acrylamides chiraux
O- protégé de la sérine 101 (Tableau 32, entrée 5), à 85% pour le dérivé de phénylalanine 97
IV.2.3. Alkylation de Friedel-Crafts utilisant les δ-lactames insaturés
Afin de déterminer si les acrylamides inclus dans des structures cycliques à 6 chaînons présentent la même réactivité que les γ-lactames, nous avons utilisé les deux δ-lactames, synthétisés par notre méthodologie de métathèse cyclisante, comme partenaire de la réaction de Friedel-Crafts avec le 2,4-diméthyl-3-éthylpyrrole.
131
a) Tewari, B. B. Bull. Korean Chem. Soc. 2002, 23, 705-707. b) Hisatoku, T. Permachem asia ltd JP 56-122345 A 55-26122 1980.
99
Nos conditions expérimentales ont permis, en 3 heures, d'obtenir les deux produits issus de l'alkylation, avec de bons rendements. Le pyrroloamide dérivé de la phénylalanine 105 a été isolé avec un excès diastéréoisomérique de 3:1, relativement proche de celui observé dans le cas de son analogue à 5 chaînons (Tableau 33, entrée 1). Dans le cas du dérivé de la méthionine 106, nous avons cependant remarqué une chute significative de la diastéréosélectivité par rapport à la structure à cinq chaînons, abaissée à 4:1 (Tableau 33, entrée 2).
Entrée R (δ-lactame) Rdt. (%) r.d. Produit
1 Bn (95) 60 3:1 105
2 CH2CH2SMe (96) 81 4:1 106
Tableau 33 : Synthèses de pyrroloamides contenant une structure cyclique à six chaînons.
Les acrylamides inclus dans des structures cycliques à six centres ont montré des diastéréosélectivités moins importantes que dans le cas de cycles à cinq centres et ce même dans le cas d'un dérivé de la méthionine. Dans ce cas, la chélation supplémentaire de l'aluminium par le soufre se trouve perturbée du fait de la grande taille de cycle du chélate. La faible diastéréosélectivité peut être également expliquée par les phénomènes d'interconversion entre les conformations demi-chaise et demi-chaise inversée, géométries majoritaires, connues dans les structures de type dihydropyridin-2-ones (Schéma 76).
100
V. Etude de la structuration du pyrroloamide tripeptidique 43b
Nous avons souhaité étudier le comportement de ces pyrroloamides en solution. En effet, certaines structures dérivées de peptides peuvent adopter une conformation spatiale définie en solution, on parle alors de structure secondaire. Ces structures secondaires sont généralement stabilisées par des interactions inter ou intramoléculaires de type liaisons-H, interactions hydrophobes, interactions de Van der Waals mais on retrouve également des structures s'organisant autour d'une espèce centrale métallique ou ionique. On retrouve ainsi un grand nombre de morphologie associées à ces édifices macromoléculaires parmi lesquelles les structures de type feuillets ou les structures en hélices (Figure 25).132
Figure 25 : Exemples de structures secondaires.
Dans les pyrroloamides synthétisés, et notamment dans le cas du composé 43b portant deux chaînes peptidiques constituées de trois résidus, des phénomènes de structuration peuvent intervenir. Nous pouvons envisager le cas où des liaisons-H s'établissent au sein d’une même chaîne ou entre les deux chaînes, le pyrrole pouvant alors être considéré comme un espaceur (Figure 26).
132
a) Otzen, D. Biochim. Biophys. Acta, Proteins Proteomics 2011, 1814, 562-591. b) Dill, K. A.; Ozkan, S. B.; Shell, M. S.; Weikl, T. R. Annu. Rev. Biophys. 2008, 37, 289-316. c) Dill, K. A.; MacCallum, J. L. Science 2012,
338, 1042-1046. Voir aussi: d) Gellman, S. H. Acc. Chem. Res. 1998, 31, 173-180. e) Hill, D. J.; Mio, M. J.;
Prince, R. B.; Hughes, T. S.; Moore, J. S. Chem. Rev. 2001, 101, 3893-4011. f) Hecht, S.; Huc, Y. Foldamers:
101
Figure 26 : Structures secondaires possibles dans le cas du pyrrolamide 43b.
