Chimie Moleculaire Et Supramoleculaire Des Sucres

Chimie molculaire et supramolculaire

des sucres

Serge David Universit Paris-Sud, Orsay

Chimie molculaire et supramolculaire

des sucres

Introduction chimique aux glycosciences

S A V O I R S A C T U E L S Interditions / CNRS ditions

gerbig

Lillustration de la couverture est la formule dun acide sialosyl sialique, disaccharide atypique, prsent dans ltoile de mer Asterias rubens (daprs A. Bergwerff, S. Hulleman, J. Kamerling, J. Vliegenthart, L. Shaw, G. Reuter et R. Schauer, Polysialic Acid, from Microbes to Mun, ouvrage col- lectif publi sous la direction de J . Roth, U. Rutishauser et E A . Troy II, Birkhauser Verlag, Ble, 1993, page 201).

O 1995, Interditions, 7, rue de lEstrapade, 75005 Paris et CNRS Editions, 20/22, rue Saint-Amand, 75015 Paris. Tous droits de traduction, dadaptation et de reproduction par tous procds rservs pour tous

pays. Toute reproduction ou reprsentation intgrale ou partielle, par quelque procd que ce soit, des

pages publies dans le prsent ouvrage, faite sans lautorisation de lditeur est illicite et constitue une contrefaon. Seules sont autorises, dune part, les reproductions strictement rserves lusage priv du copiste et non destines une utilisation collective, et dautre part, les courtes citations justifies par le caractre scientifique ou dinformation de luvre dans laquelle elles sont incorpores (art. L. 122-4, L. 122-5 et L. 335-2 du Code de la proprit intellectuelle).

Des photocopies payantes peuvent tre ralises avec laccord de lditeur. Sadresser au : Centre franais dexploitation du droit de copie, 3, rue de Hautefeuille, 75006 Paris. Tl. (1) 43.26.95.35.

ISBN 2 7296 0528 2 ISBN 2 271 05254 8

Table des matires

Introduction 1 1 Configuration des monosaccharides 4

1.1 Le glucose 4 1.2 Autres configurations des sucres 7 1.3 Tautomrie 10

1.3.1 Gnralits 10 1.3.2 Chromatographie en phase vapeur 11 1.3.3 Chromatographie liquide sous haute pression (HPLC) 11 1.3.4 Dichrosme circulaire 12 1.3.5 Rsonance magntique nuclaire 13 1.3.6 Rsultats et discussion 14

1.4 Cintique de la mutarotation 15 1.5 Considrations gnrales sur ces mesures 18 Rfrences 19

20 2 Conformation des monosaccharides et de leurs drivs 2.1 Symboles de conformation : pyranoses 20 2.2 Conformations ltat solide 21

du proton 22 2.3 Conformation en solution : rsonance magntique nuclaire

2.4 Gnralits sur les facteurs de conformation des monosaccharides 26 2.5 Effet de coplanar& 27 2.6 Effet anomrique 30

2.6.1 Donnes exprimentales 30 2.6.2 Origine de leffet anornfique 32

2.7 Conformation des pentopyranoses 37 2.8 Conformation des hexopyranoses et de leurs drivs 39

2.10 Polyols non cycliques 43 Rfrences 44

3.1 Dfinitions relatives aux glycosides (O-glycosides) 45

3.2.2 Rle prparatif et limites dutilit 47

2.9 Furanoses 41

3 Alkyl et aryl glycosides. Glycosylamines 45

46 3.2.1 Aspect exprimental 46

3.2 Synthse des alkyl glycosides par la mthode de Fischer

VI Table des matires

3.3 Autres mthodes de prparation des glycosides 3.3.1 Activation du carbone anomrique 3.3.2 Aryl glycosides Anhydropyranoses et anhydrofuranoses caractre actalique

