Una strana via di sintesi - Carote e Stereoselettività
Chiunque si sia mai cimentato nella sintesi organica, a qualunque livello abbia provato a farlo, sarà prima o poi incappato in una enorme, grassa e grossa problematica: la risoluzione di enantiomeri da un racemo.
Sorvolando tutta la tediosa ed interessante disquisizione sulla stereochimica, possiamo tutti concordare che progettare sintesi che non richiedano di dover separare dei racemi, ovvero che siano stereospecifiche, apporta un sacco di vantaggi alle procedure laboratoriali.

Fin qui parliamo di storia comune da più di un secolo, ma una cosa in cui siamo bravi noi chimici è inventarci vie "creativamente ingegnose" per faticare meno e rendere più, giusto?
Giusto.
E non solo, alcune di queste vie possono essere parecchio, e intendo davvero parecchio, fantasiose.

Per esempio, possiamo usare le carote.

Ok, va bene, la storia è più complicata di così, ma all'atto pratico... sì, possiamo sfruttare le carote per ottenere una riduzione stereoselettiva di chetoni prochirali ad alcoli enantiomericamente molto puri. 

Oggi iniziamo uno splendido viaggio nella sintesi chemoenzimatica, signori miei.
Prima tappa: il catalizzatore.

Si tratta delle radici e delle cellule vegetali di Daucus carota e di alcune altre piante che citeremo solo dopo. Ovviamente, non si tratta effettivamente del vegetale, ma del suo apparato enzimatico, una matrice biologica estremamente complessa fatta di centinaia se non migliaia di proteine ad azione catalitica, di cui solo alcune giocano un effettivo ruolo nelle reazioni chimiche che interessano alla sintesi organica. Trattandosi di una matrice multi-enzimatica non meglio specificata (o meglio, di cui non ci interessa conoscere la composizione precisa) è molto più semplice fare riferimento all'effettivo processo senza scendere nei particolari delle singole molecole mediatrici della catalisi.

Siamo giunti dunque al momento di parlare dell'effettiva reazione.

In particolare oggi parliamo di riduzione stereoselettiva di chetoni ad alcoli secondari. Parliamo in particolare di chetoni asimmetrici, perché non potremmo certo osservare formazione di composti chirali da chetoni con due sostituenti identici al gruppo carbonilico. 
Sono ancora al vaglio studi sulla validità di questo metodo con substrati diversi, soprattutto per quanto riguarda il grado di stereoselettività della reazione. 


Le metodiche usate e i substrati impiegati spaziano tra composti anche parecchio diversi tra loro, ma direi che è bene iniziare con qualcosa di semplice. Il primo paper che ho consultato(ref. [1]), difatti, si concentra su un reagente non molto complicato, ma il cui alcool corrispondente è estremamente utile in sintesi organica se nella sua forma enantiomerica pura.
Sto parlando in particolare del fenil-metilchetone o 1-feniletanone, che per riduzione enantioselettiva può dare origine all' S(-)-1-feniletanolo o all' R-(+)- 1-feniletanolo. Il lavoro si concentra inoltre su altri due substrati simili: il 2-naftil-1-etanone e l' 1-naftil-1-etanone, ma ne parleremo dopo.

   
   
Più comunemente, se trattati in ambiente non chirale con reagenti e/o catalizzatori non stereoselettivi, si ottiene un racemo dei due enantiomeri a partire dai singoli chetoni. Com'è noto, separare miscele racemiche, soprattutto se si ha la necessità di fare uno scale up del processo da laboratorio a industria, è un lavoro incredibilmente dispendioso in termini di rese, costi produttivi e tempo.
Sotto una immagine che illustra il perché della tendenza a racemizzare per molti chetoni prochirali.

   
 
Dunque, ci viene in aiuto la nostra Daucus carota:
Seppure in questo caso rappresenti il "catalizzatore", la quantità di pianta che va impiegata è non indifferente rispetto alla quantità di sostanza del reagente che impiegheremo. Su parla di circa 1.5g in peso secco rispetto a 20-30 mg di substrato. Ciò è dovuto al fatto che le carote contengono una grande frazione di molecole, strutturali e non, le quali non fanno parte dell'effettivo apparato enzimatico necessario alla reazione che ci interessa catalizzare. 
I ricercatori del paper [1], inoltre, hanno impiegato la radice della pianta sminuzzata. Lo sminuzzamento ha in genere come principale scopo l'aumento della superfice di contatto tra catalizzatore e solvente contenente i reagenti (acetone), mentre l'uso della radice in sé dà rese maggiori in quanto probabilmente vi è una maggiore concentrazione degli enzimi coinvolti nelle reazioni. 

I risultati per i tre chetoni usati nel paper sono stati scostanti, ma hanno dato modo di testare da cosa dipenda effettivamente l'efficienza delle biotrasformazioni: il punto chiave è la natura del substrato.
I tre reagenti testati avevano strutture molto simili ovvero erano tutti aril-metil chetoni, ma solo uno di essi (1-naftil-metil chetone) ha ottenuto una resa di reazione del 100% con enantioselettività del 100% nei confronti dello stereoisomero S(-). Gli altri chetoni (tra cui il nostro beniamino 1-feniletanone) hanno reagito solo in piccole quantità e con stereoselettività relativamente blanda (circa 84%). 

