CATALYSE CHIMIQUE: RECONNAISSANCE MOLECULAIRE ET STABILISATION POLAIRE D’UN INTERMEDIAIRE REACTIONNEL

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Présentøtion du modèle

Le principe de I’utilisation d’un polymère est justifié par I’exemple des systèmes biologiques: dans la nature, les macromolécules complexes sont formées par des enchaînements de maillons élémentaires liés par des liaisons peptidiques (protéines) ou par des ponts phosphates (nucléotides). Les organismes vivants réalisent peu d’opérations de chimie fine sur ces molécules (création de liaisons carbone-carbone, réductions…) hormis les réactions de couplage nécessaires à leur synthèse.
La synthèse de composés de types polyamides au laboratoire est relativement aisée; I’accomplissement le plus remarquable en la matière étant précisément la synthèse de polypeptides naturels. La nature polymérique devrait donc permettre d’atteindre facilement des molécules de grande taille.
Par ailleurs, I’utilisation de maillons rigides facilite la modélisation et la prévision de la conformation des molécules obtenues. D’où I’idée d’utiliser pour maillon élémentaire des dérivés de I’acide 3-amino-benzoique. Le polypeptide est alors une succession de chaînons plans rigides, alternativement des noyaux phényles et des groupes amides cis ou trans (cf. figure II-l).
La série méta-substituée a semblé préférable du fait de la tendance des dérivés ortho à se dimériser, et de la trop faible solubilité des dérivés para (analogues du Kevlar).

Partie exo érìmentøle

Généralités. Les réactions sensibles à I’air ou à I’eau ont été effectuées sous argon dans de la verrerie séchée de manière appropriée (flamme ou étuve). Le chloroforme deutéré est déshydraté sur tamis moléculaire activé ¿ Ä. Un gel de silice Merck (23O-4OO mesh) a été utilisé pour les colonnes chromatographiques. Les spectres RMN lH et 13C ont été mesurés sur spectromètre Bruker AC 250. Les valeurs des déplacements chimiques sont données en parties par million (ppm), la référence étant prise sur les signaux résiduels des solvants deutérés (chloroforme, ou DMSO).
Tests de solubilité. Un échantillon du produit (environ I *g) est introduit dans un tube à essai, et de petits volumes de solvant sont ajoutés successivement à I’aide d’une micro-seringue.
Après chaque addition, le mélange est agité et soniqué à température ambiante. La solubilité du composé est évalué à partir du plus petit volume de solvant permettant une complète dissolution ou à partir du plus grand volume de solvant correspondant à une suspension.
Polymérisation de I’acide 3-amino-benzoique.15 On dissout de I’acide 3-amino-benZoïque (2.74 g, 20 mM) et de la triphényl-phosphine (6.288 g, 24 mM) dans de la pyridine anhydre (50 mL) pour obtenir une solution orangée. Tout en agitant yigoureusement, on introduit à I’aide cl’un entonnoir à solides en une seule fraction de I’hexachloro-éthane (7.11 g, 30 mM) préalablement séché sur P2O5. On limite tout échauffement du mélange réactionnel à I’aide d’un bain de glace. Le polymère précipite en 30 secondes. Le produit se présente sous la forme d’une pâte orangée assez visqueuse. La pàte est extraite à I’aide d’une spatule et lavée (écrasée) dans du méthanol. Puis elle est lavée avec une solution aqueuse de HCI (1 1Ð, puis à I’eau. Le produit, un solide jaune, est filtré puis séché sur P2O5.
SM (FAB): le spectre présente des pics distants de 119 unités jusqu’au décamère (119 est la masse d’un maillon -NH-C6H4-CO-), mais dont la valeur absolue ne conespond pas à une formule évidente (les groupements terminaux ne sont pas identifiés).
Dimère nitro-ester 1:16 3-(3-nitrobenzamido)-benzoate de méthyle. On ajoute à I’ampoule à brome du chlorure de thionyle (8 mL) à du méthanol refroidi par un bain glace/sel (80 mL). On introduit dans le mélange de I’acide 3-amino-benzoiQue (10 g) à I’aide d’un entonnoir à solides. L’ensemble est agité 10h à température ambiante. Le solvant est évaporé sous vide de la trompe à eau. Le produit est lavé à l’éther (100 mL), puis filtré sur verre fritté. On neutralise avec une solution aqueuse saturée de NaHCO3. On extrait au chlorure de méthylène. La phase organique est lavée à I’eau jusqu’à pH neutre puis le solvant évaporé pour obtenir un liquide maffon visqueux: I’ester de méthyle de I’acide 3-amino-benzoïque. Dans un tricol contenant de I’acide 3-nitrobenzoique (10.5 g), on introduit lentement du chlorure de thionyle (35 mL). L’ensemble est maintenu 3h à reflux. Le chlorure de thionyle est distillé en utilisant du toluène comme co-solvant pour assurer sa complète élimination. On obtient ainsi le chlorure de 3-nitro-benzoyle sous la forme d’un solide blanc-gris. On ajoute alors goutte à goutte le chlorure de 3-nitro-benzoyle dissous dans un mélange de tétrahydrofurane (50 mL) et de pyridine (5 mL) à une solution de 3-amino-benzoate de méthyle dans un mélange de tétrahydrofurane (50 mL) et de pyridine (5 mL) refroidi à 0’C. L’ensemble est agité vigoureusement 2h à 0″C. On filtre le précipité sur veffe fritté. Le solide est lavé avec du THF pour éliminer les réactifs résiduels, puis avec une solution aqueuse de HCI (10 7o), puis à I’eau. Enfin, il est séché sur P2O5. RendementTS 7o.

