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Introduction
Ce chapitre et les deux suivants portent sur trois projets différents en synthèse totale. La synthèse totale concerne le développement de méthodologie permettant d’atteindre des molécules cibles comme des produits naturels. Autrement dit, c’est la synthèse complète de molécules complexes à partir de produits commerciaux.
Certains produits naturels possèdent de grandes vertus médicinales. Souvent, ces molécules ciblées sont des composés présents en très faible quantité dans la nature. Ces molécules peuvent être des métabolites secondaires que les organismes comme les champignons, les végétaux et les bactéries produisent pour le fonctionnement de leurs organismes. Par définition, les métabolites primaires ont le rôle essentiel de maintenir la survie de l’organisme par leurs présences directes et leur participation au fonctionnement de base. Il participe directement à la croissance, au développement et à la reproduction de l’organisme vivant. Le rôle des métabolites secondaires, quant à eux, ne se manifeste pas aussi clairement et abondamment que les primaires. Leurs rôles des métabolites secondaires sont souvent associés à des mécanismes spécifiques comme celui de défense, mais rien n’empêche de croire que ces composés peuvent avoir d’autres rôles comme celui de régulateurs et réparateurs dans le métabolisme de l’organisme.57
Les produits naturels sont une source d’inspiration pour des médicaments efficaces. L’application désirée d’un nouveau médicament est de modifier les fonctions de certaines protéines afin qu’elles activent ou inhibent un travail spécifique. Ceci peut se faire à partir de petites molécules, qui peuvent être inspirées ou directement issues de la nature, qui elle, fournit des familles de composés qui sont synthétisés aussi par des protéines.58
Le but de développer des méthodes de synthèse est de créer une bibliothèque qui servira à la synthèse de nouveaux composés utiles. La clé de cette approche repose sur le fait que les produits naturels ont été le fruit d’une sélection pour leurs activités spécifiques dans le domaine des protéines, ce qui fait de ces petites molécules des structures privilégiées, principalement pour leur capacité à se lier à des protéines. En effet, les micro-organismes ont
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sélectivement développé ces produits naturels avec un but et parfois ce but est de viser les sites actifs des protéines du vivant comme celle des humains. Ces petites molécules possèdent donc le compromis dans le squelette moléculaire entre la flexibilité et la rigidité, la présence d’hétéroatomes, de centres chiraux et de groupements fonctionnels adéquatement situés. Ces structures spécifiques sont nécessaires pour se lier favorablement aux protéines. Il faut donc se doter de méthodes de synthèse pour atteindre ce type de structure. Cela étant dit, les efforts sont justifiés par le développement de médicaments. En effet, les produits naturels ont démontré leur importance dans la découverte de nouveaux produits médicinaux. Par exemple, les produits naturels jouent un rôle dominant dans la découverte de pistes vers le développement de médicaments pour le traitement des maladies qui affecte les humains.59
On peut classer la recherche de nouveaux composés amenant aux développements de médicaments en deux catégories.60 La première approche, c’est celle qui consiste à un balayage de composés synthétiques qui génère une bibliothèque de synthèse, là où des milliers de composés sont synthétisés avec de petites variations de structures pour être ensuite testés pour leurs activités biologiques. Cette approche offre une immense librairie de composés, mais n’apporte pas un résultat avec un haut taux de réussite par molécule. La seconde approche, c’est celle de la synthèse avec une cible et dans notre cas, la synthèse de composés déjà existants dans la nature, soit la synthèse de produits naturels. Cette approche nécessite préalablement de grands efforts d’isolement, de purification et de caractérisation. Cette méthode se base sur des informations publiées de la structure des composés, principalement par la caractérisation par spectroscopie, comme la RMN à une dimension comme 1H, 13C, NOE et à deux dimensions comme COSY, HMQC, HSQC, HMBC et NOESY. De plus, la cristallographie et la méthode de Mosher permettent d’élucider la structure absolue.61 D’ailleurs, le dichroïsme circulaire vibrationnel peut servir aussi à déterminer la structure absolue lorsque ces deux méthodes précédentes ne peuvent être pratiquées.62
Malgré ces efforts de caractérisations, la synthèse de produits naturels a un meilleur taux de réussite par molécule que la méthodologie par banque de composés synthétiques. En effet, si nous considérons uniquement les métabolites de structures polycétides, environ 7000
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structures connues ont amené à plus de vingt médicaments commerciaux, avec un taux de succès de 0,3%, ce qui est bien supérieur au taux en bas de 0,001% du criblage de banque de composés synthétiques à haut débit.63
Dans ce chapitre, nous présenterons la synthèse de trois produits naturels, dont la première synthèse d’un composé appelé antrocinnamomin D. La méthode de synthèse est efficace en économie d’étapes et d’atomes et permet d’obtenir d’autres composés de la même famille qui ont déjà été synthétisés par des méthodes plus laborieuses. Cela permet ainsi de rendre accessibles avec une voie de synthèse ces produits pour des études biologiques approfondies.