3.5.1 Hydrolyse en milieu acide 3.5.2 Hydrolyse et transfert enzymatiques 3.5.3 Stabilit des glycosides dans les conditions neutres

ou alcalines. Rle protecteur

3.4 3.5 Proprits chimiques des glycosides

3.6 Glycosylamines et nuclosides 3.6.1 Gnralits 3.6.2 Glycosylamine 3.6.3 Nuclosides

Rfrences

4 Nomenclature 4.1 Introduction 4.2 Nomenclature des aldoses

4.2.1 Noms courants des sucres et symboles de configuration 4.2.2 Sucres dsoxygns 4.2.3 Sucres substitus par NRR, F, C1, Br, I, N,, alkyl-S

et phnyl-S 4.2.4 Drivs substitus sur loxygne 4.2.5 Formes acycliques 4.2.6 Formes cycliques 4.2.7 Alditols 4.2.8 Acides aldoniques 4.2.9 Acides uroniques 4.2.10 Actals cycliques 4.2.11 Actals et thioactals 4.2.12 Anhydrides intramolculaires

4.3 Ctoses 5 Ractions des hydroxyles

5.1 Drivs fonctionnels 5.1.1 Importance des ractions de protection 5.1.2 thers 5.1.3 Drivs silyls 5.1.4 Esters dacides organiques et carbonates 5.1.5 thrification et acylation slectives.

Drivs organostanniques 5.1.6 Phosphates 5.1.7 Hydrognosulfates

5.2 Actals 5.3 Oxydations en carbonyle

49 49 50 51 54 54 58

61 62 62 63 66 69 71 71 71 71 73

74 74 75 75 76 77 77 77 78 78 79 80 80 80 80 82 82

83 85 86 86 89

Table des matires VI1

5.3.1 Hydroxyles isols 89 5.3.2 Oxydation des diols en hydroxyctones 90 5.3.3 Utilit synthtique des sucres carbonyls 91 5.3.4 Oxydations catalytiques sur platine 92

5.4 Periodates alcalins et ttraactate de plomb 92 5.5 Dsoxygnation 94 Rfrences 95

6.1 Introduction 97 6.2 Oxydation par les halognes

6 Ractions du carbonyle et de lhmiactal 97

97 6.3 Ractifs nuclophiles 98

6.3.1 Borohydrure de sodium 98 6.3.2 Thiols 98 6.3.3 Cyanures alcalins 1 O0 6.3.4 Ractifs du type de Wittig et organomtalliques 101

6.4 Ractions impliquant la dprotonation en a du carbonyle. Les sucres c o m e aldols 103

6.5 Fonctionnalisation radicalaire au centre anornrique 106 Rfrences 107

108 7.1 Dplacement des hydroxyles alcooliques 108

7.3 Les ions acyloxoniums cycliques 114 7.4 Dplacements nuclophiles avec participation 117 7.5 Sucres non saturs 117

7.5.1 Glycals 117 7.5.2 Raction de Ferrier 119

7 Changements de configuration. Sucres non saturs et ramifis

7.2 poxides 112

7.6 Sucres ramifis 120 7.6.1 Gnralits 120 7.6.2 Famille > C (OH)-R 121 7.6.3 Famille > CH-R 122 7.6.4 Condensation aldolique 125

Rfrences 125 127

8.1 Induction asymtrique 127 8.1.1 Allylation et aldolisation nantioslective 127 8.1.2 Cycloaddition 129 8.1.3 Raction de Ugi 132

8.2 Les sucres comme prcurseurs de squences dans les synthses de produits naturels 133 8.2.1 Considrations gnrales 133 8.2.2 Synthse partir des sucres 135

Rfrences 140

8 Les sucres en synthse chirale

VI11 Table des matires

9 Les oligosaccharides : Configuration et analyse 9.1 Introduction, nomenclature 9.2 Effet exoanomrique 9.3 Dtermination des squences par les mthodes chimiques

9.3.1 Hydrolyse acide 9.3.2 Hydrolyse enzymatique 9.3.3 Analyse par mthylation

9.4 Dtermination des squences par les mthodes spectroscopiques 9.4.1 Spectromtrie de masse f.a.b 9.4.2 Technique dinjection dite

