta anche “acqua strutturale” (“structural water”). 59
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.
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
O
OH
C11H23CO2H lipasi da
O
C11H23 OR'
Candida Antarctica O
HO
HO
H2O, 70°C, 0.01 bar
O
OH
OR'
R'
resa di
monoestere diesteri
H

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.
E geraniolo
Z nerolo
OH
(RCO) 2 O, Et 2 O
lipasi pancreatica
suina
O
O OH
R % estere % nerolo selettività
geranile k E /k Z
C 3 H 7 85 16 11
C 5 H 11 66 7 13
C 7 H 15 72 7 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
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
OCOR' OH
OH
R
lipasi da
Pseudomonas sp.
donatore di acile
solvente organico
S
OH
R
+ R
R
OCOR'
R donatore R' solvente config. % e.e.
di acile
Me acetato di vinile Me CHCl 3 S >98
CH 2 Ph acetato di vinile Me - R >94
CH 2 -1-naftil acetato di vinile Me - R 86
OCH 2 Ph stearato di vinile C 17 H 35 i-Pr 2 O S 92
OCH 2 Ph acetato di isopropenile Me CHCl 3 S 96
OCH 2 Ph acetato di vinile Me - S 90 (25°C)
OCH 2 Ph acetato di vinile Me - S 92 (17°C)
OCH 2 Ph acetato di vinile Me - S 94 (8°C)
R
+
63
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.
B
B
C B
B
Adsorbimento
Ionico
al carrier
B
C B
B
= biocatalizzatore
(enzima o cellula intera)
Accoppiamento
Enz
Enz
Enz
Enz
cross-linking
C
= carrier Enz = enzima
C
Enz
Enz C
Covalente Cross-linking co-Cross-linking
66
33

Enz
Enz
Enz
Enz
Gel o Polimero
Enz
Intrappolamento
in Matrice con Membrane
Enz
Enz
Enz
C = carrier Enz = enzima = tensioattivo
ADSORBIMENTO
Micella inversa
Fibra cava
Enz
Enz
Reattore a
membrana
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.
67
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.
C
Carrier inorganico: vetro poroso
L’attivazione si ottiene per sililazione degli ossidrili usando amminoalchiletossio
amminoalchil-clorosilani
69
OH
EtO
EtO
+ Si
OEt
NH2 Enz
C O
Si N
EtO OEt C
S
NH 2
EtOH
Cl 2 C=S
C O
EtO
Si
OEt
N
H
C O
EtO
Si
OEt
NH2 S
N
H
Enz
Enz
NH 2
glutaraldeide
C O
Si N
EtO OEt
C
= carrier
Enz = enzima
Enz
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. C
OH
OH
+ Br
C
C N
= carrier
Enz = enzima
CROSS-LINKING
pH 9-11
HBr
C
O
O
NH
immidocarbonato
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).
ll reagente bifunzionale più usato per questo tipo di immobilizzazione è la glutaraldeide.
N N Enz N
NH 2
Enz NH 2
NH 2
glutaraldeide
Enz = enzima
Vantaggio: semplicità
N
Enz
N
N
N
Enz
Enz
NH 3
N
NH 2
C
N
glutaraldeide =
O
O
N
Enz
O O
Svantaggi:
gli aggregati sono spesso gelatinosi e non si possono usare
in reattori ad impaccamento.
Le attività sono spesso limitate da problemi di diffusione
71
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.
Per enzimi isolati (più piccoli delle cellule intere) si possono ottenere maglie più strette
polimerizzando monomeri di sintesi in presenza dell’enzima.
Enz
O
N
H
+
N
H
O
Enz = enzima
CONH 2
polimerizzazione
NH HN
Enz
NH HN
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
O
O
O
O
O
O
CONH 2
CONH 2
73
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).
O
O
Na
SO3 +
O
-
O
tensioattivo (surfactant)
testa polare
coda non polare
O
O
bromuro di cetiltrimetilammonio
(CTABr, cationico)
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.
O
O
O
Triton X-100 (non ionico)
Br -
+
N
O
O
O
O
75
solfonato di sodio del butandioato di bis(2-etilesile)
AOT (anionico)
76
OH
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-Enclosed-
Enzymatic-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.
meccanismo:
Asp102
O
O -
Lys201
+ NH3 N
H 2
Lys167
H
O H
O
CH 3
Asp102
O
OH
Lys201
NH 2
Lys201
H
O H
N CH 3
Lys167
O
OH
OH
-
OPO3 N
Lys167
OH
OH
-
OPO3 Asp102
O
+ NH3 O
HN H
O H
CH2 - O
OH
Lys167
OPO
-
3
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
C
H 3
C
H 3
C
H 3
C
H 3
C
H 3
O
O
O
O
O
CH 3
Br
HS
HO
HO
HO
O
OH
O
OH
N 3
OH
O
CH 3
N 3
O
O
Wong, 1995-2002
Br
HO
HO
HO
N 3
H 3 C
N 3
O
S OH
OH
H
HO
O
O OH
OH
O OH
CH 3
OH
OH
OH
81
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
C
H 3
C
H 3
C
H 3
C
H 3
C
H 3
O
O
O
O
O
Esempi di applicazioni di DERA
HO
O
CH 3
+
HO
epothilone
(antitumorale)
C
H 3
OH
O
O
O
+
DERA
O
OH O
C
H 3
C
H 3
O
O
C
H 3
Cl
C
H 3
HO
O
OH
N 3
O
DERA
O
O
O
O
O
O
Wong, 1995-2002
OH O
S
N
C
H 3
Br 2
BaCO 3
HO
O
C
H 3
OH
OH
C
H 3
HO
H C O 3 OH
Cl
O
N 3
O
OH
O OH
OH
O OH
OH
O OH
OH
O OH
OH
O I O
O
Wong, 2002
I
C
H 3
O
C
H 3
OH
O
+
OAc
O
83
OtBu
O
OSiMe t-Bu 2
S
N
84
42

