SYNTHESE DE DIARYLHEPTANOÏDES MACROCYCLIQUES

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Propriétés pharmacologiques des macrocyles diaryléthers heptanoïdes

Les macrocycles diaryléthers heptanoïdes présentent des propriétés biologiques très variées.
Ils ont des activités ostéogéniques, anticancéreuses, antibactériennes, antioxydantes, antiinflammatoires.
Dans un premier temps, nous pouvons prendre l’exemple de cinq macrocyles diaryléthers heptanoïdes isolés de l’écorce de l’érable Acer nikoense (Figure 26).
Ces cinq macrocycles stimulent in vitro la différenciation des ostéoblastes entraînant alors une augmentation de la production de l’hormone protéique ostéocalcine et de la minéralisation osseuse.74
Les macrocycles diaryléthers heptanoïdes présentent également des activités anti-cancéreuses. En effet, l’acérogénine B, la 9-oxoacérogénine A, les acérosides I, III, IV et B1 (Figures 26 et 27) montrent, à 10 μM in vitro, une activité inhibitrice de la mélanogénèse supérieure à celle de l’arbutine, utilisée de nos jours comme inhibiteur de la production de mélanine, tout en ayant une cytotoxicité inférieure.75
Les macrocycles 11-O-acétylacérogénine A, 9-O-acétylacérogénine B et 2,9-di-Oacétylacérogénine B (Figure 28) présentent également une activité cytotoxique contre la lignée cellulaire cancéreuse CRL1579 (impliquée dans le mélanome). Ils montrent des IC50 entre 10,1 et 10,4 μM contre 21,1 μM pour le cisplatine et supérieur à 100 μM pour le 5-fluorouracile (molécules utilisées en chimiothérapie).75
Ces trois macrocycles non-naturels dérivent de macrocycles diaryléthers heptanoïdes naturels. Les diaryléthers heptanoïdes cycliques analogues de produits naturels peuvent montrer de bonnes activités biologiques voire présenter une amélioration de celles déjà existantes chez le produit naturel. C’est le cas de ces trois composés, l’acérogénine A et B ne présentant qu’une cytotoxicité négligeable contre la même lignée cellulaire (IC50 > 100 μM).
Nous pouvons également citer l’ovalifoliolatine A, macrocyle extrait de l’arbre Boswellia ovalifoliolata, pour son activité anti-bactérienne contre Staphylococcus aureus et Chromobacterium violaceum, pouvant être responsables de graves infections76 (Figure 29).

Chiralité et atropoisomérie

Dans la plupart des molécules, la chiralité est due à l’existence d’un centre stéréogénique.
Cependant la majorité des diaryléthers heptanoïdes macrocycliques naturels ne possèdent pas de stéréocentre mais présentent une activité optique non nulle. Par exemple, la garugambline I a un pouvoir rotatoire spécifique de +48° (30°C, c = 0,2, CHCl3) ; la ptérocarine possède un pouvoir rotatoire spécifique de +60,5° (27°C, c = 1,0, CHCl3) (Figure 31). Ceci est dû à l’existence d’une chiralité planaire.79
La chiralité planaire est issue de l’arrangement des groupements de la molécule concernée autour d’un plan, appelé plan chiral. Ce plan est relié au reste de la molécule par une ou des liaisons imposant une torsion au reste de la structure de telle façon que ces deux parties ne se retrouvent pas dans un même plan de symétrie.
Les macrocycles diaryléthers heptanoïdes, du fait de la contrainte stérique inhérente à la présence du cycle, peuvent exister sous forme d’atropoisomères. L’atropoisomérie correspond à un blocage de rotation autour d’une liaison simple dû à un encombrement stérique. L’interconversion entre deux formes atropoisomères limites est liée à la barrière énergétique existant entre ces deux formes. Si elle est suffisamment faible, l’interconversion est rapide et le macrocycle diaryléther heptanoïde est achiral. Dans certains cas, l’interconversion est suffisamment lente à température ambiante pour que les deux formes atropoisomères existent sous forme d’un mélange racémique (donc un pouvoir rotatoire nul) ou non-racémique et dans ce cas, un pouvoir rotatoire non-nul est mesuré.
Certains diaryléthers heptanoïdes macrocycliques naturels sont isolés optiquement inactifs. L’acérogénine L et l’ovafoliolatine B (Figure 32) ont un pouvoir rotatoire spécifique nul, respectivement à 27°C et 25°C. Dans ce cas, il n’est pas clairement établi si ces macrocycles sont achiraux ou bien présents sous forme d’un mélange racémique à l’état naturel ou encore si leur racémisation a eu lieu pendant leur extraction.

