Synthèse, Structure, Réactivité de Dérivés Phosphorylés Hétérocycliques Contenant la D-Glucosamine

Structure et propriétés des CDs

Structure

Les CDs sont des maltooligosaccharides cycliques60,61 naturelles non réducteurs de formule brute (C6HO5)n, constitués généralement de 6 à 12 unités de α-D-glucopyranose de conformation chaise 4C1 reliés entre eux par des liaisons α-(1→4). Les trois cyclodextrines les plus rencontrées comportent 6, 7 et 8 unités glucosidiques, et sont nommées respectivement α-, β- et γ-cyclodextrine (Figure.III.5). Il existe de nombreuses nomenclatures pour ces composés: ainsi la β-cyclodextrine peut être désignée par les termes β-dextrine de Schardinger30,31, cyclomaltoheptaose, cycloheptaglucane, cycloheptaamylose ou encore cyclo-α- (1→4)-glucoheptaoside62 . Figure.III.5.Représentation schématique des CDs Les CDs ont attiré l’attention des chercheurs grâce à leurs propriétés spécifiques qui sont principalement dues à leurs structures uniques. La face la plus étroite est constituée par les groupements hydroxyles primaires (un par glucose en position C-6) alors que les groupements hydroxyles secondaires (en position C-2 et C-3) sont situés à l’opposé sur la partie large de la couronne (Figure.III.6). 60. W. Saenger, J. Jacob, K. Geȕler, T. Steiner, D. Hoffmann, H. Sanbe, K. Koizumi, S-M.Smith, T.Takaha. Chem. Rev. 1998, 98, 1787 – 1802 61. L. Stominska, A. Szostek, A. Girzeskowiak. Carbohydr. Polym.2002, 50, 423 – 428. 62. S. Makedonopoulou, I-M. Mavridis. Carbohydr. Res. 2001, 335(3), 213 – 220. α-CD β-CD γ-CD Chapitre. III Généralités et Etude Bibliographique sur la Chimie des Cyclodextrines 65 Figure.III.6.Structure tridimensionnelle (3D) de la CD simplifiée la forme tronconique (forme spatiale) La proximité des deux types d’hydroxyles secondaires conduit à la formation de liaisons hydrogène intramoléculaires, et ce d’une unité de glucose à une autre. De telles liaisons conduisent à une stabilisation du macrocycle. Ce phénomène est particulièrement important dans le cas de la βCD63,64

Propriétés des cyclodexterines

Il existe des CDs plus grandes (appelées géant) qui peuvent contenir jusqu’à quatorze unités glucopyranosiques. Grâce aux structures tridimensionnelles obtenues par diffraction des RX, la forme tronconique des CDs a pu être déterminée7 , ainsi que le réseau de liaisons hydrogènes interglycosidiques des hydroxyles primaires et des hydroxyles secondaires. La structure du cône est formée autour d’un squelette carboné construit par les unités de glucoses reliées entre elles par les atomes d’oxygène glucosidiques. Ce squelette crée une cavité moléculaire possédant des propriétés très originales dues aux positions spatiales des différents groupements constitutifs de la cyclodextrine. Cette cavité d’environ 0.57 à 0,95 nm de diamètre (Figure.III.7) qui leur permet d’inclure de nombreux composés organiques pour former des complexes d’inclusion à l’état solide ou en solution.Figure.III.7.Structure tridimensionnelle des différentes cyclodextrines27 La structure tridimensionnelle des CDs est de type tronc-conique, dont la paroi est constituée d’unités glucose en conformation chaise C-1. De plus, la formation de deux couronnes de liaisons hydrogène, sur les deux faces, donne à l’ α- et la β-CD une structure relativement rigide. Selon la numérotation communément employée dans la chimie des sucres, les protons H-1, H-2, H-4 et les deux protons H-6a,b sont dirigés vers l’extérieur, tandis que les protons H-3 et H-5 sont orientés vers l’intérieur de la cavité (Figure.III.8). Ces derniers sont les seules pouvant interagir avec un substrat inclus dans la cavité. Figure.III.8.Représentation de la numérotation des unités glucosidique α-(1→4) en conformation chaise

