Analitinė studija:

Transkriptas

1 Molekulinė(bendroji) biotechnologija Specialioji biokatalizė -heterociklinių junginių (bio)sintezė iš atsinaujinančių anglies šaltinių Šiuo metu -heterocikliniai junginiai vis dar yra gaunami iš akmens anglies ir gaminami iš naftos bei dujų, chemiškai kondencuojant nesočius junginius. Šiuo metu - heterociklinių junginių gavimas yra pigus, tačiau pasibaigus angliai, naftai ir dujoms šių junginių kainos žymiai padidės. Anglies panaudojimas pasiekė savo viršūnę apie 1930-uosius, nafta ir dujos šiuo metu, atsinaujinantys šaltiniai apie 1900-uosius ir vis sparčiau kyla šiuo metu. Kaip matyti iš paveikslėlio anglies, naftos ir dujų istorinio panaudojimo, kiekvienas šių energijos šaltinių yra pakeičiamas. Artimoje ateityje išseks anglies, naftos ir dujų ištekliai, todėl reikalinga surasti technologijas gaminti -heterociklinius junginius iš atsinaujinančių anglies šaltinių. Ligninas 20% Karbohidratai 75% Baltymai, nukleorūgštys, lipidai, alkaloidai, terpenoidai 5% Gamtoje be iškasenų yra dar labai daug biomasės produkuojamų vertingų junginių: cukrų, hidroksi- ir amino rūgščių, lipidų, ir įvairių biopolimerų, tokių kaip celiuliozė, hemiceliuliozė, chitinas, krakmolas, ligninas, nukleorūgštys ir baltymai. Karbohidratai sudaro apie 75% visų šių junginių, t.y. apie 200 milijardų tonų kasmet. Tačiau tik nedidelė dalis apie 4% visų šių junginių yra panaudojama žmogaus, kita dalis natūraliai supūva ir degraduoja natūraliu būdu. Šie karbohidratai be tradicinio panaudojimo maistui, medienai, popieriui ir šilumai yra pagrindinis šaltinis iš kurio gali būti sintetinami organiniai junginiai alternatyva petrocheminiams šaltiniams (Lichtenhalter et al. 2004). Ši analitinė studija apžvelgia kai kurių atsinaujinančių anglies šaltinių panaudojimą cheminėje ir biologinėje -heterociklinių junginių sintezėje.

2 Piridino junginių gavimas Gyvuosiuose organizmuose yra sintetinamos kai kurios piridino mono- ir dikarboksilinės rūgštys. ikotino rūgštis įeinanti į nikotinamido dinukleotidus (AD) sudėtį yra sintetinama iš chinolino rūgšties. Tačiau tokia transformacija vykdoma daugelio reakcijų. ėra rasta organizmų, kurie verstų chinolino rūgštį nikotino, per vieną ar dvi stadijas, bet yra organizmai verčiantys chinolino rūgštį pikolino rūgštimi. Cheminiu būdu gauti nikotino rūgštį iš chinolino rūgšties nėra sunku, chinolino rūgštis aukštoje temperatūroje skyla į nikotino rūgštį. Chinolino rūgštis gyvuosiuose organizmuose yra sintetinama skirtingais keliais prokariotuose ir eukariotuose. Prokariotauose Aspartaminiu keliu, Eukariotuose (augaluose iš chorizmato, gyvūnuose iš triptofano) Kinureininiu keliu (Kumatov et al. 2003; Katon and oshimato 2004). 1 pav. Kinureininis kelias Gyvūnuose Augaluose C C 2 X pav. Aspartaminis kelias P 3 2 C 2 Augalai sintetina dihidrodipikolino rūgštį iš asparto ir piruvo rūgščių. Bet sekančių transformacijų metu redukuoja iki tetrahidro junginio ir atidaro žiedą ( Chemiškai dihidropiridininius junginius galima oksiduoti iki aromatinio piridino arba redukuoti iki piperidino. 1

3 2 pav. Dipikolino ir dipipekolino rūgščių gavimas iš augalų sintetinamų di- ir tetrahidrodipikolino rūgščių. C ksidacija edukcija Kiti piridininių rūgščių gavimo būdai yra iš įvairiai pakeistų benzeno darinių. Augalai sintetina kai kuriuos benzoinės rūgšties darinius, tokius kaip 2- ir 4-aminobenzoinę, 2- ir 4- hidroksibenzoinę 2-amino-3-hydroxybenzoinę rūgštis ( 2-Aminobenzoinė (antranilo) rūgštis susidaro ne tik augaluose biosintezės metu, bet ir bakterinės degradacijos metu degraduojant triptofanui (Jensen et al. 1995, Matthijs et al. 2004) ir 2-nitrobenzoinei rūgščiai. Antranilo rūgštis gali būti degraduojama iki trijų skirtingųjunginių: piroketecholio, 2,3-dihidroksibenzoinės ir 2,5-dihidroksibenzoinės (gentizatas) rūgščių (Lochmeyer et al. 1992), tačiau tik pirmieji du junginiai yra tinkami karboksipiridininių rūgščių sintezei. Pirokatecholiui fermentiškai oksidavus susidaro cis-cismukonatas, kurį vėliau tektų redukuoti iki pusiau aldehido ir tik tuomet galima naudoti sintezei. Kitu keliu 2-aminobenzoinė rūgštis degraduoja susidarant 2-aminofenoliui, kuris katalizuojant dioksigenazei formuoja 2-amino-cis-cis-mukainės rūgšties pusiau aldehidą (e et al, 2000; Takenaka 2002) 3 pav. Antraninalo degradacijos schemos. ortho- kelias meta- kelias C 2