Le tédarène A

Les macrocycles diaryléthers heptanoïdes sont connus depuis 1976 avec la découverte de l’acérogénine A.80 Les équipes spécialisées dans l’extraction de nouvelles molécules naturelles découvrent régulièrement de nouveaux diaryléthers heptanoïdes. En 2012, l’équipe de E. Fattorusso a élucidé la structure du tédarène A qui a attiré notre attention pour ses propriétés biologiques.81 Le tédarène A est un des rares diaryléthers heptanoïdes macrocycliques extrait d’une éponge marine, Tedania ignis (plus communément appelée éponge de feu) vivant dans la mer des Caraïbes.
Ce macrocycle existe sous deux conformations majoritaires. Ces deux conformères sont chiraux, énantiomères et interconvertibles. Des calculs de dynamique moléculaire donnent les conformations suivantes (Figure 34).
Les signaux des protons du noyau aromatique B et des protons benzyliques en position 13 n’apparaissent pas en RMN 1H et 13C à température ambiante (Figure 35 et 36). Ceci suggère la présence d’un équilibre entre les deux conformères. En règle générale, si cet équilibre est plus rapide que le temps d’acquisition en RMN, un signal unique et moyen apparaît pour les deux formes. Si la Tedania Ignis vitesse de cet équilibre est plus lente que le temps d’acquisition en RMN, des signaux nets et séparés apparaissent. Dans le cas où la vitesse d’échange entre les deux conformères se trouvent entre ces deux extrêmes, un signal large et pouvant se confondre avec la ligne de base du spectre apparaît, c’est ce qu’on appelle la coalescence.
Pour le tédarène A, l’interconversion entre ses deux conformères se fait de façon lente à – 40°C permettant l’apparition des signaux bien définis et séparés pour les protons en position 15, 16, 19, 18 et 13. A 80°C, l’équilibre est rapide, les signaux de ces mêmes protons sont regroupés. La température ambiante correspondant à une région de coalescence pour ces protons : ils apparaissent sous forme de signaux très larges et se confondant avec la ligne de base du spectre (Figure 35 et 36).

Stratégies de synthèse des diaryléthers heptanoïdes macrocycliques

Notre objectif étant de synthétiser le tédarène A (et par la suite des analogues macrocycliques de ce composé), nous nous sommes penchés sur les différentes possibilités de synthèse des diaryléthers macrocycliques. La synthèse des macrocycles consiste en deux grandes étapes : la création d’une chaîne linéaire puis sa cyclisation pour former le macrocycle souhaité (Schéma 12). Deux voies sont possibles :
· La formation d’une chaîne linéaire en connectant deux synthons par un pont diaryléther suivie d’une cyclisation intramoléculaire au niveau de la chaîne heptanoïde (Voie A, Schéma 12).
· La formation d’un 1,7-diarylheptanoïde linéaire suivie d’une cyclisation intramoléculaire par la formation d’un pont diaryléther (Voie B, Schéma 12).
La synthèse du macrocycle nécessite la formation d’un pont diaryléther quelque soit la voie de synthèse utilisée.

Formation du lien diaryléther

Différentes méthodes peuvent être mises en oeuvre pour former la liaison Csp2-O du diaryléther :
v La première est l’utilisation d’acides arylboroniques comme donneurs d’aryles. Ce couplage dit de Chan Lam est réalisé en présence de Cu(OAc)2 et d’une base (triéthylamine, pyridine ou DMAP) (Schéma 13).82
Cependant, lorsque l’arylboronique est substitué en position ortho, les rendements de réaction sont faibles, ce qui serait notre cas si nous utilisions cette méthode. De plus, il faudrait préparer un acide boronique substitué en ortho par un méthoxy. Or, la préparation des acides boroniques est souvent difficile à cause de problème de solubilité et de purification.
v Il est également possible d’utiliser une réaction de type Buchwald-Hartwig entre un halogénure d’aryle et un phénol, en présence de Pd(OAc)2, d’un ligand et de K3PO4, par exemple (Schéma 14). Cependant à notre connaissance, il n’existe aucun exemple d’utilisation de ce type de transformation pour la formation de diaryléthers macrocycliques.82,83
v Une substitution nucléophile aromatique (SNAr) entre un phénol et un aryle substitué par un atome de fluor et un groupement nitro en ortho. Cette réaction est réalisée à température ambiante dans le DMF ou le DMSO, en présence d’une base telle que NaH, K2CO3 ou CsF.
Cependant la SNAr ne peut être utilisée qu’avec un noyau aromatique fortement appauvri en électrons grâce à la présence de groupements électroattracteurs tels que le groupement nitro ou un atome de fluor. Ceci limite donc les possibilités de fonctionnalisation des noyaux aromatiques. Cette méthode a été utilisée avec succès pour la synthèse de diaryléthers heptanoïdes macrocycliques tels que les acérogénines A, B, C et L avec des rendements de 80% à 95%.84 Ci-dessous est représentée la synthèse des acérogénines A et C (Schéma 15). Le produit de cyclisation 9 est obtenu avec un excellent rendement. Toutefois, plusieurs étapes (réduction du groupement nitro, déamination puis O-déméthylation) sont nécessaires pour accéder au macrocycle souhaité en fin de synthèse.