Solubilité des CDs en solution

A cause de la structure tronconique et de la position particulière des hydroxyles, les cyclodexterines sont amphiphiles et possèdent donc deux zones de polarité distinctes. La présence des Chapitre. III Généralités et Etude Bibliographique sur la Chimie des Cyclodextrines 67 hydroxyles sur la CD lui confère son caractère hydrophile. Les protons de C-3 et de C-5 (H-3 et H-5 respectivement), ainsi que les oxygènes inter-glycosidiques O-4, pointant vers l’intérieur de la cavité, lui confèrent un caractère hydrophobe, responsable des remarquables capacités d’inclusion de molécules à caractère apolaire (ou partiellement apolaire), et leurs paires d’électrons non liantes sont dirigés vers l’intérieur de la cavité moléculaire. Cette orientation conduit l’intérieur de la cavité de la cyclodextrine à posséder une forte densité électronique ce qui lui confère les caractéristiques d’une base de Lewis. La ceinture de l’α-CD est incomplète quand celle de la γ-CD est assez lâche (très ample) ce qui les autorisent à créer des interactions avec l’eau65 . Les dimensions et certaines caractéristiques physico-chimiques des CDs sont présentées dans le tableau. III.3.Le diamètre de la cavité et la masse moléculaire augmentent avec le nombre d’unités glucopyranose constitutives. Toutes les valeurs du Tableau.III.3. montrent une évolution régulière pour les séries α-CD et β-CD et γ-CD. Le pka, les enthalpies, les entropies d’ionisation et les valeurs structurales concordent dans cette progression. Néanmoins, le comportement de la solubilité est très différent. Les termes thermodynamiques en solution montrent que la solubilité relativement faible de la βCD est associée à un ΔH° et un ΔS° moins favorable. Ces valeurs montrent que malgré une forte similitude structurale, les CDs n’ont pas un comportement comparable vis à vis des molécules d’eau68 . Leur solubilité dans l’eau augmente dans le sens: β- < α- < γ-CD. La faible solubilité dans l’eau de la β-CD en comparaison des deux autres, s’explique par la rigidité de la structure due à la présence d’une ceinture complète de sept liaisons hydrogènes au niveau de la couronne secondaire. Ces liaisons hydrogènes mettent en jeu un groupe hydroxyle d’une unité glucose (OH-2) avec un autre groupe hydroxyle (OH-3) de l’unité adjacente71 . Cette faible solubilité est aussi attribuée à la formation d’agrégats de β-CD72 . Une étude systématique sur l’influence d’un environnement ionique a montré que la solubilité augmente dans des solutions de cations métalliques avec la concentration. E. Fenyvesi et coll73 . ont étudié la solubilité de la β-CD dans des solutions aqueuses de différents acides organiques. Ils ont montré que les acides hydroxyliques, tels que les acides citrique et tartrique augmentent la solubilité de la β-CD dans l’eau, tandis que les acides carboxyliques la diminuent. Dans le cas de l’α-cyclodextrine, cette ceinture de liaison hydrogène est incomplète car une unité glucose se trouve en position distordue par rapport aux autres unités glucose. Moins rigide que la β-CD, l’α-cyclodextrine possède ainsi une plus grande solubilité dans l’eau. De la même façon, la très grande solubilité de la γ-cyclodextrine est dûe à sa très grande flexibilité. Les CDs cristallisent sous forme d’hydrates non définis (CD.nH2O) et leur taux d’hydratation est largement dépendant de la pression de vapeur d’eau du milieu environnant74 . Concernant la β-CD qui a été la plus étudiée, l’hydratation moyenne est de à 12 molécules d’eau. Les CDs sont des molécules chirales dans lesquelles chaque unité de glucose possède cinq centres asymétriques. D’après ces propriétés structurales et principales caractéristiques de l’ α-, β- et γ-CDs natives, et d’après la littérature, il existe de nombreux exemples sur la β-CD qui ont été le plus utilisés pour laréalisation de complexes d’inclusion, est la plus couramment employée et elle représente au moins 95% de la production de CD75. Ceci est pour plusieurs raisons:  Diamètre de cavité ;  Prix;  Approbation;  Disponibilité. Aujourd’hui, la production de β-CD est supérieure à 00 T/an et son prix continue de baisser (quelques $ par kilogramme). Leur prix initial élevé est devenu abordable grâce à une augmentation de la production (voir le tableau ci-dessous). D’autres CDs naturelles sont produites industriellement (la production industrielle de ces molécules est entreprise: la matière première (l’amidon) est peu coûteuse et la technique de production par dégradation enzymatique relativement simple).