4 4-Amino benzoinė rūgštis susidaranti augaluose susidaro ir bakterijose reaguojant chorizmo rūgščiai ir L-gliutaminui. Grybuose (Tsuji et al. 1986) ir bakterijose degraduojama iki 4-aminofenolio katalizuojant hidroksilazei. Vėliau deamininama susidarant hidrochinonui ir 1,2,4- trihidroksibenzenui. Bakterijose 4-amino benzoinė rūgštis gali degraduoti ir 3,4- dihidroksibenzoinei (protokatechoinei) rūgščiai. Pastarosios degradacija vyksta ortho- ar meta- žiedo skilimo kryptimi (Takenaka et al. 2003). Degraduojant ortho- keliu susidaro ciscis-mukoinė rūgštis, o meta- keliu 2-hidroksimukoninės rūgšties 6-pusiau aldehidas. 4 pav. 4-idroksi ir 4-karboksianilinų degradacija. C C 2-idroksibenzoinė (salicilo) rūgštis augaluose (Mur et al. 2003) ir bakterijose (Sato etal. 2003) hidroksilazės poveikyje degraduoja į pirokatecholį, kuris kaip aukščiau minėta degraduoja ortho- ir meta- kaliais. 5 pav. Salicilo rūgšties degradacija. ortho- kelias meta- kelias 4-idroksibezoinė rūgštis degraduoja trimis skirtingais keliais. Pirmi du vyksta susidarant bendram produktui protokatechoinei rūgščiai, bet toliau keliai išsiskiria. Pirmu susidaro mažai vertingas 3-karboksi-cis-cis-mukonatas. Panaudojimas piridinų sintezei yra apribotas. Antruoju keliu susidaro 2-hidroksimukonato pusiau aldehidas. Trečiuoju keliu susidaro maleilpiruvatas, kurį galbūt galima panaudoti 4-hidroksidipikolino rūgščiai sintetinti (Crawford 1976). 4-idroksibenzoinė rūgštis gali būti gaunama fenolį fermentiškai karboksilinant, 4-oje padėtyje. Pats fenolis gali būti gaunamas anaerobiškai degraduojant tirozinui (Strand). Fenoliui aerobinėmis salygomis degraduojant susidaro dihidroksibenzenai. 3

5 6 pav. 4-idroksibenzoinės rūgšties degradacija. C Ligniną oksidavus permanganatu susidaro įvairios aromatinės rūgštys. edaug susidaro ir α-keto-aromatinių rūgščių, kurios sekančiame etape yra oksiduojamos peroksidu (Javor et al. 2003). Vienas iš oksidacijos produktų yra 4-metoksibenzoinė būgštis, kurioje metoksigrupė gali būti pakeičiama hidroksi. 4,5-dioksigenazėspoveikyje susidaro 2-hidroksi- 4-karboksi-cis-cis-mukonato pusiau aldehidas. Iš šio junginio galima sintetinti piridin-2,5- dikarboksilinę (liutidino) rūgštį ar 2-piranon-4,6-dikarboninę rūgštį (Shimoni et al. 2002), kuri chemiškai gali būti paversta 6-hidroksipiridin-2,4-dikarboksiline rūgštimi. Yra bakterijų galinčių skaidyti ir kitus lignino oksidacijos produktus. Vienas iš degradacijos produktų yra 3,4-dihidroksibenzoinė rūgštis, kurią skaido 3,4-dioksigenazė (Eggeling et al. 1980). 7 pav. Lignino oksidacijos produktų degradacija. Ligninas 4

6 8 pav. 3,4-Dihidroksibenzoinės rūgšties degradacija. C Bakterijos dalyvaujančios nitro aromatinių junginių degradacijoje, nitro junginius redukuoja į hidroksilamino, kurie mutazių ir/ar liazių poveikyje verčiami aminofenoliniais junginiais. Taip iš 4-hidroksilaminobenzoinės rūgšties susidaro 4-amino-3-hidroksibenzoinė rūgštis (aneau et al. 2003). Ši oksiduojama į 2-amino-karboksimukono 6-pusiau aldehidą, kuris puikiai tinka liutidino rūgšties sintezei (rii et al. 2004, Tanekana et al. 2002). Degraduojant 4-nitrotoluolui susidaro 6-amino-m-krezolis, kuris po oksidacijos sudaro aminomukonato pusiau aldehidą, jį dehidratavus susidaro 5-metilpikolino rūgštis (Spiess et al. 1998). 9 pav. 4-itrobenzoinių darinių degradacija. 2 C 2 C m-ksileno degradacijos tyrimai parodė, kad susidaro 3-oje padėtyje pakeistas katecholis. Katecholo 2,3-dioksigenazės poveikyje susidaro junginys tinkamas 6-metilpikolino rūgšties sintezei (Lindstrom et al. 2003). Degraduojant 3- ir 4-alkilfenoliams susidaro bendras katecholis, kurio oksidacijos produktas taip pat tinka 6-alkilpikolino rūgšties sintezei (Jeoung et al. 2003). 5

