THEME II : ANALYSE ENANTIOMERIQUE PAR R.M.N. DANS LES CRISTAUX LIQUIDES CHIRAUX

I) Visualisation d'énantiomères par R.M.N. du carbone-13 couplé et découplé des protons en abondance naturelle dans les cristaux liquides lyotropes polypeptidiques (1994-2000)

Depuis une dizaine d'années, des efforts considérables ont été réalisés pour le développement de nouveaux outils R.M.N. adaptés à l'analyse énantiomérique de molécules chirales. Ce défi a été largement stimulé par l'intérêt croissant des chimistes organiciens pour la synthèse énantiosélective en (bio)chimie et l'amélioration des tests de contrôle-qualité dans le secteur de l'industrie pharmaceutique. Dans ce domaine, la R.M.N. dans les solvants orientés chiraux apporte des solutions nouvelles, originales et très efficaces.

Dans un solvant cristal liquide chiral, les interactions énantiosélectives soluté-solvant conduisent généralement deux énantiomères à s'orienter différemment. De fait, ils possèdent des paramètres d'ordre orientationnel, Sab, distincts et sont donc caractérisés par des mesurables anisotropes (qui par définition sont sensibles à l'orientation des molécules) différentes d'où la possibilité de différencier leurs spectres de R.M.N.. Ainsi, en utilisant différentes techniques R.M.N., nous avons montré qu'il était possible de discriminer facilement le spectre d'énantiomères dissous dans un solvant cristal-liquide lyotrope chiral. Cette méthodologie a été développée en utilisant un polymère cristal liquide de synthèse, le Poly(g-Benzyl-L-Glutamate) (PBLG) dissous dans un solvant organique dit hélicogène (chloroforme, DMF, THF, dioxane....). Dans ce type de solvants, le polypeptide adopte une structure en hélice a (cf. Fig. 19) qui n'est pas sans rappeler la structure rencontrée dans certains systèmes (protéines, polysaccharides, A.D.N., …).

Fig. 19 : Structure en hélice a du PBLG.

Plongé dans un champ magnétique (Bo), le PBLG s'aligne parallèlement à la direction de Bo. De fait, nous obtenons une phase nématique chirale d’anisotropie de susceptibilité magnétique (Dcm) positive, très homogène et capable de dissoudre une large gamme de composés chiraux. Nous avons également montré que certains cristaux liquides cholestériques thermotropes donnaient des spectres haute résolution et pouvaient être utilisés comme matrice d'orientation chirale.

La complexité des spectres protons (cf. Fig. 20), compte tenu de la multitude des couplages dipolaires 1H-1H et du doublement des spectres (2 isomères) rend la R.M.N. du proton dans la phase PBLG peu attrayante à l'exception de quelques composés chiraux simples.

Fig. 20 : Spectre proton du (±) pent-3-yn-2-ol dans le PBLG (T=300 K).

Par conséquent, d'autres techniques ont été développées, notamment celle qui consiste à observer le spectre deutérium de molécules chirales monodeutérées. Quoique très efficace, cette approche nécessite la deutération de la molécule. Trois alternatives ont été proposées pour contourner cette difficulté : la R.M.N. du carbone-13 couplé et découplé des protons, et la R.M.N. du deutérium découplé des protons en abondance naturelle.

En R.M.N. du carbone-13 couplé des protons, deux énantiomères R et S peuvent être différenciés sur la base d'une différence de constantes de couplage dipolaire, DCH, associés à une direction C-H de la molécule (cf. Fig. 21) :

Ainsi, le spectre carbone-13 couplé des protons présenté sur la Figure 21 révèle que le couplage dipolaire direct C*-H est l'élément discriminant pour différencier ici les deux énantiomères. Cette technique peut s'avérer très utile dans le cas de molécules chirales possédant des groupes méthyles isolés dans la molécule

Fig. 21 : Spectre carbone-13 couplé du groupe méthine du b-(trichlorométhyl)-b-propiolactone enrichi en énantiomère R (ee=40%) dans la phase PBLG/CD2Cl2.