Títratíons

Les constantes d’association de ces nouveaux récepteurs avec la 9-éthyladénine ont été mesurées par RMN du proton dans le chloroforme deutéré à 298 K.9 Dans une titration typique, on prépare une solution de récepteur (0.5 mL, 5 mM), et on prend un spectre RMN. On additionne de petits volumes d’une solution plus concentrée de 9-éthyl-adénine (60 mM) et on prend un spectre RMN après chaque addition. La formation du complexe provoque un déplacement des signaux des protons du récepteur; on cesse les additions lorsque les signaux se stabilisent (saturation). L’exemple du dérivé anthracyl 5c est présenté figure III-7. L’effet le plus visible est le déplacement de 6 ppm du signal du proton imide vers les champs faibles, lorsqu’il forme une liaison hydrogène. La proximité du noyau de I’adénine résulte en un blindage des protons aromatiques, mais les déplacements sont plus faibles (0.1 à 0.5ppm). Le signal de I’amide se déplace aussi de 0.2-0.4 ppm vers les champs faibles, montrant qu’il est probablement impliqué dans une liaison hydrogène. Un programme d’analyse de régression non linéaire permet d’évaluer simultanément la valeur de la constante d’association et les valeurs limites des signaux RMN à partir des données de la titration. Le graphe (figure III-7) montre la très bonne correspondance entre les données calculées et les données observées. La marge d’erreur estimée pour la valeur de la constante d’association est de * 57o.