Nous avons alors cherché à déterminer si un de ces phénomènes pouvait être observé dans le cas du pyrroloamide 43b. Pour cela, la RMN est un outil puissant permettant d'apporter des éléments capables d'élucider les structures secondaires. Récompensé en 2002 par le prix Nobel, Kurt Würhrich fut l'un des pionniers de son utilisation pour déterminer la structure tridimensionnelle de protéines.133
En effet, l'analyse des déplacements chimiques ainsi que des constantes de couplage des protons amides donne accès à des informations comme la présence de liaisons-H ou leur force. L'étude complète de la structuration du pyrroloamide 43b est actuellement en cours, néanmoins nous allons exposer les premiers éléments en notre possession.
Etude de la structuration du pyrroloamide 43b
L'étude structurale du pyrroloamide 43b a nécessité, dans un premier temps, d'attribuer chaque signal du spectre RMN 1H à chaque élément de notre structure afin de différencier les résidus d’acides aminés. Dans un souci de clarté, chaque acide aminé sera identifié à l'aide de son code à une lettre (F pour phénylalanine et L pour leucine) ainsi qu'un chiffre attribué de façon arbitraire comme illustré dans la Figure 27 ci-dessous.
Figure 27 : Numérotation des acides aminés dans le composé 43b.
133
102
Les spectres RMN sur une solution du composé 43b à 5mM dans CD3OH ont été réalisés
à 298 K sur un spectromètre 600 MHz. Le spectre RMN 1H montre notamment une superposition de certains signaux correspondant aux protons amides ainsi que trois signaux correspondant au N-H pyrrolique pouvant être attribués à la coexistence de trois structures en solution avec cependant une des forme très majoritaire (Figure 28).
Figure 28 : Spectre RMN 1H (600 MHz, CD3OH) du pyrroloamide 43b.
L'étude structurale du composé 43b s'est déroulée en deux étapes. La première a consisté à identifier et classer les différents acides aminés via les couplages scalaires de l'expérience TOCSY. En effet, en RMN du proton, les couplages scalaires ne concernent que les protons d'un même résidu, le carbone quaternaire de la liaison peptidique interdisant tout couplage scalaire entre deux résidus adjacents. Cette caractéristique fournit un moyen aisé d'identification des différents systèmes de spins. Ainsi en observant le spectre 2D TOCSY dans la zone des N-H, un signal correspondant à une phénylalanine présentera des couplages avec le proton de la position α ainsi qu'avec les deux protons de la position β. Une leucine présentera des signaux supplémentaires liés aux protons des positions γ et δ. Par cette méthode les différents signaux de la zone des N-H ont pu être attribués aux acides aminés correspondants (Figure 29).
103
Figure 29 : Agrandissement de la zone des protons amides du spectre RMN 1H-1H TOCSY (600 MHz, CD3OH) de 43b.
Grace à la carte 2D TOCSY, les déplacements chimiques des signaux des différents systèmes de spins ont été identifiés mais sans pouvoir les attribuer aux différents résidus. L'étape qui a suivi la détermination de ces systèmes et qui a permis de replacer les acides aminés dans la séquence a consisté à analyser une expérience NOESY mettant en évidence les couplages dipolaires dans l'espace. La superposition des deux spectres 2D nous permet de différencier chacun des acides aminés en prenant en compte la structure du composé étudié (Figure 30). Dans notre cas, on observe des couplages entre les protons amides et leur Hα en TOCSY (flèches bleues) et le Hα de l’acide aminé suivant en NOESY (flèches rouges). Ainsi les leucines des extrémités N-terminales ne présenteront pas de couplages en NOESY dans la zone du spectre observée à la différence des leucines C-terminales. Nous avons ainsi réalisé l’attribution de chaque proton amide aux acides aminés correspondants.
104
Figure 30 : Superposition des agrandissements des spectres RMN 1H-1H TOCSY et NOESY (600 MHz, CD3OH) de 43b.
Nous avons ensuite pu commencer l'étude de la structuration éventuelle du pyrroloamide
43b. Le seul élément en notre possession est, pour le moment, l'étude de l'influence de la
température sur les déplacements chimiques des protons amides. Une variation de la température entraine une variation des déplacements chimiques des N-H d'amides, ce paramètre est appelé coefficient de température (C.T.) et est calculé comme la différence de déplacement chimique suivant la gamme de température (C.T. = Δδ/ΔT) exprimée en partie par million (ppm) par Kelvin. Il est communément admit qu'une liaison hydrogène intramoléculaire est mise en évidence lorsque ces coefficients sont supérieurs à une valeur de -6 ppb/K.
Les déplacements chimiques des protons amides du composé 43b ont donc été mesurés sur une gamme de température allant de 0 °C à 25 °C. Nous remarquons des variations inégales des déplacements chimiques des N-H d'amides. Pour plus de lisibilité, ces variations ont été reportées sous la forme de graphiques dont les pentes nous ont permis d'accéder aux coefficients de températures (Figure 31).