Table des matires IX

11.5.2 Complexes de la-cyclodextrine 188 11 S.3 Le complexe (paranitrophnyl a-maltohexaoside),.

Ba (1J2.27 H,O 189 11.5.4 Complexe iod de lamylose 190

11.6 Interaction des sucres avec leau liquide 191 11.6.1 Importance du problme 191 11.6.2 Le modle dhydratation strospcifique des hexopyranoses 19 1 11.6.3 Principe des mesures

Rfrences

12.1 tat naturel 12.2 Prparations des acides sialiques 12.3 Couplage chimique 12.4 Couplage enzymatique 12.5 acides polysialiques

12.5.1 Introduction 12.5.2 Acides polysialiques microbiens 12.5.3 La molcule dadhsion des cellules nerveuses, N-CAM

12 Acides sialiques et oligosaccharides sialyls

Rfrences 13 Glycoconjugus

13.1 Glycolipides 13.1.1 Dfinitions, isolement 13.1.2 Glycolipides animaux 13.1.3 Gangliosides 13.1.4 Glycolipides vgtaux

13.2.1 Gnralits 13.2.2 Protines glycosides 13.2.3 Protines glycosaminides 13.2.4 Problmes conformationnels

13.3 Glycosaminoglycanes et protoglycanes 13.3.1 Donnes gnrales 13.3.2 Chanes priodiques ou quasipriodiques

14 Structure de quelques complexes sucre-protine cristalliss

13.2 Glycoprotines

Rfrences

14.1 Gnralits. Le complexe ABP-L-arabinose 14.1.1 Protines et sucres 14.1.2 Le complexe protine ABP-L-arabinose

14.2 Complexe du maltose et de la protine de transport de la maltodextrine 14.2.1 Description de la protine complexante 14.2.2 Complexation des maltodextrines 14.2.3 Mode de complexation du maltose

193 197

198 198 20 1 203 205 209 209 209 210 212

213 213 213 214 214 215 216 216 216 218 220 222 222 223 224

225 225 225 226

228 228 229 230

X Table des matires

14.3 Le complexe dune lectine et dun octasaccharide biantennaire 232 Rfrences 235

236 15.1 Avertissement 236 15.2 Antignes et anticorps 236 15.3 La raction immunochimique in vitro 239

15.3.1 Haptnes 240 15.3.2 Physicochimie de la raction immunochimique 24 1

245 15.4.1 Structure 246 15.4.2 Spcificit 248 15.4.3 Description abrge de quelques lectines 249 15.4.4 Proprits biologiques des lectines 25 1 15.4.5 Comparaison des anticorps anti-sucres et des lectines 25 1

Rfrences 252 16 Les antignes de groupes sanguins : substances A, B, H et connexes 253

16.1 Les antignes A, B et H 253 253 254 257 258

16.3.1 Dterminants ABH 258 16.3.2 Dterminants Ii 260

Rfrences 263

dans le monde vivant 264 17.1 Introduction 264 17.2 Le signal de nodulation des rhizobia 264 17.3 Le pentasaccharide actif de lhparine 265

17.3.1 Isolement de lhparine 265 17.3.2 Biosynthse de lhparine 266 17.3.3 Dgradation de lhparine 267 17.3.4 Le pentasaccharide actif 268

17.4 Marqueurs tumoraux 27 1 17.4.1 Mthode de recherche 27 1 17.4.2 Antignes tumoraux 272

17.5 Antignes de diffrenciation 273 17.6 Les slectines 27 5

17.6.1 Raction inflammatoire et slectines 275 17.6.2 Slectines E 276 17.6.3 Slectine L 27 8 17.6.4 Synthse des ligands oligosaccharidiques des slectines 278

