CYCLODEXTRINES

CYCLODEXTRINES

CYCLODEXTRINES

Les cyclodextrines sont des molécules cycliques (macrocycles) naturelles constituées de six à dix unités d’un sucre, le D-glucose. Elles sont obtenues par transformation microbiologique ou enzymatique de l’amidon, produit de réserve de nombreux végétaux. Bien que découvertes pour la plupart à la fin du XIX^e siècle, ces entités, qui présentent la particularité de pouvoir héberger d’autres molécules dans la cavité qu’elles délimitent, étaient restées jusqu’à un passé récent des curiosités de laboratoire. Le développement rapide, depuis les années 1970, des concepts de la chimie supramoléculaire vient de focaliser à nouveau l’attention sur elles. Elles connaissent déjà d’importantes applications dans les domaines agricole, alimentaire, cosmétique, chimique et pharmaceutique. Leur récente production industrielle à coûts modérés, leur disponibilité fondée sur des productions agricoles abondantes ainsi que leur caractère biodégradable confèrent désormais à ces molécules de grandes potentialités économiques.

HISTORIQUE ET DISPONIBILITÉ

En 1891, le chimiste français Antoine Villiers décrivait, dans une note à l’Académie des sciences, l’obtention, à partir d’un produit de fermentation de la fécule de pomme de terre, autrement dit de l’amidon, d’une substance “qui se sépare en beaux cristaux radiés [...] dans l’alcool ayant servi à la précipitation des dextrines”, ayant les caractéristiques d’un sucre et qui retenait de l’eau ou de l’alcool par cristallisation dans ces solvants. En 1903, Franz Schardinger, qui travaillait en Autriche sur l’altération des aliments, confirmait ces résultats et identifiait une bactérie thermostable, Bacillus macerans, comme étant l’agent responsable de la formation des “dextrines” 見 et 廓 (appelées plus tard cyclodextrines 見 et 廓) à partir d’amidon. Ce n’est qu’à partir de 1939 que Karl Freudenberg en Allemagne, puis Dexter French aux États-Unis, en utilisant des méthodes chimiques et physico-chimiques plus élaborées, montraient que les dextrines 見 et 廓 de Schardinger étaient constituées par l’enchaînement (sous forme d’un anneau), respectivement, de six et de sept unités de D-glucose. Ils isolaient aussi la 塚-cyclodextrine, troisième membre de cette famille, formée par huit unités de D-glucose. La 嗀-cyclodextrine (9 maillons de glucose) était caractérisée, en 1965, par French, et l’ 﨎-cyclodextrine (10 unités de glucose) vient d’être signalée dans la littérature scientifique. Dès 1939, French montrait de plus que la présence de la bactérie n’était pas nécessaire à la biosynthèse de ces molécules puisqu’un extrait acellulaire du milieu de culture mis en présence d’amidon pouvait à lui seul provoquer la formation des cyclodextrines. Il caractérisait la cyclodextrine glucosyl transférase (CGTase) comme étant l’enzyme responsable de la biosynthèse de ces curieuses molécules.

Dans les années 1950, les travaux de l’Allemand Friedrich Cramer avaient mis en évidence la possibilité pour les cyclodextrines d’inclure dans leur structure cage une autre molécule pour former des complexes d’inclusion, ou supermolécules. Certes, l’émergence de cette notion ne s’est pas faite sans difficulté dans la communauté scientifique de l’époque. De plus, en 1966, Cramer montrait que les propriétés d’inclusion des cyclodextrines pouvaient être utilisées pour la séparation de molécules énantiomorphes, ou pour la catalyse de réactions chimiques.

La difficulté d’obtention des cyclodextrines à l’état pur et avec un rendement satisfaisant a constitué, jusque dans les années 1975-1980, un handicap majeur pour le progrès des connaissances sur ces entités. La 廓-cyclodextrine, produite en 1975, était alors proposée au prix de 1 500 dollars américains le kilogramme, et les 見- et 塚-cyclodextrines étaient sans prix. La découverte de la CGTase, à la fin des années 1970, chez d’autres souches bactériennes ainsi que les progrès du génie génétique, qui ont permis récemment le clonage des gènes de la CGTase dans les souches bactériennes à croissance rapide, ont permis d’envisager une production commerciale à bas coûts d’enzymes plus spécifiques à partir desquelles on fabrique les cyclodextrines. Ainsi, aujourd’hui, le prix de vente des cyclodextrines est de l’ordre de 40 francs le kilogramme pour la 廓-cyclodextrine, de 300 francs pour l’ 見-cyclodextrine et de 600 francs pour la 塚-cyclodextrine.

