UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA – EEL/USP
FERNANDA SÁ FREIRE NASCIMENTO LOFIEGO
ESTUDO DESCRITIVO DA VIABILIDADE DA
SUBSTITUIÇÃO DA PRODUÇÃO DE AMPICILINA VIA
ROTA QUÍMICA POR ROTA ENZIMÁTICA
LORENA 2019
FERNANDA SÁ FREIRE NASCIMENTO LOFIEGO
Estudo descritivo da viabilidade da substituição da produção de ampicilina via
rota química por rota enzimática
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado como requisito parcial para a obtenção de título de Engenheiro Industrial Químico da Escola de Engenharia de Lorena - Universidade de São Paulo.
Área de concentração: Processos Bioquímicos
Orientadora: Profa. Dra. Rita de Cássia Lacerda Brambilla Rodrigues.
Lorena 2019
Ficha catalográfica elaborada pelo Sistema Automatizado da Escola de Engenharia de Lorena,
com os dados fornecidos pelo(a) autor(a)
Lofiego, Fernanda Sá Freire Nascimento
Estudo descritivo da viabilidade de substituição da produção de ampicilina via rota química por rota enzimática / Fernanda Sá Freire Nascimento Lofiego; orientadora Rita de Cássia Lacerda Brambilla
Rodrigues. - Lorena, 2019. 35 p.
Monografia apresentada como requisito parcial para a conclusão de Graduação do Curso de Engenharia Industrial Química - Escola de Engenharia de Lorena da Universidade de São Paulo. 2019
1. Penicilina. 2. Ampicilina. 3. Fermentação. 4. Antibiótico. I. Título. II. Rodrigues, Rita de Cássia Lacerda Brambilla, orient.
À minha mãe Eliana que sempre apoiou minhas decisões, à minha irmã Aline que sempre esteve ao meu lado e ao meu namorado Leandro, pelo incentivo constante.
AGRADECIMENTOS
À minha mãe, Eliana, pelo amor, carinho, dedicação e apoio durante toda a minha graduação. À minha avó Oneida, que acreditou em todos os sonhos e incentivou de todas as maneiras possíveis os estudos, e agora zela por mim de outro plano.
À Aline Lofiego, pelo companheirismo e cumplicidade de irmã, sempre me apoiando com uma palavra amiga de estímulo durante este período de minha graduação.
Aos meus familiares que souberam compreender a minha ausência para realização deste trabalho de conclusão de curso.
Ao Leandro Lopes, namorado e melhor amigo, por toda a paciência, amor e compressão, principalmente nos momentos mais difíceis, e por todos os momentos maravilhosos proporcionados.
À Professora Rita, por dedicar parte do seu tempo ao auxílio da realização deste trabalho, Aos meus amigos que torceram por mim para que eu concluísse com êxito minha graduação.
RESUMO
LOFIEGO, F. S. F. N. Estudo descritivo da viabilidade da substituição da produção de ampicilina via rota química por rota enzimática. 2019. 35f. Monografia – Escola de Engenharia de Lorena da Universidade de São Paulo, Lorena, 2019.
Os antibióticos β-lactâmicos estão entre os fármacos mais consumidos por humanos atualmente. Estes fármacos apresentam um grupamento químico denominado anel β-lactâmico responsável pela atividade antimicrobiana desses antibióticos. Dentre os antibióticos lactâmicos mais comuns está a ampicilina, um dos primeiros antibióticos β-lactâmicos semissintéticos derivados da penicilina G, que é do grupo de penicilina natural. Os solventes empregados na produção de antibióticos semissintéticos apresentam riscos para quem os manipula, bem como elevado impacto ambiental gerado por resíduos provenientes de processos convencionais que empregam as rotas químicas de síntese. A síntese enzimática de antibióticos β – lactâmicos tornou-se uma alternativa bastante promissora para substituição do processo de síntese química. A Penicilina G Acilase (PGA) é um exemplo de substituição progressiva de processo químico por enzimático, sendo a segunda enzima mais usada industrialmente no mundo na forma imobilizada. Esta enzima hidrolisa a penicilina G para a produção do ácido 6-aminopenicilâmico (6-APA). Neste contexto, este trabalho visou através do estudo exploratório-descritivo dissertar sobre os processos de produção do antibiótico ampicilina por rota de síntese química e enzimática, verificando a viabilidade de substituição da produção de ampicilina via rota química por rota enzimática. Constatou-se que o processo de obtenção de antibióticos derivados da penicilina em larga escala, como ampicilina (penicilina semissintética), foi possível com a obtenção do 6-APA pelo grupo farmacêutico Beecham, porém pela rota química. A rota química utiliza solventes extremamente tóxicos e possui várias etapas e apresenta custos elevados gerando impactos ambientais. No entanto, com relação ao processo da produção da ampicilina por via bioquímica como alternativa à via química de produção constatou-se que há a possibilidade de substituir a rota química pela bioquímica se o processo for por síntese cineticamente controlada (SCC) da ampicilina. Neste processo não há uso de químicos prejudiciais ao meio ambiente e apresenta rendimentos aplicáveis à escala industrial.