En R.M.N. carbone-13 découplé des protons (13C-{1H}), deux énantiomères sont discriminables sur la base d'une différence d'anisotropie d’écran électronique.

Cette différence se traduit sur le spectre par une simple différence de déplacement chimique entre les signaux carbone-13 des deux énantiomères (cf. Fig. 22) :

Fig. 22 : Principe de discrimination des deux énantiomères en R.M.N. 13C-{1H} dans le PBLG. L'attribution R et S est ici arbitraire.

Les spectres 13C-{1H} enregistrés sont très simples à analyser et permettent de visualiser directement les carbones présentant une discrimination chirale. De plus, le nombre élevé de sites d'observation augmente considérablement la probabilité de visualiser une discrimination chirale, puisque chaque carbone de la molécule peut potentiellement être différencié. Notons cependant que les différences de déplacement chimique mesurées dépendent à la fois de l'orientation moléculaire des deux isomères et de l'état d'hybridation des carbones observés. En fait, les plus fortes discriminations chirales sont généralement obtenues pour les carbones hybridés sp ou sp2 dans la mesure où leur anisotropie d'écran électronique, Ds13c, est beaucoup plus grande que celle des carbones sp3, soit : Dsi (sp) > Dsi (sp2) >> Dsi (sp3).

La technique a été testée avec succès sur une large gamme de composés chiraux et s'est révélée très efficace, compte tenu de sa simplicité et de son large potentiel d'application. Il a ainsi été mis en évidence, par exemple, que les énantiomères de dérivés chiraux fluorés, des composés portant des hétéroatomes chiraux (tels que les sulfoxides) pouvaient être différenciés sans ambiguïté alors qu'ils n'étaient pas séparés avec des méthodes R.M.N. ou chromatographiques classiques. Enfin, la méthode est suffisamment sensible pour différencier les molécules présentant une chiralité conformationnelle (atropoisomérie) tels que les dérivés du binaphtol (cf. Fig. 23).

Fig. 23 : Spectre 13C-{1H} du (±) 1,1'-bi-2-naphthol enrichi en énantiomère R (ee=30%) dans la phase PBLG-DMF-d7 (T=313 K).

La mesure de la pureté énantiomérique (ee) est effectuée par intégration de la surface des raies ou par déconvolution des signaux lorsque la séparation chirale s'avère faible.

Fig. 24 : Exemples de mesure d'excès énantiomèriques dans le cas de dérivés propargyliques fluorés chiraux par R.M.N. 13C-{1H} et R.M.N. 19F-{1H} (T=294 K).

Avec nos moyens actuels, la R.M.N. du carbone-13 couplé et découplé des protons nous permet de mesurer facilement des excès énantiomériques jusqu'à 90 % avec une précision estimée à 5% (au minimum) de la valeur vraie.

En conclusion, cette approche spectroscopique permet, avec des expériences de R.M.N. classiques et sans aucune modification chimique des molécules, de discriminer efficacement des énantiomères et des diastéréoisomères. Elle possède un fort potentiel analytique, et fournit donc aux chimistes un nouvel outil simple et performant. En collaboration avec d'autres laboratoires, cette technique nous a permis de résoudre de manière spectaculaire divers problèmes analytiques tels que, l'évaluation de l'énantiosélectivité de réactions de déshydrofluorination asymétriques (collaboration avec l'UPRESA 6052, Université de Rennes I) (cf. Fig. 24), l'étude d'effets de dédoublement cinétique lors de réactions de cycloadditions asymétriques [2+3] (collaboration avec UMR 8615, I.C.M.O.), ou la visualisation de molécules chirales de symétrie C3 non discriminables par d’autres techniques (collaboration avec le Weizmann Institute of Science, Israël)

 

II) Visualisation d'énantiomères et de diastéréoisomères par R.M.N. du deutérium en abondance naturelle dans les cristaux liquides polypeptides (1998-2000)

