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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.75.2018.tde-25042018-143806
Document
Author
Full name
Willian Garcia Birolli
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Carlos, 2018
Supervisor
Committee
Porto, André Luiz Meleiro (President)
Canduri, Fernanda
Carrilho, Emanuel
Rodrigues Filho, Edson
Rodrigues, Jose Augusto Rosario
Title in Portuguese
Reações aldólicas em biocatálise: o emprego de lipases como catalisadores e a aplicação do meio reacional de miniemulsão
Keywords in Portuguese
catálise assimétrica
catálise proteica inespecífica
promiscuidade enzimática
Abstract in Portuguese

As reações aldólicas vêm ganhando destaque com os recentes avanços na área de biocatálise. Uma alternativa para o uso de aldolases, que não atuam sobre uma grande variedade de substratos e possuem custos elevados, é o emprego de enzimas de outras classes que possam exercer como função promíscua a atividade aldolase. Neste trabalho lipases e celulases foram capazes de catalisar a reação aldólica entre o 4-nitrobenzaldeído e a cicloexanona. A lipase de Rhizopus niveus (RNL) catalisou a reação aldólica em solventes orgânicos na presença de água e também em tampões aquosos. As reações condicionais influenciaram o rendimento (0-99%) e a enantiosseletividade do produto aldólico anti (6-55% eeanti). O produto aldólico com enantiosseletividade foi observado mesmo com a enzima inativa e em condições desnaturantes. Portanto, as reações aldólicas procederam por catálise proteica inespecífica com enantiosseletividades moderadas e não por atividade promíscua. Contudo, este estudo identificou um novo catalisador verde para reações aldólicas, pois foram obtidos produtos com bons rendimentos, ee e excesso diastereoisomérico (ed), demonstrando novas possibilidades para lipases, especialmente para a RNL que é pouco estudada na literatura. A partir destes resultados obtidos, uma nova abordagem baseada em sistemas reacionais de miniemulsão foi elaborada. Superando limitações para este sistema fluido não convencional como o emprego de reagente sólido (4-nitrobenzaldeído), substratos relativamente polares, solução tampão e o desenvolvimento de um procedimento de isolamento do produto. Desta maneira, foram descritos neste trabalho métodos de produção de sistemas reacionais de miniemulsão estáveis e aplicáveis, como relatado para reações aldólicas pela RNL. Empregando planejamento experimental minimizou-se a quantidade de catalisador (de 20 para 6 mg mL-1) em comparação com as reações realizadas em mistura de solvente orgânico e água. Mesmo com menor quantidade de enzima, o rendimento aumentou de 25% para valores de até 65% para 48 h de reação e o eeanti de 10% foi maximizado para valores acima de 30%, valor não considerado satisfatório, entretanto bem superior ao observado inicialmente. Com a interpretação estatística dos dados obtidos foi possível apresentar compreensões satisfatórias para as variações observadas de ee, ed, rendimento e tamanho médio de diâmetro das gotículas de miniemulsão, possibilitando uma compreensão mais completa deste sistema e permitindo uma melhor racionalização deste meio reacional que ainda não foi amplamente estudado e divulgado na literatura para promover reações biocatalíticas. Este estudo demonstrou a potencialidade deste método para diferentes tipos de reações orgânicas.

Title in English
Aldol reactions in biocatalysis: the use of lipases as catalysts and the application of the miniemulsion reactional medium
Keywords in English
asymmetric catalysis
enzymatic promiscuity
unspecific protein catalysis
Abstract in English

The aldol reactions have received attention with the recent advances in biocatalysis. In this sense, studies showed that an alternative for the use of aldolases, which do not act on a great variety of substrates and have high costs, is the use of enzymes of other classes that can present the promiscuous aldolase activity. In this work lipases and cellulases were able to catalyze the aldol reaction between 4-nitrobenzaldehyde and cyclohexanone. Rhizopus niveus lipase (RNL) catalyzed the aldol reaction in organic solvents with water or aqueous buffers. The reactional conditions affected the yield (0-99%) and the enantioselectivity of the anti-aldol product (6-55% eeanti). The aldol product with enantioselectivity was observed even with the inactive enzyme and under denaturing conditions. Therefore, the aldol reaction proceeded by non-specific protein catalysis with moderate enantioselectivity and not by promiscuous activity. However, this study identified a new green catalyst for aldol reactions, since products with good yields, ee and diastereoisomeric excess (ed) were obtained, and new possibilities for lipases, especially for RNL that is understudied. From these results, a new approach based on the miniemulsion reactional system was developed. Overcoming limitations to this unconventional fluid system such as the use of a solid reagent (4-nitrobenzaldehyde), relatively polar substrates, buffer solutions and the development of a product isolation method. In this way, we have described in this work methods for the production of stable and applicable miniemulsion reaction systems for aldol reactions by RNL. Using experimental design, the amount of catalyst (from 20 to 6 mg mL -1) was minimized in comparison with the reactions performed in organic solvent and water. Even with a lower amount of enzyme, the yield increased from 25% to 65% for 48 hours of reaction and the eeanti of 10% was maximized to values above 30%, a value not considered satisfactory, however higher than the enantioselectivity initially observed. The statistics applied to the obtained data presented satisfactory interpretations for the observed ee, ed, yield and average diameter size of the miniemulsion droplets, allowing a more complete understanding of the miniemulsion system and allowing a better rationalization of this reactional medium that is understudied to promote biocatalytic reactions. This study demonstrated the potential of this methodology for different types of organic reactions.

 
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Publishing Date
2018-05-14
 
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