ABSTRACT
LOFIEGO, F. S. F. N. A descriptive study of the feasibility of replacing production via chemical route by enzymatic route. 2019. 35f. Monograph – School of Engineering of Lorena, University of São Paulo, Lorena, 2019.
β -lactam antibiotics are among the drugs most commonly consumed by humans today. These drugs present a chemical group called the β-lactam ring responsible for the antimicrobial activity of these antibiotics. Among the most common β-lactam antibiotics is ampicillin, one of the first semisynthetic β-lactam antibiotics derived from penicillin G, which is from the natural penicillin group. The solvents used in the production of semisynthetic antibiotics present risks to those who handle them, as well as high environmental impact generated by waste from conventional processes that use synthetic chemical routes. The enzymatic synthesis of β - lactam antibiotics has become a very promising alternative for replacing the chemical synthesis process. Penicillin G Acylase (PGA) is an example of the progressive substitution of a chemical process by enzymatic, being the second most industrially used enzyme in the world in the immobilized form. This enzyme hydrolyses penicillin G to produce 6-aminopenicillanic acid (6-APA). In this context, this work aimed to explore the processes of production of the antibiotic ampicillin by route of chemical and enzymatic synthesis, verifying the feasibility of replacing the production of ampicillin via chemical route by enzymatic route. It was found that the process of obtaining antibiotics derived from penicillin on a large scale, such as ampicillin (semi- synthetic penicillin), was possible with the 6-APA by the pharmaceutical group Beecham, but by the chemical route. The chemical route uses extremely toxic solvents and has several steps and presents high costs generating environmental impacts. However, regarding the process of producing ampicillin by biochemical route as an alternative to the chemical pathway of production it has been found that there is the possibility of replacing the chemical pathway by biochemistry if the process is by kinetic controlled synthesis (SCC) of ampicillin. In this process there is no use of environmentally harmful chemicals and yields applicable industrial scale.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Estrutura química da penilicilina...17
Figura 2 – Estrutura molecular da penicilina...17
Figura 3 – Mecanismo de ação da penicilina...18
Figura 4 – Fórmulas estruturais das penicilinas...21
Figura 5 – Estrutura química da ampicilina...22
Figura 6 – Dependência da penicilina chinesa...25
Figura 7 – Hidrólise enzimática da penicilina G...26
Figura 8 – Rendimento de síntese de ampicilina em função do tempo e tipo de síntese aplicada (SCC e STC)...27
Figura 9 – Síntese Termodinamicamente Controlada (STC) da Ampicilina...29
LISTA DE TABELAS
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
6-APA Ácido 6-Aminopenicilâmico
ABIQUIFI Associação Brasileira da Indústria Farmoquímica e de Insumos Farmacêuticos
AFA Ácido Fenil Acético
ANVISA Agência Nacional de Vigilância Sanitária EFMG Éster Metílico de Fenilglicina
FDA Food and Drug Administration
FG Fenilglicina
PGA Penicilina G Acilase
SCC Síntese Cineticamente Controlada
STC Síntese Termodinamicamente Controlada TPP Transpeptidases
SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO...12 1.1-Contextualização e justificativa...12 2-OBJETIVOS...14 Objetivo geral...14 Objetivos específicos...14 3. METODOLOGIA...15 4. DESENVOLVIMENTO...16
4.1-Descrição do processo de obtenção de penicilina com enfoque na produção de penicilinas semissintéticas...16
4.1.1-Penicilina...16
4.1.1.1-Estrutura química...17
4.1.1.2-Mecanismos de ação...18
4.1.1.3-Produção de penicilinas...18
4.1.1.4-Derivados e suas classificações...20
