Marine TALIBART - Claire HUET - P2 08/03/2021 Chimie organique - C. Gadais
AMINO-ACIDES ET PEPTIDES (2)
II. Les amino-acides
A. Méthodes de production industrielle et voies de synthèse
Méthodes toutes basées sur la formation d’un intermédiaire imine.
Dans la synthèse d’un amino-acide c’est une réaction qu’il va falloir maitriser (examen).
Plusieurs options pour cette imine :
-
Soit on fait une alkylation sur le carbone ! adjacent à l’imine-
Soit on travaille directement sur l’imine en faisant une réduction de cette imine (qui est déjà fonctionnalisée avec le groupement d’intérêt R2)-
Soit on fait une substitution/addiction nucléophile sur le carbone de la liaison iminea) Modification de chaines latérales (certains amine-acides naturels utilisés comme substrats pour synthétiser d’autres amine-acides non naturels)
b) Base de Schiff obtenue à partir de la glycine, plus précisément son ester (O’Donnell) c) Réaction de Strecker
a) Modification de la chaîne latérale, exemple de la synthèse de la L-Thyroxine (Levothyrox, Merck)
L-Thyroxine (cf. cours Porée) est un médicament prescrit pour les personnes ayant des troubles de la thyroïdie, notamment qui ont subit une ablation de la thyroïde. C’est une molécule
synthétisée naturellement par le vivant, mais qui ne peut plus être synthétisée normalement chez ces patients donc il faut en administrer une molécule de substitution obtenue de manière
synthétique comme traitement : Levothyroxine Sodium (top 200 des molécules qui ont rapporté le plus d’argent sur l’année 2019).
Synthèse : on part de la tyrosine (1 des 20 amine-acides naturels) caractérisée par un groupement aromatique (phénol) sur sa chaîne latérale.
A partir de cette tyrosine on va réaliser un certain nombre de substitutions : 1) Nitration de type SEAr
Positionnement : groupement hydroxyle est ortho et para orienteur, or l’alkyle occupe le para donc fixation sur ortho.
Mais groupement alkyle est aussi orienteur ortho/para, on n’a pas une substitution en ortho du groupement alkyle car les groupements hydroxyles, thiol et amines sont activants (ils vont facilement activer cette SEAr), alors que les groupements alkyles sont plutôt activants faibles.
Si on on a deux groupement orienteurs ortho/para, celui qui va avoir le dessus c’est le plus activant, ce qui favorise la substitution sur l’une de ces positions.
2) Protéger l’amine
Avec les amino-acides, les fonctions amines et acides sont des fonctions réactives qui peuvent être touchées par des réactifs.
On protège avec de l’anhydride acétique (cf. aspirine) : acylation de l’amine.
3) Estérification avec de l’éthanol, en milieu acide : TsOH = acide paratoluènesulfonique. Cet acide va catalyser la réaction d’extérification.
Etape suivante : on voit la thyrosine à été fonctionnalisé sur le phénol par un autre aromatique.
4) Formation d’un éther en utilisant le groupement déjà fonctionnalisé (utilisation de composés commercialement accessibles). On forme un éther au niveau du phénol.
5) Réduction du groupement nitro initialement incorporé (réduction permet, grâce aux conditions nitrite de sodium + acide sulfurique + dérivé halogéné de cuivre, la réaction de Sandmeyer : conversion de l’amine en composé diazo N2).
Ce composé diazo est un excellent groupement partant et la présence d’un iode va permettre de faire une substitution nucléophile sur ce composé amine transformé en diazo.
6) Dernière iodation sur le deuxième aromatique => Levothyroxine
Calcul du rendement global de synthèse :
Multiplier les rendements les 1 avec les autres = rendement de 26%.
b) Alkylation « d’équivalent glycine », exemple de la base de Schiff
2 étapes :
1) Substitution Nucléophile sur un dérivé halogéné : R2 permet de mettre tout ce que l’on veut, on a accès à une large librairie d’aminoacides originaux.