Stabilité des CDs en solution

La stabilité des CDs en solution est relativement peu influencée par les conditions de pH et de température. Selon V.Stella et coll 78 , l’hydrolyse des CDs peut avoir lieu dans certaines conditions de pH très acide (<1) et à 80 °C. En milieu très basique (pH > pKa), il y a possibilité de former des ions alcoolates plus solubles que les CDs neutres. Les valeurs des constantes pKa sont données dans le Tableau.III.3 pour les trois cyclodextrines natives 

Toxicité des CDs

En général, les CDs sont considérées comme relativement peu toxiques par administration par voie orale50. Ces molécules ne diffusent quasiment pas au travers des membranes biologiques et ne sont pas absorbées lors du transit intestinal79 . Plusieurs études ont montré que les CDs ne présentent aucun effet toxique80 . Nous pouvons alors les considérer comme des agents de formulation plutôt que comme des réactifs chimiques ordinaires (contrairement aux agents de complexation ou de solubilisation tels que les solvants organiques). III.5. Complexe d’inclusion Les CDs forment des complexes d’inclusion avec un grand nombre de molécules (neutres, chargés, polaires ou apolaires)81. Cette propriété, mise en évidence dans les années trente82,83 et largement acceptée à partir des années cinquante84,85, est à l’origine de la plupart des applications industrielles des CDs86 . La formation des complexes d’inclusion peut se produire aussi bien en solution qu’à l’état solide. Un complexe d’inclusion est la résultante d’une multitude interaction mettant en jeu la CD, l’invité et le solvant visant à acquérir l’état thermodynamique le plus stable87,88 (Figure.III.9) En solution, la cavité de CD est occupée par des molécules d’eau. Cela crée un état énergétique défavorable du fait des interactions polaire-apolaire90. Les molécules d’eau sont donc facilement remplacées par des molécules moins polaires. La formation d’un complexe d’inclusion (CD : invité) peut être décrite en cinq étapes54: E t a p e 1 : Les molécules d’eau sont libérées de la cavité de la CD suite au rapprochement de l’invité de la CD. En conséquence, le degré de liberté des molécules d’eau expulsée augmente du fait de la diminution des interactions et du nombre de liaisons hydrogène avec la cavité; E t a p e 2 : L’invité hydrophobe se débarrasse de la couche d’hydratation qui l’enveloppe; E t a p e 3 : L’invité pénètre et occupe la cavité de CD formant ainsi un complexe d’inclusion stabilisé par des interactions de Van der Waals, interactions hydrophobes et/ou par des liaisons hydrogène; E t a p e 4 : Les molécules d’eau libres se réarrangent et forment des liaisons hydrogène entre elles; E t a p e 5 : La structure de l’eau est restaurée autour de l’invité non complexé. La principale force gouvernant la formation de ces complexes est la stabilisation énergétique du système par le remplacement, dans la cavité, des molécules d’eau à haute enthalpie par des molécules hydrophobes qui créent des associations de type « apolaires-apolaires91 ». Autrement dit, l’exclusion des molécules d’eau suite à l’inclusion du composé « invité » dans la cavité de la CD peut être considérée comme une des étapes clés de la complexation92 . L’exemple le plus simple et le plus fréquent est l’obtention d’un complexe (hôte : invité) de stœchiométrie 1/1 93 . Des complexes de structure et stœchiométrie plus compliqués 2/1, 1/2 et 2/2 peuvent également être obtenus94 (Figure.III. La formation d’un complexe d’inclusion entre une CD et une molécule invitée confère à ce complexe des propriétés physico-chimiques et biologiques différentes de celles de la CD et de la molécule incluse prise séparément. Parmi ces modifications, on peut citer:  L’amélioration de la dissolution et de la solubilité du soluté et l’augmentation de sa biodisponibilité (dans le cas des principes actifs)43;  La modification de ses propriétés spectrales27 (déplacements chimiques en RMN, longueur d’onde du maximum d’absorption en UV, intensité de la fluorescence,… etc.);  La modification de sa réactivité95. Le soluté bénéficie ainsi d’une protection contre la dégradation thermique ou photochimique, l’oxydation, l’hydrolyse et voit sa stabilité accrue41;  La diminution de sa diffusion, de sa volatilité et de sa sublimation96 

Méthodes et techniques de préparation du complexe d’inclusion (CD : invité)

Il existe diverses techniques de préparation des complexes d’inclusion. La méthode de préparation doit être choisie selon les applications envisagées car elle influence sur les caractéristiques physico-chimiques et la dissolution du complexe24. La préparation peut s’effectuer en milieu liquide ou solide en allant de simples méthodes de laboratoire jusqu’à l’échelle industrielle97 . Généralement la CD est dissoute en présence de l’invité puis laisser un équilibre s’établir. Le complexe sera par la suite récupéré sous forme solide. Les méthodes souvent utilisées sont les suivantes98,86: L’inclusion par co-précipitation99; L’inclusion par co-mélange0; L’inclusion par co-évaporation 1; L’inclusion par atomisation/ pulvérisation (spray drying) 2; L’inclusion par lyophilisation (freeze drying) .