Nous suivre Info chimie

La cyclodextrine sous contrôle

Aurélie Dureuil

Utilisée dans de nombreuses applications de la vie quotidienne, la molécule de cyclodextrine était pratiquement impossible à fonctionnaliser avec précision avant que des chercheurs français ne relèvent le défi.

« La cyclodextrine est une molécule de la vie de tous les jours », lance Matthieu Sollogoub, enseignant-chercheur au sein de l'Institut parisien de chimie moléculaire (UPMC/CNRS), membre du laboratoire d'excellence MiChem (Sorbonne-Universités). Son laboratoire, Glycochimie organique, biologique et supramoléculaire, travaille sur cette molécule produite par la dégradation enzymatique de l'amidon. « Formée de 6, 7 ou 8 glucoses, elle possède une structure cyclique avec une cavité hydrophobe, tout en étant soluble dans l'eau. Elle permet ainsi de former dans l'eau des complexes d'inclusion avec des molécules hydrophobes », souligne Matthieu Sollogoub. Cette molécule, formant une sorte de cage, peut emprisonner une autre molécule dans son milieu formant ainsi un complexe incluant la molécule d'intérêt. Il cite ainsi de nombreux exemples : « Dans la santé, la cavité des cyclodextrines permet d'encapsuler un principe actif pour le solubiliser ou bien le protéger. Dans l'industrie textile, la cyclodextrine est utilisée dans les textiles qui absorbent les odeurs. La cyclodextrine est également utilisée dans l'industrie agro-alimentaire, la chromatographie ou encore dans les désodorisants ».

Si les applications sont nombreuses, l'utilisation des cyclodextrines reste limitée par la difficulté d'ajouter des fonctions chimiques sur ces grosses molécules et donc des propriétés. Cette entité moléculaire-cage en forme d'abat-jour est composée de plusieurs exemplaires de la même molécule, le glucose, et ce, de manière totalement symétrique. Cette particularité entraîne une absence de différenciation en termes de réactivité. Pour une cyclodextrine composée de six glucoses, chacune des six fonctions alcool, à l'extérieur du cycle, présente la même réactivité. Le défi pour les chercheurs est donc d'ajouter des fonctions à des positions bien spécifiques. « Pour la cyclodextrine, il est très facile de mettre la même fonction partout, il est relativement aisé de mettre une fonction à un endroit, mais il était jusqu'à présent inenvisageable de mettre plusieurs fonctions différentes à des positions pré-déterminées », souligne Matthieu Sollogoub. C'est ce défi que les chercheurs de l'Institut parisien de chimie moléculaire ont relevé. Leurs résultats leur ont valu une publication dans Nature Communications en novembre 2014.

 

Un ensemble de règles défini

 

Tout est parti d'une réaction de débenzylation de deux fonctions alcool face à face, « trouvée un peu par hasard », confie le chercheur. « Nous en avons ensuite compris le mécanisme. La première réaction dirige la seconde dans l'espace », indique Mattieu Sollogoub. Les chercheurs ont en effet protégé les fonctions alcool d'une cyclodextrine à 6 cycles avec des fonctions benzyle. Ils ont ensuite réussi à effectuer une débenzylation sélective, c'est-à-dire remplacer l'alcool protégé d'un groupe benzyle par une autre fonction. Un premier groupe fonctionnel a été ajouté, puis la seconde fonction a été intégrée sur la cyclodextrine à la position « diamétralement opposée ». « La compréhension du mécanisme nous a permis de répéter cette double fonctionnalisation de manière contrôlée », précise Mattieu Sollogoub. Les chercheurs sont ensuite allés plus loin en établissant une deuxième règle permettant d'ajouter une deuxième fonction à côté de la première dans le sens horaire. « Avec ces deux règles, en les combinant, en inventant de nouvelles façons de les utiliser, nous avons pu ajouter à la cyclodextrine six fonctions différentes de façon unique dans le sens que nous avions décidé. Avant nos travaux, la réaction visant à ajouter six fonctions différentes aboutissait à un mélange de 7 826 molécules. Aujourd'hui, nous savons aboutir à n'importe lequel des 7 826 motifs de fonctionnalisation des cyclodextrines à volonté », se félicite l'enseignant-chercheur. La réaction centrale de cette débenzylation sélective repose sur l'utilisation d'hydrure de diisobutyl-aluminium. « Il s'agit de la même réaction pour laquelle nous avons mis au point des règles d'orientation dans l'espace. Grâce à la protection par les benzyles des alcools de la cyclodextrine, la réaction se fait dans un solvant organique, ce qui présente l'avantage de simplifier les procédures, et permet de purifier sur des colonnes de silice et non plus par HPLC. D'un point de vue échelle, nous pouvons augmenter le procédé assez facilement », indique le chercheur qui précise effectuer la réaction avec « plusieurs dizaines de grammes de cyclodextrine ». Pour la publication, les fonctions alcools, azide, alcène, amine, halogénoalcane et éther ont été greffées à des positions définies sur la cyclodextrine. Mais l'équipe de Matthieu Sollogoub peut désormais ajouter d'autres fonctions et elles sont « interchangeables à volonté ».

