Biotransformacje użyteczne w przemyśle na przykładzie związków fosforoorganicznych

Murchison, meteoryt znaleziony po spadku w stanie Wiktoria w południowej Australii słynie z odkrycia w nim 18 aminokwasów białkowych pozaziemskiego pochodzenia, ponadto odkryto w nim obecność pochodnych kwasu fosfonowego. Na podstawie tego odkrycia istnieje hipoteza, że na ziemi zanim pojawiły się związki zawierające wiązanie tlen-fosfor istniały związki zawierające kowalencyjne wiązanie węgiel-fosfor (fosfoniany)[1]. Związki fosfonowe stanowią liczną grupę substancji. Przykładami mogą być fosfomycyna – antybiotyk o działaniu bakteriobójczym występujący pod handlową nazwą Monural[2], fosfinotricyna – antybiotyk, analog strukturalny glutaminanu wykazujący aktywność antybakteryjną i herbicydową[3], glifosat – składnik niektórych herbicydów, który hamuje wydzielanie bardzo ważnego dla roślin enzymu związanego z biosyntezą fenyloalaniny, tyrozyny i tryptofanu. Glifosat wszedł na rynek jako składnik herbicydu Roundup       i stosowany jest w postaci soli amonowej lub izopropyloamoniowej.

Wiele fosfonianów dzięki swojej budowie jest związkami farmakologicznie aktywnymi tak jak wymienione wyżej antybiotyki działające w opraciu o inhibicję enzymów. Fosfoniany mogą posiadać na dwa centra stereogeniczne, na atomie fosforu oraz na połączonym z nim atomie węgla      i występować w postaci enancjomerów. Reakcje zachodzące w warunkach fizjologicznych w ogranizmie żywym są stereospecyficzne, jeśli lek, lub miejsce (region) z którym się wiąże ma właściwości przestrzenne.   W rezultacie tego jeden z enancjomerów może mieć właściwości lecznicze, a drugi może wykazywać właściwości toksyczne lub nie reagować w określony sposób. Prostymi przykładami mogą być  penicylina V, antybiotyk izolowany z pleśni Penicillium, mający konfigurację 2S, 5R, 6R. Jej enancjomer, jest poznawiony aktywności biologicznej. (S)-ibuprofen jest środkiem przeciwbólowym i przeciwzapalnym, podczas gdy enancjomer R jest nieaktywny.[4]Talidomid, lek o działaniu przeciwwymiotnym oraz przeciwbólowym stosowany w latach 60.

otrzymywany był jako mieszanina racemiczna. Udowodniono, że tylko enancjomer o konfiguracji R ma działanie lecznicze podczas gdy drugi jest silnym mutagenem działającym na DNA płodu.

W produkcji leków i związków mających zastosowanie farmakologiczne ogromną przewagę nad reakcjami syntezy asymetrycznej mają biotransformacje. – reakcje chemiczne zachodzące z udziałem enzymów, w których następuje modyfikacja określonego fragmentu substratu. Reakcje takie posiadają wysoką stereo-, regio-, oraz chemospecyficzność co pozwala na uzyskanie tylko jednego enancjomeru z mieszaniny racemicznej substratu.[5] Do biotransformacji wykorzystuje się mikroorganizmy takie jak grzyby czy bakterie.

W ostatnich latach próbuje się zminimalizować koszta produkcji leków zastępując niektóre etapy produkcji mikrobiologicznymi fermentacjami (przemysłowa produkcja witaminy C).[6]

Związki fosfonowe są  biodegradowalne przez bakterie, które wykorzystują je jako źródło węgla i fosforu. Pierwszym zidentyfikowanym enzymem była fosfonaza wyizolowana z B. Cereus zdolna do degradacji 2-AEP na drodze dwóch następujących po sobie reakcji:

Istnieje szereg innych enzymów, które udało się uzyskać. Hydrolaza fosfonooctanowa wyizolowana z Pseudomonas fluorescens, hydrolaza fosfonopirogronianowa wyizolowana z Burkholderia cepacia. C-P liazy obecne na przykład u E. coli są zdolne do bezpośredniego cięcia wiązania węgiel-fosfor dając nieorganiczny fosforan oraz odpowiedni węglowodór. Aktywność enzymatyczna tych ostatnich jest obecna tylko w warunkach fizjologicznych i jak dotąd nie została potwierdzona w ekstraktach komórkowych[7]