La condensation de Ullmann

En 1901, Fritz Ullmann observe la capacité de certains composés cuivrés à catalyser la formation de liaisons diaryles via le couplage entre deux composés aryles halogénés.91 Cette réaction est maintenant appelée du nom de son inventeur : la réaction de Ullmann. F. Ullmann appliqua par la suite cette réaction à différents types de couplage pour la formation de diarylamines ou de diaryléthers (réaction de condensation de Ullmann).92 Ce dernier nous intéresse tout particulièrement pour la construction des macrocycles d’intérêts.
Cette condensation met en jeu une source de cuivre, une base et depuis récemment, un ligand peut également être ajouté.93 Cette réaction est très utilisée pour la formation de liens diaryléthers dans les diaryléthers heptanoïdes macrocycliques.
Différentes sources de cuivre peuvent être utilisées : Cu[0], Cu[I] et Cu[II]. Cependant, de nombreuses études ont montré que l’espèce active dans la formation des diaryléthers est principalement le Cu[I]. L’utilisation de cuivre de degré d’oxydation 0 ou II ne pose pas de problèmes puisque qu’il va subir des réactions d’oxydo-réduction, qui le ramènera au degré d’oxydation I, comme nous le verrons par la suite. 92,94,95

Mécanisme de la condensation de Ullmann

Le mécanisme de cette réaction n’est toujours pas clairement établi. Différents mécanismes ont été proposés :95-102
· Une substitution nucléophile aromatique où le Cu[I] se coordine (via une interaction π) avec le cycle aromatique du dérivé aryle halogéné créant ainsi une position aromatique halogénée plus électrophile et donc plus susceptible de réagir par substitution. Dans ce cas, le cuivre reste au degré d’oxydation I (Schéma 22). complexation de Cu[I].
· Un mécanisme par transfert d’un électron (single electron transfert, SET) ou d’un atome d’halogène (halogen atom transfert, HAT). Ce mécanisme a été désigné sous le nom de SNR1 (substitution nucléophile radicalaire de type 1) par Bunnett (Schéma 23).98
Pour le mécanisme SET, la première étape est le transfert d’un électron sur le substrat ArX.
Le radical anion obtenu se dissocie ensuite pour donner un radical aryle ArŸ et un anion X-. Ce radical aryle va se coupler avec le nucléophile pour former un nouveau radical anion ArNuŸ-.
Un transfert d’électron entraîne la formation d’un radical anion sur le substrat ArX et de ArNu.
Le mécanisme HAT débute avec le transfert du nucléophile sur le complexe de cuivre. Il va ensuite y avoir un transfert d’un atome d’halogène de ArX vers CuNu, ce qui va donner CuNuX et un radical aryle. Puis le nucléophile est transféré du complexe de cuivre vers le radical aryle pour donner ArNu.
· Une réaction de métathèse via un intermédiaire à quatre centres. Dans ce cas, le cuivre reste au degré d’oxydation I. La première étape est la formation de l’espèce Cu-Nu qui interagit ensuite avec l’halogénure d’aryle pour former un intermédiaire à 4 centres. La coordination est orientée par l’électronégativité de l’halogène et la charge partielle présente sur le cuivre Cu+. La polarisation créée sur la liaison C-X provoque alors l’apparition d’une charge positive partielle sur le carbone ipso et favorise ainsi la substitution par le nucléophile (Schéma 24).
· Un mécanisme passant par une réaction d’addition oxydante et d’élimination réductrice. Deux voies ont été envisagées, une mettant en jeu une espèce Cu[I] et l’autre un intermédiaire Cu[III] (Schéma 25).