2
2
H 3
H 3
C
O O
C
+ Cl
O
+
N
H
Cl
O
Atorvastatina
(abbassamento colesterolo)
O
N
DERA
F
OH
Cl
N
DERA mutante 3
O
OH
O
OH
OH
NaOCl
AcOH, H 2 O
OH
Cl
NC
Wong, 2004
O
OH
a) NaCN, DMF, H2O b) (CH3 ) 2C(OCH3 ) 2
H 2 O
N
H 2
BaCO 3 , Br 2
LA SINTESI ASIMMETRICA NELL’INDUSTRIA
Importanza economica
dei composti chirali
OH
O
OH
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
N 3
O
O
+
O
O
c) trimetilsilildiazometano
DMF
O
O
OH
O
O
O
O
OtBu
Problemi: sono necessari molti anni per lo sviluppo del processo, l’ingegneria e la costruzione
degli impianti
Processi chimii chirali industriali
85
Pochi, nonostante le centinaia di
reazioni con elevata enantioselettività
86
43

Statistica dei tipi di processi industriali con sintesi chirale
Trasformazione
Idrogenazione di enammidi
Idrogenazione di C=C-CO 2 R e C=C-C-OH
Idrogenazione di altri C=C
Idrogenazione di chetoni (funz. α e β)
Idrogenazione/riduzione di altri gruppi CO
Idrogenazione di C=N
Diossidrilazione di C=C
Epossidazione di C=C (ossidaz. solfuri)
Isomerizzazione, apertura di
ossaciclopropani, addizioni
Totale
Produzione
>5 t/anno
La relativa scarsità di processi chirali industriali è legata ai problemi della catalisi enantioselettiva
87
su larga scala
-
2
2
11
Perché un processo possa diventare industriale
1
2
1
2
-
1
50 kg
2
3
1
3
2
1
-
1
2
15
Costi (cfr. con altri processi)
Tempo (e costo) dello sviluppo
pilota
>50 kg
6
4
1
2
2
-
-
-
-
15
(2001)
Scala di
bancone
La fattibilità tecnica di un processo enantioselettivo è determinata dai seguenti fattori:
Performance del catalizzatore
Performance del catalizzatore
Disponibilità e costo del catalizzatore
Tempo di sviluppo
- 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.
4
6
2
4
4
-
4
2
1
27
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.
Tempo di sviluppo
Fosfine chirali: 100-500$ per quantità di laboratorio
2 000 - 100 000 $ per scala maggiore
Al momento sono disponibili commercialmente solo alcune fosfine chirali
Il tempo è un fattore determinante quando si sviluppa un processo per una nuova
entità chimica (NCE) nell’industria farmaceutica o agrochimica.
“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
OH
MeO
OAc
NHAc
Rh/dipamp
25°C, 10 bar
MeO
OAc
ee 95%
TON 20 000, TOF 1000 h-1 scala: ca. 1 tonnellata/anno
NHAc
MeO
MeO
P
P
dipamp
Intermedio per (S)-metolachlor (erbicida). Processo commerciale su più larga scala (CIBA-GEIGY
ora SYNGENTA/SOLVIAS) in produzione dal 1996.
OMe
N
Ir / Josiphos
50°C,810 bar
OMe
ee 80%
TON 2 000 000, TOF > 400 000 h -1
scala: 10 000 tonnellate/anno
N
Xyl P 2
H
H3C Fe
Josiphos
PPh 2
89
90
45

