Généralités sur les cyclodextrines

Généralités sur les cyclodextrines

Historique

L’histoire des cyclodextrines a commencé il y a plus d’un siècle. En 1891, A. Villiers rapporte l’obtention de 3g d’une substance cristalline, à partir de la digestion bactériologique de 1 kg d’amidon. Il détermine la composition de cette substance comme étant ((C6H10O5)2, 3 H2O) et met en évidence la présence de deux produits (probablement l’α- et la β-cyclodextrine). Il les baptise « cellulosines » en raison de la similarité entre leurs propriétés physico-chimiques et celles de la cellulose (résistance à l’hydrolyse acide et propriétés non réductrices).

La souche microbienne responsable de leur formation est isolée 20 ans plus tard par F. Schradinger qu’il dénomme alors Bacillus Macerans. Il décrit le mode de préparation et de purification de ces dextrines (appellation générale des produits de dégradation de l’amidon), et les nomment plus personnellement « dextrines de Schradinger ». Il parvient à distinguer les deux produits, désignés α- et β-dextrines, par leur capacité à former des complexes avec des molécules de diiode de couleur différente, respectivement gris-vert et rouge-pourpre. Vers 1930, malgré des expériences aujourd’hui discutables, H. Pringsheim montre que ces produits ont la propriété de former des complexes avec divers composés organiques.

C’est dans les années 30 que la structure des cyclodextrines commence à être élucidée. En effet, à cette époque K. Freundenberg et son équipe arrivent à la conclusion que les «dextrines de Schradinger» sont des oligosaccharides cycliques, constitués d’un enchainement d’unités glucopyranose, l’α- et la β-cyclodextrine possédant respectivement 6 et 7 unités, liées par des liaisons α-(1,4) glycosidiques. En 1948, la γ-cyclodextrine est découverte et sa structure élucidée par cette même équipe grâce aux rayons X.

Au début des années 50, le groupe de F. Cramer étudie de manière intensive les propriétés d’inclusion des cyclodextrines. Et c’est ainsi qu’en 1953, K. Freudenberg, F. Cramer et H. Plieninger déposent le tout premier brevet sur l’application des cyclodextrines dans la formulation de composés à visée biologique. Ils y démontrent que la complexation par les cyclodextrines permet la protection de substances facilement oxydables par l’oxygène de l’air, l’augmentation de la solubilité dans l’eau de composés peu solubles, la réduction de la perte de substances très volatiles, etc… A partir de ce moment là, l’étude des cyclodextrines prend un essor considérable : fabrications industrielles, synthèse de cyclodextrines modifiées, synthèse de complexes d’inclusion, etc… Dans les années 1980-90, J. Szetjli apporte une importante contribution dans la chimie des cyclodextrines.

Alors que dans les années 1970, les cyclodextrines n’étaient disponibles qu’en petites quantités et à des prix très élevés (environ 2000 US $/kg pour la β-cyclodextrine), elles sont aujourd’hui produites à hauteur d’environ 10000 tonnes/an et ont vu leurs prix nettement diminués (quelques $/kg pour la β-cyclodextrine).  De nombreux dérivés sont maintenant produits industriellement et d’autres sont disponibles commercialement en plus petites quantités.

Structures et propriétés physico-chimiques

Les cyclodextrines sont des oligosaccharides cycliques issus de la dégradation de l’amylose (forme linéaire de l’amidon) par une enzyme d’origine bactérienne, la cyclodextrine glucosyltransférase (CGTase). Les trois cyclodextrines les plus fréquemment rencontrées sont l’α-, la β- et la γ-cyclodextrine constituées respectivement de 6, 7 et 8 unités glucopyranosidiques .

Ces unités, en conformation chaise sont reliées entre elles par des liaisons glycosidiques α- (1,4). Cet arrangement explique la forme des cyclodextrines qui ressemble à celle d’un cône tronqué ou d’un abat-jour, possédant une cavité centrale.