Structure du 1,7-diarylheptanoïde linéiaire

Deux possibilités s’offrent à nous, la voie 1 et la voie 2 (Schéma 38) :
¹ Voie 1 : le précurseur linéaire comporte un noyau aromatique portant un méta-bromo paraméthoxyphényle, et un para-bromophényle.
¹ Voie 2 : le précurseur linéaire possède un noyau aromatique de type méta-hydroxy paraméthoxyphényle, et un second noyau aromatique de type para-bromophényle.
Des exemples de synthèse de macrocycle existent selon ces deux stratégies (cf Chapitre 3, I.4). Basé sur l’expérience de l’équipe concernant la synthèse de diaryléthers, notre choix s’est porté sur la voie 1.
Voyons maintenant comment nous avons utilisé la stratégie établie pour la synthèse totale du tédarène A.

Synthèse du tédarène A

Première voie de synthèse

Le tédarène A est, comme nous l’avons vu précédemment, un macrocycle diaryléther heptanoïde naturel. Celui-ci est composé de deux noyaux aromatiques, dont un phénol, reliés entre eux par un pont éther et une chaîne heptanoïde comportant un enchaînement de deux doubles liaisons de stéréochimie E et Z, non-conjuguées aux noyaux aromatiques. Les points clés de la synthèse concernent donc la formation du lien diaryléther et l’introduction de façon stéréocontrôlée des doubles liaisons du système diènique, sachant que celui-ci est adjacent à une position benzylique. La première stratégie de synthèse envisagée a consisté à obtenir le tédarène A par déshydratation stéréocontrôlée d’un alcool allylique macrocyclique 31 de stéréochimie E, lui-même obtenu à partir de son équivalent linéaire bromé 32 via une cyclisation intramoléculaire de Ullmann. L’alcool allylique linéaire 32 serait obtenu par réduction partielle de l’alcool propargylique 33 en alcool allylique ; ce dernier résultant de la condensation de l’alcyne 34 sur l’aldéhyde 35 (Schéma 39).

Préparation de l’alcyne 34

La synthèse de l’alcyne 34 a débuté par une éthynylation du 3-bromo-4- méthoxybenzaldéhyde commercial. Dans un premier temps, l’anion acétylure a été formé à partir du triméthylsilylacétylène en présence de n-butyllithium. Il a ensuite été condensé sur le 3-bromo-4- méthoxybenzaldéhyde pour conduire au composé 36 avec un rendement de 95%, après purification par chromatographie sur gel de silice (Schéma 40).114,115
L’alcool propargylique 36 a été ensuite désoxygéné en présence d’acide 12- tungstophosphorique H3[PW12O40].nH2O et de triéthylsilane dans le dichloroéthane.116 L’acide 12- tungstophosphorique est un hétéropolyacide commercial faisant partie de la classe Keggin (structure de type Hn[XM12O40]). Les hétéropolyacides sont des acides forts et de puissants agents d’oxydoréduction.
L’acide 12-tungstophosphorique considéré comme le plus stable et le plus acide117 a été utilisé dans la déshydroxylation ci-dessous pour son caractère acide ; le triéthylsilane jouant le rôle de donneur d’hydrure.
Nous avons obtenu l’alcyne d’intérêt 37a en mélange avec l’alcyne possédant un groupement triéthylsilyle 37b avec un rendement global, après chromatographie sur colonne, de 91% et un rapport respectif de 75/25, calculé par RMN 1H sur le proton H7 (Schéma 41). La formation de ce triéthylsilyl-alcyne 37b, due à la présence du donneur d’hydrure Et3SiH, est inattendue. Cependant, la présence de cet alcyne 37b ne gêne pas la poursuite de la synthèse, l’étape suivante étant une désilylation pour obtenir l’alcyne vrai correspondant.
La numérotation correspond à celle de la partie expérimentale.
Le mélange des alcynes 37a et 37b a donc été mis en réaction en présence de fluorure de tétrabutylammonium (TBAF) dans le THF, à 0°C, pour cliver la protection silylée ; ce qui conduit à la formation quasi-instantanée de l’allène 38 avec un rendement de 97% sans purification (Schéma 42).