Rfrences 279

15 Antignes et anticorps. Lectines

15.4 Les lectines : dfinitions, extraction

16. I . 1 Gnralits. Polymorphisme 16.1.2 Types de jonction. Le systme Lewis

16.2 Le systme Ii et les effets de ramification 16.3 Synthse des dterminants oligosaccharidiques

17 Ractions de reconnaissance doligosaccharides importantes

Table des matires XI

18 Y a-t-il une interaction de reconnaissance entre les oligosaccharides et lADN ? 280 18.1 Donnes du problme 280 18.2 Les synthses du pseudo-oligosaccharide de la calichamicine 283

18.2.1 Voie DCBAE 283 18.2.2 Voie EABCD 287 18.2.3 Mthodes alternatives 288

290 18.3.1 Rupture de un ou de deux brins 290 18.3.2 Efficacit compare 290 18.3.3 Spcificit du site dattaque 290 18.3.4 Conclusion 29 1

Rfrences 29 1 Index 293

18.3 Reconnaissance du pseudo-ttrasaccharide par lADN

Introduction

A persoruie ,je rie .souhtrite nuturit ut7e chute ou uiie attetife fi)rc.ee LIU pont-levis de Knipplhro etc.. . cornirie N ces enrug&.s geri.s dufiiiire pieiris dune ir!ftiit cirrirreprises. cilors que r i o u s nutres, qunritl le poi i t .ye live, trouiwis l i ioie horirie o c w s i o r i tie choir cluns tios pr ises . 1.. . I Certes i l est dur tlhuhiter uti puys s c i i i s jartiuis de soleil sur 1 horimi, rnuis il nest guPre tlrlc> i iorz plus tlhtrhiter LUI etirnit o le soleil vous tombe .si verticnle- itierit sur le cr&e qu i l tie i i o i i s pirrtiet, tii N r ios eiitoii- rugc>s, de jeter quelque oinbre.

Sci-en Kierkegaard Jourricil (E.xfrciit.s), 14 juillet I837 (traduit du danois par Knud Fei-lov et Jean-Jacques Gatenu), Gallimard, I942

Le dcoupage des connaissances adopt dans cet ouvrage nest pas conforme 2 la tradition des livres de chimie organique. Manuels et traits dcrivent essentiellement les techniques contemporaines de construction de liaison covalente, avec quelques dveloppements sur les questions de conformation et, parfois, une brve allusion aux problmes du monde vivant. Certes la chimie organique synthtique des sucres a fait des progrs considrables au cours des dernires dcennies. La mise au point de nouvelles techniques et lintroduction de nouveaux concepts ont permis dtendre a cette famille la plupart des grandes ractions. Des efforts intenses ont permis damliorer notablement le pronostic de la raction de glyco- sidation, souvent inefficace avec la mthode ancienne. Aussi lauteur a-t-il consacr la moiti du prsent ouvrage 2 ces aspects synthtiques. Cependant, avec lvolution actuelle des ides sur la recherche, limiter un ouvrage sur les sucres la description des meilleures mthodes de construction de liaisons covalentes carbone-carbone et carbone-oxygne revient h laisser tomber ia moiti du sujet. I1 se trouve quun des axes privilgis de la chimie organique contemporaine est Itu- de dassociations entre molcules qui, tout en tant relativement stables, ne font pas intervenir de liaisons covalentes. Certaines de ces recherches se dveloppent de faon totalement autonome par rapport au monde vivant. Or on rencontre pr- cisment dans la chimie des oligosaccharides (voir le chapitre 9) un nombre important dassociations de ce type, essentiellement avec des rcepteurs macro- molculaires prsents dans les cellules vivantes, mais aussi avec des difices minraux. Certes la complexit des rcepteurs organiques naturels rend lanalyse des modes de liaison ez conjecturale dans la majorit des cas, mais Iimpor- tance des phnomnes du monde vivant qui en dpendent justifie aux yeux de

2 Introduction

lauteur dy consacrer la moiti de louvrage, ou presque. Faute de quoi, il aurait pass sous silence un domaine scientifique en expansion rapide.