Ces composés de la même famille sont issus de l’organisme Antrodia camphorata, aussi appelé Niuchangchih. C’est un champignon parasitaire utilisé dans la médecine traditionnelle chinoise. Il est renommé pour le traitement du cancer du foie, les intoxications médicamenteuses, l’hypertension et une foule d’autres conditions.64 Il était traditionnellement utilisé par les aborigènes comme prescription contre la consommation excessive d’alcool, surtout pour les maux du lendemain, mais aussi contre l’épuisement en général. Le champignon se retrouve seulement à Taïwan où il se développe lentement en forêt dans un arbre natif en voie d’extinction appelée Cinnamomun kanehirai. Ce champignon pousse spécifiquement dans le cœur du bois, aussi appelé duramen. L’organe de fructification du champignon, appelé le sporophore, est difficilement observable à moins de couper l’arbre hôte. Ce sporophore est extrêmement rare et possède un très haut prix de vente étant donné qu’il est difficilement cultivable pour des fins commerciales.65
Le contenu du champignon est traditionnellement ingéré soit par mastication soit par décoction. Le mécanisme d’action précis n’est pas pleinement compris. Tous ces produits naturels, présents dans ce champignon, jouent un rôle essentiel dans la médication, soit de façon synergique, soit de façon indépendante entre eux, personne ne sait encore. On y retrouve une foule de composés, ce qui inclut, mais ne se limite pas à des polysaccharides, des terpénoïdes, des stéroïdes, des lignanes, des dérivés benzoquinones, des aromatiques et des dérivés d’acides maléique et succinique.66
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Puisque certains agents synthétiques médicamenteux ont des effets secondaires indésirables, les efforts sont concentrés aujourd’hui sur la médecine traditionnelle. Cette médecine traditionnelle chinoise est reconnue pour permettre de s’immuniser contre les blessures, l’engraissage et les inflammations du foie. Parmi les hypothèses d’actions, quatre grandes lignes ont été suggérées. La première, c’est celle d’agent antioxydant, particulièrement pour l’élimination de radicaux libres. Il y a aussi la suggestion que ce mélange améliore l’activité des enzymes dans le foie, inhibe les médiateurs d’inflammation et induise la régénération de cellules hépatiques. Les effets directs bénéfiques ont été mesurés et l’essentiel se situe au niveau de la réparation suite à des blessures au foie par l’éthanol.67 Il y a aussi un effet contre les virus de l’hépatite B, améliore le contenu de gras dans le foie et finalement inhibe la croissance des cellules cancéreuses du foie, qui se manifeste à plus de 90% du temps chez ceux atteints de cirrhose du foie.68
Une enquête approfondie sur ce champignon durant la dernière décennie a mené à l’isolation et la caractérisation d’un grand ensemble de produits naturels. Parmi ceux-ci, une petite famille de composés a recueilli une attention particulière en raison de leurs effets pharmacologiques divers incluant des activités antitumorales, antivirales et anti- inflammatoires. Cette famille présentée dans ce chapitre, c’est celle des anhydrides maléiques et des composés avec une structure relative, représentés par les antrodins A-B et l’antrocinnamomin D (Figure 29).69
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Figure 29 : Antrodins A, B et leur analogue naturel l’antrocinnamomin D.