« Ces six fonctions, ce sont six propriétés directement ajoutées sur ces molécules », précise Matthieu Sollogoub qui anticipe de nouvelles applications pour les cyclodextrines. Ces résultats ouvrent ainsi la voie aux assemblages supramoléculaires hiérarchiques. « Nous pouvons créer des colonnes de cyclodextrines avec une cavité au milieu, assembler ces colonnes. Cela donne la possibilité de créer, par exemple, des enzymes artificielles, ou des dispositifs de conversion de l'énergie solaire », détaille le chercheur. Dans le domaine de la santé, il imagine des combinaisons d'encapsulation de principe actif, de molécule pour le diagnostic et la fonctionnalisation de l'extérieur de la cyclodextrine avec un agent de ciblage, un agent de relargage, etc. Matthieu Sollogoub cite également des applications dans le domaine de la catalyse : « Avec un ligand du palladium de cyclodextrine, nous avons battu le record du monde d'efficacité en catalyse homogène, en atteignant un turnover de 340 milliards. Le turnover étant le nombre de molécules transformées par une molécule de catalyseur. En extrapolant, cela signifie qu'1 mg de nos composés pourrait assembler 1 000 tonnes de réactifs », précise-t-il. Les applications de la polyfonctionnalisation de la cyclodextrine découverte par l'équipe de Matthieu Sollogoub sont donc extrêmement diverses.

MICHEM, UN LABORATOIRE D'EXCELLENCE À LARGE SPECTRE CENTRÉ SUR LA CHIMIE

«Le laboratoire d'excellence MiChem couvre un large spectre de savoir-faire et de compétences en chimie », souligne Matthieu Sollogoub, enseignant-chercheur au sein de l'Institut parisien de chimie moléculaire (UPMC/CNRS), membre du laboratoire d'excellence MiChem (Sorbonne-Universités). Avec 17 partenaires, MiChem compte des savoir-faire allant de la synthèse chimique à la nanochimie en passant par la chimie-physique, la chimie théorique et même l'histoire. En termes de compétences, les équipes participantes travaillent sur les thèmes de la synthèse, de l'instrumentation et de la théorie. « Chaque projet est pensé en réunissant ces trois disciplines », précise Matthieu Sollogoub. MiChem affiche environ « un millier de publications par an » et n'oublie pas la transmission avec un axe fort sur « l'enseignement et la valorisation », conclut-il.

Bienvenue !

Vous êtes inscrit à la news Industrie Chimie

Nous vous recommandons

Electronique organique : Seqens crée un Labcom à l’ENSCBP à Bordeaux

Electronique organique : Seqens crée un Labcom à l’ENSCBP à Bordeaux

La société Seqens et le Laboratoire de l’Intégration du Matériau au Système (IMS sous tutelle CNRS, l’Université de Bordeaux  et Bordeaux Aquitaine INP) ont démarré un[…]

10/02/2020 | Seqens
Evonik et LIKAT réalisent une percée dans la réaction de carbonylation

Evonik et LIKAT réalisent une percée dans la réaction de carbonylation

La chimie en Auvergne-Rhône-Alpes face aux enjeux de la digitalisation

La chimie en Auvergne-Rhône-Alpes face aux enjeux de la digitalisation

Les laboratoires de L'Oréal s'adaptent aux chercheurs

Les laboratoires de L'Oréal s'adaptent aux chercheurs

Plus d'articles