Bardzo interesującymi związkami należącymi do fosfonianów są hydroksyfosfoniany – analogi strukturalne hydroksykwasów. Do tej grupy również należą hydroksyfosfonopeptydy będące lekami na nadciśnienie  oraz leki przeciwwirusowe jak na przykład Cidofovir stosowany w leczeniu ospy. Znanych jest kilka metod syntezy optycznie czystych hydroksyfosfonianów:

1. Addycja fosfo-aldolowa prowadzona poprzez addycję fosforynów trialkilowych do związków zawierających grupę karbonylową w obecności katalizatorów protonodonorowych

(reakcja Abramova) lub poprzez reakcję fosforynów dialkilowych ze związkami karbonylowymi w obceności katalizatora zasadowego (reakcja Pudovika).

Substratem w addycji może być chiralny fosforyn (posiadający stereogeniczny atom fosforu)           lub fosforyn otrzymywany z chiralnych alkoholi, amino-alkoholi i amin.

2. Drugą, jedną z najprostszych metod otrzymywania hydroksyfosfonianów jest redukcja ketofosfonianów. Przeprowadza się ją używając chiralnych sustratów lub katalizatorów. Przeprowadzano reakcję redukcji chiralnych (S)-β-ketofosfonianów do                                            (2R,3S)-β-hydroksyfosfonianów. Najlepsze rezultaty otrzymywano gdy katalizatorem był ketecholoboran.

3. Trzecią metodą jest utlenianie wiązania podwójnego lub karboanionu stosując chiralne katalizatory. W przypadku dihydroksylacji stosuje się handlowo dostępne AD-mix-α lub β.

4. Dihydroksyfosfoniany lub aminohydroksyfosfoniany można otrzymać również na drodze utleniania wiązania podwójnego do epoksydów, które następnie są przekształcane w środowisku zasadowym. Produkty z bardzo wysokim nadmiarem diastereoizomerycznym otrzymuje się przeprowadzając reakcję w środowisku jak na poniższym schemacie. Tym sposobem otrzymano między innymi naturalny herbicyd – fosfinotriksynę.

Metodą zastępującą wyżej wymienione reakcje asymetryczne jest biokataliza. Jest ona użyteczna ze względu na wysoką aktywność katalityczną, ogromny wybór katalizatora oraz wysoką selektywność.

Stosować można kilka metod biokatalitycznej syntezy hydroksyfosfonianów takich jak enancjoselektywna hydroliza acylofosfonianów z użyciem enzymów i mikroorganizmów, rozdział mieszaniny racemicznej hydroksyfosfonianów za pomocą estryfikacji, bioredukcję ketofosfonianów czy hydrolityczne otwarcie pierścienia oksiranowego w podstawionych                                            1,2-epoksyetanofosfonianach. Ze względu, że metoda pierwsza jest najczęściej stosowana, tylko ona zostanie tu przedstawiona.

5. Stosując enzymatyczną hydrolizę z użyciem lipazy z Aspergillus niger (AP6) i Rihopus oryzae (F-AP15) otrzymano α-hydroksyfosfoniany na drodze rozdziału kinetycznego                         α-acylofosfonianów. Reakcję prowadzono w układzie dwufazowym heksan/eter t-butylometylowy, bufor fosforanowy pH=7.0 ze względu na mechanizm działania enzymów. W przypadku hydrolizy lipazą AP6 otrzymuje się zazwyczaj mieszanię (S)-α-hydroksyfosfinanu oraz                                  (R)-α-acyloksyfosfonianu. Izomery odwrotne otrzymano w przypadku, gdy R’= -CH₂Ph, R”= -Et,           R”’= -Me, -CH₂Cl.

Wiele zespołów badawczych otrzymuje hydroksyfosfoniany na drodze biotransformacji i cały czas trwają próby zwiększania enancjoselektywności jak i skuteczności katalizy enzymatycznej poprzez modyfikację środowiska reakcji jak i samych preparatów enzymatycznych. ³

Prowadzenie reakcji z udziałem z mikroorganizmów jest użyteczną metodą w przypadku związków fosforoorganicznych pozwalającą w prosty sposób otrzymać produkt o pożądanej konfiguracji absulutnej i względnie dużej czystości. Biotransformacje coraz częściej zastępują syntezę asymetryczną ze względu na wysoką aktywność katalityczną i ogromny wybór formy katalizatora.³