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Cuentas atómicas hechas por el hombre: manipulaciones con macrociclos



En un intento de explicar el término "molécula" a un niño, podemos decir que es un racimo de uvas, y las uvas son átomos separados. Exagerado, pero bastante comprensible. Cuando se trata de macrociclos, es más probable que una comparación con cuentas sea adecuada, porque tales moléculas consisten en anillos que consisten en átomos. La singularidad de tales estructuras radica en su forma, que determina sus propiedades. Si el formulario se puede controlar de manera controlada, las propiedades también se pueden cambiar. Los científicos de la Universidad de Montreal (Canadá) han desarrollado una nueva técnica que le permite obtener el control de los macrociclos a través de un proceso completamente natural llamado biocatálisis. ¿Cómo funciona exactamente la nueva técnica, qué resultados mostró durante las pruebas y qué futuro le espera a este descubrimiento? Buscaremos respuestas a preguntas en el informe de los científicos. Vamos.

Base de estudio


Los macrociclos son estructuras bastante únicas. Pueden actuar como ligandos, es decir ser moléculas que se unen a otros átomos a través de interacciones donante-aceptor. Este proceso significa la transferencia de carga entre un donante (en este caso, un macrociclo) y un aceptor (lado receptor, es decir, otra molécula o átomo) sin la formación de un enlace químico entre ellos.

El resultado de tal enlace se convierte con mayor frecuencia en un enlace donante-receptor de coordinación, donde los ligandos son donantes del par de electrones. Es importante tener en cuenta que durante esta transformación, las propiedades químicas de los participantes del enlace también experimentan cambios.

El marco cíclico de un macrociclo es capaz de imponer restricciones serias sobre la rotación de enlaces *, que pueden bloquear grupos funcionales u otros fragmentos moleculares en conformaciones * , que de lo contrario serían desfavorables para un análogo acíclico (es decir, para una estructura lineal en lugar de una estructura cíclica).
Rotación de enlaces * : rotación alrededor de la línea entre dos átomos unidos (eje de enlace), donde un extremo del enlace es estacionario y el otro gira.
La conformación * es la disposición espacial de los átomos en una molécula de una determinada configuración.
Se observa una situación similar con los ciclofanos quirales planos (en el plano) (exagerados, especulares), un subconjunto de macrociclos para los cuales la conformación o el tamaño limitan la rotación de la unidad aromática * en el marco.
La aromaticidad * es una propiedad de algunos compuestos químicos, debido a que el anillo conjugado de enlaces insaturados exhibe una estabilidad anormalmente alta.


Imagen No. 1

Según los científicos, las quiralidades planas en terpenos * de productos naturales, así como en péptidos macrocíclicos, ya están bien estudiadas ( 1A ).
Terpenos * : una clase de hidrocarburos con la composición C 5 H 8 n , son un producto de la polimerización de isopreno. Los terpenos en la naturaleza en grandes cantidades se encuentran en las coníferas.
Sin embargo, a pesar del amplio conocimiento, los métodos sintéticos utilizados para crear péptidos ciclofanos plantean una serie de problemas. La principal es la necesidad de formar un macrociclo rígido y, a menudo, intenso, manteniendo altos niveles de enantioselección * .
Enantioselection * : selección de un enantiómero específico * de un compuesto como producto de reacción.

Los enantiómeros son un par de isómeros espaciales que tienen la misma estructura, pero una posición espacial diferente (en este caso, espejo).
Por lo tanto, las técnicas de macrociclación atroposelectiva se pueden dividir en dos categorías principales ( 1B ).

El compuesto auxiliar más utilizado es la conformación del precursor acíclico a través de interacciones no covalentes. Menos utilizado es la catálisis * para la asimetría durante la formación de ciclofano.
Catálisis * : aceleración selectiva de una de las posibles direcciones de una reacción química debido a la acción del catalizador.
La biocatálisis considerada en este trabajo se utilizó anteriormente, sin embargo, en estudios anteriores, el método DKR (escisión cinética dinámica) era más complejo y consistía en pasos adicionales que precedían al resultado deseado. Este paso es la desacilación (eliminación de uno o más grupos acilo del compuesto) para obtener acceso al alcohol y la amina ( 1C ).

Si comparamos el método propuesto en este estudio con el método DKR, podemos identificar una serie de diferencias ( 1D ).

Primero, en DKR, la acilación es temporal, ya que generalmente se requiere alcohol o amina libre. Además, el agente de acilación se puede agregar en exceso para mejorar la velocidad de reacción y el producto resultante. En el proceso de macrociclación, la acilación es inherente al producto final, y la estequiometría (relación de masa) entre el alcohol y el agente de acilación es natural.

