圖1:西格列汀的化學與生物催化合成。
全文
安德烈斯R阿爾坎塔拉*
西班牙馬德裏康普魯滕斯馬德裏大學藥學院藥劑學化學係*通訊作者:Andrés R Alcántara,馬德裏康普魯滕斯大學藥學院藥理學化學係,廣場德拉蒙y卡哈爾,s/n。e - 28040馬德裏,西班牙,電話:00-34-913941820;電子郵件:andalcan@ucm.es
在化學合成中使用生物催化劑在綠色化學中變得非常重要;事實上,酶或細胞介導的合成路線一般在溫和的反應條件下進行,在環境溫度下,在很多情況下可以使用水作為反應介質。精細的酶促精密度(在化學選擇性、區域選擇性和立體選擇性方麵)避免了傳統有機合成中通常需要的官能團活化和保護/去保護步驟。此外,現代基因操縱技術正在創造更精確和更堅固的酶,用於工業過程中。因此,生物催化的過程更短,產生的廢物更少,降低了生產成本和環境影響。這些特征在藥物合成中更為重要;這是藥物化學中的一個關鍵領域,因為眾所周知,製藥工業無疑是最大的廢物產生者。因此,在本文中,我們將評論一些典型的生物催化方案,用於製備生物活性分子和/或藥物合成的手性構建塊,以說明在合成途徑中引入生物轉化的巨大優勢。
生物催化;生物轉化;藥物合成;綠色化學;酶的精度
生物轉化可以定義為使用天然生物催化劑-酶-轉化非天然人造有機化合物[1]。生物催化的定義就像在化學合成[2]中使用酶一樣簡單。這兩個術語都用來描述酶的應用,無論是作為孤立的製劑或以全細胞形式(既在其原生細胞中,也在備用宿主細胞中作為重組表達的蛋白質),在給定的合成計劃中,目的是利用其使用所固有的精湛的酶的精確度,在化學選擇性方麵(在其他官能團存在的情況下選擇轉化一個官能團),區域選擇性(一個區域異構體對另一個的形成)或立體選擇性(一個立體異構體對另一個的形成)[3]。在過去的幾十年裏,生物轉化的使用大幅增加,在包括製藥、精細化學品或食品在內的多個行業中,對經典化學合成進行了補充[4-18]。另一方麵,根據綠色化學和可持續發展的原則和指標,生物催化絕對是一種綠色和可持續的技術,正如Sheldon和Woodley[18]最近評論的那樣。為了支持這一肯定,這些作者指出了以下幾點考慮:
- 生物催化劑是由現成的可再生資源生產的
- 生物催化劑是可生物降解的
- 生物催化劑基本上是無毒無害的
- 生物催化劑可以替代基於金屬的有毒催化劑,從而避免了從最終產品中去除這些金屬痕跡的成本。
- 生物轉化通常在溫和的條件下進行(室溫和大氣壓力),通常在水中進行
- 由於前麵提到的酶的精確性,生物轉化繞過了官能團激活、保護和去保護步驟的需要。
因此,生物催化過程不僅比傳統有機合成更便宜,產生的廢物更少,而且更具有環境吸引力,更具有成本效益,因此更可持續。此外,分離酶的生物轉化可以在標準的多用途間歇反應器中進行,從而避免了對非常昂貴的特定設備的需要,如高壓設備[20,21]。最後但並非最不重要的是,由於酶的過程通常在近似相同的溫度和壓力條件下進行,多重轉化可以很容易地在級聯過程中耦合,因此形成了一種非常經濟和環保的方法[2,22-24]。
另一方麵,眾所周知,製藥工業是迄今為止最大的廢物產生者,根據計算觀察環境因素-廢物質量/產品質量,通常用kg/kg表示,用於評估原料藥[25]的生產過程對環境的影響,該值高於100,在臨床前階段可接近200,表明產生了大量的殘留物。因此,生物催化在製藥工業中越來越多地應用於藥物合成也就不足為奇了[2,12,16,26-41,42-44]。
然而,這種增長並不是線性的,在過去的二十年中是相當溫和的,當觀察到明顯的爆發[2]時,這種爆發是由生物催化劑通過定向進化的遺傳操作引起的[45-51],這被稱為“生物催化的第三波”[5]。事實上,盡管酶是非常活躍和選擇性的生物催化劑,在工業應用中,設計它們的一個非常常見的原因是增加它們在反應條件下的穩定性,因為生物催化過程中需要的酶可能與細胞中存在的酶有很大的不同,因此需要高溫、極端pH值、高底物和/或產物濃度、氧化劑和有機共溶劑。有時一種酶必須忍受這些條件隻有幾分鍾或幾個小時,但在一個連續的生產過程中,一種酶可能需要忍受它們幾個月。有許多方法可以提高生物催化劑的魯棒性,其中固定化可能是最傳統的研究和使用方法之一[52-58]。但是,如前所述,定向進化的實現,即使用新的分子生物學技術,結合選擇壓力,快速生成酶突變體通過[2]的篩選條件為製備新型生物催化劑做出了巨大貢獻,能夠在與“自然”條件非常不同的實驗條件下高效工作,在溫度、pH值、有機溶劑的存在等方麵,同時保持甚至提高了其精密的精度。無論如何,正如Truppo[2]所指出的,我們仍然隻是觸及潛在生物催化應用的表麵,因為下一階段(“4th當我們能夠提高(2-10倍)整個過程的速度時,生物催化劑將開始在一個無縫的工業化工作流中結合多個學科的設計-製造-測試周期中通過合理的定向進化進行工程。