Enfin, de tout temps, les chimistes des sucres ont t trs proccups de chimie physique. Que lon songe la tentative de mise en ordre de pouvoirs rotatoires, avec les moyens de lpoque, que reprsentent les rgles de Hudson. Si elles sont presque oublies - nous nen dirons rien - lesprit demeure, et la plupart des chimistes des sucres, bien quessentiellement penchs sur des problmes de synthse, jugent ncessaire un examen attentif de la physicochimie de leurs molcules, avec des moyens modernes, ventuellement les calculs ab initio et MM.. . Le lecteur trouvera, ici et l, et plus particulirement aux chapitres 1, 2 et 9, une slection des rsultats modernes.

Lauteur espre que le panorama gnral dessin dans son livre reflte fidle- ment lambiance des principaux laboratoires de chimie des sucres et latmosph- re des congrs et colloques spcialiss dans ce domaine. Nous sommes en prsence dune science qui ne sest pas construite partir dun arsenal technique particulier, mais dune famille assez homogne. On a propos le terme de glyco- science. I1 sagit dune dmarche scientifique intressante en elle-mme, peut-tre un modle pour dautres sries, indpendamment de ses prolongements manifes- tement anthropocentristes. On pourra objecter lauteur quun trait multi-auteur rpondrait mieux son objectif. Or ce livre nest pas un trait, mais une tentative pour situer un ensemble de travaux dans une perspective exacte par des exemples caractristiques. Les rfrences ne constituent pas un palmars de dcouvertes, mais lindication dune documentation supplmentaire daccs commode, ou celle dexpriences valeur pdagogique. Nous ajouterons que la rdaction par un seul auteur permet un traitement homogne. Lossature de louvrage est la chimie organique, ce qui nous semble justifi puisque, tt ou tard, toutes ces interactions seront dcrites en termes molculaires. I1 peut y avoir des justifications plus pra- tiques : par exemple, selon une information gnrale 1, une socit amricaine de biotechnologie particulirement performante a d nanmoins se rapprocher dun grand groupe industriel en mesure de laider sur le plan de la chimie organique.

Pour ce qui a trait la relation des sucres au monde vivant, nous avons mis laccent sur des molcules distribution trs large, souvent universelle, avec une attention particulire aux mcanismes gnraux. Cest la vision de la biochimie, qui nous a amen exclure des domaines chatoyants, comme celui des antibio- tiques aminoglycosidiques. Mais nous navons pas dsir faire un manuel de biochimie des sucres et, par exemple, nous ne parlons pas de llaboration, si caractristique, de certaines units oligosaccharidiques des glycoconjugus I*]. Nous nous sommes intress avant tout aux problmes de lhomme et des animaux suprieurs. Cette restriction nous a amen h ne pas traiter, sauf exception, la structure si complexe et les problmes dune grande importance pratique des oligosaccharides microbiens. Les deux rfrences cites concernent deux articles parmi les plus rcents de deux coles europennes actives dans ce domaine 1 3 3 4 1 . Nous ter- minerons ces considrations gnrales par un avertissement pratique : les dessins sont le plus souvent schmatiques et ne doivent pas tre utiliss comme une sour-

Introduction 3

ce de donnes quantitatives. Pour celles-ci, le lecteur devra utiliser les nombreux tableaux de chiffres prsents dans louvrage.

La biosynthse des protines suit le code gntique. Les analogues des protines dans le domaine des sucres sont les oligosaccharides. La jonction entre les units monosaccharidiques est catalyse par des enzymes, les glycosyltransfrases, videmment codes. Mais, contrairement ce qui se passe avec les acides amins, on na jusqu prsent aucune indication quil existe un code qui organi- se les squences des monosaccharides dans les oligosaccharides. Simplement (si lon peut dire !), les glycosyltransfrases doivent se manifester au bon moment et au bon endroit. Est-ce que cela entrane un certain flou dans la synthse? Lopinion diffuse a circul dans les cercles de spcialistes quun certain dsordre pourrait bien tre avantageux pour un organisme, en temprant lexcs de rigueur du code gntique. A notre connaissance, cette ide na pas encore t labore. I1 reste que nombre de ces enchanements ont une allure particulirement rbar- bative, et que le lecteur venant du monde color de la chimie des substances natu- relles aura limpression dentrer dans une contre aride et dsordonne, mais cest que le sens de ces structures ne se dvoile que lentement, et cela suffit les rendre passionnantes.