7 10 pav. meta- ir para- pakeistų benzeno darinių degradacija. C 2-Aminofenolis puikiai tinka pikolino rūgščiai sintetinti, nes degradacijos metu susidaro 2-aminomukonato 6-pusiau aldehidas (Takenaka et al. 2002, rii et al. 2004). Dergraduojant anilinui ir anilino dariniams, pakeistiems 4-oje padėtyje C 3,, Cl, S 3 grupėmis, susidaro katecholiniai junginiai. Kurie metabolizuojami ortho- ir meta- keliais (Takenaka et al. 2003). Susidarantys junginiai gali būti panaudoti pakeistų piridininių rūgščių sintezei. adikalas gali būti ne tik o-oje padėtyje ir degraduojamas junginys ne tik 2-aminofenolinis, bet ir katecholinis (e et al. 2000). 11 pav. ortho- amino- ir hidroksi-pakeistų benzeno darinių degradacija. C C Dėka to, kad gamtoje egzistuoja mažai specifiniai fermentai, atsiranda platesnis jų pritaikymas. Taip pavyzdžiui iš difenilacetileno yra gaminamas 6-fenilacetineno pikolino rūgštis (Spain et al. 2003). Yra sukurta technologija cinomono rūgšties gamybai iš fenilalanino. Fermentiškai galima iš cinamono rūgšties gauti p-koumarino rūgštį ir iš tirozino tiesiogiai, ir vėliau kavos rūgštį. Iš tirozino galima gauti p-hidroksifenilacetonitrilą ( kurį galėtų oksiduoti nespecifinė monoksigenazė, susidarant katecholiui. 6

8 12 pav. Aromatinių amino rūgščių metabolizmas į alkilnesočius benzeno junginius. ksiduojant pastarąją nespecifine 2,3-katecholio dioksigenaze ir vėliau veikaint amoniaku galima gauti alkilnesočias piridino rūgštis. 13 pav. Alkilkatecholio oksidacija 2,3-dioksigenaze. C Visais aukščiau aptartais aromatinių junginių biodegradacijos būdais susidaro nesotūs mukoninės rūgšties ar analogų aldehidai, ketonai ar rūgštys. Iš visų šių junginių galima sintetinti piridinkarboksilines rūgštis. Sunkiausia sintezė yra susijusi su rūgštimis, nes jos praktiškai nedalyvauja nukleofilinėje reakcijoje su amino grupe, todėl jos turi būti aktyvuotos. 2-oje padėtyje esanti hidroksi grupė (mukoninės rūgšties pusiau aldehide) turi būti pakeista į amino, tam kad vyktų reakcija ir susidarytų piridino žiedas. Žemiau yra pateikta bendra piridinkarboksilinių rūgščių sintezė iš pakeistų mukoninės rūgšties 6-pusiau aldehidų. 14 pav. Bendra piridinkarboksilinių junginių sintezė iš mukoninės rūgšties 6-pusiau aldehido darinių. 2 u u = = C 3 = Alkil = u = u = 7

9 Kitas piridinkarboksilinių rūgščių gavimo būdas yra iš metilpiridinių junginių bakterinės transformacijos būdu. Bakterijos gali oksiduoti mono- ir dimetilpiridinų metilo grupę iki hidroksimetilo grupių, o vėliau ir susidarant piridininėms rūgštims. (Kaiser et al. 1996; Dobgilevič 1990). tilpiridinus galima oksiduoti iki piridininių rūgščių ir chemiškai. Tačiau didžiausia problema yra metilpiridinų gavyba. 15 pav. Pikolinų aerobinė degradacija. C 3 Augaluose yra sintetinamos -metil- nikotino ir pikolino rūgštys. Egzistuoja cheminės -metilintų piridinų modifikacijos kurių metu gaunami hidroksi- ir metilpiridinai. Pritaikius šias chemines modifikacijas gamtoje sutinkamoms -metilpiridinkarboksilinėms rūgštims, galima būtų gauti hidroksi- ir metilpiridinkarboksilines ir dikarboksilines rūgštis (iš metil darinių). 16 pav. -metilpiridino oksidacija ir persigrupavimas Augalai ir kai kurios bakterijos sporose sintetina pimelo rūgšties darinius. Yra surastos bakterijos, kurios sporose kaupia dipikolino rūgštį. Ištyrus šias bakterijas paaiškėjo, kad yra fermentinė sistema produkuojanti dipikolino rūgštį iš α,ε-diketopimelo rūgšties (Doi et al. 1960). Vykdant ne oksidaciją, redukciją galima gauti dipipekolino rūgštį. 17 pav. Dipikolino ir dipipekolino rūgščių sintezė iš α,ε-diketopimelo rūgšties. ksidazė 3 edukcija Piridoksino vitamino B 6 struktūra yra labai tinkama piridinopolikarbiksilinių rūgščių sintezei, tačiau šio junginio biosintezė yra labai menka. Tačiau tai, kad piridoksinas yra sintetinamas iš gliukozės atveria naujas teorines šio junginio sintezės ir panaudojimo galimybes. Gliukozė per kelias stadijas verčiama D-ribuliozės 5-fosfatu kuris dalyvauja 8