A primo impatto quindi le nostre belle piantine non sembrano in grado di fornire risultati costanti e non solo, hanno anche l'inconveniente di dover agire continuamente sui reagenti per ben 48h. 
Una volta trovato però un substrato che funzioni, si ha a disposizione un metodo relativamente pulito per la sua riduzione. Questo è già un grande punto a favore per l'impiego di matrici enzimatiche vegetali. 

A breve proseguiremo il nostro viaggio spostandoci in mondi meno "arilici" e più "alifatici"
Il paper [2] ci allarga il campo di visione e inizia a parlare non solo di aril-metil chetoni ma anche di chetoni alifatici e ciclici, nonché a beta-chetoesteri e azidochetoni. 
Prima di fare il salto a questi ultimi, però, è bene osservare che con il protocollo impiegato in questo secondo paper per gli aril-metil chetoni i risultati sono molto più consistenti rispetto a quelli della nostra prima fonte.
Si parla di rese della purezza ottica sempre >90% e rese di reazione che si aggirano tra il 70% e l'80%.  Bene, qua ci troviamo ad un bivio: credere o non credere nelle carote?

Beh, il primo e più intelligente passo da fare sarebbe provare a riprodurre gli esperimenti e raccogliere dati, ma a monte possiamo fare qualcosa di meno pratico e più ragionato, ovvero osservare i protocolli impiegati. 
Il paper [1] faceva riferimento all'acetone come solvente, e questo già ci dovrebbe allarmare. Acetone e cellule vegatali (o cellule in genere)? No bueno. Difatti molti solventi organici (tra cui anche l'acetone) interagiscono in maniera molto distruttiva con le delicate strutture biologiche animali e vegetali. Il secondo paper, di contro, utilizza la cara vecchia acqua come solvente.
E l'acqua, nelle giuste condizioni di osmolarità rispetto alle cellule, è un solvente perfetto per questa reazione.
A testimoniarlo abbiamo proprio i risultati del paper [2] di cui vi riporto il protocollo per gli aril-metil-chetoni.

Protocollo [2] (Acetophenones):
I chetoni, in rapporto 1/100 rispetto al catalizzatore, sono stati aggiunti ad una sospensione di radici di Daucus carota appena tagliata (100 mg di substrato per 10 g di carote) in 70 ml di acqua. 
La miscela di reazione è stata incubata in uno shacker orbitalico a 150 rpm e temperatura ambiente per il numero di ore necessario a reagire (in media 40/50h per gli aril-metilchetoni). La sospensione è stata filtrata al termine e le carote sono state lavate tre volte con acqua.
I filtrati sono stati estratti per tre volte con aliquote da 125 ml di acetatato di etile (EtOAc). La fase organica è stata seccata con Na2SO4 e distillata sotto vuoto. I prodotti finali sono stati purificati mediante cromatografia su colonna istantanea.
Nel caso di chetoni solidi, sono state aggiunte delle loro soluzioni alcoliche (in etanolo) alle carote. 
[Vedere il paper [2] per il protocollo su scala preparativa]

I ricercatori aggiungono inoltre che l'efficienza del catalizzatore a seguito di una singola reazione di riduzione crolla drasticamente (già al secondo utilizzo la conversione dei reagenti non superava il 20% di resa).
Un ulteriore e interessante insight ci viene dalle osservazioni sui diversi sostituenti che influenzano la velocità di reazione: è stato osservato che sostituenti elettron-donatori rispetto all'anello aromatico (-Me, -O-Me) riducono in genere la velocità di reazione. Ad esempio l'  1-(p-metil-fenil)-1-etanone detto anche p-metilbenzofenone, ha un tempo di reazione di 50h, mentre suoi analoghi con sostituenti elettron-attrattori come il p-nitrobenzofenone hanno tempi di reazione dell'ordine delle 40h. Ogni molecola ottenuta aveva inoltre configurazione S.

   

E per i chetoni arilici è tutto.

Ma non ci fermiamo di certo qui, ora parliamo del resto dei reagenti possibili (tutti in grado di dare origine a interessanti sintoni organici).
Però lo facciamo a puntate!

Reference 

[1] Wanda KMączka. (2002, October 31). Enantioselective Hydrolysis Of 1-aryl Ethyl Acetates And Reduction Of Aryl Methyl Ketones Using Carrot, Celeriac And Horseradish Enzyme Systems. Tetrahedron: Asymmetry. https://www.sciencedirect.com/science/ar...6602006353
[2] Yadav, J. S., Nanda, S., Reddy, P. T., & Rao, A. B. (2002). Efficient Enantioselective Reduction of Ketones withDaucus carotaRoot. J. Org. Chem., 67(11), 3900–3903. 10.1021/jo010399p
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Mi vuoi far diventare più cieco di quanto non lo sia già?? asd hai usato un carattere che uccide gli occhi. Mannaggia a te, Mercaptano.
Scherzi a parte. Super interessante l'argomento. Perché usare catalizzatori super costosi a base di metalli rari se la Natura ha già la soluzione?
Meno male che abbiamo gli enzimi estratti da piante e animali. Sì, lo so che non è giusto neanche spazzare via la Natura per semplificarci la vita ma... Capire la Natura porta sempre poi a trovare una soluzione che vada bene per noi e per Lei. Quindi, speriamo che si arrivi a qualcosa. Alla fine.
La chimica è una cosa che serve a tutto. Serve a coltivarsi, serve a crescere, serve a inserirsi in qualche modo nelle cose concrete.
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Azz, non mi ero accorto avesse mantenuto il font di word ahahah, ora ri-imposto la base di Myttex per tutti noi poveri mezzi ciechi azz!
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