L'une des premières méthodes de visualisation d'énantiomères dans la phase PBLG proposée au laboratoire reposait sur l'utilisation de la R.M.N. du deutérium découplé des protons pour différencier des molécules chirales monodeutérées. Dans cette technique, la discrimination d'énantiomères repose sur une possible différence d'éclatement quadrupolaire observable (DnQ) pour tout noyau de spin I > 1/2. Ainsi pour un deutérium (I=1), nous obtenons un simple doublet quadrupolaire dont l’éclatement est proportionnel au facteur d'ordre orientationnel (SC-D) d'une liaison C-D donnée. De fait, si ce facteur d'ordre est différent pour les deux énantiomères, nous observons alors deux doublets quadrupolaires centrés généralement sur le même déplacement chimique ( Ds2H 0), ce qui conduit à discriminer facilement le signal des deux isomères (cf. Fig. 25).

L'intérêt de la R.M.N. 2H-{1H} de molécules chirales deutérées sélectivement est d'une part, l'extrême simplicité des spectres à analyser (deux doublets) et d'autre part, la "très grande" sensibilité de l'interaction quadrupolaire à l'ordre orientationnel des molécules. Ainsi, une petite différence d'orientation moléculaire entre les deux isomères dans la phase chirale peut encore conduire à une discrimination énantiomérique mesurable sur les spectres de R.M.N. 2H-{1H}.

Fig. 25 : Principe de discrimination de deux énantiomères monodeutérés par R.M.N. 2H-{1H} dans la phase PBLG. L'attribution des doublets quadrupolaires R et S est ici arbitraire.

La technique s'est rapidement révélée très efficace et capable de discriminer une très large gamme de molécules organiques chirales. Parmi tous les résultats obtenus, citons la possibilité de discriminer la chiralité allénique ou la chiralité isotopique, qui sont réputées particulièrement difficiles à observer avec des techniques R.M.N. isotropes classiques, voire même impossibles à résoudre par chromatographie chirale. Cependant, l'inconvénient majeur de cette approche réside dans la nécessité d'incorporer une sonde deutérium dans la molécule chirale, ce qui n'est pas toujours simple à réaliser. D'autre part, le site deutéré choisi dans la molécule peut s'avérer inefficace si aucune discrimination chirale n'est observée.

Pour contourner les difficultés inhérentes à cette méthode, nous avons montré très récemment que la R.M.N. 2H-{1H} en abondance naturelle dans le PBLG était possible expérimentalement. En fait, un rapide calcul indique que la sensibilité théorique d'une expérience 1D deutérium en abondance naturelle est très similaire à celle d'une expérience 2D INADEQUATE 13C-13C.

Cette approche a été mise au point dans le cas de mélanges binaires (PBLG + molécule chirale hélicogène) dans une première étape puis étendue avec succès aux cas des mélanges ternaires (soluté + PBLG + co-solvant). Pour les mélanges ternaires, la quantité de substrat chiral nécessaire pour obtenir un spectre avec un temps raisonnable varie entre 80 et 100 mg. A titre d'illustration, les spectres présentés sur les Figures 26 et 27 ont été enregistrés après une quinzaine d'heures d'accumulation sur un spectromètre R.M.N. de 250 et 400 MHz respectivement.

Dans ces deux exemples, nous visualisons la discrimination chirale au niveau du groupe méthyle &emdash;deux doublets quadrupolaires&emdash; (cf. Fig. 26) ou au niveau du groupe méthylène prochiral &emdash;quatre doublets quadrupolaires&emdash; (cf. Fig. 27). Remarquons dans ce dernier cas que les deux noyaux portés par le groupement méthylène sont diastéréotopes et sont donc discriminables dans le PBLG (comme en milieu isotrope). En fait, en R.M.N. 2H-{1H} en abondance naturelle, nous observons un mélange de quatre diastéréoisomères dits "semi-isotopiques". Par conséquent, il est possible d’observer jusqu'à quatre doublets quadrupolaires distincts (voir aussi Fig. 17) lorsque tous les signaux sont visibles sur le spectre. Malgré un rapport signal sur bruit qui n'est pas toujours optimum, la mesure des excès énantiomériques est possible. Nous estimons que la précision sur les ee et les ed est actuellement d'environ 10 %.