Lauteur remercie le professeur Andr Lubineau pour sa collaboration la rdaction du paragraphe 17.6 consacr aux slectines et leurs ligands, et aux paragraphes 11.2 et 11.6 qui traitent de la relation intime, si vidente tout le monde, et pourtant encore mystrieuse, entre le sucre et leau. Laide de MIne Claudine Au&, directeur de recherche au CNRS, pour toutes les questions de chimie enzymatique prparative a t vivement apprcie. Dune faon gnrale, limmersion de lauteur au milieu dun groupe actif lui a grandement facili- t la collecte et la vrification de linformation. Enfin lauteur remercie Mme Ten Feizi, du Medical Research Council, Harrow (Angleterre), pour son aide la rdaction des paragraphes 17.4 17.6 et le docteur Seni-tiroh Hakomori pour son aide llaboration du chapitre 16.

RFRENCES

[ I 1 P. J. Raugel, La Recherche, 262 (1994) 224-233. [2] V. N. Shibaev, Adv. Curbohydr: Chem. Biochem., 44 (1986) 277-339. [3] L. Kenne, B. Lindberg, M. Matibubur Rahman et M. Moyihuzzaman, Curbohydr: Res.,

[4] E I. Auzanneau, M. Mondange, D. Charon et L. Szabo, Curbohydr: Res., 228 (1992) 243 (1993) 131-138.

37-45.

CHAPITRE 1

Configuration des monosaccharides

1.1 LE GLUCOSE

Le glucose est extrmement soluble dans leau : on peut en dissoudre 0,5 kg dans 250 mL deau chaude. Laddition dacide actique cette solution entrane une prcipitation lente de cristaux. Cest une des varits tautomres, dsigne en nomenclature officielle par le nom >

Le glucose 5

Ainsi le pouvoir rotatoire dune solution aqueuse de lisomre a-D, qui correspond [a]iO + 112 immdiatement aprs la dissolution dcrot-il en quelques heures jusqu la valeur 52,7. Rciproquement le pouvoir rotatoire de lisomre 0-D crot de 18,7, valeur la dissolution jusqu la mme valeur dquilibre. Une rgle de mlange permet de calculer [a]/[f l = 38/62. Le compos tout quatorial domine, mais nous verrons au paragraphe 2.6 quil faut sabstenir dy voir la confirmation des rgles de lanalyse de conformation classique. Ce sont ces exp- riences qui ont permis la premire observation de lquilibre tautomrique (1.1) qui, pour cette raison, a gard le nom de mutarotation.

Le spectre de RMN du proton dans leau lourde volue de faon parallle. Le proton H-1 port par C( l), dblind par deux oxygnes gmins, donne un signal champs faible, spar du groupe des autres protons, facile reprer. Immdiatement aprs la dissolution, on observe sur le spectre de la-D-glucopyranose un doublet 3J4Hz, d un couplage quatorial-axial. Immdiatement aprs la dissolution, on observe sur le spectre du 0-D-glucopyranose dans les mmes conditions un doublet large 3J8Hz, d un couplage trans diaxial. On observe lquilibre la superposition de ces signaux (Fig. 1.1).

En fait, cette solution aqueuse contient dautres tautomres, mais en concentration beaucoup trop faible pour se manifester en RMN de routine. Nous ngli- gerons provisoirement leur existence. I1 doit tre clair que les tautomres 1.1 et 1.2 sont deux tres chimiques distincts dont la diffrence ne se manifeste pas seulement dans les proprits physiques, mais aussi dans la ractivit chimique et

1

Anomre a H(l).quatonal

J 4HZ

0,3? H

Anomre p H ( l ) axial

J 8 H z

0,67 H

p.p.m. I I I I I I I I I

5,2 5 , l 5,O 4,9 4,8 4,7 4,6 4 3 4,4

Figure 1.1 Signal RMN des protons anomriques H-1 des a- et fi-D-glucopyranoses.