L’anhydride antrodin A (11) (aussi connu sous le nom de camphorataanhydride) est un puissant inhibiteur non cytotoxique sélectif de la protéase du virus de l’hépatite C (VHC) (CI50 = 0.9 µg/mL).70 La CI50 veut dire la concentration inhibitrice médiane. C’est une échelle qui permet d’évaluer la capacité d’une molécule à inhiber une fonction biochimique spécifique. La valeur numérique indique la quantité minimale pour stopper à moitié un processus biologique. D’autre part, son homologue azoté maléimide antrodin B (12) (aussi appelé camphorataimides B) est dépourvu d’activité anti-VHC, mais affiche une grande cytotoxicité contre des cellules tumorales du poumon, aussi appelé le carcinome pulmonaire de Lewis.71
Par ailleurs, des études récentes ont révélé que l’antrodin B supprime la croissance de certains types de cellules du cancer du sein chez les souris à une dose de 3 mg/kg, trois fois par semaine avec injection sans effets secondaires.72 De nouveaux membres de cette famille, tels que l’antrocinnamomin D, ont démontré la capacité à inhiber la production de médiateurs pro-inflammation dans les macrophages, comme le radical libre monoxyde d’azote, un important messager de signalisation cellulaire chez les mammifères et l’interleukine 6, une cytokine, qui est aussi un messager, au niveau du foie. Tous ces résultats ont été obtenus
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malgré l’insuffisance de matériel qui empêche un dépistage complet des membres de cette famille de composés naturels.
Bien entendu, le potentiel thérapeutique et la rareté de ces composés ont stimulé un intérêt considérable pour leurs synthèses. Les antrodins A et B ont été synthétisés par les groupes Argade, Stewart et Lee. La synthèse d’Argade se développe ainsi (Schéma 24). 73
La synthèse commence avec le bromure de méthyle fumarate qui subit un réarrangement allylique avec le Grignard aromatique (73%). Ensuite, ce composé une fois saponifié (92%) se convertit en anhydride avec une migration d’oléfine pour un rendement quantitatif à reflux en présence d’anhydride acétique. L’étape suivante est l’halogénation avec le NBS en présence d’une quantité catalytique de surfactant (DBP = Phtalate de dibutyle) pour un rendement de 80%. La substitution allylique qui suit permet d’insérer le groupement isopropyle présent chez les membres de cette famille de composés pour fournir le produit (45%) qui sera déméthylé avec le BBr3 (91%). L’étape d’allylation qui sera employée sera utilisée à nouveau dans les mêmes conditions dans ce chapitre. Cette étape a été accomplie ici avec un rendement de 90% pour offrir le membre A de la famille Camphorataanhydride avec un rendement global de 20%. Celui-ci sera chauffé en présence d’urée pour offrir le membre B (81%) avec un rendement de global de 16%. Bien que ces rendements se situent en deçà des 20% pour les membres de cette famille, ce laboratoire fut le premier à développer une voie de synthèse permettant d’accéder à ces membres d’une même famille d’anhydride maléique.
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Schéma 24 : Synthèse des Antrodins A et B par le groupe de Argade.
Quant à la synthèse de Stewart74, l’approche s’est plutôt faite à partir d’un anhydride dichloré (Schéma 25).
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La synthèse commence par une condensation de l’anhydride maléique avec la benzylamine dans l’acide acétique (81%) suivit d’un couplage croisé de Negishi avec le bromure de zinc d’isobutyle pour offrir le compose mono alkylé à 60% de rendement. Par la suite, un composé acide boronique a été préparé à partir du 4-bromophenol avec les conditions usuelles d’allylation (77%) suivie d’un échange halogène métal et d’un traitement avec le borate de triméthyle pour offrir l’ester boronique respectif. Ce dernier, une fois hydrolysé (59%), subit un couplage croisé de Suzuki avec chloromaléimide formé plus tôt pour un rendement de 76%. Ce nouveau produit est traité avec de l’hydroxyde de potassium à reflux dans un mélange THF/méthanol pour se convertir en antrodin A (63%) avec un rendement global de 23%. L’antrodin B est obtenu en présence d’urée (60%) pour un rendement global de 14%.
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Schéma 25 : Synthèse des Antrodins A et B par Stewart et ses collègues.
Et finalement, voici la synthèse du groupe de recherche menée par Lee (Schéma 26).75 On y retrouve une réaction peu recommandable pour l’environnement : c’est le couplage de Stille faisant intervenir de l’étain, un métal lourd toxique et qui nécessite une purification infaillible si l’objectif inclut la mise en marché pour l’exposition au vivant.
