Síntesis y reactividad de compuestos fluorados empleando biocatalizadores

Resumen

Esta Tesis Doctoral se incluye dentro del campo de la Biocatálisis, una disciplina que apuesta por el uso de biocatalizadores en transformaciones de síntesis orgánica. En los últimos años, el uso de enzimas como catalizadores ha sido reconocido como una solución real a muchos de los retos que afronta la síntesis química, permitiendo el diseño y desarrollo de transformaciones químicas análogas a las reacciones orgánicas convencionales de un modo altamente eficiente, selectivo y sostenible. El contenido de esta Tesis Doctoral se ha estructurado en una introducción general, seguida de cuatro capítulos en los cuales se muestra el potencial de distintos biocatalizadores aplicados a la síntesis de compuestos orgánicos fluorados de interés, especialmente cuando es necesaria la obtención de dichos compuestos en forma ópticamente activa. En la Introducción se presentan de manera resumida los principios de la Química Verde y los conceptos generales de la Biocatálisis, mostrando los diferentes tipos de enzimas existentes y haciendo especial hincapié en los biocatalizadores empleados en este trabajo, las alcohol deshidrogenasas (ADHs) y las transaminasas (TAs). Asimismo, se describen los principales procesos asimétricos catalizados por los enzimas y que serán utilizados a lo largo de esta Tesis Doctoral. Por último, debido a la especial reactividad que presentan los compuestos fluorados con enzimas dependientes de piridoxal 5’-fosfato (PLP) y de dinucleótido de nicotinamina adenina (fosfato) [NAD(P)], se destaca la importancia del flúor en química médica, así como el concepto de promiscuidad catalítica, detallándose diversos ejemplos de interés. En el Capítulo 1 se ha descrito la promiscuidad catalítica que muestran diferentes TAs en presencia de compuestos fluorados, en particular de β-fluoroaminas. De este modo, empleando las transaminasas de Chromobacterium violaceum y Arthrobacter sp., de estereopreferencia contraria, se ha llevado a cabo la resolución cinética de una serie de β-fluoroaminas racémicas a través de un proceso simultáneo de hidrodesfluoración y desaminación. De este modo, se han obtenido los correspondientes derivados carbonílicos junto con las β-fluoroaminas remanentes enantiopuras. Esta transformación conlleva un proceso de inhibición enzimática, y se ha propuesto un mecanismo que diera cuenta tanto de la deshalogenación como de dicha acción inhibitoria. En el Capítulo 2 se ha aprovechado la promiscuidad catalítica manifestada por las transaminasas en el capítulo anterior para desarrollar una metodología de hidrodesfluoración de α-fluorocetonas en medio acuoso y en condiciones suaves de reacción. Para tal fin, se ha empleado la TA de Chromobacterium violaceum, en presencia de una cantidad estequiométrica de 2-propilamina o de alanina, obteniendo únicamente acetona o ácido pirúvico, amoniaco y fluoruro de hidrógeno como subproductos. De nuevo se ha propuesto un mecanismo que explicara la formación de los productos obtenidos. En el Capítulo 3 se han sintetizado una serie de 2,2-difluoro-1-(hetero)ariletan-1-aminas primarias y secundarias en forma ópticamente activa, mediante el empleo de transaminasas o aminasas reductivas (RedAms). Por un lado, se ha descrito la reactividad de las TAs en presencia de α,α-difluorocetonas, puesto que en este caso se observa la formación de las correspondientes aminas enantioenriquecidas en lugar de los correspondientes compuestos carbonílicos deshalogenados. Además, puesto que esta metodología se encuentra favorecida termodinámicamente, se han llevado a cabo dichas biotransformaciones empleando un pequeño exceso del donador de amina. Por otro lado, cuando se emplean RedAms en presencia de la 2,2-difluoroacetofenona y distintos donadores de amina, se ha observado una nueva actividad inesperada al obtenerse mezclas de la correspondiente β,β-difluoroamina y del β,β-difluoroalcohol, ambos en forma enantiopura. Finalmente, en el Capítulo 4 se ha empleado una ADH proveniente de la levadura Pichia glucozyma (KRED1-Pglu) para la biorreducción de cetonas fluoradas en posición α, obteniendo una serie de fluorohidrinas, mono-, di-, o trihalogenadas en la posición β de manera estereoselectiva. Asimismo, ha sido posible la utilización de la ADH tanto en forma de preparación de células enteras liofilizadas sobreexpresando este enzima de manera heteróloga como en su forma purificada, mostrando este biocatalizador una gran versatilidad a la hora de llevar a cabo reducciones selectivas de este tipo de compuestos carbonílicos proquirales. Algunos de estos resultados han sido publicados o enviados para su publicación en los siguientes artículos de investigación: • “Catalytic promiscuity of transaminases: Preparation of enantioenriched β-fluoroamines by formal tandem hydrodefluorination/deamination”. A. Cuetos, M. García-Ramos, E.-M. Fischereder, A. Díaz-Rodríguez, G. Grogan, V. Gotor, W. Kroutil, I. Lavandera, Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 3144-3147. • “Asymmetric synthesis of primary and secondary β-fluoro-arylamines using reductive aminases from fungi”. D. González-Martínez, A. Cuetos, M. Sharma, M. García-Ramos, I. Lavandera, V. Gotor-Fernández, G. Grogan, ChemCatChem 2020, 12, 2421-2425. • “The reactivity of α-fluoroketones with PLP dependent enzymes: Transaminases as Hydrodefluorinases”. M. García-Ramos, A. Cuetos, W. Kroutil, G. Grogan, I. Lavandera, ChemCatChem 2021, 13, 3967-3972. • “Transaminases as suitable catalysts for the synthesis of enantiopure β,β-difluoroamines”. M. García-Ramos, I. Lavandera, enviado para su publicación.