En segundo lugar, en ausencia de alcoholes secundarios, es necesario utilizar un proceso de racemización diferente. A pesar de las dificultades, los científicos creen que la variante biocatalítica DKR de producir ciclofanos quirales planos tiene un potencial significativo.

La conclusión es que las lipasas disponibles comercialmente (enzimas solubles en agua) tienen una excelente estabilidad térmica y una alta enantioselectividad, lo que las convierte en reactivos ideales para procesos de macrociclización a través de biocatálisis.

Los investigadores se propusieron la tarea de crear una técnica que permita el uso de bloques de construcción simples y asequibles en la síntesis de macrociclos plano-quirales.

Para llevar a cabo esta tarea, se decidió utilizar diácidos ordinarios (ácidos dibásicos) o diésteres (un compuesto orgánico que contiene dos grupos funcionales de éster) como conectores alifáticos (marcados con la letra A en la imagen 1D ).

La macrociclación de quimioenzimas también es posible mediante acilación secuencial usando lipasa en glicol aromático (alcohol dihidroxilado) (letra B en la imagen 1D ).

En contraste con el proceso DKR clásico, la racemización * del intermedio C ocurre mediante la rotación libre del anillo aromático.
La racemización * es la conversión de una sustancia con un enantiómero a una sustancia con más de un enantiómero.
A pesar de las muchas características positivas del método considerado por la macrociclación quimioenzimática, existen varios problemas. Uno de ellos es el hecho de que el cierre del anillo puede conducir a un macrociclo "sólido", y la enzima debe poder contribuir a dicho cierre del anillo.

Según los científicos, era posible aumentar la temperatura para estimular la macrociclación, pero esto podría conducir a la descomposición de la enzima o a un efecto perjudicial sobre la estabilidad conformacional del ciclofano.

Para facilitar la macrociclación, también se podrían usar diésteres A más largos , pero los sustituyentes aromáticos R1 deberían ser más voluminosos para limitar la rotación del puente ansa (del anse francés loop). Tamaño adjuntoR1 también es crítico porque deben afectar la selectividad de la enzima, pero no deben afectar negativamente la reactividad.

En los alcoholes secundarios DKR, CALB se utilizó previamente, es decir lapasa B hidrolasas Candida antarctica (hongo), que mostró excelentes resultados. Por lo tanto, se decidió usarlo en este estudio ( 2A ).


Imagen No. 2

Primero, se evaluó una molécula con un núcleo aromático no sustituido ( 1a en la imagen 2A ), después de lo cual se aisló el macrociclo aquiral deseado (girado en espejo) ( 3a ).

Después de determinar que CALB puede estimular la macrociclación, los científicos examinaron la ciclación posterior con la sustitución del núcleo aromático de OMe (metoxi) por grupos ( 1b ). En este caso, la producción fue solo del 10% de paraciclophan ( 3b ).

La espectroscopía de RMN conducida con señales de temperatura variable de protones de bencilo (resaltada en verde en 2A ) mostró la fusión de las señales a 50ºC.

La macrociclación utilizando sustituyentes bromo más grandes (diol 1c ) fue aún menos exitosa, probablemente debido a una colisión estérica desfavorable entre el bencil diol orto-sustituido y la parte activa de la enzima.

En vista de esto, se decidió rehacer el diol original incorporando un grupo metileno cerca del núcleo aromático ( 5 en la Figura 2B ). Con el diol expandido, fue posible obtener el paraciclofano deseado ( 6 en la Figura 2B ) con buen rendimiento y alta enantioselectividad.

La espectroscopía de señales de protones de bencilo de paraciclofano mostró la ausencia de fusión de señales incluso a 100ºC. Si la temperatura se redujo, entonces el rendimiento de paraciclofano disminuyó. Si se aumentó, entonces no hubo efecto positivo sobre el paraciclofano resultante.

A pesar de que CALB influyó favorablemente en la acilación de los centros quirales de carbono centrados en R, no quedó claro cómo las regiones activas de CALB se adaptarían al plano aromático proquiral del macrociclo resultante.

Para comprender mejor cómo funcionan los sitios activos de CALB con diferentes conformaciones del sustrato de ciclofano, se realizó el
procedimiento de acoplamiento molecular * ( 2C ).
El acoplamiento molecular * es un método de modelado molecular que permite predecir la orientación y conformación más favorables de una molécula (ligando) en el sitio de unión de otro (receptor) para obtener una estructura estable.
El producto principal (-) - 6 (marcado en verde a 2C ) está orientado por sus grupos carboxilo al residuo de serina catalítica cercano (Ser 105 ), y uno de los sustituyentes de bromo se dirige fuera del centro activo.

