Nitrogen-containing organic compounds: from agriculture to medicinal chemistry

Nitrogen is a chemical element involved in all biological process and is part of many important chemicals with industrial relevance like drugs and fertilizer. Since the invention of the Haber-Bosch process for conversion of gaseous nitrogen into ammonia, the industrial production of nitrogen containing fertilizer has grown significantly sustaining the incredible increase in food production over the past century. However, in order to meet the needs of future population growth rate novel form of nitrogen containing fertilizer are needed. In addition, organic amines, in particular the isomerically pure ones, play key roles in the preparation of biological active molecules and in the resolution of chiral acids. The stereoselective production of amines can be accomplished both by chemical and biocatalytic synthesis. The classic chemical approaches often require harsh conditions and expensive catalyst for obtain isomerically pure amines. Because of the possibility to perform the same reactions in mild condition with a high stereoselectivity, biocatalysis is gaining consideration as valuable alternative to the standard chemical synthesis. During my PhD, I focused my attention on two main topics: - The production of isomerically pure amines by a biocatalytic approach: thirteen different ω-transaminases were investigated, both in aqueous media and in organic solvents, for screening the activity of this class on enzymes on 4,4'-substituted-cyclohexanones. - The development of a novel approach for obtain slow release urea containing fertilizer. This goal was achieved by controlling the urea solubility and, consequently, the leaching once applied to soil through the employment of urea containing co-crystals.

L'azoto è un elemento coinvolto in tutti i processi biologici ed è parte di un elevato numero di composti chimici con grande rilevanza industriale come, ad esempio, farmaci e fertilizzanti. Dall'invenzione del processo Haber-Bosch per la conversione di azoto gassoso in ammoniaca, la produzione industriale di fertilizzanti azotati è aumentata notevolmente, sostenendo l'incredibile aumento della produzione agricola dell'ultimo secolo. In ogni caso per soddisfare i fabbisogni legati all'incremento della popolazione mondiale sono necessari nuovi fertilizzanti azotati. Inoltre, le ammine organiche, in particolare quelle isomericamente pure, possiedono un ruolo fondamentale nella produzione di molecole biologicamente attive e nella risoluzione di acidi chirali. La produzione stereoselettiva di queste ammine può essere portata a termine sia mediante sintesi chimica che mediante processi biocatalitici. L'ottenimento di queste ammine isomericamente pure attraverso l'uso di approcci sintetici classici, normalmente, richiede condizioni estreme e catalizzatori costosi. Al contrario l'approccio biocatalitico offre la possibilità di catalizzare la stessa reazione con elevata stereoselettività ma in condizioni più blande. Per questi, ed altri, motivi la biocatalisi sta diventando una valida alternativa all'approccio catalitico standard. Durante il mio dottorato i miei studi sono stati concentrati, principalmente, su due temi: - La produzione di ammine isomericamente pure mediante approcci biocatalitici. In particolare tredici diverse ω-transaminasi sono state utilizzate, sia in ambiente acquoso che in solvente organico, per la sintesi di ammine a partire da cicloesanoni sostituiti in posizione 4 e 4'. - Lo sviluppo di un nuovo approccio per l'ottenimento di fertilizzanti a rilascio controllato di urea. Il punto focale di questo studio è stato il controllo della solubilità dell'urea e, di conseguenza, il controllo della sua lisciviazione mediante la formazione di co-cristalli contenenti urea utilizzabili come fertilizzanti.