10 reakcijoje su aminu (ateinančiu iš gliutamino) ir sekančių reakcijų metu susidaro 2 - hidroksipiridoksinas (Kondo et al. 2004). Chemiškai piridoksinanalogus galima sintetinti iš maleino rūgšties (gaunamo biosintezės būdu) ir oksazolo (gaunamo iš amino rūgščių) (Dumond et al. 2003). 18 pav. Biocheminio ir cheminio piridoksalio sintezė schemos. P 4 2 P Et + Et Et Et Et (- 2 ) 2 (-1) 2 1 (- 2 ) 2 ūgštinėje terpėje termiškai dehidratuojant (pentozę) ksilozę ir (heksozę) fruktozę nesunkiai gaunamas furfuralis ir 5-hydroksimetilfurfuralis. Furfuraliams reaguojant su aminais ir vėliau oksiduojant susidaro 3-hidroksi- ir 3-hidroksi-6-hidroksimetilpiridinas atitinkamai (Lichtenthalen et al. 2004). Tokiu pačiu principu galima sintetinti ir hidroksipiridino rūgštis. 19 pav. Piridino junginių sintezė iš furano junginių. 2 + =, + 9

11 Pipekolino junginių gavimas Piperidinas yra šešianaris ciklinis, optiškai aktyvus aminas. Būdas sintetinti piperidino junginius iš diketopimelo rūgšties aprašytas aukščiau. Kiti būdai yra iš 2-alikfurano, 5-alkilgama-butiro laktonų ir laktamų (gaunamų iš cukrų), 1,4-dikarboksilinių ir amino rūgščių (Kadouri-Puchot et al. 2005). 20 pav. Pipekolino junginių gavimas iš 5-alkil-gama-butiro laktonų ir laktamų. 3 ms 3 boc trimetilsilildiazometanas 2 boc boc 21 pav. Pipekolino junginių gavimas iš 2-alkilfurano. 3 TBDS ts TBDS 22 pax. Pipekolino rūgšties darinių gavimas iš amino rūgščių. 2 3 steps boc boc 10

12 2 2 Bn 2 TBDS Bn 2 TBDS boc 23 pav. Pipekolino rūgšties darinių gavimas iš 1,4-dikarboksilinių rūgščių. boc + t-bu boc t-bu boc t-bu boc t-bu 2 + boc boc boc ts TBDS t-bu PhF PhF t-bu PhF t-bu PhF t-bu Kai kurie polihidroksipipekolino jundiniai (cukrų analogai) pasižymi biologiniu aktyvumu. Tokius junginius paprasčiausia yra sintetinti iš cukrų, juos modifikuojant. Tačiau tokia sintezė yra daugiapakopė ir sudėtinga (Dhavale). 11

13 24 pav. Polihidroksipipekolino (amino cukrų) sintezė iš cukrų. 12

14 13

15 2005). Kitas būdas sintetinti cukrų analogus yra naudojant trifenilfosfiną (Ph 3 P) (Lombardo 25 pav. Polihidroksipipekolino (amino cukrų) sintezė iš cukrų, naudojant (Ph 3 P). Bn Bn Bn Bn Bn 3 Bn Bn ab 4 Bn Bn 79% IPr 2, BuLi AcEt Bn 98% 90% Bn Bn Decc-Martin 92% Bn Bn Bn 3 Bn Bn TBDPSCl TBAF 84% Bn Bn Bn Bn 3 Bn TBDPS Bn 87% PPh 3,DIAD (Ph) 2 P() 3 Bn TBDPS Bn Bn 3 CEt Lindtar, 2 Bn CEt PPh 3, DIAD Bn CEt Bn Bn 72% Bn Bn 75% Bn Bn Bn Bn Bn 65% C 3 P()() 2, BuLi Bn 3 P() 2 Lindtar, 2 Bn 2 P() 2 PPh 3, DIAD Bn P() 2 Bn Bn 94% 77% Bn Bn Bn Bn Bn Bn Bn Pirolo junginių gavimas Pirolai gali būti gaunami iš karbohidratų kaitinant su amoniaku ar amonio druskomis, tačiau kol kas tokia sintezė nėra efektyvi (išeiga apie 40%), todėl reikaligas technologijs vystymas. Lactose 26 pav. Pirolo sintezė iš laktozės. 3 3 / Porfirino žiedo susidarymas, reaguojant pirolui su aldehidu, yra klasikinė organinės chemijos reakcija, žinoma othenmund o vardu. Tokios stuktūros, taip pat ir linijiniai kondensuoti polimerai tūri platų panaudojimą. 14

16 27 pav. othenmund o reakcija porfirino sintezė. + Iš karbohidratų gaunamas 5-hidroksimetilfurfuralis taipogi gali būti naudojamas 2,5- pakeistiems pirolo junginiams gaminti. Sintezė vyksta per kelias stadijas: fotooksidacinis pirolo žiedo atidarymas ir sočių 2,5-diketonų ciklizacija su amoniaku ar aminais. 28 pav. 2,5-Alkilpirolo sintezė iš 5-hidroksimetilfurfuralio. 1. ab 4 2. Ac 2 or BnBr 2 TiCl 3 = Ac, Bn ' =, Alkyl, Ph ' Pirolai su hidrofiline tetrahidroksibutiliniu pakaitu gali būti gaunami vykdant tik vieną reakciją gliukozę kaitinant su acetilacetonu ir amonio karbonatu dimetilsulfokside, išeiga 47%. Tetrahidoksilinė grandinė gali būti sutrumpinta arba ciklizuota į furanoidinį žiedą. 29 pav. Pirolo junginių gavimas iš fruktozės ir acetilacetono. D-Fructose ( 4 ) 2 C 3 / DMS Pirazolo junginių gavimas Yra greitas metodas kaip per keturias reakcijas iš D-ksilozės, D-gliukozės ir izomaltuliozės susintetinti 1-fenil-pirazol-3-karbaldehidą su hidroksimetil, dihidroksietil ir gliukoziloksimetil pakaitais 5-oje padėtyje, atitinkamai. Tokios sintezės išeiga svyruoja nuo 55 iki 60%. 15

