L’acylation enzymatique

La réaction d’acylation est une réaction dans laquelle un donneur d’acyle réagit avec un nucléophile tel qu’une amine ou un alcool. La fonction thiol est également susceptible d’être acylée pour donner une liaison thioester. Ainsi l’acylation enzymatique se fait par l’utilisation d’une hydrolase, plus souvent une lipase, dans un milieu non aqueux. Dans ce milieu hydrophobe, la réaction inverse de l’hydrolyse est favorisée et permet ainsi l’établissement d’une liaison covalente entre un groupe acyle et une fonction nucléophile. L’enzyme est capable de catalyser la formation d’une liaison ester lorsque le nucléophile comporte une fonction hydroxyle ou bien la formation d’une liaison amide lorsque celui-ci comporte une fonction amine (figure 2.1). Figure 2.1. Schéma général d’une réaction d’acylation catalysée par une enzyme. L’acylation par voie enzymatique présente beaucoup d’avantages par rapport à la voie chimique, notamment dans les points suivants :

1. Vitesse de réaction : les vitesses des réactions enzymatiques sont multipliées par des facteurs compris entre 106 et 1012 par rapport aux réactions correspondantes noncatalysées.

2. Conditions de réaction : les réactions enzymatiques peuvent avoir lieu dans des conditions douces de température ambiante de pression atmosphérique et de pH.

3. Spécificité réactionnelle : cette propriété singularise les biocatalyseurs par rapport aux catalyseurs chimiques et permet d’éviter la formation de produits secondaires et leur corollaire, des étapes de purification fastidieuses. Les travaux réalisés en catalyse enzymatique pour synthétiser les dérivés acylés sont nombreux. Ils concernent de nombreux types de substrats aussi bien monofonctionnels, Chapitre 1. [2. L’acylation enzymatique] 37 comme les alcools et les amines, que polyfonctionnels tels que les polyols, les amino-alcools et les flavonoides1–3. Généralement, à travers ces réactions, c’est l’énantiosélectivité qui est recherchée et c’est ainsi que de nombreuses biomolécules énantiomériquement enrichies sont produites par la vois biocatalytique.

Paramètres influençant l’acylation enzymatique

La réactivité et la sélectivité de l’acylation enzymatique sont influencées par plusieurs facteurs, notamment la nature d’enzyme, la structure des substrats, la température et l’activité de l’eau (aw).

La nature d’enzyme

L’enzyme utilisée, son origine et son mode d’obtention, constituent un facteur primordial et déterminant pour l’acylation enzymatique, car chaque lipase possède sa propre caractéristique. Dans ce contexte, nous citons l’exemple suivant issu de la littérature5 où de différences notables ont été observées dans l’activité hydrolytique de quelques lipases commerciales. Comme le montre le tableau ci-dessous, les activités enzymatiques changent non seulement avec l’origine de l’enzyme mais également, pour une même enzyme, avec le procédé ayant permit d’y accéder, les procédés diffèrent selon le fabriquant.

La structure de substrat

La structure du substrat joue un rôle majeur dans la faisabilité de la réaction d’acylation enzymatique, particulièrement sur l’énantiopréférence des lipases. La règle empirique décrite par Kazlauskas et al. 6 explique la sélectivité de la CALB vis-à-vis les alcools racémiques. Les substituants du carbone chiral (le grand et le moyen) sont placés dans les deux poches du site actif selon leur taille. L’énantiomère qui peut être placé de façon favorable (tel que représenté dans le schéma 2.1) réagit plus rapidement selon cette règle. M G H OH Schéma 2.1. Modèle empirique la prédiction de l’énantiosélectivité des alcools secondaires racémiques.

G et M représentent les substituants grand et moyen liés au centre asymétrique6 . Ce modèle est simple basé sur la taille des substituants au centre asymétrique utilisable pour estimer l’énantiosélectivité vis-à-vis les alcools secondaires. En règle générale, une sélectivité élevée (E>100) et une vitesse de réaction relativement élevée peuvent être attendues pour les substrats avec le petit substituant du centre asymétrique de taille inférieur à un radical propyle et supérieur à un éthyle pour le grand substituant.

A titre d’illustration, le tableau suivant rassemble deux études sur l’influence de la structure du substrat sur l’activité et l’énantiosélectivité de la CALB. Dans la première, Overbeeke et al. 8 ont trouvé que l’énatiosélectivité a augmenté avec longueur de la chaîne de l’alcool alephatique, au contraire de l’activité qui a diminué. Dans la deuxième étude, Johnson et al. 9 ont étudié l’influence de la taille du cycle et du substituant en postion α d’un alcool cyclique, la CALB a exhibé une énantiosélectivité élevée avec l’acool dont le substituant est volumineux.