4.2 Descrição do processo da produção da ampicilina (penicilina semissintética): rota bioquímica como alternativa à rota química de produção...21
4.2.1-Ampicilina...21
4.2.1.1-Estrutura química...22
4.2.1.2-Características físico-químicas...22
4.2.1.3-Mecanismos de ação e uso...23
4.2.1.4–Rota de produção de ampicilina: via química...23
a) Limitações da obtenção da ampicilina por via química...24
4.2.1.5–Rota de produção de ampicilina: via bioquímica...25
a) SínteseTermodinamicamenteControlada (STC)...27
b) Síntese Cineticamente Controlada (SCC)...29
c) Limitações da obtenção da ampicilina por via bioquímica...30
d) Vantagens da via bioquímica em relação à via química...31
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS...32
1. INTRODUÇÃO
1.1- Contextualização e justificativa
O inglês Alexander Fleming, em 1928, acidentalmente fez uma descoberta que, mais tarde, revolucionou a medicina, a penicilina. Ao sair de férias esqueceu em seu laboratório placas de petri, onde estudava culturas de bactérias (Staphyloccocus aureus) responsáveis pelas inflamações em feridas expostas ocasionadas por armas de fogo. Nestas placas formaram-se fungos, e ao redor destes fungos não se observou crescimento de bactérias, indicando a produção por estes fungos de uma substância bactericida. Assim, iniciou-se o estudo desses fungos e constatou-se que era do gênero Penicillium, e a substância por ele produzida foi denominada Penicilina. (TINER, J. H., 2004).
Em 1938, a penicilina foi efetivamente isolada por Ernst B. Chain e Howard W. Florey, também ingleses, e testada com sucesso em diferentes tipos de bactérias, sem oferecer risco às células animais. A aplicação da penicilina em humanos ocorreu somente em 1941, em um policial com septicemia, que é uma infecção que nas condições da época levava ao óbito. Ainda na década de 40 a penicilina tornou-se acessível a toda população com a ampliação da escala de produção, porém ainda com custo elevado (GOODMAN, L. S.,2003).
Em 1959, o grupo farmacêutico Beecham obteve o ácido 6-aminopenicilâmico (6-APA) que é o composto chave na produção industrial de uma ampla gama de antibióticos β-lactâmicos semissintéticos, tais como ampicilina e amoxicilina, possibilitando o aumento da escala de produção. A ampicilina é o primeiro antibiótico β-lactâmico semissintético derivado da penicilina G que é do grupo de penicilina natural apresentando-se eficiente no combate de bacilos gram-negativos (LEITE, G. A., 2008). Antibióticos β-lactâmicos estão entre os fármacos de maior consumo humano. São substâncias que apresentam um agrupamento químico denominado anel β-lactâmico responsável pela atividade antimicrobiana desses antibióticos.
A rota de produção da ampicilina conhecida por “rota química” é usada atualmente, através dela é possível obter-se a ampicilina com altos rendimentos e elevado grau de pureza, porém utiliza solventes extremamente tóxicos, provocando grandes impactos ambientais. Somente países com legislações ambientais precárias (por exemplo Índia, China, México e Venezuela) permitem a produção da ampicilina desta maneira. Este fato levou o Brasil a
importar os princípios ativos para a produção destes fármacos. Consequentemente, dependência completa da importação desses princípios ativos é também uma insegurança para o país que no ano de 2017 decretou a impossibilidade de produção no Brasil, segundo a ABIQUIFI, 2018.
A síntese enzimática de antibióticos β – lactâmicos tornou-se uma alternativa bastante promissora para substituição do processo de síntese química. A Penicilina G Acilase (PGA) é um exemplo de substituição progressiva de processo químico por enzimático, sendo a segunda enzima mais usada industrialmente no mundo na forma imobilizada (Franco, 2004). Esta enzima hidrolisa a penicilina G para a produção do ácido 6-aminopenicilâmico (6-APA). Essa rota de produção utilizando a PGA é conhecida como rota verde (MENEZES, ALVES e CARDOSO, 2000).
