Orientador: Cintia Duarte de Freitas Milagre / Banca: Luciana Gonzaga de Oliveira / Banca: Leandro Helgueira Andrade / Resumo: Os biocatalisadores (enzimas e/ou micro-organismos) são amplamente utilizados na síntese de moléculas bioativas, em especial os fármacos, para gerar ou resolver centros quirais. O levetiracetam, comercialmente conhecido como Keppra®, é um composto quiral com propriedades anticonvulsivantes cuja atividade farmacológica está relacionada ao enantiômero (S). O aumento da opção pelo uso do levetiracetam em detrimento a outros fármacos anticonvulsivantes está intimamente associado à baixa ocorrência de efeitos colaterais provocados por este. Diversas rotas quimiossintéticas para sua produção são relatadas na literatura. A maioria delas envolve um elevado número de etapas, alto consumo energético, uso de catalisadores metálicos e baixos rendimentos globais. Em contrapartida, este projeto teve por objetivo empregar uma rota quimioenzimática, com menor número de etapas, condições mais brandas e ambientalmente amigáveis de reação para a síntese do levetiracetam e análogos (série alifática). A respectiva série aromática também foi sintetizada, uma vez que trata-se de blocos construtores quirais para a síntese de compostos com reconhecida atividade anti-malária. A primeira etapa consistiu na síntese das cianidrinas racêmicas seguida da substiuição da hidroxila destas por heterociclos nitrogenados. Uma coleção de enzimas do tipo nitrila hidratases (E.C. 4.2.1.84) foi empregada para catalisar a conversão das nitrilas α-substituidas por N-heterociclos nas respectivas amidas quirais. As enzimas foram utilizadas tanto na forma isolada (obtidas comercialmente) quanto em células íntegras de bactérias e leveduras da Coleção de Micro-organismos do Laboratório de Biocatálise do IQ-UNESP Araraquara. As reações enzimáticas foram conduzidas em meio aquoso tamponado e em sistemas binários líquido iônico : solução tampão (10, 20, 40 e 80%) a fim de avaliar a influência do... / Abstract: Biocatalysts (enzymes and/or microorganisms) are widely used in the synthesis of bioactive molecules, in particular pharmaceuticals, to generate or resolve chiral centers. Levetiracetam, commercially known as Keppra®, is a chiral compound with anticonvulsant properties whose pharmacological activity is related to the (S)-enantiomer. The increase in option for the use of levetiracetam over the others anticonvulsant drugs is closely associated with low incidence of side effects caused by this. Several chemosynthetic routes for its production are reported in the literature. Most of them involve numerous synthetic steps, high energy consumption, use of metal catalysts and low overall yields. On the other hand, this project aims to develop a chemoenzymatic route, with fewer steps, milder conditions and environmentally friendly reaction for the synthesis of levetiracetam and analogues (aliphatic series). The respective aromatic series was also synthesized, since it is chiral building blocks for the synthesis of compounds with known antimalarial activity. The first step was the synthesis of racemic cyanohydrin followed by substitution of the hydroxyl group by nitrogen heterocycles. Collections of nitrile hydratase enzymes type (EC 4.2.1.84) were used to catalyze the conversion of N-heterocycles α-substituted nitriles in the respective chiral amides. The enzymes were used both in isolated form (obtained commercially) as in whole cells bacteria and yeast Collection of Microorganisms of Biocatalysis Laboratory of IQ-UNESP Araraquara. The enzymatic reactions were performed in buffered aqueous medium and ionic liquid : buffer (10, 20, 40 and 80%) binary systems in order to evaluate the influence of the solvent on the enantioselectivity and yield of these reactions. The ionic liquids synthesized and used in this work were 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate, 1-butyl-3-methylimidazolium... / Mestre

