Procesos catalizadores de enzimas en la industria farmacéutica

Procesos catalizadores de enzimas en la industria farmacéutica.^[1]*

J. Peter Rasor, Edgar Voss

Traducción por Mónica Mata

1. Selectividad - La fuerza de la biocatálisis

La selectividad es un requisito esencial en química orgánica sintética [12], y no hay duda de que los enzimas como catalizadores altamente selectivos han contribuido en gran medida a afrontar este reto. La regioselectividad de enzimas incluso en moléculas complejas, sin ninguna necesidad de proteger a los grupos es una fuerza fundamental de biocatálisis. Esto reduce el número de pasos en la síntesis y por lo tanto reduce el tiempo de ocupación de reacciones químicas, que supone un factor importante de la economía del proceso en la producción farmacéutica y química. La alta estereoselectividad, antaño un dominio exclusivo de la biocatálisis, es hoy en día también alcanzable por la transición en catálisis con metales, principalmente en las hidrogenaciones enantioselectivas.

Una comparación de ambos enfoques se hace en la Sección 1.2.

1.1. Quimio y regioselectividad

Un buen ejemplo de quimio y regioselectividad combinada de una transformación enzimática es la acetilación de purina 1 (506U78) que está actualmente siendo desarrollada por Glaxo Welcome como un agente anti leucémico [13,14]. El uso de una lipasa inmovilizada de Candida antarctica, tipo B, y acetato de vinilo como acilo donante, una conversión de 99% a los 5 '-monoacetato 2 es obtenido, lo que hace el compuesto más soluble y por lo tanto, aumenta la biodisponibilidad. Curiosamente, presenta una aguda dependencia del solvente dando el dioxano los mejores resultados. Esta transformación es casi imposible de lograr por reacciones de acetilación química convencional debido a su conocida preferencia por N-acilación. La regioselectividad en este proceso es notablemente alta, menos de 0,1% de 3' -y acetato de metilo por debajo de 0,3% de 3,5'- diacetato se forma [15], (Fig. I).

Cuanto más alto se funcionalice una molécula, más difícil es lograr una alta selectividad. A este respecto, la síntesis de oligosacáridos siempre ha sido un caso difícil, debido a la alta densidad de grupos funcionales muy similares. Una síntesis selectiva sólo es posible por el uso extensivo de técnicas de protección. Por el contrario, las enzimas pueden hacer la síntesis directa posible, como puede verse a partir de la síntesis de una sialyl- Lewis' biblioteca-6 [16] a efectos de selección de Novartis [17].

Aunque las glicosiltransferasas son poderosos catalizadores para la síntesis selectiva de los oligosacáridos [18], hasta el momento de su aplicación general ha sido obstaculizado dado su disponibilidad comercial limitada (Fig. 2).

1.2. La estereoselectividad

Las enzimas han ganado más atención debido a su estereoselectividad. Especialmente en productos farmacéuticos la reciente tendencia a desarrollar drogas de único estereoisómero en lugar de racematos ha ayudado enormemente para establecer enzimas como herramientas en síntesis orgánica.

Casi imbatible en este contexto son las N-acilasas debido a su enantioselectividad perfecta y amplia tolerancia en el sustrato [19]. Por esta razón la  Acilasa I de riñón y Aspergillus Acilasa I (para acetil altamente lipofílico L-aminoácidos) se encuentran entre las pocas enzimas que son utilizadas en el laboratorio sintético de tamaño medio.

Esta tecnología se utiliza por ejemplo en Degussa-Hills para la producción de L-metionina [20,21]. A pesar de ser una vieja [19] pero poderosa técnica [22-24] para la resolución de N-acetil aminoácidos, ha sufrido recientemente una valiosa extensión usando D-aminoácidos acilasas recombinante [25].

Del mismo modo familiar para el químico orgánico son lipasas y esterasas que poseen enantioselectividad con una amplia gama de sustratos tales como ésteres, alcoholes, ésteres de ácidos carboxílicos y aminas incluso. Un proceso de Chirotech para la síntesis de los dos enantiómeros de DUPHOS ilustra el potencial de las lipasas.

Una mezcla sintética de 50% meso y 25% de los cada enantiómero de hexanodiol 7 se acila por la ayuda de una lipasa que es altamente selectivo para (R) –alcoholes configurados. Los cambios (2S, 4S)-isómero se separa por extracción con agua (98% ee, 88% de) y purificado por cristalización a partir de t-butil metileter. Desde la mezcla restante de (2R, 4R)-dibutyrate 8 y desimetrización (2R, 4S)-monobutyrate 9, este último es convertido a la (2R, 4R) isómero 10 por tratamiento con cloruro de mesilo y después acetato de potasio. La saponificación de ambos compuestos con hidróxido de potasio y la cristalización proporciona enantiopuro (2R, 4R) diol [26], (Fig. 3).