Neste contexto, este trabalho fez uma descrição das rotas de síntese química e enzimática de produção de antibióticos β-lactâmicos semissintéticos, através de um estudo exploratório-descritivo no sentido de verificar a possível substituição da produção de ampicilina por rota de síntese química pela enzimática.
2- OBJETIVOS
Objetivo geral
Contribuir para o entendimento da viabilidade da substituição da etapa de fabricação da ampicilina produzida via rota química pela rota enzimática, sendo esta última mais sustentável.
Objetivos específicos
• Descrever o processo de obtenção de penicilina com enfoque na produção de penicilinas semissintéticas.
• Descrever o processo da produção da ampicilina (penicilina semissintética) por via bioquímica como alternativa à via química de produção.
3. METODOLOGIA
Foi realizado um estudo exploratório-descritivo através de pesquisa bibliográfica em bancos de dados acadêmicos disponibilizados na internet e utilização de dados secundários oriundos de publicações e resultados de pesquisas específicas sobre a produção do antibiótico ampicilina, bem como sobre a substituição da produção via rota química pela produção via rota enzimática.
4. DESENVOLVIMENTO
4.1- Descrição do processo de obtenção de penicilina com enfoque na produção de penicilinas semissintéticas.
4.1.1- Penicilina
Atualmente é possível identificar uma série de avanços na ciência que foram cruciais para a sociedade (ANVISA, 2018). No século XX a descoberta dos antibióticos foi fundamental para tratar infecções e doenças frequentes na época (COHEN, WOOD, 2000, p. 73). Os antibióticos na época da guerra auxiliaram no tratamento de soldados, porém também ocasionaram efeitos indesejáveis que induziram a realização de pesquisas fundamentais para seu desenvolvimento que ainda era precário.
Moreira destaca sobre a origem dos antibióticos:
Essas substâncias estão presentes em nosso dia a dia desde que o pesquisador Alexander Fleming no final da década de 20 descobriu o primeiro antibiótico, a penicilina. Estas substâncias são de grande importância no tratamento pós-operatório ou também no caso de infecções (DIEGO MARQUES MOREIRA, 2016).
O primeiro antibiótico descoberto foi a penicilina, pelo pesquisador Alexander Fleming e sua comercialização foi a partir da década de 1940 (HELITO, KAUFFMAN, 2006, p. 418). A descoberta da penicilina e o conhecimento de seus efeitos positivos e indesejáveis ao ser humano foi primordial para despertar o interesse da comunidade científica em desenvolver novas pesquisas para o desenvolvimento da produção de antibióticos.
A descoberta da penicilina representou uma imensa evolução na área da medicina e farmacêutica, e ainda hoje, seus derivados estão entre os antibióticos mais utilizados mundialmente, o que demonstra sua fundamental importância (FERREIRA, PAES e LICHTENSTEIN, 2008).
4.1.1.1- Estrutura química
A estrutura química geral da penicilina contém um núcleo formador, o 6-APA, que é composto por um anel β-lactâmico, um anel tiazolidínico e uma cadeia lateral, que determina o subtipo (LAZO, PARKER e LAURENCE L. BRUNTON, 2006) (Figura 1). A Figura 2 mostra a estrutura molecular da penicilina.
Figura 1 – Estrutura geral da penicilina.
Fonte: Arquivo pessoal.
Figura 2 – Estrutura molecular da penicilina
4.1.1.2- Mecanismos de ação
A penicilina tem ação bactericida porque age de forma a impedir a síntese da parede celular bacteriana, por ser um antibiótico β-Lactâmico. Possui como centro ativo da molécula um anel β-Lactâmico que se liga as transpeptidases (TPP), impedindo a transpeptidação (ligação cruzadas entre as cadeias de peptideoglicano), e consequentemente a formação da parede celular, o que provoca a lise osmótica (Figura 3).
Figura 3 - Mecanismo de Ação da Penicilina
Fonte: Universidade Federal Fluminense, 2018.