Mise au point d.es cínétiques

L’utilisation d’esters de para-nitrophényle dans les études cinétiques d’hydrolyse ou d’aminolyse d’esters est très répandue. Ils réagissent à 25’C avec un grand nombre de nucléophiles même en milieu très dilué. Du fait de la relativement intense absorbance de I’ion p-nitrophénolate pour des radiations allant de 300 à 450nm selon le solvant, la réaction est facile à suivre par spectroscopie Ultra-Violet. Les mesures sont très rapides et permettent l’étude de réactions dans une large gamme de vitesses.
En milieu aqueux, la présence d’un tampon pH dans la solution assure la complète déprotonation du p-nitrophénol, et I’absorbance est en relation linéaire avec I’avancement de la réaction. En milieu aprotique, la déprotonation du paranitrophénol n’est pas aussi facile et plusieurs précautions peuvent être prises. La première est de mesurer à proximité du point isobestique des chromophores du phénol et du phénolate, bien qu’il ne corresponde pas au maximum d’absorbance’
Les absorbances des deux espèces sont les mêmes à ce point et le degré de déplacement de l’équilibre vers le phénol ou le phénolate n’altère pas la relation de linéarité entre I’absorbance et la
concentration totale.
Dans le chloroforme, le point isobestique se situe à 310nm. Cette valeur n’est cependant pas appropriée pour notre étude car elle se trouve dans une zone ou I’absorbance des dérivés du carbazole est intense, et tend à saturer la mesure ou à en réduire la précision. A 330nm, I’absorbance des dérivés du carbazole est suffisamment faible pour qu’une mesure soit précise. Il faut néanmoins assurer un fort taux de déprotonation du paranitrophénol. Les expériences d’aminolyse présentées ici ont été réalisées dans CHCI3 en présence de 80 équivalents de triéthylamine, ce qui suffit à assurer un taux de déprotonation supérieur à 90Vo en fin de réaction.a De plus, les données cinétiques sont introduites sous la forme de vitesses initiales, évaluées à partir des dix premiers pour-cent d’avancement de la réaction au cours desquels le taux de déprotonation reste supérieur à99Vo.
Les réactions d’aminolyse d’esters sont de premier ordre en chacun des réactifs. Toutefois, la plupart des études de telles réactions en milieu aprotique sont effectuées dans des conditions de pseudo-premier ordre en présence d’une haute concentration d’amine. Un terme supplémentaire de
deuxième ordre en amine apparaît alors dans I’expression de la constante de vitesse.5 Dans le cas
présent, la stæchiométrie entre amine et ester est respectée afin de ne pas compliquer les associations entre adénine et récepteur. Mais ces associations affectent considérablement le déroulement des réactions, qui ne sont plus de premier ordre en chacun des réactifs. Les données cinétiques les plus accessibles et les plus riches d’information sur les mécanismes réactionnels sont donc les vitesses initiales.
La concentration des réactifs (0.05 mM) a été choisie de sorte à produire un changement de I’absorbance assez important pour permettre une mesure précise.6 Afin d’assurer que la formation de para-nitrophénol enregistrée corresponde bien à la réaction d’aminolyse, deux types de contrôles ont été effectués. Dans le premier, on teste la stabilité de I’ester de p-nitrophényle dans les conditions de I’aminolyse (même concentration, base, catalyseur ou autre) mais en I’absence d’amine. Dans tous les cas, la production de p-nitrophénol par hydrolyse de I’ester à partir d’eau résiduelle dans le mélange ne dépasse pas 2Vo du changement observé en présence d’amine. Le deuxième contrôle est une analyse de produit. On réalise I’aminolyse dans un volume total de 20 mL (au lieu de I mL dans les cuvettes U.V.). Après 72h, on évapore le mélange et on prend un spectre RMN lH du résidu. Les seuls produits détectés dans la marge de précision de la RMN sont les produits d’aminolyse (amide et paranitrophénol). Les chromatogrammes obtenus par ccm aboutissent au même résultat.
Enfin, la reproductibilité des résultats a été confirmée dans une marge de l57o à partir de multiples expériences indépendantes. Les valeurs présentées sont des moyennes de ces différentes cinétiques.

Réactions bímoléculaires.