La traducción predicha (+) - 6 (marcada en amarillo a 2C ) es el resultado de una colisión entre el átomo de bromo y Leu 140 , que excluye la unión del átomo de bromo en la región hidrofóbica designada Leu 140 , Ala 141 y Leu 144 . Al acoplar el dibromodiol inicial (5), ingresa a la cavidad y su alcohol se distribuye en la dirección de la serina catalíticamente activa.

La síntesis biocatalítica del paraciclofano se puede reproducir fácilmente a escala de gramo, por lo que se decidió estudiar el volumen del sustrato teniendo en cuenta el tamaño del anillo.

Aunque se puede obtener dibromociclophan 6 usando diácido con un separador de 6-metileno [- (CH 2 ) 6 -], reducir el separador a cuatro o cinco unidades de metileno no aumentó significativamente la deformación del anillo. Como resultado de esto, se obtuvieron [12] y [13] paraciclofanos con alta enantioselectividad (imagen nº 3).


Imagen No. 3

Esta serie de macrociclos se puede obtener con átomos de cloro o yodo que reemplazan los sustituyentes de bromo. Cambiar el tamaño del sustituyente halógeno no tuvo un efecto significativo sobre el rendimiento y la pureza enantiológica de los [12] -, [13] - y [14] - paraciclofanos (10 → 12) obtenidos.

La expansión del puente ansa con un espaciador de metileno adicional permitió obtener suficiente [15] paraciclofano (9). Sin embargo, el producto resultante estaba en forma de una mezcla racémica, lo que indica que el anillo alifático más grande ya no inhibe la rotación del ciclofano plano.

El mayor tamaño del yodo hizo posible sintetizar enantio-enriquecido [15] -paraciclofano (17). Para averiguar si el sitio activo de la enzima puede transferir puentes ansi más funcionalizados, se prepararon dos puentes ansi funcionalizados con núcleos sustituidos con fenilo (18) y sustituidos con alquinilo (19) en su estructura, así como [14] -paraciclofano 20, que tiene un puente disulfuro. .

Varios dioles aromáticos funcionalizados también fueron bien tolerados durante la macrociclación. El macrociclo 21 basado en terfenilo puede formarse por macrociclación, así como p-anisoilo y m-anisoilo ciclofanos (22 y 23, respectivamente) sustituidos de manera similar con alta enantioselectividad. También fue posible sintetizar y [14] -paraciclofano 24 y 25, que tienen núcleos con sustituyentes fenilalquinilo o hexinilo.

Finalmente, se obtuvieron derivados simétricos C1 con alta enantioselectividad. El macrociclo 27 se aisló con un sustituyente de yoduro y una unidad alquinilo, mientras que el macrociclo 28 se aisló con un sustituyente de bromuro y un motivo hibridado Csp3 (bencilo).

Es de destacar que los macrociclos quirales planos que contienen halógeno pueden actuar como una plataforma para la síntesis de otros derivados utilizando métodos modernos de reticulación. Por ejemplo, el ciclofano 6 sustituido con bromosustituidos puede someterse a una combinación de Heck (reacción de Heck) para formar un macrociclo 30. Lo mismo, pero con un rendimiento menor (19%), puede lograrse mediante un método biocatalítico con alta selectividad.

Para conocer más detalladamente los matices del estudio, le recomiendo que consulte el informe de los científicos ymateriales adicionales a la misma.

Epílogo


Este estudio no se puede llamar fácil, porque estamos hablando de modelar estructuras moleculares. Este trabajo recuerda el trabajo de Hercule Poirot, cuando se presta especial atención a los detalles más pequeños, ya que tienen un gran impacto en la imagen general.

La biocatálisis, como método para obtener macrociclos quirales planos, se estudió por primera vez en este trabajo. Los métodos utilizados anteriormente eran mucho más caros en términos de recursos y tiempo, o utilizaban reactivos muy tóxicos. La biocatálisis, por otro lado, hizo posible el uso de más materiales disponibles, como la enzima CALB.

La biocatálisis es importante tanto para los químicos como para los médicos, ya que le permite dar nuevas funciones a los nuevos compuestos debido a la adición de estructuras adicionales.

Los autores del estudio planean mejorar su metodología, ya que los macrociclos tienen un gran potencial en medicina (como antibióticos y agentes anticancerígenos) e incluso en electrónica (por ejemplo, en tecnologías láser).

Gracias por su atención, sigan curiosos y tengan una buena semana laboral, muchachos. :)

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