4.1.1.3- Produção de penicilinas
A fabricação comercial da penicilina ocorre por fermentação aeróbia, num reator de aço inox em regime descontínuo alimentado, no qual o fungo Penicillium chrysogenum cresce na presença de um meio orgânico bem complexo. A fase inicial da fermentação consiste no crescimento acelerado do microrganismo, seguido pela produção da penicilina
propriamente dita, já que ela provém do metabolismo secundário do fungo (FERREIRA, 2004).
A fermentação pode ocorrer sem a presença de precursores de cadeia lateral (os ácidos), gerando as penicilinas naturais, ou com a presença destes precursores, gerando as penicilinas G (usando como precursor o ácido fenilacético) e penicilinas V (usando como precursor o ácido fenoxiacético) (RODRIGUES, 2009).
Penicilinas semissintéticas
As penicilinas semissintéticas são assim chamadas por possuírem parte da molécula natural, ou seja, produzida via fermentação convencional como o ácido 6-aminopenicilâmico (6-APA). O 6-APA é obtido por hidrólise enzimática de antibióticos, geralmente da penicilina G, produzidos via rota bioquímica adicionado de uma cadeia lateral modificada (produzida sinteticamente) (VIEIRA, 2003). Este processo permitiu o desenvolvimento de diversos antibióticos derivados da penicilina (NATHWANI e WOOD, 1993), formando assim antibióticos, que não são, portanto, naturais e sim semissintéticos.
Penicilina G Acilase
Para a produção de penicilinas semissintéticas é necessário primariamente obter o 6-APA, produto da hidrólise de penicilina G, catalisada por uma enzima específica, a Penicilina G Acilase (PGA) (MENEZES, ALVES e CARDOSO, 2000). A PGA pode ser obtida de alguns microrganismos (principalmente bactérias) e sua atividade depende diretamente de qual microrganismo foi extraída. A PGA mais usada e estudada atualmente provém da Escherichia coli (FERREIRA, 2004). O problema da utilização de enzimas ao aplicá-las em escala industrial está em seu elevado custo. Uma das soluções encontradas foi a imobilização dessas enzimas, que se realizada adequadamente permite manter uma carga de enzimas ativas satisfatória no reator, e uma separação eficiente do produto desejado (RODRIGUES, 2009).
4.1.1.4- Derivados e suas classificações
Segundo ANVISA (Agência Nacional de Vigilância Sanitária), as penicilinas podem ser classificadas de acordo com suas farmacocinéticas nos seguintes grupos:
• Benzilpenicilinas ou penicilinas naturais: penicilina V e penicilina G.
• Aminopenicilinas: penicilinas semissintéticas com maior espectro de ação que as Benzilpenicilinas, são elas a ampicilina e a amoxicilina.
• Penicilinas resistentes às penicilinases: oxacilina.
• Penicilinas de amplo espectro: carboxipenicilinas (carbenicilina e ticarcilina) e ureído-penicilinas (mezlocilina, piperacilina, azlocilina).
Também, tem-se a classificação conveniente das penicilinas de acordo com o espectro de atividade microbiana (LAZO, PARKER e LAURENCE L. BRUNTON, 2006) como apresentado na Tabela 1.
Tabela 1 – Classificação das penicilinas e suas propriedades antimicrobianas
As fórmulas estruturais dos diferentes tipos de penicilinas diferem no que diz respeito somente à cadeia lateral (Figura 4).
Figura 4 - Fórmulas Estruturais das Penicilinas
Fonte: (MADIGAN, MARTINKO e PARKER, 2004)
4.2 Descrição do processo da produção da ampicilina (penicilina semissintética): rota bioquímica como alternativa à rota química de produção.
4.2.1- Ampicilina
Primeira penicilina semissintética foi desenvolvida entre os anos de 1959 e 1961 no laboratório Beecham, pelos pesquisadores F. P. Doyle, J. H. C. Nayler e Harry Smith, que previam a necessidade de antibióticos com maior espectro de aplicação (P. HOU e W. POOLE, 1969), já que as penicilinas naturais eram eficientes somente às cepas sensíveis de bactérias gram-positivas (LEITE, 2009).
4.2.1.1- Estrutura química
A ampicilina (ácido(2S,5R,6R)-6-(2-amino2-fenilacetil)amino-3,3-dimetil-7-oxo-4-tia-1-azabiciclo[3.2.0]heptano-2-carboxílico) é uma amino penicilina em que o grupo amino é o que garante o seu amplo espectro de ação (ANVISA,2018).
