Estudo da eletrorredução da acetofenona e derivados aplicando lipases

Abstract

A eletrossíntese utiliza a transferência de elétrons, em um eletrodo, para realizar reações que podem ser aplicadas à síntese orgânica. Essa metodologia é ambientalmente adequada, branda e acessível. Sua aplicação, embora ampla, é limitada pela necessidade de otimizar diferentes parâmetros de reação e pela seletividade relativamente baixa em determinadas reações. Por exemplo, na redução eletroquímica da acetofenona, há a formação do produto 1-feniletanol juntamente com o dímero de pinacol. O álcool é, no entanto, o intermediário sintético de maior interesse, tendo em vista sua aplicabilidade nas indústrias farmacêutica, alimentícia, de química fina, agrícola e de produtos naturais. Embora existam propostas para o controle da seletividade dessa reação, poucos trabalhos apresentam alternativas realmente efetivas e/ou viáveis. Portanto, neste estudo, propõe-se utilizar a eletroquímica, aliada à biocatálise, para reduzir cetonas de maneira seletiva, visto que as enzimas podem estabilizar o intermediário reativo, evitando a dimerização e levando à formação preferencial do álcool. As enzimas escolhidas para essa função foram as lipases, disponíveis e acessíveis comercialmente, além de especialmente versáteis em síntese orgânica, pois atuam sem a necessidade de cofatores e, geralmente, de forma régio, quimio e enantiosseletiva, mantendo a estabilidade em diversos solventes, temperaturas e condições de pH, principalmente quando imobilizadas em suportes sólidos. Os ensaios foram realizados, em sua maioria, com foco na reação de eletrorredução da acetofenona e diversas combinações de eletrodos, solventes, eletrólitos de suporte e lipases foram testadas. As condições reacionais otimizadas levaram à formação de 87,8% de 1-feniletanol racêmico e são compostas por: eletrodo de trabalho combinado de estanho/chumbo (63:37) revestido com filme de Nafion modificado com lipase de Thermomyces lanuginosus, eletrodo auxiliar de platina, potencial aplicado de -2,0 V vs. Ag/AgCl em tampão acetato (0,1 mol L-1) pH 5,0 e tempo reacional de 4 horas. O mesmo eletrodo de trabalho foi utilizado cinco vezes, ao longo de cinco dias, e a conversão ao álcool permaneceu constante. A adição da lipase de Thermomyces lanuginosus imobilizada em argilomineral e, comercialmente, em sílica gel (Lipolase 100T) ao meio de eletrorredução resultou em rendimentos ainda maiores quanto à formação de 1-feniletanol (93,2?93,9%), entretanto, o uso do eletrodo modificado tornou a metodologia mais vantajosa quanto à estabilidade da enzima, reprodutibilidade do processo e reutilização de materiais. A eletrorredução de outros substratos, derivados da acetofenona, foi realizada a partir da metodologia descrita. Os resultados foram promissores, tendo em vista que este estudo explora uma temática inédita partindo das reações de redução: a participação ativa e conjunta da eletrossíntese e da biocatálise em transformações orgânicas.

Abstract: Electrosynthesis uses the transfer of electrons within an electrode to perform chemical reactions that can be applied in organic synthesis. This methodology is environmentally friendly, mild, and associated with low cost. However, its broad application is limited by the need for parameter optimizations and relatively low selectivity for some reactions. In addition, a mixture of products can be obtained in a few reactions. This is the case, for example, of the electrochemical reduction of acetophenone, in which the pinacol dimer is obtained in addition to 1-phenylethanol. Alcohol is the product of interest because it is a versatile synthetic intermediate: it has applications in the pharmaceutical, food, fine chemistry, agricultural, and natural products industries. Proposals for selectivity control in this reaction exist, but few works present effective and/or viable alternatives. In this study, it is proposed to use electrochemistry allied to biocatalysis to reduce ketones selectively, given that enzymes can stabilize the reactive intermediate, avoiding dimerization and leading to the preferential formation of the alcohol as the main product. The chosen enzymes for this function were lipases, which are commercially available under accessible prices, and especially versatile in organic synthesis as they react without the need for cofactors in regio, chemo, and enantioselective ways. They also preserve their stability under diverse solvents, temperatures, and pH conditions, especially when they are immobilized on solid supports. Most of the tests focused on the reaction of electroreduction of the acetophenone by applying diverse combinations of electrodes, solvents, supporting electrolytes and lipases. The optimized reaction conditions led to the formation of 87.8% of racemic 1-phenylethanol and are composed of: Tin/Lead (63:37) combined working electrode coated with Nafion film modified with lipase from Thermomyces lanuginosus, platinum auxiliary electrode, applied potential of -2.0 V vs. Ag/AgCl (KCl 3.0 mol L-1) in acetate buffer (0.1 mol L-1) pH 5.0 and reaction time of 4 hours. The same working electrode was used five times over five days, and the conversion to alcohol remained constant. The addition of lipase from Thermomyces lanuginosus immobilized in a clay mineral and, commercially, in silica gel (Lipolase 100T) to the electroreduction medium resulted in even higher yields in terms of the formation of 1-phenylethanol (93.2?93.9%). Even though the use of the modified electrode made the methodology more advantageous regarding enzyme stability, process reproducibility, and material reusability, other substrates derived from acetophenone, were electroreduced through the described methodology. The observed results were promising, considering that this work explores a novelty in reduction reactions: the active and joint application of electrosynthesis and biocatalysis in order to perform organic transformations.