6 Configuration des monosaccharides

1.1

CHO F )I- -OH CH,OH

1 . 4

Yo F F CI\IHCOCH,

HO-C-H I

1.7

1 . 2

YHO

F F

HO-C-H

HO- C-H I

W -OH

FF -OH CH,OH

1 . 5

YHO CH,CONH- C-H

HO-C-H I

FF -OH FF -OH

!H20H

1.8

YHO W C- OH

HO- C-H

1 . 3

Yo W- Ci? OH

I HO-C-H

1 . 6

F F C-NHCOCH,

HO-C-H

HO- -H F F F -OH CH20FI

1.9

enzymatique. Cependant on voit que le carbone C(1) se distingue des autres par sa configuration instable. Cest pourquoi on lui a donn le nom particulier de cur- hone unomrique. On a traditionnellement reprsent le glucose par le parent aldhydique 1.3, o il ny a plus que des configurations stables. Muis ce tuutom- re n est prsent, en toute circonstunce, qu une concentration infime.

Laldhyde 1.3 est dessin avec la convention de Fischer. Les hydroxyles situs au-dessous du plan moyen de loxane sont droite, lhydroxyle situ au-dessus est

Autres configurations de sucres 7

gauche. I1 y a une difficult de passage pour le carbone 5 li la chane latrale. Le lecteur devra se souvenir que, dans la convention Fischer, les valences ver- ticales sloignent et les valences horizontales se rapprochent de lobservateur. I1 vrifiera alors que lon peut appliquer les atomes lourds du D-glycraldhyde 1.4 sur la portion correspondant aux carbones 4, 5 et 6 des oxanes 1.1 et 1.2.

1.2 AUTRES CONFIGURATIONS DE SUCRES

I1 y a quatre carbones asymtriques dans la configuration 1.3, il y a donc Z4 = 16 isomres, qui ont chacun leur nom. Le lecteur trouvera un tableau de ces sucres au chapitre 4, consacr la nomenclature. On retrouve la majorit de ces configurations sous forme drive dans les cellules vivantes. Pour nous en tenir aux constituants gnraux universellement rpandus, nous citerons le D-mannose 1.5, et le D-galactose 1.6, pimres respectivement en 2 et 4 du D-glucose. Nous rencontrerons aussi frquemment trois sucres o lhydroxyle en C-2 a t remplac par un groupement actamido, dsigns dans la pratique par les noms N-actylglucosamine 1.7, N-actylmannosamine 1.8, et N-actylgalactosamine 1.9. On observe aussi des molcules partiellement dsoxygnes, comme le fucose 1.10. Tous ces sucres fonction aldhyde latente ont reu le nom gnral dal- doses. Mais le carbonyle latent peut aussi tre ctonique. On a alors les ctoses, tel le fructose 1.11. Tous les sucres comportant une chane de six carbones non ramifie ont reu le nom gnral dhexoses.

11 existe aussi des sucres cinq carbones, les pentoses, dont deux reprsentants, le D-ribose 1.12, et le dsoxyribose (en nomenclature correcte, 2-doxy-D-rythro-pentose) 1.13, dpassent infiniment les autres en importance. Un sucre neuf carbones, lacide sialique 1.14, rassemble sur la mme chane un carboxyle, un carbonyle ctonique, cinq hydroxyles alcooliques et une fonction amide. On numrote les chanes de sucres dans le sens qui attribue le chiffre le plus bas au carbone du carbonyle. Toutes ces molcules font partie du groupe des monosac- chu rides.