為了說明這種“對速度的需求”,我們將舉例說明在藥物合成中使用生物催化劑的一些典型案例。
合成Sitagliptin
或許,最具代表性的例子是西格列汀工藝用於商業生產降糖藥Januvia®,來自默克公司,是首款上市的口服降糖藥,屬於格列汀家族[59]。西格列汀可單獨使用,也可與二甲雙胍或噻唑烷二酮(另一種口服降糖藥)聯合使用,用於治療2型糖尿病。西格列汀是美國和世界範圍內銷售最廣泛的二肽基肽酶-4 (DPP-4)抑製劑,2014年銷售額達63.58億美元,預計到2020年將增加到7525美元。西格列汀在2014年是僅次於甘精胰島素的第二大抗糖尿病產品,預計到2020年將成為主要產品[60,61]。
西格列汀的首次化學合成[62]涉及烯胺的不對稱氫化反應2從西格列汀中化學提取1在高壓下使用銠基手性催化劑(Rh [Josiphos])(圖1);然而,這個過程沒有足夠的立體選擇性(97% ee),最終產品被銠汙染,因此需要不同的額外純化步驟。Davies等人最近評述了其他一些化學合成方法[63]。
盡管如此,一種酶法已經大大提高了西格列汀的生產效率[64,65];事實上,利用Codexis通過合理設計開發的工程轉氨酶,獲得了一種對手性胺合成具有廣泛適用性的生物催化劑。因此,一種(R)選擇性轉氨酶(ATA-117,一種來自節細菌屬sp)作為陳述點,並對其進行了修飾,以適應非自然識別的大塊底物如prositagliptin1,初步通過ATA-117的結構同源模型進行合理設計,采用基質行走的方法與甲基酮的縮位模擬物1.因此,酶的大結合袋首先被改造,然後進化酶的活性1從而產生了一個包含12個突變的更好的變體。無論如何,由於這種工程酶還沒有實際用途,進一步的進化回合(第3輪到第11輪)集中於提高酶的活性和過程中的穩定性[66]。最後,在最優條件下,最佳菌株轉化成200 g/L的西格列汀酮1(圖1)到西格列汀3.在50% DMSO中使用6 g/L酶,產率92%,對映體過量高於99%。與化學工藝相比,生物催化工藝使西格列汀的總產量提高了10-13%,生產力提高了53%(每天公斤/升),總廢物減少了19%,消除了所有重金屬,並降低了總製造成本。此外,酶的反應是在多用途容器中進行的,因此不再需要專門的高壓加氫設備。該方法於2010年獲得美國環境保護署(EPA)頒發的總統綠色化學挑戰獎(綠色反應條件獎)(http://www)。Epa.gov/greenchemistry/pubs/pgcc/past.html),可在文獻[44,66-68,]中找到。自從這種利用轉氨酶生物催化合成西格列汀的創新方法以來,其他類似的例子已經被描述了[69,70]。
回到默克公司的過程,轉氨酶的定向進化花了一年的時間,隨後的酶轉氨酶需要向監管機構重新提交文件,因為在生物催化合成準備好實施[2]時,該產品已經在市場上。在這個特殊的例子中,一倍的速度應該足以滿足默克的需求,但是,如前所述,它將非常希望達到10倍的整體生物催化劑優化速度。
回到默克公司的過程,轉氨酶的定向進化花了一年的時間,隨後的酶轉氨酶需要向監管機構重新提交文件,因為在生物催化合成準備好實施[2]時,該產品已經在市場上。在這個特殊的例子中,一倍的速度應該足以滿足默克的需求,但是,如前所述,它將非常希望達到10倍的整體生物催化劑優化速度。
合成Montelukast
Montelukast7(圖2)是一種口服活性的選擇性白三烯受體拮抗劑,用於治療哮喘,最初由默克公司開發,名稱為Singulair®。合成路線[71,72]需要大量的溶劑(每年生產約20公噸)和(−)-β-氯二異二聚甲基硼烷[(−)-二氯丙烷],這是一種手性還原劑,具有毒性、腐蝕性和水敏性,如果允許其接觸皮膚會引起燒傷;此外,酮的化學還原5必須在- 20 ~ - 25°C下進行,以獲得最佳的立體選擇性,並且需要80個化學計量量的[(-)-二氯丙烷],這樣就可以消除該過程中的主要浪費來源和成本。
圖2:化學與生物催化合成孟魯司特。