Orientador: Paulo Roberto Bueno / Coorientador: Gustavo Troiano Feliciano / Banca: Herida Regina Nunes Salgado / Banca: Ariela Veloso de Paula / Banca: Frank Nelson Crespilho / Banca: Paula Homem de Mello / Resumo: Esta tese de doutoramento apresentou o entendimento de processos redox enzimáticos, detalhando o mecanismo envolvido na troca eletrônica, a qual resulta na formação de um produto, por catálise enzimática. Observou-se a influência de um eletrodo sob a ação de um potencial estacionário aplicado (E) na reação enzima/substrato. Realizou-se eletroanálises, como: Voltametria Cíclica (VC) e Espectroscopia de Impedância Eletroquímica (EIE), para a penicilinase. Os resultados obtidos dão indícios de que a reação enzimática se beneficia de determinados potenciais, pois o parâmetro utilizado, Rct, resistência à transferência de cargas, sugere que ocorre maior troca eletrônica em alguns potenciais ótimos (faixa de -0,3 a -0,5 V). A Simulação Molecular serviu para estudar o comportamento atomístico por métodos clássicos (Dinâmica Molecular - DM) para as condições impostas experimentalmente, esclarecendo o mecanismo de reação enzimática por métodos quânticos (DFT - Teoria do Funcional de Densidade) e híbridos (QM/MM), cabendo salientar que a penicilinase não pertence à classe das enzimas oxirredutivas. / Abstract: This doctoral thesis presented the understanding of enzymatic redox processes, detailing the mechanism involved in the electronic exchange, which results in the formation of a product by enzymatic catalysis. The influence of an electrode under the action of an applied stationary potential (E) on the enzyme/substrate reaction was observed. Electroanalysis was performed, such as: Cyclic Voltammetry (VC) and Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS), for the penicilinase. The results obtained indicate that the enzymatic reaction benefits from certain potentials, since the parameter used, Rct, resistance to the transfer of charges, suggests that there is greater electronic exchange in some optimal potentials (range the -0.3 to -0.5 V). The Molecular Simulation was used to study the atomistic behavior by classical methods (Molecular Dynamics - DM) for experimentally imposed conditions, clarifying the mechanism of enzymatic reaction by quantum methods (DFT) and hybrids (QM/MM). That penicillinase does not belong to the class of oxidoreductive enzymes. / Doutor

Made available in DSpace on 2015-07-13T12:10:18Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2015-02-23. Added 1 bitstream(s) on 2015-07-13T12:25:27Z : No. of bitstreams: 1 000825064_20160228.pdf: 307325 bytes, checksum: 19ac282fd1189c52ae2046a9f1acbd26 (MD5) Bitstreams deleted on 2016-02-29T12:16:24Z: 000825064_20160228.pdf,. Added 1 bitstream(s) on 2016-02-29T12:17:23Z : No. of bitstreams: 1 000825064.pdf: 6733720 bytes, checksum: 484cdda7e2b141896c1f3c18d4742888 (MD5) / Os biocatalisadores (enzimas e/ou micro-organismos) são amplamente utilizados na síntese de moléculas bioativas, em especial os fármacos, para gerar ou resolver centros quirais. O levetiracetam, comercialmente conhecido como Keppra®, é um composto quiral com propriedades anticonvulsivantes cuja atividade farmacológica está relacionada ao enantiômero (S). O aumento da opção pelo uso do levetiracetam em detrimento a outros fármacos anticonvulsivantes está intimamente associado à baixa ocorrência de efeitos colaterais provocados por este. Diversas rotas quimiossintéticas para sua produção são relatadas na literatura. A maioria delas envolve um elevado número de etapas, alto consumo energético, uso de catalisadores metálicos e baixos rendimentos globais. Em contrapartida, este projeto teve por objetivo empregar uma rota quimioenzimática, com menor número de etapas, condições mais brandas e ambientalmente amigáveis de reação para a síntese do levetiracetam e análogos (série alifática). A respectiva série aromática também foi sintetizada, uma vez que trata-se de blocos construtores quirais para a síntese de compostos com reconhecida atividade anti-malária. A primeira etapa consistiu na síntese das cianidrinas racêmicas seguida da substiuição da hidroxila destas por heterociclos nitrogenados. Uma coleção de enzimas do tipo nitrila hidratases (E.C. 4.2.1.84) foi empregada para catalisar a conversão das nitrilas α-substituidas por N-heterociclos nas respectivas amidas quirais. As enzimas foram utilizadas tanto na forma isolada (obtidas comercialmente) quanto em células íntegras de bactérias e leveduras da Coleção de Micro-organismos do Laboratório de Biocatálise do IQ-UNESP Araraquara. As reações enzimáticas foram conduzidas em meio aquoso tamponado e em sistemas binários líquido iônico : solução tampão (10, 20, 40 e 80%) a fim de avaliar a influência do... / Biocatalysts (enzymes and/or microorganisms) are widely used in the synthesis of bioactive molecules, in particular pharmaceuticals, to generate or resolve chiral centers. Levetiracetam, commercially known as Keppra®, is a chiral