Aplicación de flavoenzimas en síntesis orgánica

Abstract

Los procesos oxidativos presentan gran interés en Química Orgánica. En los últimos años se ha producido una destacable evolución dentro de este campo, pasando del uso de cantidades estequiométricas de compuestos peligrosos y tóxicos al empleo de cantidades catalíticas de otros oxidantes más suaves. También se ha producido un gran desarrollo de procesos enzimáticos de oxidación, dentro de los cuales las flavoproteín-monooxigenasas representan un papel fundamental, siendo las Baeyer-Villiger monooxigenasas (BVMOs) y las flavín-monooxigenasas (FMOs) enzimas selectivos que requieren condiciones de reacción suaves y respetuosas para el Medio Ambiente. En esta Tesis Doctoral, dividida en cinco capítulos, se emplean con fines sintéticos BVMOs, como la HAPMO (4-hidroxiacetofenona monooxigenasa de Pseudomonas fluorescens ACB), la PAMO (fenilacetona monooxigenasa de Thermobifida fusca) y su mutante PAMOM446G, además de la FMO de Methylophaga sp. SK1, fusionada con la fosfito deshidrogenasa (PTDH) de Pseudomonas stuzteri, formando el sistema catalítico PTDH-mFMO que permite regenerar in situ el cofactor. El Capítulo 1 se encuentra divido en dos secciones. En la primera, las tres BVMOs se emplean en procesos de oxidación sobre una serie de cetonas benzofusionadas en medios de reacción no convencionales disolución tampón-cosolvente orgánico. Se analiza el efecto de diferentes parámetros que influyen en la catálisis, como el pH, la temperatura y la concentración de cosolvente, así como la regioselectividad de los biocatalizadores para la obtención de diferentes lactonas. En la segunda sección, se describe la resolución cinética dinámica de una serie de (±)-2-alquil-1-indanonas catalizadas por la PAMOM446G en medio básico, generándose 3-alquil-3,4-dihidroisocumarinas con altos rendimientos y excesos enantioméricos. Se optimiza el proceso mediante el análisis del pH, la temperatura y el medio de reacción. Los resultados obtenidos en este capítulo han originado las siguientes publicaciones: ¿ ¿Enzymatic Baeyer-Villiger Oxidation of Benzo-Fused Ketones: Formation of Regiocomplementary Lactones¿ Rioz-Martínez, A.; de Gonzalo, G.; Torres Pazmiño, D. E.; Fraaije, M. W.; Gotor, V. Eur. J. Org. Chem. 2009, 2526-2532. ¿ ¿Synthesis of Chiral 3-Alkyl-3,4-Dihydroisocoumarins by Dynamic Kinetic Resolutions Catalyzed by a Baeyer-Villiger Monooxygenase¿ Rioz-Martínez, A.; de Gonzalo, G.; Torres Pazmiño, D. E.; Fraaije, M. W.; Gotor, V. J. Org. Chem. 2010, 75, 2073-2076. En el Capítulo 2 se desarrolla un sistema que permite la síntesis simultánea de compuestos enantioenriquecidos de una manera paralela. Así se minimiza la cantidad de reactivos empleados con respecto a las reacciones de síntesis individuales, maximizando la ¿economía redox¿ del proceso global. Este sistema bienzimático interconectado consiste en el acoplamiento de dos transformaciones asimétricas: la resolución cinética de una cetona y la resolución cinética de un alcohol racémico, catalizadas respectivamente por una BVMO y una ADH. De esta forma se lleva a cabo la preparación simultánea de compuestos enantioenriquecidos (cetona, éster y alcohol) empleando una mínima cantidad de cofactor, que cumple el papel de conector entre ambas reacciones. Se estudian los parámetros de reacción además de la eficiencia del cofactor en el sistema. Este trabajo ha dado lugar a las siguientes publicaciones: ¿ ¿Biocatalysed Concurrent Production of Enantioenriched Compounds through Parallel Interconnected Kinetic Asymmetric Transformations¿ Rioz-Martínez, A.; Bisogno, F. R.; Rodríguez, C.; Lavandera, I.; de Gonzalo, G.; Torres Pazmiño, D. E.; Fraaije, M. W.; Gotor, V. Org. Biomol. Chem. 2010, 8, 1431-1437. ¿ ¿Oxidoreductases Working Together: Concurrent Obtaining of Valuable Derivatives by Employing PIKAT Method¿ Bisogno, F. R.; Rioz-Martínez, A.; Rodríguez, C.; de Gonzalo, G.; Lavandera, I.; Torres Pazmiño, D. E.; Fraaije, M. W.; Gotor, V. ChemCatChem 2010, 2, 946-949. En el Capítulo 3 se describe la resolución cinética dinámica de varios ß-cetoésteres ¿-sustituidos catalizada por las tres BVMOs. Tras optimizar diversas variables que afectan a las propiedades de los biocatalizadores, es posible obtener los correspondientes ¿-hidroxiésteres acetilados con buenas conversiones y excelentes excesos enantioméricos. Posteriormente estos compuestos son hidrolizados selectivamente a los ¿-hidroxiésteres con buenos rendimientos. Los resultados aquí obtenidos se recogen en la siguiente publicación. ¿ ¿Dynamic Kinetic Resolution of ¿-Substituted ß-Ketoesters Catalyzed by Baeyer-Villiger Monooxygenases: Access to Enantiopure ¿-Hydroxy Esters¿ Rioz-Martínez, A.; Cuetos, A.; Rodríguez, C.; de Gonzalo, G.; Lavandera, I.; Fraaije, M. W.; Gotor, V. Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 8387-8390. En el Capítulo 4 se lleva a cabo la síntesis de una serie de heteroaril alquil, ciclohexil alquil y alquil alquil sulfóxidos quirales mediante sulfoxidaciones enantioselectivas catalizadas por la HAPMO, la PAMO y la PAMOM446G en medio acuoso. Se analizan diferentes condiciones de reacción con el fin de optimizar estos procesos, así como, los parámetros cinéticos en la oxidación de algunos sulfuros proquirales catalizada por la HAPMO. Este trabajo se encuentra recogido en la siguiente publicación: ¿ ¿Enzymatic Synthesis of Novel Chiral Sulfoxides Employing Baeyer-Villiger Monooxygenases¿ Rioz-Martínez, A.; de Gonzalo, G.; Torres Pazmiño, D. E.; Fraaije, M. W.; Gotor, V. Eur. J. Org. Chem. 2010, 6409-6416. Finalmente, en el Capítulo 5 se estudia por primera vez el potencial biocatalítico de una flavín-monooxigenasa autosuficiente (PTDH-mFMO) en N-oxidaciones sobre indoles y en procesos de sulfoxidación asimétrica. Se analiza la influencia de parámetros como el pH y la temperatura en las propiedades biocatalíticas de este enzima. Además, se estudia el efecto de la concentración de sustrato y la presencia de medios de reacción no convencionales. Los resultados obtenidos se exponen en la siguiente publicación. ¿ ¿Exploring the Biocatalytic Scope of a Bacterial Flavin-Containing Monooxygenase¿ Rioz-Martínez, A.; Kopacz, M.; de Gonzalo, G.; Torres Pazmiño, D. E.; Fraaije, M. W.; Gotor, V. Org. Biomol. Chem. 2011, 9, 1337-1341.