還原起始酮的酶促替代品5是由Codexis和Arch Pharm Labs Limited的研究人員創建的,他們使用高通量篩選模擬實際工藝條件,通過定向進化開發了酮還原酶(KRED)[73]。在ProSAR的指導下,對每一輪中獲得的有益突變進行重組,並引入新的突變,目標是找到一種不比啟動kred更具立體選擇性(非常立體選擇性,導致ee>99.9%)的生物催化劑,而是有效地轉化像大體積酮一樣不同的底物5小異丙醇的活性高於最初的生物還原試驗(0.1-0.2 g/L酒精)624 h後,目標≥100 g/L≤24 h)[73]。最終酶的生產力提高了2000倍,穩定性也大大提高,從而允許多公斤工藝提供233公斤中間體6(97.2%收率,>99.9% ee),它不溶於反應介質,因此以一種非常有效的方式改變平衡,並避免任何進一步的再結晶的必要性。在輔助因子再生方麵,改造後的KRED也具有氧化能力iso丙醇(輔助底物)非常高效,不需要任何其他酶來實現這一目的,因此避免了耗時的另一種生物催化劑的進化。最近,一些中國公司對生物還原技術進行了一些改進[74,75],同時也對其他化學催化劑進行了測試[76]。
阿托伐他汀側鏈的合成
另一個代表性的例子是用於製備乙基(R)-4-氰基-3-羥基丁酸酯的多噸級Codexis方案(圖3,HN10),也被稱為“羥基腈”(HN),是阿托伐他汀側鏈的關鍵分子11和其他他汀類藥物:由於合成阿托伐他汀所需的氮總需求量很大(估計超過100公噸[77]),因此在降低其成本和保持或最好是提高其質量的同時,減少其製造過程中的廢物和危害是非常必要的。事實上,親核取代的乙基(S)-4-氯-3-羥基丁酸乙酯(S- chbe),9)與氰化物,經典的化學協議,產生大量的殘基(E>100),所以一個三酶兩步過程,如圖3所示,增加了純化學合成的質量和可持續性。
圖3:Codexis的三酶兩步法合成HN 10。
因此,第一步涉及生物催化還原8使用基因改良的酮還原酶(KRED)與修飾的nadp依賴的葡萄糖脫氫酶(GDH)結合進行輔助因子再生,導致9在96%分離收率和>99.5% ee。在第二步中,使用一種鹵代醇脫鹵酶(HHDH),這種酶能夠催化從鄰近鹵醇中去除鹵化物,導致環氧環的形成[78],也通過定向進化催化增強,被用於催化氰化物對氯的親核取代。該方案的效率和綠色(Codexis在2006年因此獲得了美國環境保護署總統綠色化學挑戰獎[79])是基於所有以前的生產路線接下來的作為最後一步,涉及到一個標準但麻煩的SN2在高溫(80ºC)的堿性溶液(pH=10)中,鹵化物被氰化物離子取代,在Codexis協議[40]中被取代。事實上,在SN中2氯取代,9而且10是堿敏感分子,觀察到大量的副產物形成,導致高E值[77]。此外,該產品為高沸點油,回收需采用麻煩的高真空分餾10,造成了進一步的產量損失和浪費,明顯違背了1聖和6th綠色化學原理[80]。因此,在中性pH值的溫和條件下,通過使用酶HHDH進行氰化反應,是提高整個過程綠色度的關鍵步驟。
在該方法中使用的酶,無論是野生型KRED還是GDH,以及HHDH,最初的活性都很低,因此在最初的實驗中,需要大量的酶載量才能獲得經濟上可行的反應速率,從而導致乳劑的麻煩,阻礙了後續的下遊加工;此外,盡管野生型酶確實具有高度的立體選擇性,但它們在操作條件下表現出嚴重的產物抑製和較差的穩定性[81],因此應該改進它們以實現實際的大規模工藝。因此,對三種酶進行了優化在體外根據預先確定的標準和工藝參數,使用基因重組技術進行酶進化,使氰化過程的每質量催化劑負載的體積生產率提高了約2500倍,其中反應時間減少了14倍,底物負載增加了7倍,酶的使用減少了25倍,分離收率提高了50%[77]。
許多其他的案例可以被評論來說明生物催化劑在藥物合成中的(工業)使用的巨大潛力,正如在越來越多的修訂發表的文獻中所涵蓋的,並在本手稿中先前提到過。這不是我的目的;我隻是想讓大家注意一下這個綠色而強大的工具,它是有機化學的補充,它能提高整個藥物合成過程的可持續性。最後,我想補充一下特魯普對生物催化未來的預言[2]:未來不僅是光明的,而且明亮的綠色.
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文章類型:研究文章
引用:Alcántara AR(2017)藥物合成中的生物轉化:一種綠色和強大的藥物化學工具。醫學化學與藥物雜誌1(1):dx.doi.org/10.16966/2578-9589.102
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