Intermedio per carbapenem (antibiotico). Primo processo (TAKASAGO) ad usare risoluzione
cinetica dinamica
O
O
H
N
O
OMe
RuI 2 cumene / tolbinap
OH
O
ee >97%, de >94%
TON 1 000, TOF 200 h -1
scala: 50-120 tonnellate/anno
H
N
O
OMe
PAr2 PAr2 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
NEt 2
Rh / binap
NEt 2
ee 97%
TON 400 000 (riciclato), TOF 440 h -1
scala: >1000 (L-mentolo), 40 (idrossidiidrocitronellale), 20 (D- e Lcitronellolo),
20 (methoprene) tonnellate/anno
“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).
OH Ti / dipt O
OH
< 0°C
ee 88-90%
TON > 40, TOF < 1 h -1
scala: molte tonnellate/anno
“Building block” chirale per varie applicazioni. Prima applicazione del catalizzatore di Jacobsen
per l’apertura di ossaciclopropani (CHIREX).
Co / salen
O O
5-25°C
k rel ca. 400, ee 98+99%
TON > 1 000, TOF 3-4 h -1
scala: molte tonnellate/anno
+
OH
OH
HO
HO
O
O
dipt
N N
OH HO
salen
O
O
91
92
46

Intermedio per l’Esomeprazolo (farmaco antiulcera). Prima ossidazione su larga scala dei solfuri
(ASTRA ZANECA).
OMe
OMe
N
S N
N
H
Ti / det
ca.3 0°C
OMe
N
O
S N
N
H
OMe
HO
HO
O
O
O
O
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).
O
O
OEt
Pt-Al 2 O 3 / HCd
25°C, , 60 bar
ee 94%
TON 4 000, TOF 1000 h -1
scala: molte tonnellate/anno
OH
Many ways are leading to Rome….
O
OEt
HO
det
N
HCd
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
S
O
N
N
O
F
N
HO O
O
OH
O
Lovastatina (Mevinacor®, MERCK) Simvastatina (Zocor®)
OH
O
OH
O
HO
O
CO H 2
OH
Rosuvastatina (Crestor®) Pravastatina (Mevalotin®)
O
HO O
O
O
93
94
47

F
N
OH
OH
O
OH
-
N O
Fluvastatina (Cranoc®) Atorvastatina (Sortis®, PFITZER)
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.
N
H
O
F
OH
OH
Dall’introduzione della Lovastatina (1987) il
mercato delle statine è cresciuto enormemente
nel 2004, $ 30 000 000 000
O
2
Ca 2+
attualmente leader del mercato è la Pfitzer, la cui
Atorvastatina ha venduto per $ 10 000 000 000 nel
2004
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 O
S
OH
Per risolvere il problema, ci si è serviti di diversi approcci.
APPROCCIO BIOCATALITICO
R
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
Cl
riduzione
enzimatica
D-gluconato
Cl
Cl
O
O O
O
CR
NADPH NADP +
O
Cl
OH O
S
GDH
O
OH OH
S
O O
S
R
O O
S R
R
71%
O
O
O
ADH o CR
e
GDH o FDH
D-glucosio
t-BuOAc
O
O
base
O
Cl
K 2 CO 3
MeOH
OH O
Cl
OH O
O
95%
(S)-4-cloro-3-idrossibutanoato
di etile
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.
S
78%
HO
O
(CH3O) 2C(CH3 ) 2
H
Cl
O O
+ S R
99%
AcOK
Bu 4 NCl, DMF
O
O O
S
R
O
O
100%
O
O O O
O
S R O
O 81%
O
97
49