17 30 pav. Pirazolo sintezė iš mono- ir disacharidų. D-Xylose D-Glucose Isomaltulose 4 steps Ph = = C 2 - = C 2 - Kaip parodyta su D-ksiloze, reakcija su fenilhidrazinu vyksta beveik ekvivalentiškai (išeiga 91%), acetilinimo ir ciklinimo vienu metu išeiga 79%, -acetilfenilhidrazono pašalinimas formaldehidu acto rūgštyje vyksta su 81% išeiga. Susidaręs hidroksimetil-pirazolaldehidas gali būti lengvai paverstas kitais universaliais pirazolo dariniais, kurie naudojami farmacijoje ir poliamidų ir poliesterių gamyboje. 31 pav. Pirazolo sintezė monosacharidų. D-Xylose Ph Ph Ph Ac 2 / Ac AcPh Ph C 2 / + Ph Ph KMn 4 BaMn 4 Ph Ph ab 3, i/ 3, i/ Ph Ph 2 32 pav. Piridazino sintezė iš 2,5-alkilfurano. 1. ab 4 2. Ac 2 or BnBr >80% Di- ir triazo junginių gavimas Dehidrinant gliukozę ir fruktozę yra gaunamas 5-hidroksimetil-2-furfuralis, kuris yra tinkamas ne tik azo, bet ir sulfo ir diazo junginių sintezei. Sintezė vyksta ne iš furfuralio, bet iš aciklinės, sočios okso rūgšties. 33 pav. 2-kso-5-metil- sulfo, azo ir diazo junginių sintezė iš 4-oksopentano rūgšties. 16

18 3 / 2 /i D-Fructose D-Glucose PS 5 S Iš monosacharidų nesunkiai galima gauti imidazolus jiems reagujant su formamidinu ar hidrazinu ir po to vieną anglies atomą teikiančiu junginiu. Tokių reakcijų produktai yra imidazolai su 4-oje pozicijoje esančiu hidrofiliniu hidroksimetilo ar tetrahidroksibutilo pakaitu, kuris gali būti sutrumpintas iki pageidaujamo ilgio. 34 pav. Imidazolo sintezė iš monosacharidų. D-Fructose 60% A 2 2 B 38% 59% C A: C 2, aq. 3, CuC 3 /Cu() 2, 2 h,100 o C B: C() *Ac/liq. 3, 15 h, 75 o C C: 2 4 /C() *Ac/aq. Ac, 3 B 3, 3 h D-Glucose D-Fructose X 3 C A 51% B 49% A: 3, 40 o C, 15 bar B: ( 4 ) 2 C 3, 65 o C Esant tokioms pat sąlygoms galima sintetinti iš pentozių ar disacharidų, kaip parodyta su D-ksiloze ir izomaltulioze su priimtina išeiga (Lichtenthaler et al. 2004). 35 pav. 5-Pakeistų pirazolų sintezė iš mono- ir di- sacharidų. D-Xylose Isomaltulose 49% B 65% C Fermentiškai oksidavus gliukozę ar fruktozę iki okso- cukrų ar cukrų rūgščių ir po to reaguojant su hidrazinais gaunami 1,2-diazo penkianariai ir šešianariai junginiai. 36 pav. 1,2-Diazo junginių sintezė iš monosacharidų oksidacijos produktų ir hidrazinų. 17

19 D-Fructose D-Glucose Fermentation >80% 2 90% 2 50% 2 Piranozės-2-oksidaei oksidavus gliukozę ar fruktozę gaunamas 2-okso-cukrus, kuris lengvai raruoja su nesočiais aminais sudarydamas 1,4-diazo-aromatinius junginius (Stottmeister et al. 2005). 37 pav. 1,4-Diazo-aromatinių junginių sintezė iš 2-okso-aldehido. D-Fructose D-Glucose 22 2 Pyranose-2-oxidase 2 2 / 2 /Cu 62% % C C 11% C C Gliukozę oksidavus dehidrogenaze ar oksidaze iki gliukaro rūšties ir po to dehidrogenaze iki 2-oksogliukaro rūgšties, gaunamas tinkamas junginys -heterociklų sintezei. Toksia okso rūgštis yra kiek mažiau aktyvi nei atitinkamas aldehidas, bet vis tiek pakankamai lengvai reaguoja su hidrazinais. Fermentinės reakcijos vyksta beveik ekvimoliariškai, todėl galutinių junginių išeigos priklauso nuo sekančių reakcijų (Brust 2001, app 2002). 18

20 38 pav. Triazo junginių sintezė iš 2-oksogliukaro rūgšties. GD or GD GAD 2 - X = S 92% X S 89% 1. I X = X =, 58% % X = S, 52% 52% S (GD gliukozės dehidrogenazė, GD gliukozės oksidazė, gliukaro rūgšties dehidrogenazė) ksazolo ir tiazolo junginių gavimas ksazolo ir tiazolo junginių sintezės vienas iš būdų buvo apžvelgtas ankstesniame skyriuje. Kitas šių junginių sintezė būdas yra iš amino rūgščių (alternatyvaus būdo sintetinti iš karbohidratų nėra). Tokios sintezės produktai turi papildomą okso grupę, kuria vėliau galima redukuoti iki hidroksi ir pašalinti susidarant aromatiniai sistemai (Lin et al. 2004). 39 pav. ksazolo sintezė iš amino rūgščių ir acto rūgšties anhidrido. + Serino ir cisteino hidroksi, merkapto ir amino grupių išsidėstymas yra patogus oksazolo ir tiazolo sintezei. Tačiau tokios sintezės produktai turi pakaitą tik 5-oje pozicijoje (šalia azoto) ir yra sotūs (Souza et al. 2005). 19