A partir de cette imine obtenue par condensation entre un carbonyle (cétone ou aldéhyde) et une amine.
2 groupements phényls vont stabiliser l’imine et apporter de l’encombrement, qui est utile pour la stéréochimie.
Ici c’est un benzophénone (cétone) réagit avec une amine.
Amine va venir attaquer la carbone électrophyle, déplacement du doublet d’e- sur l’oxygène.
L’oxygène va se trouver sous forme hémi-aminal (NH+).
TMS = Triméthylesilyle
Silyle se lie facilement avec les oxygènes
Déplacement de l’oxygène qui vient attraper le silyle qui va se libérer de ces e- de la liaison avec l’azote. Il se forme le O-TMS, l’oxygène va attraper l’autre TMS et relibérer les e- de la liaison pour former une autre imine.
Le + est sur le silyle (temporairement).
Globalement formation imine = cétone ou aldéhyde avec dérivé amine (1aire, 2aire, ammoniac) 2) Transimination : glycine est attaquée par ??
Ammonium n’est pas nucléophile.
Cette réaction se fait très souvent en milieu organique : dichlorométhane. Réaction à T° ambiante mais relativement lente.
Elle est catalysée avec un catalyseur de transfert de phase (TBAH = tétrabutylammonium ou TBAF) car on doit travailler en présence d’hydroxyde de sodium, sous forme de solution aqueuse.
2 phases non miscibles : réactif qui permet passage des molécules d’une phase à l’autre.
En phase aqueuse : base (hydroxyde de sodium, de potassium ou de lithium).
En phase organique : imine.
L’hydroxyde de sodium forme l’énolate (équilibre céto-énolique), ici énol privilégié car sous forme de sel avec l’alcalin (sodium, potassium ou lithium).
L’énolate interagit avec la catalyseur de transfert de phase.
Transfert de phase permet l’échange avec notre alcalin (aqueux) et notre sel de TBA, une fois l’énolate formé, l’halogénure d’alkyle peut réagir (déplacement des e-) et départ de l’halogène.
On a bien une fonctionnarisation sur le carbone ! avec le groupement R2. Plutôt un mélange racémique 50/50 de R et S.
Alternative : utiliser des ammoniums catalyseurs de transferts de phase chiraux, notamment ceux inspirés des alcaloïdes naturels (quinquina). On a un groupement quinoline et groupement
quinuclidine, ce mélange encombré + énantiopur va orienter l’énolate, une fois qu’on forme la paire d’ions, vers une configuration absolue R ou S.
c) Réaction via formation imine, exemple « Réaction de Strecker »
1) Formation de l’imine
Cette imine va subir une hydrocyanation : C triple liaison N (avec charge - sur le carbone).
Attaque nucléophile sur le carbone de l’imine.
On a formé des !-aminonitriles, qui peut être hydrolysé pour accéder à l’aminoacide (racémique).
Réaction du benzaldéhyde avec l’ammonium. D’abord activation de l’aldéhyde qui va permettre l’attaque de l’ammoniac sur le carbone pour former un hémi-aminal.
Transfert de protons : le doublet de l’oxygène vient capter un des protons de l’ammonium pour libérer l’amine et former un « début d’eau » qui sera éliminé car eau = très bon groupe partant.
=> Iminium (qui va réagir avec le cyanure)
Ce mécanisme se fait en une seule fois (pas de opération entre 1 et 2).
2) Ion imminium est attaqué par le cyanure => amino-!-aminonitrile (racémique R/S).
3) Hydrolyse du nitrile en milieu acide (eau).
Carbone du nitrile (cyano) va être attaqué par des molécules d’eau (oxygène attaque le carbone).
Transferts de protons entre les deux.
Ammonium va capter l’hydrogène et les électrons de la liaison OH vont se rebattre sur la liaison C- O, permettant l’élimination du groupement NH4+.
Il faut donner de l’énergie à la réaction (chaleur).