Fig. 26 : Spectre 2H-{1H} en abondance naturelle du (±) but-2-yn-3-ol (100 mg) dans la phase PBLG/CHCl3 (T=300 K).

Fig. 27 : Spectre 2H-{1H} en abondance naturelle du (±) pent-1-yn-3-ol (100 mg) dans la phase PBLG/CHCl3.

Par ailleurs, la R.M.N. 2H-{1H} dans le PBLG s’est révélée être un excellent outil pour aborder le problème de la différenciation de molécules diastéréoisomères deutérées sélectivement, notamment lorsque les centres asymétriques étaient séparés par un nombre élevées de liaisons. Ceci est particulièrement vrai pour les diols symétriques qui sont très utilisés pour la synthèse de polymère, et pour lesquels il est important de connaître un éventuel ee et ed. En utilisant la R.M.N. 2H-{1H} en abondance naturelle, nous avons montré qu'il n'était plus nécessaire de modifier isotopiquement ce type de molécules, puisqu'il est possible de discerner le signal des diastéréoisomères thréo et méso. Ainsi dans le cas du (±) bis(1-phényléthyl)éthanedioate (cf. Fig. 28a), il nous est possible de visualiser au niveau du groupe méthyle quatre doublets quadrupolaires correspondant aux dérivés thréo (RR et SS donnent deux doublets) et méso (les deux méthyles sont énantiotopes et donnent deux doublets dans une phase nématique chirale) de ce composé (cf. Thème III). Notons que dans un mélange nématique non chiral constitué d'un mélange racémique de PBLG et de PBDG (l’énantiomère du PBLG), deux énantiomères ou deux éléments énantiotopes ne sont plus discriminés et seuls deux doublets quadrupolaires (correspondant aux deux espèces diastéréoisomères) restent visibles sur le spectre 2H-{1H} en abondance naturelle (cf. Fig. 28b)

Fig. 28 : Colonne extraite du spectre 2H-{1H} Q-COSY tilté en abondance naturelle du (±) bis(1-phényléthyl)éthanedioate enregistré dans un mélange PBLG/CHCl3 (a) et un mélange racémique (PBLG+PBDG)/CHCl3 (b), et montrant la discrimination des dérivés thréo et méso au niveau du groupe méthyle.

Notons enfin que les résultats 1D et 2D présentés dans ce rapport ont été obtenus à l'aide d'une sonde de mesure R.M.N. large bande inverse (BBI), qui n'est pas optimisée pour ce type d'expériences. Afin de développer l'intérêt et le potentiel analytique de cette méthode (notamment en améliorant la sensibilité des expériences 1D et 2D), nous avons engagé un partenariat avec la Société BRUKER (constructeur européen de spectromètre R.M.N.) pour la construction et l'utilisation d'une sonde sélective deutérium et d'un système de lock fluor pour le contrôle de la stabilité du champ magnétique). L'utilisation de ce type de sonde en R.M.N. du deutérium en abondance naturelle nous permet déjà d'améliorer sensiblement les temps d'expérience, la précision sur la mesure des excès énantiomériques, ou de diminuer la quantité de produit nécessaire (50 mg). Ainsi très récemment, nous avons montré que la discrimination d'hydrocarbures chiraux linéaires ou cycliques était possible, et laisse envisager de nombreuses applications en chimie organique. Ce travail très prometteur est actuellement en cours de développement.

A terme, l'utilisation de spectromètres à plus haut champ (600-700 MHz) et/ou l'emploi de cryosondes (sondes dont les composants électroniques sont refroidis à 27 K pour limiter le bruit thermique) augmenteront considérablement la sensibilité de ces expériences par rapport aux sondes classiques (facteur 4 en sensibilité, soit un facteur 16 en temps d'expérience) et favoriseront donc l'essor de cette méthodologie auprès de la communauté des chimistes organiciens.