21 40 pav. Tetrahidro- oksazolo ir tiazolo sintezė amino rūgščių. a) b) a) SCl 2, b) K 2 C 3, Triphosgene, 2 /Toluene S S boc Tiazolo junginiai gali būti sintetinami ne tik iš cisteino, bet ir iš serino ir alkil pakaitus turinčių amino rūgščių. Tokios sintezės produktai turi pakaitus 2-oje ir 5-oje pozicijoje, ir susidarę dihidro junginiai su apie 90% išeiga gali būti oksiduoti ir sudaryti konjuguotą sistemą (Brust 2001, app 2002). 41 pav. Tiazolų sintezė iš amino rūgščių. Et % Et Et 84% TBDMS 3 84% Et S 6 5 Et 90% 64% S 1) 2,2-Dimethylacetoacetilic acid DMAP, DCC, C 2 Cl 2, 0 o C 2) TBDMSCl, imidazole, DMAP, C 2 Cl 2 3) Lawesson reagent, Ph 4) TBAF, TF 5) Burges-PEG, Dioxano-TF, 85 o C 6) Mn 2, C 2 Cl 2 Et S 4 94% Et S TBDMS 20

22 S Et S 1,2 70% Et S 3,4 50% 1) BnCl, Et 3, Et 2) 2,2-Dimetilacetoacetilic acid, DCC, BT, C 2 Cl 2, 0 o C 3) a- 3, -78 o C 4) TiCl 4, C 2 Cl 2 5) Mn 2, C 2 Cl 2 S 5 60% S Boc 4 1,2 Boc Et S 3 2 thod (a) 30-65% Boc 5,6,7 S Boc 8 thod (b) 40-50% S Boc 84-88% 9 Boc 1,10 S Boc 11,12 thod (c) 35-44% S Boc = C 3 ; (C 3 )C; C 3 C 2 (C 3 )C; PhC 2 1) EtCCl-Et 3, -78 o C; 4, -30 o C 2) Et 3 *PF 6, C 2 Cl 2 3) Cisteinmethylase, Et 4) Setinmethylase, Bt, DCC 5) TBSCl, imidazole, DMF 6) Lewisson reagent, Ph, 80 o C 7) TBAF, TF 8) Burgess reagent, TF, 65 o C 9) Mn 2, C 2 Cl 2 10) Lewisson reagent, DME 11) KC 3, DME, BrC 2 CCEt 12) Trifluoracetic acid, pyridine, DME, 0 o C 21

23 Glikozilintų -heterociklinių junginių gaviams -heterociklų su hidrofiline glikozės liekana sintezė vykdoma iš disacharidų, kurių vienas yra reakcijose nedalyvaujanti gliukozė, o kitas aktyvus (dažnai) fruktozė. Tokiai sintezei tinkamas disacharidas yra izomaltuliozė. eakcijose dalyvauja aktyvuota fruktozės liekana ar fruktozė dehidratuota iki furfuralio. eakcijos mechanizmai ir susidarantys produktai yra tokie patys kaip ir reaguojant aktyvuotai fruktozei ir furfuraliui (Brust 2001, app 2002). 42 pav. Glikozilintų -heterociklinių junginių sintezė iš izomaltuliozės. 2 ( 4 ) 2 C 3 50% =,, Ph Ph Ph a 2 /Cl / 2 60% 50% a 2 /Cl / 2 85% Cl Cl / 2 80% Cl Cl 76% 2 2 /

24 Kaip minėta anksčiau sintetinti galima ir iš glikozil--5-hidroksimetilfuralio. 43 pav. Glikozilintų -heterociklinių junginių sintezė iš furfuralio. Ph / 2 85% ab 4 2 / 93% 2 /C 2 Cl 2 95% 70% >50% Ph X X = S, Br 2 / 2 = (70%) = Ac (97%) bn Ph 2 50% Ac Ac Ac Ac Ph 85% BnBr/K 60% 2 4 bn bn bn bn mcpba 90% bn bn bn bn bn bn % =, Bn Fruktozės liekaną galima aktyvuoti ne tik fenilhidrazinu, ar ją pilnai dehidratavus iki furfuralio, bet ir dalinai iki 2,4-diokso-3-heksen-1,6-diolio.Tokios reakcijos produktas yra aktyvus nesotus diketonas. Visų sintezių greitis ir išeigos yra nulemtos tuo, kad tokio nesotaus diketono reakcijos pusiausvyra yra pastumta į ciklinio okso pireno sussidarymo pusę. 23