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Leur synthèse commence avec l’anhydride succinique placé dans un réacteur en téflon en présence du brome pour fournir le composé di-bromé avec un rendement de 89%. Ensuite, en présence de benzylamine, l’anhydride dibromé a été converti à reflux dans l’acide acétique en benzyle maléimide (86%). Par la suite, on obtient le bromomaléimide avec un seul couplage au cuivre avec le composé de Grignard donnant le produit désiré avec un rendement de 61%. La synthèse préalable d’un composé stannane issu d’un échange halogène métal du composé bromé respectif (96%) a permis d’obtenir le produit de couplage au palladium avec un rendement de 94%. Ce composé a ensuite été converti en antrodin A par un reflux basique (92%) pour un rendement global de 39% qui celui-ci pouvait être converti en antrodin B en chauffant avec l’acétate d’ammonium (88%) pour un rendement global de 34%.
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Schéma 26 : Synthèse des antrodins A et B par Lee et ses collègues.
Tandis que toutes les synthèses précédentes avaient pour cible l’anhydride et le maléimide, nous nous sommes intéressés à une approche synthétique nouvelle qui nous fournirait également le γ-hydroxybuténolide antrocinnamomin D. Ce composé porte une
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fonction hydroxyle et une fonction carbonyle sur un furane et le défi se situe au niveau de la discrimination stérique entre les deux carbonyles de l’anhydride de départ. Il existe une stratégie bien employée dans la littérature et c’est celle de faire réagir le composé avec un agent oxydant. Il y a une réaction de réarrangement qui a démontré un haut taux de succès dans le cas qu’on y retrouve un biais stérique et électronique significatif, comme ces deux exemples le démontrent.
L’application a été utilisée de façon ingénieuse en l’utilisant à deux endroits sur une molécule symétrique, au cours d’une synthèse développée par Nicolaou et ses collègues (Schéma 27).76
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Schéma 27 : Les trois dernières étapes de la synthèse totale de l’epiccocin G par le groupe de Nicolaou dont la première étape fait intervenir de l’oxygène singulet menant au réarrangement de Kornblum-DeLaMare.
Cette réaction à la fin de cette synthèse totale utilise l’oxygène à l’état singulet,77 un état de plus haute énergie que l’oxygène triplet qui est communément retrouvé dans l’atmosphère. Cette énergie est fournie par une radiation (hv) qui est ensuite transférée par le photosensibilisateur tétraphénylporphyrine (TPP) à l’oxygène triplet. Cela permet à l’oxygène de réagir avec le diène et fournir le composé avec deux fonctions peroxyde de structure endo. Cette synthèse permet d’obtenir le produit naturel à partir de l’intermédiaire diène symétrique qui sera doublement réarrangé par la réaction de Kornblum-DeLaMare. L’encombrement stérique sur le composé va diriger la base DBU à éliminer de façon régiosélective le proton amenant à la fonction carbonyle. Suite à cette attaque, la rupture du
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peroxyde offre l’alcool. Les oléfines de ce diol seront ensuite réduites pour fournir le produit naturel. C’est une réaction douce qui fait intervenir un oxydant et une base permettant de construire une structure possédant une énone et une fonction alcool à partir d’un diène.
Voici un autre exemple de cette réaction appliquée retrouvée dans la littérature, soit la synthèse totale du produit naturel sandresolide B (Schéma 28).78
Schéma 28 : Synthèse du sandresolide B par le groupe de Trauner utilisant un réarrangement de Kornblum-DeLaMare.