STRUCTURE ET RÉACTIVITÉ MOLÉCULAIRE

L’enchaînement des unités de glucose constituant les cyclodextrines délimite une cavité rigide, tout au moins pour les premières entités, apolaire et chirale, dont la dimension varie en fonction du nombre d’unités de glucose: de 0,47 à 0,52 nanomètre (nm) pour l’ 見-cyclodextrine, de 0,60 à 0,64 nm pour la 廓-cyclodextrine et de 0,75 à 0,83 nm pour la 塚-cyclodextrine. Des hydroxyles (groupements OH) tapissent les faces externes des tores, conférant à l’extérieur de la molécule un caractère hydrophile polaire (fig. c). L’intérieur de la cavité, quant à lui, est bordé par les atomes d’hydrogène en C-3, C-5 et l’atome d’oxygène de la liaison (14) interosidique (liaison entre deux molécules de glucose), d’où son caractère apolaire. Cet arrangement moléculaire est voisin de celui de l’amidon dont les unités de glucose sont disposées en pas de vis à six maillons de glucose; une telle structure hélicoïdale explique la facilité avec laquelle la CGTase est capable de détacher un pas de l’hélice et de lier les deux extrémités du fragment pour conduire à une molécule cyclique.

L’obtention des cyclodextrines par synthèse chimique est très difficile, et les rendements sont faibles: de l’ordre de 0,3 p. 100 pour l’ 見-cyclodextrine et de 0,02 p. 100 pour la 塚-cyclodextrine. La modification chimique des cyclodextrines naturelles pose en revanche moins de problèmes. Elle permet d’intervenir sur leurs caractéristiques de solubilité, de complexation et d’introduire certaines fonctions spécifiques. Les cyclodextrines étant des molécules polyfonctionnelles, de nombreux types de réactions peuvent leur être appliqués, telle la coupure de liaisons C–H, C–O, C–C ou O–H. La réaction la plus courante est l’attaque électrophile au niveau des groupes hydroxyle par des halogénures d’acyle ou d’alkyle, qui conduit à des esters ou à des éthers. Ce type de substitution permet de modifier les caractères de solubilité. Ainsi les dérivés méthylés des cyclodextrines sont plus solubles dans l’eau que les cyclodextrines elles-mêmes, et ils sont également solubles dans les solvants organiques. Pour les dérivés des cyclodextrines 見, 廓 et 塚, dont la structure tridimensionnelle a été totalement inversée par formation d’un éther interne 3,6-anhydride, à l’image d’un doigt de gant retourné, la reconnaissance ionique vis-à-vis de certains ions, dont le césium, est améliorée. La polymérisation des cyclodextrines, ou leur fixation sur des supports solides de façon à les rendre insolubles, permet d’obtenir des supports chromatographiques utilisables pour la séparation d’isomères chiraux. Le greffage de sucres sur le tore externe, conduisant à des “cyclodextrines de seconde génération”, permet d’améliorer la solubilité des cyclodextrines, d’en diminuer le caractère hémolytique et d’introduire un signal de reconnaissance cellulaire, ce qui ouvre des potentialités intéressantes pour le ciblage des médicaments dans l’organisme.