25 44 pav. Glikozilintų -heterociklinių junginių sintezė iš glikozilinto 2,4-diokso-3- heksen-1,6-diolio. Ph 2 70% 2 4 / 2 58% Ph Ph Ph Policiklinių aromatinių junginių gavimas Bicikliniai aromatiniai -heterocikliniai junginiai gali būti sintetinami ne tik iš aktyvuotų cukrų formų (okso-cukrų ar furfuralio) bet ir iš aminobenzeno darinių. Iš 2- aminobenzoinės rūgšties chemiškai yra sintatinamas chinolinas ir chinazolinas. Chinolinas chemiškai yra sintetinamas iš anilino (ar jo darinių) ir lengvai ir dideliais kiekiais gaunamo iš atsinaujinančių energijos šaltinio glicerolio ( 24

26 45 pav. Biciklinių aromatinių -heterociklinių junginių sintezė iš aminobenzeno darinių. ' + ' + ' ' + Grybams skaibant 2-hidroksi-1,4-benzoksazin-3-oninius darinius susidaro 2- aminofenolis, iš kurio vėliau (jo gavimas aptartas aukščiau) grybai sintetina kuestiomycino (2-amino-3-fenoksazin-3-onas) darinius. Pastarieji yra aktinomicino analogai ir pasižymi antibiotiniu poveikiu (Zikmundova et al. 2002). 46 pav. Fenoksazinonų sintezė iš 2-aminofenolio. Acetilinimas tilinimas (Taškinėmis rodyklėmis parodytos galimos cheminės modifikacijos. Kaip minėta anksčiau poliaromatinius junginius galima sintetinti ir esamų aromatinių junginių, kondensuojant juos su kitais aromatiniais junginiais ar vykdant aktyvios grupės prijungimą ir po to sekantį ciklinimą. 25

27 Išvados: Šioje analitinėje studijoje yra apžvelgtas gerai žinomų augalų ir mikroorganizmų metabolitų ir oksidacijos produktų panaudojimas cheminėje -heterociklinių junginių sintezėje. Dauguma apžvelgtų metabolitų teikia daug vilčių būti panaudoti chemijoje. Šie junginiai turi platų panaudojimą industrinėje, farmacinėje ir polimerų chemijos srityse. Daugumos šių junginių panaudojimo sritys ir savybės dar nėra pilnai ištirtos, mažo prieinamumo ir dėl didelės išgavimo kainos. Todėl būtinas biotechnologijų vystymas, plėtojimas ir reakcijų sąlygų optimizavimas, kad šių junginių išeiginis kiekis būtų maksimaliai didelis ir išgavimo kaina būtų maksimaliai maža. Transgeninių organizmų sukonstravimas leistų žymiai efektyviau panaudoti pirminius metabolitus bei padidintų galutinio metabolito išeiginį kiekį. Tačiau tam dar reikia surasti tinkamesnias biologines sistemas, plačiau ištirti organinių junginių metabolizmus jose, nustatyti metabolizmo fermentus ir genus. 26

28 Literatūros sąrašas: Takenaka S., kugava S., Kadowaki M., Murakami S., Aoki K. (2003) The metabolic pathway of 4-aminophenol in Burkholderia sp strain AK-5 different from that of aniline and aniline with C-4 substituent. App. and Env. Microbiol., Vol. 69, o. 9, p Crawford. L. (1976) Pathways of 4-hydroxybenzoate degradation among species of Bacillus. J. of Bacteriol., Vol. 127, o. 1. p Spain J. C., ishino S. F., Witholt B., Tan L.-S., Duetz W. A. (2003) Production of 6- phenylacetylene picolinic acid from diphenylacetylene by a toluene-degrading Acinetobacter strain. App. of Env. Microbiol., Vol. 69, o. 7, p Souza M. V.., Ferreira S. B., ndonca J. S., Costa M., ebello F.. (2005) todos de obtencao e aplicacoes sinteticas de tiazois, uma importance classe de composto heterociclicos. Quim. ova, Vol. 28, o. 1, p e Z., Spain J. C. (2000) ections involving in the lower pathway of degradation of 4- nitrotoluene by Mycobacterium strain L 4-T-1. App. and Env. Microbiol. Vol. 66, o. 7, p rii C., Takenaka S., Murakami S. Aoki K. (2004) A novel coupled enzyme assay reveals an enzyme responsible for the deaminationof a chemicaly unstable intermediate in the metabolic pathway of 4-amino-3-hydroxybenzoic acid in Bordetella sp. strain 10d. Eur. J. Biochem. Vol. 271, p Shimoni E., Baasov T., avid U., Shoham Y. (2002) The trans-anethole degradation pathways in an Arthrobacter sp. J. of Biol. Chem. Vol. 277, o. 14, p Jeong J. J., Kim J.., wang I., Lee K. (2003) 3- and 4-alkylphenol degradation pathways in Pseudomonas sp. strain KL28: genetic organization of the lap gene cluster and substrate specificities of phenol hydroxylase and catechol 2,3-dioxygenase. Microbiol. Vol. 149, p Takenaka S., Asami T., rii C., Murakami S., Aoki K. (2002) A novel meta-cleavage dioxygenase that cleaves a carboxyl-group-substituent 2-aminophenol. Purification and characterization of 4-amino-hydroxybenzoate 2,3-dioxygenase from Bordetella sp. strain 10d. Eur. J. Biochem. Vol. 269, p Zikmundova M., Drandarov K., esse M., Werner C (2002) ydroxylated 2-amino-3phenoxazin-3-one derivatives as products of 2-hydroxy-1,4-benzoxazin-3-one (BA). Biotransformation by Chetosphaeria sp., and endophytic fungus from Aphelandra tetragona. Vol. 57c, p