=> Phényglycine
Sources d’ion cyanure : HCN très toxique donc TMSCN ++ car pas cher (liquide facile à éliminer, même si volatile, plus facile que NaCN qui est un sel donc plus difficile à éliminer).
Stéréochimie : on va utiliser des imines préformées, on va associer des organocatalyseurs chiraux.
Chimie des amino-acides n’est pas uniquement racémique !! Il y a des méthodes pour accéder à des composés énantiomères.
III. Les peptides
a) La liaison amide, une architecture sans pareil : structure et propriétés physico-chimiques
Peptide = assemblage d’amino-acides liés par une liaison amide (on doit être capable de la localiser, ici présentée en bleu)
Nomenclature :
-
Résidu (encadré en pointillé rouge = motif répété dans la chaine peptidique) : partie NH avec carbone alpha, groupement Ri-
Chaîne en vert = squelette peptique = architecture = ossature (donne la forme au peptide)-
Plusieurs résidus dans un peptide qu’on peut numéroter i : i+1, i+2, i+n…On trouve des peptides d’une longueur jusqu’à 1000 amino-acides = protéines. Pour un peptide ça va jusqu’à 50 à peu près.
-
Les lettres grecques correspondent aux angles dihédraux = angles de rotation autour de la liaison, par rapport au squelette peptidique, qui vont donner la forme au peptideLa liaison amide est particulière car l’angle dihédral oméga 𝝎 = 180° ➔ le peptide est donc partiellement rigide par cette liaison amide plane, rigide, qui lui confère une stabilité. Sans cette stabilité, on ne peut pas avoir de structures/protéines qui durent dans le temps, nous permettant d’exister.
Cette stabilité est aussi liée à la délocalisation possible des électrons (schéma en vert) : si le proton est assez acide pour être capté par la base, on va avoir une délocalisation entre les protons qui peuvent être formés. Mésomérie = stabilité.
➔+ la structure a un grand nombre de formes mésomères, + la structure est stable.
Au contraire, les angles phi 𝝓 (autour de la liaison entre l’azote et le carbone alpha) et psi 𝝍 (liaison entre la carbone alpha et le carbonyle) peuvent être variables, et ce sont ces variations d’angles qui sont responsables de la géométrie du peptide ➝ structure en 2D = structure secondaire.
Rappel bioch : 3 grands types de structures secondaires dans un peptide : feuillet β (forme
d’épingle), hélice 𝛼, et des formes plus aléatoires de type coudé. On doit être capable de les citer.
Structure primaire = peptide linéaire avec un degré de complexité plus élevé en formant une structure secondaire. Puis la structure tertiaire est un arrangement entre ces structures
secondaires, et à l’échelle de la protéine les structure tertiaires peuvent aussi s’assembler pour former une structure quaternaire (protéines sous forme de dimère, trimères…).
-
Sens d’écriture des peptides très important : on commence toujours par écrire le résidu N-ter à gauche, pour aller vers le résidu C-ter à droite. Convention qui permet la lecture et lacompréhension (amine à gauche et acide à droite / carbonyle puis amine pour former la liaison amide). On doit savoir les écrire correctement.
b)Synthèse chimique d’un peptide, formation de la liaison peptidique
La synthèse d’un peptide doit répondre à 3 exigences, à absolument connaitre :
1) Les fonctions non-engagées dans la liaison peptidique doivent être protégées par des groupements temporaires ou permanents et orthogonaux.
(On s’intéresse à ce premier point pour revenir aux 2 autres après).
i) Protection des fonctions amine et acide non-engagées
(Activité Klaxoon : peptides obtenus par couplage de deux AA Phénylalanine et Alanine, 4 solutions possibles)
Couplage peptidique = on fait régir l’amine avec l’acide pour former la liaison amide.
Pour l’abréviation on commence toujours par le N-ter pour aller vers le C-ter.
Pour le 3ème et 4ème peptide construits, le même AA s’est auto-couplé.