ASSEMBLAGES MOLÉCULAIRES; SUPERMOLÉCULES

La caractéristique la plus importante des cyclodextrines est leur capacité à inclure dans leur cavité une variété de substances solides, liquides ou gazeuses conduisant à la formation de supermolécules. En général, un critère essentiel pour la formation du complexe d’inclusion est l’adéquation entre les dimensions de la cavité et celles de la molécule invitée. Cette dernière, dans certains cas, reste en dehors de la cavité; on parle alors de complexes d’association. Mais la structure invitée peut aussi être complètement ou partiellement incluse. En règle générale, la stabilité du complexe d’inclusion augmente avec l’importance du recouvrement par la (ou les) cavité(s) hydrophobe(s) de la structure hôte. Les paramètres qui prédisposent à l’inclusion sont généralement de nature hydrophobe et impliquent plusieurs types d’interactions combinées: les interactions de Van der Waals; le gain d’entropie résultant de la déstructuration de l’eau qui occupe la cavité de la cyclodextrine en solution aqueuse ou qui entoure la molécule invitée; le relâchement de tension moléculaire de la structure hôte; la possibilité de formation de liaisons hydrogène entre la cyclodextrine et la molécule entrante; les interactions polaires.

La formation de complexes d’inclusion avec les cyclodextrines peut être détectée par la modification des propriétés physico-chimiques de la structure incluse telles que l’augmentation de la solubilité, la modification des spectres d’absorption dans les rayonnements ultraviolet et visible, la modification du dichroïsme circulaire pour les molécules chirales ou de la fluorescence pour les molécules comportant des groupements chromophores. La cristallographie de rayons X est un outil puissant qui permet le plus souvent d’obtenir une idée précise de la topologie de la supermolécule à l’état solide lorsque la nature des cristaux s’y prête. La spectrométrie de résonance magnétique nucléaire permet de déterminer la topologie du complexe en solution. Elle est fondée sur la modification du déplacement chimique des signaux des atomes de la molécule incluse, mais également de la cyclodextrine, et en particulier, dans ce dernier cas, des protons en C-3 et C-5 qui tapissent l’intérieur de la cavité. La variation du déplacement chimique, lorsqu’on fait varier la concentration respective des espèces en présence, permet par ailleurs de déterminer la stabilité thermodynamique du complexe d’inclusion ainsi que la cinétique de sa formation.

APPLICATIONS DES CYCLODEXTRINES

Les applications des cyclodextrines se sont considérablement développées ces dernières années comme en témoigne l’augmentation constante des dépôts de brevets qui en revendiquent l’utilisation. L’inclusion est de façon générale mise à profit pour modifier les propriétés physico-chimiques des molécules incluses: solubilité, état physique, stabilité, réactivité. La solubilité de substances peu ou pas solubles dans l’eau peut être ainsi considérablement augmentée par leur inclusion dans des cyclodextrines ou des dérivés, et cette propriété trouve des applications dans le domaine dumédicament. En France et en Italie, un anti-inflammatoire, le piroxicam, est commercialisé sous la forme de son complexe d’inclusion avec la 廓-cyclodextrine sous le nom de Brexin®. Sa solubilité dans l’eau passe ainsi de 30 milligrammes par litre à 150 milligrammes par litre en présence de 廓-cyclodextrine. Au Japon, onze spécialités sont commercialisées sous la forme de leur complexe avec l’ 見- ou la 廓-cyclodextrine incluant les prostaglandines E¹ et E² (respectivement stimulant du muscle lisse et vasodilatateur), des antibiotiques du groupe des céphalosporines, l’analgésique déméthasone, l’antiulcérant bénexate, l’iode, ainsi que la nitroglycérine utilisée comme vasodilatateur coronaire. Beaucoup de ces composés, sensibles à l’oxydation ou à la lumière, sont ainsi stabilisés par inclusion dans la cyclodextrine. L’utilisation des cyclodextrines en pharmacie reste cependant encore limitée dans de nombreux pays du fait de la longueur des formalités de validation des formulations médicamenteuses. Le Taxotère®, un puissant agent anticancéreux qui agit en bloquant la division cellulaire, est pratiquement insoluble dans les milieux biologiques aqueux. Par inclusion dans la 6-S - 見-maltosyl-6-thio- 廓-cyclodextrine, sa solubilité dans l’eau est portée à 6,5 grammes par litre. Des recherches sont actuellement menées pour “habiller” la cyclodextrine d’un signal de reconnaissance externe, sorte de tête chercheuse qui permettrait par exemple de transporter le Taxotère, malgré tout toxique pour les cellules saines, directement vers les cellules malades. La parapharmacie et la cosmétologie, qui connaissent comparativement moins de contingences d’homologation, ont davantage mis à profit les propriétés complexantes des cyclodextrines. Ainsi celles-ci trouvent des applications comme composants actifs de déodorants, pour la diffusion contrôlée de parfums dans des articles de toilette, ou encore pour le masquage d’odeurs trop pénétrantes telles les odeurs de préparations à base d’extraits d’ail commercialisées en Allemagne sous les marques Tegra® ou Xund® et en Hongrie sous la marque Allidex®.