compound with anticonvulsant properties whose pharmacological activity is related to the (S)-enantiomer. The increase in option for the use of levetiracetam over the others anticonvulsant drugs is closely associated with low incidence of side effects caused by this. Several chemosynthetic routes for its production are reported in the literature. Most of them involve numerous synthetic steps, high energy consumption, use of metal catalysts and low overall yields. On the other hand, this project aims to develop a chemoenzymatic route, with fewer steps, milder conditions and environmentally friendly reaction for the synthesis of levetiracetam and analogues (aliphatic series). The respective aromatic series was also synthesized, since it is chiral building blocks for the synthesis of compounds with known antimalarial activity. The first step was the synthesis of racemic cyanohydrin followed by substitution of the hydroxyl group by nitrogen heterocycles. Collections of nitrile hydratase enzymes type (EC 4.2.1.84) were used to catalyze the conversion of N-heterocycles α-substituted nitriles in the respective chiral amides. The enzymes were used both in isolated form (obtained commercially) as in whole cells bacteria and yeast Collection of Microorganisms of Biocatalysis Laboratory of IQ-UNESP Araraquara. The enzymatic reactions were performed in buffered aqueous medium and ionic liquid : buffer (10, 20, 40 and 80%) binary systems in order to evaluate the influence of the solvent on the enantioselectivity and yield of these reactions. The ionic liquids synthesized and used in this work were 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate, 1-butyl-3-methylimidazolium...

Orientador: Giselle Cerchiaro / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia/Química, 2013

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2017-05-04T19:26:38Z No. of bitstreams: 1 lucasfagundesesteves.pdf: 10750065 bytes, checksum: 8871e6f0092a5a329a1cc8099f9a0382 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2017-05-17T13:33:34Z (GMT) No. of bitstreams: 1 lucasfagundesesteves.pdf: 10750065 bytes, checksum: 8871e6f0092a5a329a1cc8099f9a0382 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-05-17T13:33:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 lucasfagundesesteves.pdf: 10750065 bytes, checksum: 8871e6f0092a5a329a1cc8099f9a0382 (MD5) Previous issue date: 2016-02-29 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Esta tese propõe uma investigação teórica do mecanismo de quebra hidrolítica de um modelo para diésteres de fosfato, o íon BDNPP [bis(2,4-dinitrofenil)fosfato], catalisada por um complexo dinuclear de cobre(II) (R1). Esse complexo metálico foi originalmente planejado para mimetizar a estrutura e as propriedades catalíticas do sítio ativo das catecóis oxidases (COs), revelando um caso interessante de promiscuidade catalítica em sistemas biomiméticos. As possibilidades de mecanismo foram cuidadosamente avaliadas através de cálculos de Teoria do Funcional da Densidade (DFT) em fase gás e em fase aquosa com cálculos no ponto dentro do modelo contínuo polarizável (PCM). Dois mecanismos principais foram encontrados. O Mecanismo 1 (Concertado) corresponde a uma reação do tipo SN2 que envolve o ataque da ponte µOH, situada entre os íons Cu(II), ao centro fosfórico da molécula de BDNPP, enquanto que o Mecanismo 2 (Associativo) ocorre através de sucessivas transferências de próton entre o átomo de oxigênio desta mesma ponte com o átomo de oxigênio terminal do grupo fosfato, passando pela formação de um intermediário pentacoordenado estável. O Mecanismo 1 envolve dois possíveis caminhos reacionais para a liberação do íon DNPP [(2,4-dinitrofenil)fosfato] gerado após a quebra hidrolítica. O primeiro caminho reacional (p1) envolve uma transferência de próton – que ocorre entre o átomo de oxigênio que compunha a ponte µ-OH e o átomo de oxigênio terminal do grupo fosfato – imediatamente após a quebra hidrolítica, seguido pela entrada de duas moléculas de água, sendo a etapa de transferência de próton determinante da velocidade. O segundo caminho reacional (p2) envolve a entrada de duas moléculas de água imediatamente após a quebra hidrolítica sem que haja a reação de transferência de próton, sendo a etapa de quebra hidrolítica a etapa determinante da velocidade. Dentre as propostas de mecanismo estudadas o caminho reacional p2 dentro do Mecanismo 1 corresponde ao mais provável, uma vez que possui a