Pour l’oligomère incontrôlé, l’amine et l’acide sont toujours déprotégés, donc s’il y a un excès de réactif, ils vont encore être capable de se polymériser (un peptide = biomère infini).
Ce qui entraine la nécessité d’utiliser des groupements protecteurs, qu’on va choisir et positionner de manière à obtenir la séquence d’intérêt.
Comme par exemple ici la 1ère molécule Phe-Ala :
On protège temporairement ou de manière permanente l’amine de la Phénylalanine et l’acide de l’Alanine, ce qui va empêcher la formation de tous les peptides qui ne nous intéressent pas, puisqu’il ne reste qu’une seule fonction amine et acide disponibles, et donc un seul couplage possible.
La double/di-alanine ne peut pas se former non plus car la fonction ester empêche la réactivité de la fonction acide. De même pour la fonction amine de la Phénylalanine, et pour les oligomères incontrôlés.
Utiliser un groupement protecteur va permettre la synthèse de la séquence qui nous intéresse.
Si on avait voulu la 2ème molécule Ala-Phe, on aurait protégé la fonction amine de l’alanine et la fonction acide de la phénylalanine.
Quels sont les différents groupements protecteurs que l’on peut utiliser ?
▪ Protection de la fonction amine 𝝰"par conversion en un groupement uréthane (ou carbamate)
On s’intéresse dans un 1er temps à la fonction amine en particulier, dont le principal groupement protecteur est le groupement uréthane (ou carbamate), représenté en bleu sur l’image en haut (un oxygène lié à un amide).
Le groupement uréthane est beaucoup plus labile que la liaison amide, donc une fois formé on peut le couper/réduire/déprotégé pour relibérer l’amine d’intérêt.
3 groupements à connaitre :
- Boc (caractérisé par un groupement tert-butyle),
- Fmoc (flurényle vu en TP lors de l’extraction par CCM avec le fluorène, cycle cyclopentane)
- Cbz ou Z (benzyloxycarbonyl)
Pour former le groupement uréthane : on part de l’amine libre d’un amino-acide et on ajoute un réactif.
- Pour le Boc :
On utilise le réactif pyrocarbonate de tert-butyle (ou Boc2O), qui va régir avec l’amine pour former le groupement carbamate Boc.
L’amine va attaquer le carbone du pyrocarbonate de tert-butyle, départ et retour d’électrons entre l’oxygène et le carbone, puis élimination de 2 produits par rupture de la liaison carbone-oxygène.
C’est une décarboxylation du pyrocarbonate de tert-butyle, c’est donc un réactif puissant qui fonctionne très bien et qui est favorisé par la formation des produits secondaires : dégagement de CO2, et tert-butanol.
(Quand un gaz est formé et éliminé lors d’une réaction chimique, on a un déplacement favorable vers la formation du produit d’intérêt.)
La formation du groupement Boc se fait facilement à 0°C en 30min en présence d’une base qui peut aider la captation du proton de l’amine, en équilibre dans un mélange eau/dioxane. Réaction rapide avec un très bon rendement en général entre 80-100%.
- Pour le Fmoc :
Le réactif utilisé est le Fmoc-Osu (O-Succinimide).
L’amine nucléophile va attaquer un carbone électrophile, retour d’électrons comme pour le Boc2O, et élimination de la N-hydroxySuccinimide (produit secondaire formé).
Réaction en milieu basique dans un mélange eau/dioxane (→ ce mélange là car on a un amino- acide totalement déprotégé, polaire, qui doit être solubilisé dans un solvant favorable à sa solubilisation = l’eau ; et le dioxane car une fois notre composé protégé par Boc ou Fmoc, le composé est beaucoup moins polaire et le milieu organique va favoriser sa solubilisation et sa formation).
- Pour le Cbz :
Synthétisé par du chlorure de Cbz, ou chlorocarbonate de benzyle.
C’est toujours le même mécanisme : on attaque le carbonyle, départ/retour des électrons, et élimination d’un groupe partant le chlore Cl, qui va être piégé par des H+ coexistant dans le milieu.