29 Strand S. Anaerobic degradation of aromatic compounds. ing cleavage without oxygen. Lochmeyer C., Koch J., Fuchs G. (1992) Anaerobic degradation of 2-aminobenzoic acid (anthranilic acid) via benzoyl-coenzyme A (CoA) and cyclohex-1-enecarboxyl-coa in a dinitrifying bacterium. J. of Bacteriol. Vol. 174, o. 11, p Dumond Y.., Gum A. G. (2003) Silane reduction of 5-hydroxy-6-methyl-pyridine- 3,4-dicarboxylic acid diethyl ester: synthesis of vitamin B 6. Molecules Vol. 8, p Lichtenthaler F. W., Peters S. (2004) Carbohydrates as green raw materials for the chemical industry. C.. Chimie Vol. 7, p Pollard G. (2005) Catalysis in renewable feedstocks. B Solutions Project o: Dhavale D. D. Carbohydrates in the synthesis of biologically active compounds. Dep. of Chem. Univer. of Pune. Pune Doi.., alvorson. (1960) chanism of dipicolinic acid stimulation of the soluble reduced diphosphopyridine nucleotide oxidase of spores. Dep. of Bacteriol., Univ.of Wisconsin, Madison, Wisconsin app S. (2002) Disaccharide als ausgangsverbindungen fur ungesattigte - und - heterocyclen mit industriellem anwendungsprofil. Dissertation. Lombardo M. (2005) uovi precorsori di organometalli allilici eterofunzionalizzati e loro applicazioni nella sintesi stereocontrollata di legami carbonio-carbonio. Dipart. di Chim., Univ. degli Studi di Bologne, via Selmi 2, 40126, Bologna adeau L. J., e Z., Spain J. C. (2003) Bacterial conversion of hydroxylamino aromatic compounds by both lyase and mutase enzymes involves intramolecular transfer of hydroxyl groups. App. and Env. Microbiol. Vol. 69, o. 5, p Jensen J. B., Egsgaard., nckelen., Jochimsen B.U. (1995) Catabolism of indole-3- acetic acid and 4- and 5-chloroindole-3-acetic acid in Bradyrhizobium japonicum. J. of Bacteriol. Vol. 177, o. 20, p Lindstrom K., Jussila M. M., intsa., Kaksonen A., Mokelke L., Makelainen K., Pitkajarvi J., Souminen L. (2003) Potential of the Galega hizobium galegae system for bioremediation of oil-contaminated soil. Food Technol. Biotechnol. Vol. 41, o. 1, p Brust A. (2001) eaktionskanale von zuckern zu hydrophilen -heterocyclen des imidazol-, chinoxalin-, pyridazin-, benzodiazepin- und benzothiazepin-typs. Dissertation. 28

30 Spiess T., Desiere F., Fischer P., Spain J. C., Knackmuss.-J., Lenke. (1998) A new 4-nitrotoluene degradation pathways in a Mycobacterium strain. App. and Env. Microbiol. Vol. 64, o. 2, p Tsuji., gawa T., Bando., Sasaoka K. (1986) Purification and properties of 4- aminobenzoate hydroxylase, a new monooxygenase from Agaricus bisporus. The J. of Biol. Chem. Vol. 261, o. 28, p Kadouri-Puchot C. K., Comesse (2005) ecent advances in asymmetric synthesis of pipecolinic acid and derivatives. Amino Acids Vol. 29, p Matthijs S., Baysse C., Koedam., Tehrani K. A., Verheyden L., Budzikiewicz., Schafer M., oorelbeke B., yer J.-M., Greve., Cornelis P. (2004) The Pseudomonas siderophore quinolobactin is synthesized from xantheruic acid, an intermediate if the kynurenine pathway. Mol. Microbiol. Vol. 52, o. 2, p Lin C.-C., Pan Y., Patkar L.., Lin.-M., Tzou D.-L. M., Subramanian T., Lin C.-C. (2004) Versatile approach for the synthesis of novel seven-membered iminocyclitols via ringclosing metathesis dihydroxylation reaction. Bioorg. and d. Chem. Vol. 12, p Kondo., akamura Y., Dong Y.-X., ikawa J., Sueda S. (2004) Biochem J. Vol. 379, p Mur L. A. J., Santosa I. E., Laarhoven L.-J. J., arren F., Smith A.. (2003) A new partner in the Danse macabre the role of nitric oxide in the hypersensitive response. Bulg. J. Plant Physiol. P Sato., Kudo S., hnishi K., Mizuguchi M., Goto E., Suzuki K. (2001) ucleotide sequence analysis of 5 -flanking region of salicilate hydrohylase gene, and identification of a Lys-type regulator, Sal. Eur. J. Biochem. Vol. 268, p Stottmeister U., Aurich A., Wilde., Andesch J., Schmidt S., Sicker D. (2005) White biotechnology for green chemistry: fermentative 2-oxocarboxylic acids as novel buiding blocks for subsequent chemical synthesis. J. Ind. Microbiol. and Biotech. Vol. 32, p Eggeling L., Sahm. (1980) Degradation of coniferyl alcohol and other lignin-related aromatic compounds by ocardia sp. DSM Archives of Microbiol. Vol. 126, o. 2, p e Z., Spain J. C. (2000) ne-step production of picolinic acid from 2-aminophenols catalyzed by 2-aminophenol 1,6-dioxygenase. J. of Ind. Microbiol. and Biotech. Vol. 25, o. 1, p