Dans le domaine de l’alimentation, la stabilisation d’arômes par inclusion ou encore l’extraction de composants indésirables tels la caféine ou le cholestérol connaissent des développements industriels. Enfin, on sait que l’addition de 1 à 3 p. 100 de cyclodextrines stabilise les émulsions, et une mayonnaise peut ainsi être préparée, sans œufs, en présence de cyclodextrines.

Dans le domaine de l’agriculture, l’introduction d’un gaz, l’éthylène, dans ces molécules cages forme un complexe d’inclusion qui, épandu sous forme de solution aqueuse sur certains fruits et légumes, telles les tomates, accélère leur maturation. L’inclusion, dans les cyclodextrines, d’insecticides à base de pyrèthre permet la stabilisation et améliore les possibilités d’utilisation de ces produits qui sont sensibles au rayonnement ultraviolet et à l’oxydation. Cette technique permet aussi la diffusion prolongée de phéromones, dont celle qui joue un rôle dans l’attraction sexuelle de la mouche du fruit de l’olivier, ce qui en facilite la destruction.

Dans le domaine de l’environnement, on vient de montrer que la carboxyméthyl- 廓-cyclodextrine complexait simultanément des métaux lourds tel le cadmium et des composés organiques toxiques tels que l’anthracène, le trichlorobenzène, le biphényle et le D.D.T. (dichloro-diphényl-trichloréthane). Cette propriété permet d’envisager son utilisation en décontamination.

Le positionnement spatial, qui résulte de la formation d’un complexe d’inclusion, est également mis à profit pour catalyser des réactions chimiques. Des accélérations importantes ou des améliorations de sélectivité ont été constatées pour des processus impliquant des mécanismes covalents (hydrolyse d’esters) aussi bien que non covalents (substitutions aromatiques régiosélectives). Dans le premier cas, un hydroxyle déprotoné de la cyclodextrine joue le rôle de nucléophile pouvant conduire à une transestérification intermédiaire. Des groupes fonctionnels susceptibles d’être activés plus aisément ont été couplés à la cyclodextrine, tel le noyau imidazole, ce qui a permis d’améliorer considérablement l’activité catalytique. Des métaux de transition, tels que le zinc ou le cuivre, ont également été coordonnés à des dérivés aminés de cyclodextrines sur le modèle des métalloenzymes permettant de catalyser l’hydrolyse d’esters ou de phosphates cycliques, ou encore l’hydratation du dioxyde de carbone. Lorsque deux molécules sont incluses dans la même cavité d’une cyclodextrine, elles se trouvent comprimées, ce qui facilite des réactions péricycliques de type Diels-Alder ou encore des photodimérisations. Dans les deux cas, la régio- mais aussi l’énantio-sélectivité de la réaction peuvent être notablement modifiées. Ce dernier aspect, évidemment lié à la structure chirale de la cavité des cyclodextrines, est développé avec le double objectif d’améliorer la sélectivité en synthèse organique, mais également de mieux comprendre les mécanismes des réactions enzymatiques.

En 1910, Franz Schardinger concluait ses travaux sur les cyclodextrines en écrivant: “Je réalise que beaucoup de questions sont restées sans réponse. Je dois laisser celles-ci à la personne qui, bénéficiant de circonstances plus favorables, pourra s’engager plus intensément sur le sujet.” Des réponses ont certes été données depuis lors, mais, comme dans beaucoup de domaines de recherche de grande envergure, celles-ci en appellent d’autres toujours plus approfondies. Les cyclodextrines, ces curieuses molécules cages produites par la nature pour une finalité que l’on perçoit encore mal, ont déjà suscité beaucoup d’intérêt scientifique et technologique. Leur présence sur le marché, désormais à bas coût, doit leur confirmer une place de choix comme outils de la chimie supramoléculaire.

Encyclopédie Universelle. 2012.