Los dioles puros obtenidos son enantioméricamente los materiales de partida quirales en la síntesis de la ligando metil-DUPHOS, el compuesto parental de la Familia DUPHOS. Estos ligandos están entre los mejores ligandos de fosfina para la hidrogenación enantioselectiva catalizada por rodio de aminoácidos deshidro.

Es algo irónico que un biocatalizador se usa para sintetizar un catalizador de rodio quiral, compita directamente con métodos biocatalíticos en la síntesis de los recursos naturales y aminoácidos no naturales. Esto conduce a una comparación fundamental de la eficacia de la catálisis con metales de transición frente a la biocatálisis. En caso de dos procesos bien conocidos por su extraordinaria eficacia, la hidrogenación de enamidas a aminoácidos y la hidrogenación de p-cetoésteres a los alcoholes correspondientes catalizada por rutenio, se logra enantioselectividad casi perfecta. El uso de material de partida proquiral, permitiendo así que las conversiones de hasta el 100%, es una ventaja sustancial de este concepto, la capacidad de producir los dos enantiómeros de un segundo. Aunque estos métodos se caracterizan por sus impresionantes resultados y frecuencias, el alto precio de los ligandos de fosfina, que suelen ser más caros que los metales nobles necesarios, se tiene muy en cuenta. Curiosamente los ligandos de fosfina tienen problemas con la sensibilidad de oxígeno y la estabilidad térmica, propiedades que normalmente se atribuyen a las enzimas. Otra desventaja de las mencionadas técnicas de hidrogenación es la exigencia de un grupo funcional adicional, un grupo acilo en el caso de rodio o un grupo éster en el caso de rutenio, para lograr alta enantioselectividad, mientras que las enzimas muestran una tolerancia al sustrato mucho mayor.

Chirotech ha combinado las virtudes de metal orgánico hidrogenación asimétrica y la biocatálisis en un elegante proceso para la fabricación de D- y L-aminoácidos [26]. En este contexto, las acilasas se utilizan para eliminar el grupo acetilo en condiciones suaves, así como para refinar la estereoselectividad del proceso global cuando la hidrogenación asimétrica no es totalmente selectiva (Fig. 4).

2. Prejuicios hacia el uso de enzimas

Durante la última década la perspectiva de los químicos orgánicos con respecto al uso de enzimas en la síntesis orgánica ha pasado de la franca ignorancia a una atenta aceptación de esta tecnología. Sin embargo, la mayoría de los químicos aún no han incluido la biocatálisis en su caja de herramientas asidua. Esto se debe en parte a algunos prejuicios hacia las enzimas que se derivan de los primeros días de la enzimología. En los siguientes capítulos queremos abordar cinco nociones comunes sobre enzimas y mostrar ejemplos de relevancia industrial que ya no se aplican.

2.1. Las enzimas actúan sobre su sustrato natural único

Si esta afirmación fuera cierta, no habría un artículo en biocatálisis. Un número de clases de enzimas, especialmente hidrolasas (esterasas, lipasas, proteasas, etc.), han demostrado aceptar una amplia gama de sustratos, a veces lejos de su función natural. Las lipasas, por ejemplo, no solo hidrolizan los triglicéridos en la naturaleza sino también catalizan reacciones tan diversas como la formación de éster a partir de cetonas y alcoholes [27], o amidas de ésteres y amoniaco [28].

En contraste, la especificidad de sustrato puede ser de hecho limitado con las enzimas diseñadas por la naturaleza para convertir pequeñas moléculas, por ejemplo, catalasa (peróxido de hidrógeno) o aspartasa (ácido fumárico). Lo mismo puede aplicarse a un número de enzimas de organismos superiores desarrollados pero la mayoría de las enzimas de los microorganismos tienden a aceptar una amplia gama de sustratos, como se demuestra en la anterior y en los siguientes capítulos. En este sentido, dos más ejemplos se presentan entre la plétora de posibles aplicaciones. El primer ejemplo es un proceso de Lonza para la Síntesis de (S)-2,2-dimetilciclopropano carboxamida 14 como una de las dos etapas de biotransformación de células enteras en un solo recipiente, actualmente en ejecución en una escala de 15 m3. Nitrilo 13, obtenido por síntesis química [29] y, ciertamente, un sustrato de la enzima exótico, se hidroliza a la amida racémica 14 por una cepa que contiene una nitrilo hidratasa altamente activa [30]. La hidrólisis del deseado isómero (R) se realiza con un Escherichia coli que sobreexpresan una amidasa de Comomonas acidovorans [3 L] por lo tanto, lo que permite una reducción de costes significativa en comparación con la cepa original, que es más sensible. El producido ácido (R)-2,2-dimetilciclopropano carboxílico se recicla por métodos químicos convencionales (1. SOCI2, 2. NH3) a racematos 14. El (S) carboxílico 14 (ee = 99%) es un bloque de construcción para la síntesis de la β-lactamasa inhibidor de la cilastatina (Fig. 5).

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