Codexis
Cl
O O
O
1. ADH e GDH
2. aloidrina dealogenasi
OH O
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
NC
O
(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
NC
NC
O
CN -
OH O
OH
OH
NC CN
nitrilasi
OH O
NC
OH O
OH
96%
La DSM ha sviluppato una condensazione aldolica catalizzata da un enzima, 2-desossiribosio-5-fosfato
aldolasi, DERA).
DSM
Cl
O
H
+ 2
HO OH
Cl
O
O
H
NC
DERA
Cl
O
O
HO OH
O O
O
70%
Processo molto efficiente, relativamente poco costoso, si può fare su larga scala,
enantioselettivo; e.e. 99.9%, d.e. 96.6%
NC
O
O
100
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
O
cheto reduttasi
APPROCCIO DELL’IDROGENAZIONE CATALITICA
O
OH OH O
Diverse Compagnie hanno riportato sintesi della catena laterale della statina
mediante idrogenazione asimmetrica
Hoechst
tBuOAc
base
O
(CH 3 O) 2 CMe 2
H +
O
O
O
O
RuCl 2 [(R)-BINAP]
100°C, 4 bar
O
OH
S
O
O
96%
OH O O BEt3 , NaBH4 OH OH
S O
O
71%
S R
O
O
O
S R
O
O
H 2
Pd/C
HO
O
O
S R
O
O
O
O101
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
(S)
O
O
CO 2 H
Per la sintesi dell’idrossilattone si è fatto ricorso alla chiral pool di sostanze
otticamente pure, disponibili in Natura
O
102
51

Samsung
OH
O
OH
O
OH
SK Energy
OH
HO2C (S)
CO 2 H
acido L-malico
OH
O
OH
O
OH
OH
O
OH
O
OH
ORGANOCATALISI
OH
O
OH amilopectina
HO
(S)
O
OH n
O O
resa complessiva 50%,
ee > 99.0%
esterificazione idrogenazione ciclizzazione
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:
HO
(S)
O
(2000)
(2004)
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
O
103
104
52

S
B
P
+ -
B S
+ -
B P
Organocatalisi da base di Lewis
SH
B
PH
+
B H
-
S
B H P-
Organocatalisi da base di Brønsted
+
S
A
P
+ -
S A
+
-
P A
Organocatalisi da acido di Lewis
S
A H
P
+ -
SHA
105
+ -
PHA
Organocatalisi da acido di Brønsted
106
53

Esempi di catalisi da base di Lewis
catalisi da enammina
H
O
B* =
+
N
H
R
H
O
O
R'
CO 2 H
+
N
H
B*
10% mol
DMF, 4°C
H
- H 2 O
La catalisi da enammina comporta un’enammina intermedia generata cataliticamente, per
deprotonazione di uno ione imminio e che reagisce con vari elettrofili
H
O
B* =
O
H
N
H
B*
10% mol
CH2Cl2 , t.a.
CO 2 H
Esempio di catalisi da acido di Lewis
Cl O
Cl
+ CH3I O
cat* =
HO
+
N
N CF 3
Br -
cat*
H
O
base, 20°C, 18h
acqua-toluene
OH
dr = 24 : 1
ee >99%
O OH
dr = 10 : 1
ee 99%
Cl
O
R
N
95%
82%
Cl
R'
O
E
resa 96%
ee 92%
107
Gli organocatalizzatori acidi di Lewis di solito
funzionano da catalizzatori di trasferimento di
fase.
108
54

Esempi di catalisi da base di Brønsted
O
OH
H
+ HCN
O
cat*
toluene, -20°C
CN
resa 97%
ee 97%
cat*=
HN
NH HN
N
N
H
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*=
HN
+ HCN
O
O
NH
Esempi di catalisi da acido di Brønsted
N
H
NH
cat*
MeOH, -20°C
NH 2
HN
L’organocatalizzatore acido di Brønsted agisce formando legame idrogeno.
cat* =
O
Si
N
+
H
O
O OH
O
OH
cat*
20% mol
toluene, -40°C
O
Si
O
er 99 : 1
AcCl
N
O
CN
resa 97%
ee >99%
O
70%
109
110
55

cat* =
O
+
OH
OH
H
CF 3
CF 3
O cat*
O OH
CF 3
CF 3
O
10% mol
Et3P, 200% mol
THF, 10°C
80%
ee 90%
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.
+ Et 3 P
O OH
O-
PEt3 +
O
O O-
H
-
PEt3 +
H
PEt3 +
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
R*
H
R
+
N
N
H
R'
H
H R
2O R'
Il sostituente chirale dell’organocatalizzatore determina l’avvicinamento
stereoselettivo dell’elettrofilo al C nucleofilo nell’enammina intermedia
R
O
R'
H
+
N
H
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
C=C.
112
HO -
R
+
N
R'
R*
H
O
111
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.
R
O
HO O
R
R'
N
H
H 2 O
R'''
CO 2 R''
R
N
R'''
H 2 O
alchene ricco di
elettroni
N
R
R'''
O
R'
O CO 2 R''
R'
CO 2 R''
etero-diene povero
di elettroni
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.
R*
Ar'
O
CO 2 R
N
OH
Michael
+
R'
CO R 2
Ar
Ar'
intermolecolare
secondo legame C-C
aldolica
intramolecolare
R'
HO
Ar'
O
Ar
CO R 2
H
Ar'
RO C 2
Ar
OH
H
Ar'
H
O
R'
Ar
CO 2 R
O
primo legame C-C
N
R*
R'
113
114
57

