Načrtovanje reakcijskih pogojev za doseganje visokih izkoristkov

Kot je splošno značilno za katerokoli vrsto procesa, tudi pri kemijskih procesih stremimo k čim višjim izkoristkom oziroma optimalnim pogojem iz ekonomskega in okoljskega vidika.

Pri procesu transaminacije obstaja več dejavnikov na katere se lahko osredotočimo in jih spreminjamo za izpopolnjevanje procesa. Lahko se osredotočimo na sam encim in ga bodisi optimiziramo z uporabo proteinskega inženiringa bodisi iščemo nove vrste encimov z izboljšanimi lastnostmi, lahko pa se osredotočimo na reakcijske pogoje. Pri slednjem je mišljena optimizacija reakcijskega okolja v smislu spreminjanja koncentracij substratov ali produktov, izbire donorjev aminske skupine, izbire konfiguracije reaktorja oziroma separatorja in tako naprej. Skratka, obravnavamo praktično vse, kar spada v domeno kemijskega procesnega inženirstva. ^[8]

6

Cilj magistrske naloge je uspešna separacija produktov transaminacije, kar je eden izmed načinov za izboljšanje produktivnosti oz. intenzifikacijo procesa.

Reakcije, ki jih katalizirajo ω-transaminaze, so reverzibilne. Izkoristek reverzibilne reakcije je odvisen od tega, kam je pomaknjeno ravnotežje. Pri sintezi kiralnih aminov je ravnotežje dostikrat pomaknjeno v smeri nastanka reaktantov, kar slabo vpliva na izkoristek reakcije. ^[8][10] Možnosti za premik ravnotežja v smer nastanka produktov so opisane v nadaljevanju.

2.1.2.1 Presežek amino donorja

Amino donor v reakciji nastopa kot reaktant, zato bo presežek reaktantov spodbudil nastanek produktov. Ta način je uporaben v primeru amino donorjev, ki nimajo inhibitornega učinka na encim. Poleg tega mora biti amino donor dovolj dobro topen v reakcijski zmesi, da ga je možno raztopiti za dosego visoke koncentracije, kar pa v vodnih okoljih ni vedno izvedljivo.

2.1.2.2 Odstranjevanje glavnega ali stranskega produkta

Ta način temelji na podobnem razmišljanju kot predhodni, le da gre tukaj za drug pristop. Nizka koncentracija produkta pomakne ravnotežje v smeri nastanka produkta.

Stranski produkti, ki so ketoni, imajo poleg vpliva na ravnotežje tudi vpliv na encim.

Ketoni inhibirajo transaminaze, zato je pomembno, da se jih odstranjuje. Načinov za odstranjevanje produktov je več, med njimi so fizikalni in kemijski načini.

Separacijske metode

Produkte lahko izločamo iz reakcijske mešanice s pomočjo različnih metod ekstrakcije ali izparevanja. Manjši ketoni so dobro hlapni in se jih lahko enostavno izpari z znižanjem tlaka. Kot amino donor je tako uporaben izopropilamin (IPA), ki se tekom reakcije pretvarja v hlapen aceton. Ta princip so uporabili tudi pri sintezi predhodno omenjenega sitagliptina. ^[11]

Ketoni in amini imajo različne polarnosti, zato jih lahko ločujemo z ekstrakcijo tekoče-tekoče ali trdno-tekoče-tekoče. Reakcijsko okolje je vodna faza, v kateri je topnost aminov višja od topnosti ketonov. Ketoni se učinkovito ekstrahirajo v organsko fazo, medtem ko amini ostajajo v vodni fazi. Za optimalno ekstrakcijo je potrebno zagotoviti maksimalno topnost ketonov in minimalno topnost aminov v organski fazi. Amini so relativno močne baze, ki lahko sprejmejo protone. Protonirana oblika aminov je zaradi svoje polarnosti slabše topna v organskem topilu kot neprotonirana oblika. Na topnost aminov lahko torej vplivamo s spreminjanjem pH, in sicer bo pri nižjem pH topnost

7

aminov v organski fazi slabša. Na topnost ketonov pH nima velikega vpliva, saj v splošnem ketoni niso dovzetni za sprejem protonov. Težave pri ločevanju z ekstrakcijo lahko nastanejo zaradi podobne topnosti topljencev v obeh fazah oziroma zaradi negativnega vpliva organske faze na encim. ^[12][13]

Uporaba amino donorjev, ki dajejo "pametne" stranske produkte

Kot donor aminske skupine se lahko izbere molekula, katere stranski produkt je nestabilen in razpade ali se pretvori v drugačno obliko ter tako ne nastopa v ravnotežju.

V ta namen se uporabljajo diamini, ki so relativno veliki in imajo aminski skupini na različnih koncih molekule. Po transaminaciji se ena aminska skupina pretvori v ketonsko, ki lahko reagira s preostalo aminsko skupino in nastane ciklični imin.

Primer takega amino donorja je lizin, katerega ketonska oblika se pretvori v 3,4,5,6-tetrahidropiridin-2-karboksilno kislino (slika 3). ^[15][16]

Slika 3 Shema deaminacije lizina in ciklizacije stranskega produkta transaminacije.

Poleg ciklizacije se za odstranjevanje ravnotežnih spojin lahko uporablja tudi keto-enolno tavtomerizacijo. Stranski produkt transaminacije je torej keton, ki se lahko pretvori v enolno obliko. Pri enostavnih ketonih močno prevladuje keto oblika, pri kompleksnejših pa je lahko enolna oblika stabilnejša in je torej primarno prisotna v reakcijski zmesi. ^[14]

Primer amino donorja, ki daje nestabilno tavtomerno obliko kot stranski produkt transaminacije je 3-aminocikloheksa-1,5-dien-karboksilna kislina. Stranski produkt se praktično v celoti pretvori v stabilnejšo tavtomerno obliko 3-hidroksibenzojsko kislino (slika 4). ^[17]

8

Slika 4 Shema deaminacije 3-aminocikloheksa-1,5-dien-karboksilne kisline in tavtomerizacije stranskega produkta transaminacije.

Z omenjenima načinoma ciklizacije oziroma tavtomerizacije stranskega produkta je možno doseči praktično popolno konverzijo substratov z izkoristki nad 98 %. ^[15][17]

Encimske kaskadne reakcije

V živih organizmih potekajo kompleksne encimsko katalizirane reakcije, ki vključujejo večje število encimov, substratov in produktov. Tudi v kemijskem procesu proizvodnje kiralnih aminov lahko poleg ω-transaminaz v sintezno pot dodamo še druge encime, s katerimi preprečimo potrebo po vmesnih izolacijah produktov in s tem izboljšamo produktivnost, skrajšamo reakcijski čas in zmanjšamo količino odpadkov ali strupenih stranskih produktov. Lahko se poslužujemo encimov, ki katalizirajo transformacijo stranskega produkta v neko drugačno molekulo, kar pomakne ravnotežje v smer nastanka produktov, ali pa uporabimo encime, ki stranski produkt transformirajo nazaj v amino donorsko molekulo, ki je ponovno uporabna kot substrat za transaminacijo.

Slednja možnost izboljša izkoristek reakcije zaradi vpliva na ravnotežje in hkrati z recikliranjem substrata zmanjšuje potrebo po uvajanju novega. Na področju proizvodnje kiralnih aminov so prikazali že veliko uspešnih kaskadnih reakcij, ki so jih najpogosteje katalizirale oksidoreduktaze, transferaze in liaze. [8][10][17]

2.1.3 Acetofenon (ACP) in metilbenzilamin (MBA) kot modelni molekuli procesa