105
Figure 31 : spectres RMN 1H (600 MHz, CD3OH) en fonction de la température.
Les coefficients de température mesurés (Tableau 34) montrent que les N-H des résidus L2, L3, L4, F1 et F2 possèdent des coefficients de température inferieurs à -6 ppb/K, indiquant qu'ils ne sont pas engagés dans des liaisons non-covalentes. En revanche, le proton N-H de la leucine L1 présente un coefficient de -5,6 ppb/K indiquant la présence d'une liaison-H (Tableau 34). Résidu T (K) L1 (ppm) L2 (ppm) L3 (ppm) L4 (ppm) F1 (ppm) F2 (ppm) 273 8,32 8,19 8,12 8,50 8,63 8,16 278 8,30 8,14 8,08 8,46 8,56 8,12 283 8,27 8,10 8,04 8,42 8,51 8,08 288 8,24 8,05 8,00 8,38 8,44 8,04 293 8,21 8,00 7,96 8,34 8,38 7,99 298 8,18 7,97 7,92 8,30 8,33 7,95 C.T. (ppb/K) -5,6 -8,8 -8 -8 -12 -8,4
106
Bien que nous ayons pu mettre en évidence la présence d'une liaison hydrogène intramoléculaire, les éléments à notre disposition ne permettent pas de déterminer le type de structure secondaire rencontrée (Schéma 77). Les études complémentaires permettant de connaitre le type d'organisation en solution du pyrroloamide 43b sont actuellement en cours au sein du laboratoire.134
Schéma 77 : Structures secondaires possibles.
IV. Conclusion
Au cours de ce premier chapitre, nous avons développé une nouvelle version de la réaction d'alkylation de type Friedel-Crafts entre des pyrroles non protégés et des acrylamides chiraux très fonctionnalisés dérivés d'acides aminés. Une version simplifiée de cette réaction a permis de mettre en évidence la grande tolérance de cette réaction vis-à-vis d'acrylamides complexes, composés de séquences peptidiques de taille variable pouvant aller jusqu'à quatre résidus d'acide aminés (Figure 32).
Figure 32
134
Pour les différentes techniques permettant l'analyse conformationnelle de biomolécules, voir: a) Salmon, L.; Yang, S.; Al-Hashimi, H.M. Annu. Rev. Phys. Chem. 2014, 65, 293-316. b) Jensen, M. R.; Markwick, P. R. L.; Meier, S.; Griesinger, C.; Zweckstetter, M.; Grzesiek, S.; Bernadó, P.; Blackledge, M. Structure 2009, 17, 1169-1185. c) Fernandes, C. Thèse de doctorat, Université Blaise Pascal, Clermont Ferrand 2008.
107
Bien que le cas du pyrrole simple se soit avéré plus complexe qu'une simple réaction de Friedel-Crafts, nous avons pu mettre au point des voies d'accès sélectives à chacun des pyrroles, monoalkylé et dialkylé, en utilisant des acides de Lewis simples et peu onéreux. Cette méthodologie a également été étendue au cas de peptidoacrylamides (Schéma 78).
Schéma 78
Parmi ces nouveaux composés peptidiques complexes, l'un d'eux est actuellement analysé de façon approfondie afin de déterminer de façon précise sa capacité d'auto-organisation en solution ainsi que sa structure secondaire ayant été mise en évidence au cours des premières expériences (Figure 33).
Figure 33
En utilisant des acrylamides substitués, la faisabilité de la réaction est directement reliée au caractère π-excédentaire du pyrrole utilisé. Ainsi le plus nucléophile de tous, le kryptopyrrole, a pu être additionné sur l'ensemble des acrylamides étudiés. A l'opposé le
108
pyrrole simple n'a permis qu’une réaction avec les acrylamides non substitués. Cet équilibre entre l'électrophilie des pyrroles d'une part et la nucléophilie des acrylamides de l'autre peut être représenté sous la forme du graphique ci-dessous (Figure 34).
Figure 34
Bien que dans le cas d'acrylamides substitués, les réactions réalisées n'ont pas présenté de diastéréosélectivité, l'utilisation d'acrylamides inclus dans des structures cycliques comme partenaires de la réaction a conduit à une grande variété de pyrroloamides cycliques de façon diastéréosélective. Cette méthodologie, dans laquelle des lactames sont utilisés comme partenaires, est un des rares exemples d'alkylation diastéréosélective de pyrrole (Figure 35).135
Figure 35
135