Les produits des quatre réactions possibles entre les amines 1 et 3 et les esters de pnitrophényle 2 and 4 sont représentés figure IV-4 et numérotés de 5 à 8. Les vitesses initiales d’aminolyse pour ces réactions en absence ou en présence de 9-éthyl-adénine comme compétiteur pour les sites récepteurs sont rassemblées dans le tableau IV-1. Les formations du bis-adénosyl 5 et du bis récepteur 6 sont lentes et demandent respectivement 36 et 60 heures avant d’atteindre un avancement de 90Vo. Pat contraste, les formations des amides 7 et I atteignent le même avancement en 35 minutes et 80 secondes respectivement. En fait, alors que I’amine 3 est 3500 fois plus réactive que I’amine L envers I’ester 2, cette même amine L est 500 fois plus réactive que 3 envers I’ester 4. Une telle inversion des réactivités ne peut clairement pas résulter de différences dans la nucléophilie ou l’électrophilie des partenaires. Elle reflète plutôt les associations avantageuses entre adénine et récepteur qui peuvent se produire pour les paires l-4 et3-2, etpas pour les paires l’2 et3-4.

Table des matières

CHAPITRE I. LES MODELES ORGANIQUES D’ENZYMES
I- 1o) Introduction
I-2′) Les facteurs de I’efficac ité enzymatique
a) La catalys¿
b) La liaison
I-3o) Préorganisation, entropie
I-4o) Reconnaissance moléculaire
I-5′) Modèles d’en2ymes
a) Les
b) Les
CHAPITRE II. L’UTILISATION DE POLYAMIDES AROMATIQUES POUR LA RECONNAISSANCE MOLECULAIRE ET LA CATALYSE
II-1′) Introduction
II-2″) Présentation du modèle.
II-3″) Synthèse.
II-4′) Conclusion et perspectives
II-5″) Partie expérimentale
CHAPITRE III. RECONNAISSANCE MOLECULAIRE DE L’ADENINE: ROLE DE LA GEOMBTRIE, DES RESTRICTIONS ROTATIONNELLES ET DES EFFETS ELECTRONIQUES.
m- I « ) Introduction
III-2 ») Synthèse
III-3′) Titrations
a) Méthode
e ) Alte rnative d’ as s ociation
III-4′) Conclusion.
III-5′) Partie expérimentale
CHAPITRE IV. CONSEQUENCE DE L’ASSOCIATION ADENINERECEPTEUR: EFFETS DE LIAISON DANS DES REACTIONS BIMOLECULAIRES ET TRIMOLECULAIRES.
tV-2′) Mise au point des cinétiques.
IV-3′) Réactions bimoléculaires.
IV-4″) Réactions trimoléculaires.
IV-5′) Construction d’un modèle pour les réactions trimoléculaires
a) Présentation du modèIe
b) Influence des concentrations relatives.
d) Inhibition par Ie produit
IV-6″) Conclusion et perspectives
IV-7″) Partie expérimentale.
CHAPITRE V. ROLE DES PARAMETRES GEOMETRIQUES DANS LES EFFETS DE LIAISON.
V-1′) Introduction
V-2′) Synthèse
V-3″) Résultats et discussion
b) re réactionnel
V-5′) Conclusion et perspectives
V-6″) Partie expérimentale
CHAPITRE VI. CATALYSE CHIMIQUE: RECONNAISSANCE MOLECULAIRE ET STABILISATION POLAIRE D’UN INTERMEDIAIRE REACTIONNEL
VI-1′) Introduction
VI-z ») Présentation du système et modélisation
VI-3″) Synthèse
VI-4′) Résultats cinétiques et discussion
VI-5′) Combinaison de la catalyse chimique et des effets de liaison
VI-6′) Partie expérimentale r04
a) Généralités
b ) Complémentarité g éométrique.
c) Complémentarité chimique
VtI-3″) Synthèse
Vtr-4′) Études cinétiques
Vtr-s’) Partie expérimentale
a) Généralités
b) Synthèse des espaceurs
c) Assemblage des synthons
b) Synthè se de s catalyseurs
c) Synthèse des bís-récepteurs
CHAPITRE VII. INTRODUCTION DE LA CATALYSE CHIMIQUE DANS UN SYSTEME AUTOREPLICATIF.
VII-I ») Introduction
VII-2′) Présentation du projet
a) Complexe s bimoléculaires
CONCLUSION ET PERSPECTIVES

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