▪ Déprotection de la fonction amine 𝝰"par convertie en groupement uréthane (ou carbamate)
Notion d’orthogonalité va commencer à apparaitre, même si on la reverra plus en détail lors de la partie synthèse peptidique.
On a choisi ces groupements car ils ont la particularité d’être éliminés par des conditions totalement différentes.
Code couleur pour nous aider à nous rappeler les conditions qui favorisent leur déprotection, en fonction du papier pH :
• rouge : Boc → conditions acides
• bleu : Fmoc → basiques
• vert : Cbz → alternative : hydrogénation catalysée sur palladium charbon (Pd/C) Pour le Boc : Acidolyse
En milieu acide, réactif très souvent utilisé : TFA (trifluorométhylacétique acide, CF3COOH), de pKa très faible = 0,23 (acide beaucoup plus fort que HCl, très puissant de par la présence de CF3, électroattracteur, qui rend l’acidité du site carboxylique très élévée).
Les doublets de l’oxygène du carbamate vont venir capter H+, formation d’un intermédiaire ionique instable qui va permettre l’élimination d’un 1er groupement : le cation tert-butyle (assez stable), qui va pouvoir facilement provoquer une alkylation s’il y a présence d’un nucléophile dans le milieu. Le cation tert-butyle est aussi capable de polymériser.
C’est le cas pour un certain nombre d’amino-acides : tryptophane, tyrosine, méthionine et cystéine, où même s’ils sont protégés il y a quand même des risques d’alkylation.
On va alors utiliser pour empêcher ces alkylations non-désirées un scavenger (mot anglais = piéger), qui va piéger le cation tert-butyle et l’empêcher de réagir avec des groupements fonctionnels potentiellement sensibles à l’alkylation.
Important à retenir : il y a un grand nombre de réactions secondaires de ce type qui interviennent dans la synthèse peptidique, suite à ces molécules libérées au cours de ces réactions de
synthèse.
Le cation tert-butyle est libéré mais il reste encore le groupement carbamique. On est en large excès de TFA (pour une déprotection → jusqu’à 100% TFA), milieu très acide.
Les électrons de la liaison (amide) vont venir capter H+, pour engendrer une décarboxylation : élimination d’un gaz encore qui va favoriser la réaction (réaction très rapide et efficace), et ensuite H+ sera relibéré (côté catalytique).
L’amine est alors libérée.
En pointillé : l’azote serait aussi capable de capter l’hydrogène du OH, mais comme on est en milieu acide c’est le H+ du milieu qui sera capté.
Pour le Fmoc :
Mécanisme différent : sensible aux milieux basiques : bases amines secondaires ++, exemple des pipéridines, un des réactifs de choix standard dans ce type de réaction.
La pipéridine va capter un proton acide, le seul présent étant celui sur le fluorène, pour ensuite former un pipéridinium. Les électrons de la liaison où le H était présent (charge – et doublet) vont être rabattus sur le carbone. Un doublet non-liant sur un carbanion le rend instable, et va donc se délocaliser sur la liaison carbone-carbone d’à côté.
Puisque le groupement est facilement partant, il y a rupture de la liaison entre le carbone et l’oxygène, pour avoir encore une fois une décarboxylation, élimination de CO2 qui déplace
l’équilibre vers la formation du dibenzofulvène, qui peut lui-même être potentiellement piégé par la pipéridine.
Formation d’un adduit dibenzofulvène-pipéridine, la pipéridine va attaquer le carbone de la double liaison, avec déplacement d’électrons, par la molécule de pipéridinium (le H+ peut provenir d’une autre molécule de pipéridinium). Ce sont toujours des équilibres acido-basiques.
Pour le Cbz ou Z :
Mécanisme pas essentiel.
Un clivage sera réalisé par réduction hydrogénée, en présence de dihydrogène H2 et de Pd/C.
Toujours par décarboxylation, du toluène sera libéré avec du CO2, et l’amine est libre.