esempi
O
R
+
R'
R = alchile
R' = arile, alchile
R'' = alchile
O CO R'' 2 cat*
10% mol
silice
cat* =
HO
N
H
R
Me
O
R'
Me
Me
CO 2 R''
Me
PCC
O
R
O
R'
resa: fino a 93%
ee : 94%
CO 2 R''
Ar
La stereochimica osservata si può spiegare con
il seguente stato di transizione: N
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
MeO 2 C
Un’altra applicazione alla formazione di cicloesanoni otticamente attivi usa come
organocatalizzatore il derivato imidazolinico derivato dalla fenilalanina
O
Ar R
cat* =
+
Ar'
O
CO 2 R'
N
H
Me
N
CO 2 H
cat*
10% mol
O
R
HO
Ar' Ar
CO2R' ee: fino a 99%
I cicloesanoni così ottenuti permettono di preparare in modo semplice γ- e ε-lattoni
O
O
HO
O O
UPH = addotto urea-H 2 O 2
TFFA = ac. trifluoroacetico
UPH-TFFA
HO
O
O
90% ee
O
LiOH
O
HO
H
90% ee
O
O
O
O
Ar
R
115
116
58

ESEMPI RECENTI DI ORGANOCATALISI ASIMMETRICA (2002-2008)
N
z
O
OH
O
N
N
N
H HNN A. Addizione di Michael di enammine a nitroalcheni
N
O
O
catalizzatore
O
solvente tempo, h resa dr ee
N
N
N
H HNN O
N
H OH
O
S
O
S
+
CH 2 Cl 2
MeCN (umido)
THF(umido)
CH 2 Cl 2
NO 2
cat*
5% mol
N
z
solvente,
temp.amb.
2
3
2
2
N
N
N
H HNN + oppure
+
NO 2
NO 2
NO 2
N
N
N
H HNN base achirale
O
N
H OH
N
N
N
H HNN base achirale
N
N
N
H HNN O
OH
O
65%
49%
37%
O
NH
O
O
> 19:1
> 19:1
> 19:1
NESSUNA REAZIONE
O
O
S
S
O
N
H OH
resa 62% 67% 70%
dr > 10:1 > 10:1 > 10:1
ee 70% 73% 40%
>99%
>99%
>99%
NO 2
NO 2
NO 2
NO 2
N
N
N
H HNN 117
118
59

B. Addizione di tipo Mannich
O
O
N
H
N
H
+
N
O
O
O
HN O
S
O CH3
O
HN O
S
O
O
cat*
5% mol
CH 2 Cl 2 ,
temp.amb.
O
O
NH
catalizzatore tempo, h resa dr ee
NO 2
24 82% >19:1 96
24 75% >19:1 >99
C. Addizione di Michael asimmetrica di chetoni a nitroalcheni
+
O
N
H OH
base
N
N
N
H HNN O
O
N
O
NO 2
N
H
resa 52% 80% 88%
dr > 19:1 > 19:1 > 19:1
ee 51% 62% 91%
N
N
N
H
119
120
60

D. Ciclopropanazione asimmetrica
O
DABCO =
N
O
cat* =
Cl
N
+
Br
+
Et
O
O
DABCO
base
MeCN, 80°C
1.5 eq. NaOH, 1 eq. DABCO
1.2 eq.Na 2 CO 3 , 0.2 eq. DABCO
R
N
O
R
O
O
+
N
N
R
O
O
N
Br
O-
O N N
O
Me
Me
H
H
N
N
O
Et
O N N
O
Me
Me
N
O
Et
O
O
O
N
N
N
R
R
N
R
N
O
O
N
-
+
N
N
10-20% mol cat*
1.3 eq. Cs 2 CO 3
MeCN, 80°C, 24h
H
H
Et
79%
69%
O
R
O
O
NaCl
O
O
N
R
N
+
O
Na 2 CO 3
N
O
Cl
Cl -
resa 60%, 96% ee (+)
resa 60%, 97% ee (-)
Il fascicolo di Dicembre 2007 di Chem. Rev. è interamente
dedicato all’Organocatalisi
121
Br
122
61