Propriétés d’inclusion et de complexation

Le caractère amphiphile des cyclodextrines leur permet de solubiliser dans l’eau des molécules hydrophobes par formation de complexes d’inclusion. Un complexe d’inclusion est une association d’au moins deux molécules dont l’une, le substrat (ou « invité ») est encapsulée de façon totale ou partielle par l’autre, le récepteur (ou « hôte ») sous l’effet d’interactions faibles. Aucune liaison covalente n’est créée, ce qui permet une dissociation aisée et douce du complexe formé. Les cyclodextrines, ainsi que d’autres types de molécules comme les comme les éthers couronnes, les calixarènes, les cryptands, etc… peuvent jouer le rôle de molécule hôte. La cavité apolaire des cyclodextrines est occupée par des molécules d’eau, énergétiquement défavorable (association polaire-apolaire). Ces molécules sont donc facilement substituées par une molécule invitée appropriée, moins polaire que l’eau. Selon la taille de la molécule, les cyclodextrines peuvent inclure partiellement ou en totalité le composé invité (Figure 8-A). Cette propriété peut aussi conduire à des complexes comportant plusieurs molécules invitées ou inversement plusieurs cyclodextrines (Figure 8-B).

Comme déjà évoqué, la formation de complexe d’inclusion ne fait intervenir aucune liaison covalente mais uniquement des interactions faibles. Les énergies mises en jeu pour la formation des complexes d’inclusion sont de faibles amplitudes, du fait de diverses interactions (van der Waals, interactions hydrophobes, effets électroniques et facteurs stériques).  La synergie de ces faibles interactions conduit à un équilibre dynamique entre le substrat (S) encapsulé et la cyclodextrine (CD). Aussi, les constantes de dissociation des complexes « S/CD » dépendent fortement de la nature du solvant (Figure 10). La complexation entre le substrat et la cyclodextrine est d’autant plus forte que la polarité du solvant est élevée. Dans ces conditions, l’eau est donc le solvant le plus approprié pour complexer un substrat.

La formation d’un complexe d’inclusion entre une cyclodextrine et une molécule invitée confère à ce complexe des propriétés physico-chimiques et biologiques différentes de celles de la cyclodextrine et de la molécule incluse prise séparément. Parmi les principales modifications, on peut citer :
➤ La modification de la solubilité du soluté
➤ La modification des propriétés spectrales de l’hôte et de l’invité : déplacement chimique en RMN, longueur d’onde du maximum d’absorption en spectrophotométrie UV, intensité de fluorescence, etc…
➤ La modification de la réactivité chimique : protection à l’oxydation ou à la réduction, à l’hydrolyse, à la dégradation thermique ou photochimique, etc…
➤ La diminution de la diffusion et de la volatilité .

Les cyclodextrines dans l’industrie 

La propriété d’inclusion des cyclodextrines, mise en évidence dans les années 1930 et largement acceptée à partir des années 1950, est à l’origine de la plupart des applications industrielles. Grâce à cette propriété, les cyclodextrines sont impliquées dans différents domaines industriels, tels que la pharmacie, la chimie analytique, l’environnement, la cosmétique, le textile, l’alimentation, etc…. Dans le domaine pharmaceutique les cyclodextrines sont généralement utilisées pour améliorer la solubilité de médicaments. En raison de leur capacité à changer les propriétés des molécules invitées par la formation d’un complexe d’inclusion, elles agissent généralement en tant que système de transport de molécules bioactives à travers les membranes biologiques. On les trouve aussi pour le masquage des effets secondaires, ainsi que le stockage et l’absorption du médicament, les cyclodextrines étant dégradables par une enzyme, l’α-amylase, provenant de micro-organismes de la flore intestinale. La plupart des médicaments à base de cyclodextrines sont administrés par voie orale (tablettes, dragées, sirops…). Elles peuvent encore éliminer une odeur ou un goût désagréable.

Elles jouent un grand rôle dans les sciences environnementales, notamment pour la solubilisation de contaminants organiques, pour l’enrichissement et le déplacement des polluants organique et des métaux lourds du sol de l’eau et de l’atmosphère. Les cyclodextrines sont utilisés dans le traitement de l’eau afin d’éliminer les agents contaminants comme le phénol, le p-chlorophénol ou le benzène.  Elles sont également présentes dans la formulation de certains pesticides.