A estrutura química da ampicilina está representada na Figura 5 e sua fórmula química simplificada é C16H19N3O4S (ANVISA, 2018).
Figura 5 - Estrutura Química da Ampicilina
Fonte: Arquivo pessoal.
A estabilidade e atividade da ampicilina é explicada pela presença do grupo amino livre (circulado em vermelho) (Figura 5) (LEITE, 2009).
4.2.1.2- Características físico-químicas
A ampicilina apresenta aspecto de pó cristalino branco a levemente amarelado, com odor inodoro à levemente característico. Seu ponto de fusão se apresenta na faixa de 200 ºC. Sua solubilidade é alta em soluções ácidas e alcalinas diluídas, e baixa em metanol e água, sendo insolúvel em acetona, etanol, éter, clorofórmio dentre outros. Deve ser armazenada em recipientes hermeticamente fechados à temperatura abaixo de 30 ºC (ANVISA, 2018).
4.2.1.3- Mecanismos de ação e uso
A ampicilina possui o mesmo mecanismo de ação da penicilina por ser um antibiótico β-lactâmico, impede a síntese da parece celular bacteriana, explicado no item 4.1.2.2. Possui tempo de meia vida de 1,2 horas e não deve ser utilizada em intervalos maiores que 6 horas. (ANVISA, 2018).
A ampicilina é indicada contra bactérias gram-negativas (bactérias que possuem parede celular mais complexa, composta por: membrana externa, peptideoglicano, espaço periplásmico e membrana plasmática) como por exemplo Escherichia coli (bactéria presente no intestino humano), Haemophilus influenzae (causadora de otites, faringites, meningites, bronquites e pneumonias), Neisseria gonorrhoeae (causadora da gonorreia), Neisseria meningitides (causadora da meningite meningocócica), Salmonella sp. (causa infecção do trato intestinal e outros prejuízos para saúde), dentre outras. Mostrou-se eficiente também contra bactérias gram-positivas (bactérias que possuem parede celular mais simples, composta por peptideoglicano e membrana plasmática) como por exemplo Streptococcus pneumoniae (causadora de pneumonia e meningite), Clostridium sp. (responsável por várias doenças como botulismo e tétano) e a maioria dos enterococos (ANVISA, 2018).
Algumas penicilinas são associadas a inibidores de β-lactamases, o que além de impedir a ação da β-lactamases (hidrolisam o anel β-lactâmico), potencializa a ação do antibiótico. A ampicilina, no caso, pode ser associada com o inibidor de β-lactamase sulbactam, atingindo a mesma gama de bactérias (Escherichia coli, Haemophilus influenzae, Neisseria gonorrhoeae, Salmonella sp, Streptococcus pneumoniae, Clostridium sp, e a maioria dos enterococos), porém com maior eficácia (DEAGUERO,2011).
A ampicilina não deve ser usada no caso de as penicilinas naturais serem eficientes, ou em caso de alergia à penicilina (ANVISA, 2018).
4.2.1.4 – Rota de produção de ampicilina: via química
A rota usada industrialmente na produção de ampicilina é a chamada rota química, na qual obtêm-se alto rendimento. No entanto, esta rota emprega solventes altamente tóxicos causando prejuízos ao meio ambiente.
A produção de ampicilina inicialmente foi testada por rotas enzimáticas sem sucesso, até que a empresa holandesa Gist-Brocades desenvolveu um método químico altamente eficiente e com rendimentos satisfatórios (ARTHUR BARBOSA LIMA et al., 2013). O método empregado pela empresa holandesa foi disseminado e aplicado por vários produtores de 6-APA.
a) Limitações da obtenção da ampicilina por via química
O método químico utiliza compostos altamente tóxicos e baixas temperaturas (na ordem de -40oC). Esses processos químicos usados exigem algumas etapas de proteção e desproteção de grupos reativos, para que não ocorram hidrólises indesejadas.