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Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1 : L’ATHEROSCLEROSE
I. L’athérosclérose
I.1. Introduction
I.2. Classification des lésions
I.3. Initiation de l’athérogénèse
I.3.a. Endothélium et stress oxydant
I.3.b. Dysfonction endothéliale
I.3.c. Oxydation des LDL
I.3.d. Recrutement et internalisation des monocytes circulants
I.3.e. Formation des cellules spumeuses
I.3.f. Recrutement des cellules musculaires lisses
II. Traitements actuels
III. Stress oxydant et antioxydants
III.1. Qu’est-ce qu’un antioxydant ?
III.2. Antioxydants naturels
III.2.a. Les antioxydants enzymatiques endogènes
III.2.b. Les antioxydants non-enzymatiques
III.3. Antioxydants synthétiques
III.4. Limitation et controverse des antioxydants
IV. L’inflammation dans l’athérosclérose
CHAPITRE 2 : LES MACROCYCLES
I. Les macrocycles : composés d’intérêt biologique prometteurs
I.1. Introduction
I.2. Structure macrocyclique versus structure linéaire
II. Les macrocycles diarylheptanoïdes
II.1. Généralités
II.2. Biosynthèse des diarylheptanoïdes
II.3. Propriétés pharmacologiques des macrocyles diaryléthers heptanoïdes
II.4. Chiralité et atropoisomérie
II.5. Le tédarène A
CHAPITRE 3 : SYNTHESE DE DIARYLHEPTANOÏDES MACROCYCLIQUES
I. Stratégies de synthèse des diaryléthers heptanoïdes macrocycliques
I.1. Formation du lien diaryléther
I.2. La condensation de Ullmann
I.2.a. Mécanisme de la condensation de Ullmann
I.2.b. Mode d’activation : thermique ou micro-ondes
I.3. Cyclisation par la voie A
I.4. Cyclisation par la voie B
I.5. Structure du 1,7-diarylheptanoïde linéiaire
II. Synthèse du tédarène A
II.1. Première voie de synthèse
II.1.a. Préparation de l’alcyne 34
II.1.b. Préparation de l’aldéhyde 35
II.1.c. Préparation du diarylheptanoïde linéaire 33
II.2. Deuxième voie de synthèse
II.2.a. Préparation de l’alcyne 46
II.2.b. Préparation de l’aldéhyde 45
II.2.c. Préparation du diarylheptanoïde linéaire 43
II.2.d. Intérêt des diarylheptanoïdes linéaires diphénoliques
II.2.e. Méthodes de déméthylation
II.2.f. Préparation du diarylheptanoïde
II.2.g. Macrocyclisation intramoléculaire
II.2.h. Formation du système diénique
II.2.i. La déméthylation finale
III. Synthèse des analogues
III.1. Analogue possédant un motif amide sur la chaîne heptanoïde
III.1.a. Préparation de l’amine
III.1.b. Généralités sur la formation du lien amide
III.1.c. Préparation du diarylheptanoïde linéaire
III.1.d. Accès au macrocycle
III.2. Analogue possédant un motif « tyrosine »
III.2.a. Préparation du diarylheptanoïde linéaire
III.2.b. Accès au macrocyle
III.3. Analogue possédant une hydantoïne sur la chaîne heptanoïde
III.3.a. Préparation des synthons 61 et
III.3.b. Préparation du diarylheptanoïde linéaire
III.3.c. Accès au macrocycle
III.4. Analogue possédant un triazole sur la chaîne heptanoïde
III.4.a. Préparation des synthons 80 et 46
III.4.b. Généralités sur la cycloaddition de Huisgen
III.4.c. Préparation du diarylheptanoïde linéaire 81
III.4.d. Accès au macrocycle 82
IV. Conclusion
CHAPITRE 4 : EVALUATIONS BIOLOGIQUES
I. Rappels des molécules testées
II. Cytotoxicité
II.1. Principe de la technique utilisée
II.2. Résultats
III. Mesure des ERO intracellulaires
III.1. Technique utilisée
III.2. Détermination du temps optimal d’incubation
III.3. Mesure de l’inhibition des ERO intracellulaires par les molécules
IV. Evaluation des propriétés anti-inflammatoires
IV.1. Les nitrites
IV.1.a. Technique utilisée
IV.1.b. Les résultats
IV.2. Inhibition de IL-6 et IL-1β
IV.2.a. Technique utilisée
IV.2.b. Résultats pour IL-1β
IV.2.c. Résultats pour IL-6
V. Conclusion
CONCLUSION GENERALE
PARTIE EXPERIMENTALE
I. Protocoles expérimentaux et caractérisation des molécules
II. Biologie : Matériels et méthodes
II.1. Culture cellulaire
II.2. Test de viabilité cellulaire au MTT
II.3. ERO intracellulaires
II.4. RT-qPCR
II.5. Mesure de la concentration en nitrites
II.6. Analyses statistiques
ANNEXES
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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