Table des matières

Introduction Générale
Chapitre 1 : Les Cyclodextrines : Généralités et Utilisations dans les Réactions Catalysées par des Métaux de Transition
I. Généralités sur les cyclodextrines
A. Historique
B. Structures et propriétés physico-chimiques
C. Propriétés d’inclusion et de complexation
D. Les cyclodextrines dans l’industrie
II. Utilisation des cyclodextrines dans les réactions catalysées par des métaux de transition
A. Catalyse en présence de métaux de transition et de cyclodextrines natives
B. Utilisation de complexes de métaux de transition et de cyclodextrines fonctionnalisées
III. Conclusion
Bibliographie Chapitre 1
Chapitre 2 : Synthèses et Etudes Structurales de Nouveaux complexes CobaltCyclodextrines
I. Introduction
II. Greffage de ligands azotés au niveau de la couronne primaire d’une βcyclodextrine
A. Préparation du ligand 6-(Imino-2-pyridine)-β-cyclodextrine (L1CD)
B. Préparation du ligand 6-(Amino-2-pyridine)-β-cyclodextrine (L2CD)
C. Préparation du ligand 6-(6-Amido-2,2’-bipyridine)-β-cyclodextrine perméthylée (L3CD)
III. Etudes structurales du ligand L1CD par spectroscopie RMN ROESY. Effet de la complexation par un métal de transition
A. Spectroscopie RMN ROESY du ligand L1CD
B. Spectroscopie RMN ROESY de complexes MII -L1CD (M = Co, Zn)
C. Conclusion
IV. Etudes structurales par spectrophotométrie d’absorption UV-Visible
A. Etudes spectrophotométriques de CoX2 (X=Br et BF4) en milieu DMF
B. Mise en évidence d’une complexation tétraédrique cobalt – cyclodextrine
C. Etudes spectrophotométriques des sels de cobalt CoX2 (X = Br, BF4), en présence de cyclodextrine modifiée (L1CD), de ligands azotés simples L1 et L’. Mise en évidence de complexes octaédriques
D. Effet de l’addition de RAMEB libre à des solutions des complexes Co-L1CD, Co-L1 et Co-L’
V. Conclusion
Bibliographie Chapitre 2
Chapitre 3 : Etude Electrochimique de la Stabilité et de la Réactivité du Complexe de Cobalt et β-Cyclodextrine Modifiée (L1CD)
I. Introduction
II. Bref panorama de l’utilisation des complexes de cobalt en catalyse
A. Réactions catalytiques mettant en jeu le cobalt(II)
B. Réactions catalytiques mettant en jeu des complexes de cobalt bas-valents
III. Etude électrochimique des complexes associant le cobalt et les cyclodextrines
A. Etude voltammétrique de la formation de complexes cobalt-cyclodextrine
B. Comportement électrochimique des complexes de cobalt associés aux cyclodextrines fonctionnalisées
C. Activation d’halogénures benzyliques et aromatiques par le complexe bas-valent CoI -L1CD
IV. Conclusion
Bibliographie Chapitre 3
Annexe Chapitre 3
Chapitre 4 : Préparation et Activation Electrochimique d’un Complexe CuII -salen Greffé sur la Face Primaire d’une -Cyclodextrine. Vers un Mime Potentiel et Original de la Galactose Oxydase
I. Introduction
II. Données bibliographiques sur les enzymes à cuivre
A. Classification des métalloprotéines à cuivre
B. La Galactose Oxydase
C. Conclusion
III. Modification des cyclodextrines
A. Bis-fonctionnalisation de la couronne primaire des cyclodextrines
B. Stratégie adoptée pour la synthèse du complexe CuII -salen-CD
IV. Etude électrochimique du complexe CuII -salen-CD
A. Etude du comportement électrochimique des complexes 1 et 2
B. Etude du comportement électrochimique du complexe CuII -salen-CD
V. Conclusion
Bibliographie Chapitre 4
Conclusion

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