Essas reações de proteção e desproteção envolvem várias etapas, algumas com altos custos, utilizando componentes altamente tóxicos como por exemplo a dimetilanilina (cancerígena e apresenta toxidade via oral, inalatória e cutânea), piridina (irritante cutâneo, ocular e respiratório), compostos organoclorados (cancerígenos) dentre outros (FERREIRA, 2004). Na condensação da fenilglicina com o ácido-6-aminopenicilâmico (6-APA), a α-fenilglicina deve ser protegida (sua amina primária), essa proteção é feita com furfural (altamente tóxico), dentre outros (FERREIRA, 2004).
A regeneração da ampicilina é feita com a remoção dos grupos protetores, isolamento e purificação, que pode ser por recristalização ácida ou recristalização básica, em ambos casos é dissolvida na solução (ácida ou básica) e precipitada por ajuste de pH (Deaguero, 2011). Então, pode ser separada de duas maneiras: dissolvendo-se o produto isolado em cloreto de metileno com trietilamina, filtrando e precipitando com ácido ρ-tolueno sulfônico ou por filtração com clorofórmio ou cloreto de metileno contendo trietilamina e evaporando o solvente, purificando finalmente por filtração em gel.
Devido aos riscos oferecidos ao meio ambiente, as legislações ambientais de vários países não permitem a produção dos princípios ativos da ampicilina, sendo sintetizados somente em países onde o controle ambiental é precário, como China, Índia e México. O princípio ativo para produção de ampicilina é então importado pelos países com controle ambiental rígido para produção do medicamento (PÁDUA, 2008).
A Figura 6 mostra a dependência da penicilina importada da China. Figura 6 – Dependência da penicilina chinesa.
Fonte: (CISCATI, 2017).
4.2.1.5 – Rota de produção de ampicilina: via bioquímica
Rotas de produção ambientalmente segura estão sendo estudadas, são as chamadas rotas bioquímicas ou rotas enzimáticas (OSPINA et al., 1996).
A via bioquímica de produção da ampicilina é conhecida desde 1969, na qual utiliza-se penicilina G Acilautiliza-se (PGA) em meio aquoso, em pH neutro e temperatura ambiente (LEITE, 2009).
A produção enzimática de ampicilina é iniciada com a hidrólise da Penicilina G catalisada pela PGA, formando o 6-APA (produto de interesse) e o ácido fenilacético (AFA) (SILVA, 2016), como mostrado na Figura 7.
Figura 7 - Hidrólise Enzimática da Penicilina G
Fonte: (SILVA, 2016).
Os custos do processo de separação e purificação da ampicilina são elevados, mas devem ser avaliados em casos com altos rendimentos em ampicilina por não utilizarem substâncias tóxicas que prejudicam o meio ambiente (BEZERRA, 2016).
A obtenção conhecida de ampicilina se dá por métodos enzimáticos para essa síntese: a Síntese Termodinamicamente Controlada (STC) e a Síntese Cineticamente Controlada (SCC), que apresentam caminhos diferentes em relação a rendimento de ampicilina (VIEIRA, 2003).
a) Síntese Termodinamicamente Controlada (STC)
A Figura 8 mostra que a síntese termodinamicamente controlada (STC) tende ao equilíbrio com o passar do tempo. O rendimento depende do equilíbrio termodinâmico do reagente e produto, por esse motivo é considerado o método mais simples. Consiste na reação direta da Fenilglicina (FG) (doador acil) como o 6-APA (Figura 8) (VIEIRA, 2003).
Figura 8 – Rendimento de Síntese de Ampicilina em Função do Tempo e Tipo de Síntese Aplicada (SCC e STC)
Fonte: (WEGMAN et al., 2001).
A síntese termodinamicamente controlada (STC) teoricamente e economicamente é considerada a opção mais viável para obtenção pela via bioquímica de ampicilina. A reação ocorre na seguinte maneira: condensação direta da Fenilglicina (FG), (doador acil) e do
ácido-6-aminopenicilâmico (6-APA), formando a ampicilina, numa reação reversível controlada termodinamicamente, obtendo assim rendimento máximo (FERNANDÉZ-LAFUENTE et al., 1996).
As vantagens da síntese termodinamicamente controlada (STC) incluem:
• Rendimentos controladamente estáveis;
• Rendimento de 100% considerando o substrato com maior valor agregado;
• Não há necessidade de ativação da FG (doador acil), reagindo amida e carboxila, diferente da síntese cineticamente controlada (SCC).