Malheureusement, dans notre planification de synthèse, cette méthode qui s’est démontrée efficace pour ce furane n’a pas démontré des résultats dans d’autres cas et c’est justifié par le manque de sélectivité, spécifiquement par la faible discrimination dans la structure entre les diènes amenant au régiomère désiré. Les difficultés associées à cette dernière cible sont illustrées par la synthèse de Clive d’un produit naturel relatif, à savoir, le microperfuranone (Schéma 29).79
Dans cette synthèse, le produit de départ subit la condensation de Stobbe, offrant le produit trans, qui celui-ci est saponifié pour ensuite subir un reflux pour obtenir l’anhydride maléique isomérisé pour un rendement global de 23%.80 Par la suite, l’anhydride subit une réduction en diol avec le LAH pour un rendement de 19%. Le furane est ensuite obtenu en présence de PCC pour un rendement de 65%. Ce furane ensuite réagit avec de l’oxygène singulet, amorcé par une irradiation transférée par le rose Bengale pour fournir un mélange
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1 : 1 des isomères pour un rendement de 78%. On remarque que les conditions réactionnelles utilisées ici ne font aucune discrimination entre le groupement phényle et benzyle. L’absence de régiosélectivité dans ce cas démontre qu’il a fallu envisager une meilleure stratégie pour obtenir sélectivement le bon γ-hydroxybuténolide.
Schéma 29 : Synthèse par le groupe de Clive du mélange contenant le produit naturel microperfuranone.
Travaux présentés
Notre approche à ce type de γ-hydroxybuténolide élimine complètement ce défi. Notre tactique permet non seulement d’accéder au bon hydroxybuténolide, mais aussi ouvre la porte aux autres membres de la famille des composés (Schéma 30).
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Rétrosynthèse
Schéma 30 : Rétrosynthèse de l’antrocinnamomin D et les antrodins A et B.
Le plan de rétrosynthèse va comme suit : Les antrodins A et B seront obtenus par l’oxydation de l’hydroxybuténolide. Cet accès régiospécifique serait obtenu en insérant un groupement hydroxyle sur le buténolide, qui à son tour émergerait du buténolide de départ par couplage croisé avec le nucléophile approprié. C’est donc ici que se trouve l’implantation avec succès de cette stratégie pour la première synthèse de l’antrocinnamomin D et de nouvelles synthèses des antrodins A et B.
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Une tactique employée dans notre groupe, appliqué dans ce cas, est l’utilisation d’un agent oxydant sélectif préparé au laboratoire, soit le diméthyldioxirane (DMDO) à partir d’acétone et d’un oxydant, soit le péroxymonosulfate de potassium, aussi appelé oxone (Schéma 31).
Schéma 31 : Préparation du diméthyldioxirane (DMDO) à partir d’acétone réagissant avec l’oxone.
C’est un oxydant doux, très propre et électrophile qui s’emploie dans des conditions neutres à température pièce ou en dessous.81
Synthèse
Notre étude synthétique a commencé par la préparation de l’ester à partir du produit commercial 4-hydroxyphénylacétate de méthyle (Schéma 32).
La fonction éther avec le diméthyle allyle du composé 5 a été obtenue à partir du phénol commercial par reflux avec un rendement de 97%. L’élaboration de l’acide tétronique 6 s’est accomplie commodément en une seule opération par l’adaptation de la méthode par Le Gall.82 Ainsi, le traitement du composé 5 avec du méthyle glycolate et du t-BuOK dans le DMF pendant 50 heures à température pièce a effectué proprement la réaction tandem transesterification/condensation de Dieckmann pour fournir après un simple arrêt de réaction le composé cristallin dans un rendement essentiellement quantitatif. La prochaine étape est la préparation du composé 7 pour la réaction de couplage croisé qui s’ensuit avec un groupement triflate, dont la préparation s’est faite sans problème lorsqu’il a été à réaliser avec le Tf2O/i-Pr2NEt pour un rendement de 93%. Parmi la surabondance de conditions existant pour le couplage croisé, celles publiées par Fürstner et collègues semblaient être les
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plus appropriés à nos besoins.83 Malgré la présence du groupement aryle en position adjacente au groupement triflate du composé, le couplage catalytique au fer84 avec l’i- BuMgBr s’est effectué doucement à -30 °C en 15 minutes en fournissant le composé 8 à un rendement de 67% après colonne chromatographique. Juste à titre comparatif, nous avons aussi essayé les conditions de couplage assez délicates de Suzuki-Miyaura avec le composé commercial l’acide isobutylboronique. Le meilleur rendement obtenu par cette méthode a été de 55%. Les conditions étaient celles de Falck85, nécessitant l’utilisation d’un excès de 2.5 equiv d’Ag2O en plus du catalyseur de palladium et d’une base forte. Avec une route viable