Enzymatic separation of profens enantiomers : optimisation of biocatalyst and implementation in supercritical carbon dioxide

La séparation de deux énantiomères est un procédé d’intérêt pour l’industrie pharmaceutique. En effet, souvent un seul des énantiomères exerce l'activité biologique requise. Cette problématique est abordée ici par l'utilisation d'enzymes énantiosélectives qui est une alternative intéressante aux méthodes conventionnelles (chromatographie chirale, synthèse asymétrique ou cristallisation). Cette approche a été mise en oeuvre pour les molécules de la famille des profènes (l’Ibuprofène, le Kétoprofène ou le Naproxène par exemple) qui sont des acides 2- arylpropioniques et constituent une classe importante de médicaments anti-inflammatoires non stéroïdiens. Tout d’abord, un travail de recherche dans le domaine de la catalyse enzymatique et de l’ingénierie d’enzymes a été effectué. Des enzymes aux potentialités prometteuses, issues de la levure Yarrowia lipolytica, pour la résolution de ces trois anti-inflammatoires ont été identifiées. S’appuyant sur la modélisation moléculaire, l’ingénierie moléculaire a été utilisée pour accéder à des enzymes performantes tant du point de vue de la sélectivité que de l’activité. Les réactions ont été réalisées conventionnellement dans un système diphasique phase aqueuse/décane car les profènes et les esters associés sont des substrats hydrophobes et très faiblement solubles dans l'eau, la réaction doit donc être effectuée dans un solvant apolaire en contact avec une phase aqueuse où l'enzyme libre est dissoute. Ce mode opératoire permet d'éviter une immobilisation de l'enzyme. Une enzyme pour chaque substrat avec une énantiosélectivité suffisante a pu être développée, à savoir Lip2p V232A pour l’ibuprofène, V235S pour le naproxène et V232F pour le kétoprofène. Les lipases de Candida rugosa se sont également avérées intéressantes pour la résolution des profènes mais moins que les lipases précédemment évoquées. Le deuxième aspect de cette thèse s’est intéressé à la mise oeuvre de cette technique de résolution enzymatique dans un procédé innovant de Chimie Verte où le dioxyde de carbone supercritique (CO2SC) remplace le décane. En effet, les solvants organiques tels que le décane peuvent être toxiques mais aussi difficiles à éliminer, à la fin du processus, ce qui conduit à des étapes fastidieuses et coûteuses de purification. Dans un premier temps l’étude a porté sur la résolution de l’acide 2-bromo phényl acétique par l’hydrolyse de son ester octylique (ester + eau acide (profène) + alcool). L'acidification de la phase aqueuse en contact avec CO2SC (formation d'acide carbonique) s’est montrée préjudiciable pour obtenir des conversions élevées. Cet inconvénient a été atténué en utilisant des concentrations assez élevées de sels (Na2HPO4 et KH2PO4) pour tamponner la phase aqueuse. Une étude spécifique en cellule haute pression utilisant des sondes solvatochromiques a permis d’établir que l’utilisation de concentrations élevées de sels (de l’ordre de 1000 mmol/L) permettait de maintenir un pH de l‘ordre de 6. Dans ces conditions, des conversions élevées ont pu être obtenues pour des temps de réactions de l’ordre de 100 h. Cependant la cinétique s’est avérée plus lente par rapport à celle observée avec le décane. L’explication de cette différence n’est pas encore totalement élucidée mais deux pistes ont été privilégiées : la formation de carbamates dues aux interactions entre le CO2SC et les acides aminés composant l’enzyme ou une mauvaise ouverture du volet moléculaire qui recouvre le site actif de l’enzyme liée à la moindre hydrophobicité du CO2SC hydraté. Cette résolution énantiomérique a également été mise en oeuvre dans un système sans phase aqueuse en utilisant l‘enzyme sous sa forme immobilisée sur support solide en utilisant la réaction réverse, l’estérification. Utilisant les mêmes approches, la résolution énantiomérique de l’ibuprofène a également été réalisée. Les meilleurs résultats obtenus en système diphasique phase aqueuse/CO2SC permettent en 75 heures une résolution quasi-totale.The separation of the two enantiomers (or enantiomeric resolution) is a process of interest to the pharmaceutical industry. Indeed, very often, only one of the enantiomers has the required biological activity. This issue is addressed here by the use of enantioselective enzymes which is an interesting alternative to conventional methods (chiral chromatography, asymmetric synthesis, crystallization). This approach has been implemented for separation of molecules of the profens family (Ibuprofen, Naproxen or Ketoprofen for example) that are 2-arylpropionic acids and are an important class of anti-inflammatory drugs (NSAIDs). One first aspect of this work was to use molecular modeling and molecular engineering to identify enzymes, from the yeast Yarrovia lipolytica, with promising potential from the point of view of selectivity and activity. Reactions were carried out conventionally in a biphasic aqueous phase/decane system since the profens and related esters are hydrophobic substrates and very sparingly soluble in water so that the reaction must be carried out in an apolar solvent in contact with an aqueous phase where the enzyme is dissolved. This procedure avoids immobilization of the enzyme. An enzyme with good enantioselectivity for each substrate was developed, namely Lip2p V232A for ibuprofen, V235S for naproxen and V232F for ketoprofen. Lipases of Candida rugosa also proved useful for the resolution of ibuprofen, naproxen and ketoprofen but were less efficient than the lipases mentioned above. The second aspect of this thesis focused to the implementation of this enzymatic resolution technology in an innovative process for Green Chemistry where decane was replaced by supercritical carbon dioxide (scCO2).Indeed, organic solvents such as decane may be toxic but also difficult to remove at the end of the process, which leads to cumbersome and costly purification steps. Initially the study focused on enzymatic resolution of 2- bromo phenyl acetic acid by hydrolysis of its octyl ester (ester + water acid (profen) + alcohol). Acidification of the aqueous phase in contact with scCO2 (formation of carbonic acid) proved to be detrimental to obtain high conversions. This disadvantage was mitigated by using relatively high concentrations of salts (1000 mmol/L) to buffer the aqueous phase. A specific study in a high pressure cell using solvatochromic probes showed that the use of high concentrations of salts allowed maintaining a pH of about 6. In these conditions, high conversions could be obtained for reaction times of 100 hours. However kinetics proved to be slower compared to those observed using decane as the organic phase. The explanation for this difference is not yet fully understood but two hypotheses can be evoked: formation of carbamates due to interactions between the scCO2 and amino acids or a bad opening of the "lid" that covers the active site related to a lower hydrophobicity of hydrated scCO2. This enantiomeric resolution was also implemented in a non-aqueous phase system using the enzyme in its immobilized form on a solid support, using the reverse reaction: esterification of profen. Using the same approach, the enantiomeric resolution of ibuprofen was also carried out. Best results using aqueous phase/scCO2 system allowed total resolution within 75 hours