• Extração da ampicilina de forma simples (segregação da ampicilina do substrato em excesso).
Porém há duas desvantagens no processo, a primeira é que para que a síntese ocorra, o grupo carboxílico da Fenilglicina (FG) e o grupo amino do ácido-6-aminopenicilâmico (6-APA) devem estar neutros e o sítio ativo da penicilina G Acilase (PGA) deve estar disponível. No entanto, a PGA funciona melhor na faixa de pH 5-8, onde a quantidade de grupos carboxílicos neutros é muito pequena dificultando assim a síntese (LEITE, 2009).
Outra desvantagem é que em meio aquoso o equilíbrio da reação é deslocado no sentido de hidrólise da ampicilina (FERREIRA, 2004). É possível reverter esta desvantagem utilizando-se solventes orgânicos, que apresentam um segundo empecilho, podem influenciar na estabilidade da enzima.
Figura 9 – Representação da síntese termodinamicamente controlada (STC) da Ampicilina
Fonte: (FERREIRA, 2004).
b) Síntese Cineticamente Controlada (SCC)
A síntese cineticamente controlada (SCC), diferentemente da síntese termodinamicamente controlada (STC), utiliza como doador acil um derivado ativo de FG e não a própria FG, resolvendo o empecilho da necessidade de um grupo carboxílico neutro.
Esses derivados ativos podem ser ésteres ou amidas, mas o que se mostrou mais eficiente foi o Éster Metílico de Fenilglicina (EMFG), com maiores rendimentos. Os impasses da reação são o metanol formado como subproduto e a ampicilina também pode ser hidrolisada. Portanto a síntese deve ser rigorosamente controlada para que seja interrompida antes que o equilíbrio se desloque no sentido da hidrólise (VIEIRA, 2003). A Figura 10 representa a síntese cineticamente controlada (SCC), em que o radical R é um metil.
Figura 10 – Representação da síntese cineticamente controlada (SCC) da Ampicilina
Fonte: (LEITE, 2009).
O rendimento da reação em relação à ampicilina é, portanto, dependente do balanço cinético das três reações reversíveis, catalisadas pela mesma enzima, penicilina G acilase (PGA) (Figura 10). O mecanismo cinético compreende as seguintes etapas: hidrólise 1 (éster metílico de fenilglicina - EMFG reagindo com ácido-6-aminopenicilâmico - 6-APA formando metanol e Fenilglicina - FG), hidrólise 2 (ampicilina reagindo com metanol formando FG e 6-APA) e a síntese propriamente dita (EMFG reagindo com 6-APA formando ampicilina e metanol). Portanto a formação do produto de interesse é a reação intermediária, devendo-se controlar cineticamente, para que a reação cesse em condições onde a síntese da ampicilina esteja na maior concentração possível e a hidrólise 2 tenha velocidade mínima (LEITE, 2009).
c) Limitações da obtenção da ampicilina por via bioquímica
Em geral, as limitações da via bioquímica para produção de antibióticos β-lactâmicos estão na viabilidade de implementação industrial, pela dificuldade de obter bons rendimentos, se comparado a síntese química (LEITE, 2009).
d) Vantagens da via bioquímica em relação à via química
A via bioquímica não utiliza compostos e solventes altamente tóxicos, o que viabiliza a produção de ampicilina em diversos países, mesmo os que possuem legislação ambiental rigorosa. Assim, consequentemente diminui-se a produção de ampicilina por síntese química, reduzindo-se os impactos ambientais (LEITE,2009).
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS
O processo de obtenção em larga escala de antibióticos como a ampicilina (penicilina semissintética), derivados da penicilina, com custos mais viáveis foi possível com a obtenção do 6-APA pelo grupo farmacêutico Beecham, porém pela rota química. Neste processo tem-se várias etapas utiliza-se solventes extremamente tóxicos gerando impactos ambientais. Além de ser de elevado custo.
Com relação ao processo de produção da ampicilina por via bioquímica como alternativa à via química de produção constatou-se que há possibilidade de substituir a rota química pela bioquímica se for utilizado o método de síntese cineticamente controlada (SCC). Este método não utiliza químicos prejudiciais ao meio ambiente e apresenta rendimentos aplicáveis, economicamente, à escala industrial.
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