menor barreira de reação (ΔG‡ = 23,7 kcal mol-1, em solução aquosa). A constante de velocidade observada experimentalmente, Kobs, vale 1,7 × 10-5 s-1, indicando que o valor calculado teoricamente (K1 = 2.6 × 10-5 s-1) está em excelente acordo com o valor experimental. O efeito isotópico cinético (KIE) foi avaliado para o caminho reacional p2 dentro do Mecanismo 1 com o intuito de entender as alterações estruturais envolvidas na formação do TS1-i (Estado de transição para o Mecanismo 1), caracterizando perfeitamente o mecanismo descrito. O efeito explícito da inclusão de moléculas do solvente foi avaliado de maneira preliminar para apenas uma estrutura do ciclo catalítico para a quebra hidrolítica de ésteres de fosfato, através da utilização do método de Monte Carlo. Os resultados permitem uma análise detalhada da organização das moléculas de solvente ao redor do complexo, podendo servir de ponto de partida para uma análise mais elaborada dos mecanismos reacionais utilizando modelos explícitos para o solvente. O mecanismo de oxidação de catecóis – representado pelo substrato modelo, o 3,5-di-tercbutilcatecol (DTBC) – no sítio ativo do complexo R1 foi avaliado através de cálculos quanto-mecânicos. Embora não tenham sido obtidos resultados conclusivos acerca da cinética da reação, os aspectos estruturais das principais espécies envolvidas no ciclo catalítico foram analisados. / In this thesis the theoretical investigation of the hydrolytic cleavage mechanism of a phosphate diester, BDNPP [bis(2,4-dinitrophenyl)phosphate] in the active site of the dinuclear copper complex, labelled as R1, has been proposed. The metal complex was originally designed to mimic the active site structure as well the catalytic properties of catechol oxidase, revealing an interesting case of catalytic promiscuity in biomimetic systems. The mechanistic possibilities have been carefully evaluated through Density Functional Theory (DFT) calculations in gas phase and in aqueous solution using continuum solvation models with single point calculations within the Polarizable continuum model (PCM). Two reaction mechanisms have been proposed. The Mechanism 1 (Concerted) is a SN2 type mechanism which involves the direct attack of the µ-OH bridge between the two copper(II) ions towards the phosphorus center whereas, the Mechanism 2 (Associative) occurs through two successive proton transferences between the oxygen atom of the bridging hydroxo ligand and another oxygen atom of the phosphate model forming a stable pentacoordinate intermediate. There are two reactions paths for Mechanism 1 to release the DNPP (2,4-dinitrophenylphosphate) ion generated after the hydrolytic cleavage. The first reaction path (p1) involves a proton transfer immediately after the hydrolytic cleavage, being the proton transfer the rate-determining step, followed by the entry of two water molecules. The second reaction path (p2) comprises the entry of two water molecules just after the hydrolytic cleavage without any proton transfer, being the hydrolytic cleavage the rate limiting step. The most probable catalytic path occurs via Mechanism 1, following the second reaction path (p2) once it involves the lowest free energies activation barrier (ΔG‡ = 23.7 kcal mol-1, in aqueous solution). The experimental rate constant, Kobs is 1.7 × 10-5 s-1, indicating that the calculated value, (K1 = 2.6 × 10-5 s-1) is in a very good accordance with the experimental value. Kinetic Isotope Effect (KIE) analysis for the second reaction path (p2) within the Mechanism 1 has also been considered in order to understand the changes taking place in TS1-i (transition state of Mechanism 1) and perfectly characterize the mechanism here described. The solvent effect using explicit water molecules were evaluated in a preliminary fashion for one structure within the catalytic cycle of hydrolytic cleavage of phosphate ester, using the Monte Carlo method. The obtained results allows a detailed analysis of the water molecules organization around the complex, serving as a starting point for an more elaborated study of the reaction mechanisms by using explicit solvent models. The oxidation of catechols – represented herein by the model substrate, 3,5-di-tercbuthylcatechol (DTBC) – in the active site of the R1 complex were evaluated by using quantum-mechanical calculations. The results are not conclusive for the kinetic, but the structural aspects for the main species in the catalytic cycle were studied.