A lexception du fucose, tous ces sucres prsentent sur le carbone pnultime la mme configuration que le carbone central du D-glycraldhyde. Ceci sex-

CH,OH

CO FHO

HO-C-H

W C- OH HO-C-H

*-OH F F W -OH CH,OH

1.10 1.11

CHO

e C- OH W -OH

fk -OH F F CH,OH

1 . 1 2


YH CHO CO

I

I W C - H

W-OH H-C-H

1.13 1.14 1.15

plique aisment, car les cellules vivantes les fabriquent tous partir du D-glycraldhyde, et le trajet biosynthtique ne comporte aucune tape une rupture entre le carbone central du D-glycraldhyde et ses quatre substituants. La figure 1.2 schmatise l'arbre gnalogique de ces monosaccharides. Le D-fructose rsulte de la condensation aldolique de la dihydroxyactone (partenaire nuclophile) sur le D-glycraldhyde. I1 conduit soit au D-glucose soit au D-mannose par des modi- fications sur C(1) et C(2). Le D-glucose est pimris sur C(4) pour donner le D-galactose. Le mme D-glucose perd C( 1) et subit quelques transformations sur C(2) et C(3) pour donner le D-ribose (il existe une autre voie biosynthtique, le

Acide sialique

N -Actylmannosamine D-Glycraldhyde D-Ribose

N -Actylglucosamine - D-Fructose - D-Glucose N -Actylgalactosamine D-Mannose D-Galactose

Figure 1.2 Filiation des principaux sucres de la srie D.

Autres configurations de sucres 9

cycle pentose-heptose, plus complique, mais qui nimplique pas le carbone pnultime). Le dsoxyribose est fabriqu par dsoxygnation du D-ribose sur C(2). Lamination du D-fructose, suivie dactylation donne la N-actylglucosamine, pimrise en N-actylgalactosamine et N-actylmannosamine. La condensation aldolique de 1 acide pyruvique sur la N-actylmannosamine donne lacide sialique.

Seul parmi les sucres 1.5 1.14, le fucose prsente la configuration du L-glycraldhyde sur son carbone pnultime. Le prcurseur biologique est le D-mannose. I1 se forme un driv de structure 1.15 intermdiaire. Celui-ci subit des pi- mrisations en 3 et 5, conformes lintuition du chimiste organicien, puisque ces carbones sont contigus un carbonyle, et la rduction en alcool du carbonyle. I1 est peut-tre significatif quon observe aussi la configuration du L-glycraldhyde sur le carbone pnultime dautres sucres naturels dsoxygns en C(6). Pour viter toute erreur dinterprtation, on doit souligner que les substrats rels des enzymes dans ces voies biosynthtiques ne sont pas les sucres libres, mais des phosphates, ou des phosphates complexes. Toutefois, ceci ninfirme en rien nos dductions.

Quittons la biochimie pour la gomtrie. On a pris lhabitude de classer le D-glucose et ses quinze isomres de configuration stable en deux groupes de huit : la srie D, o C(5) prsente la configuration du D-glycraldhyde et la srie L, o C(5) prsente la configuration du L-glycraldhyde. On fait prcder le nom des sucres de la srie D du prfixe D : D-glucose, D-mannose, etc. Les nantiomres de ces hexoses, qui appartiennent la srie L sont appels L-glucose, L-mannose, etc. Enfin, lorsque dans un texte, ou un nom de driv de sucre en nomenclature officielle (voir le chapitre 4) on veut dsigner la configuration, par opposition la molcule, on emploie les symboles en italiques D-manno, D-gluco, D-galacto, L-manno, etc. drivs des noms courants des sucres. Ces conventions stendent sans difficult aux pentoses. I1 y a huit pentoses, deux deux nantiomres, rpar- tis dans deux sries, D et L, selon que le carbone pnultime a la configuration du D-glycraldhyde ou la configuration oppose. La configuration du pentose D-ribose se dsigne par D-ribo.

On remarquera que les mots > et G srie L >> ne recouvrent pas la mme ralit biologique suivant quil sagit de sucres ou dacides amins. Les acides amins des protines, une vingtaine en tout, appartiennent exclusivement


1.3 TAUTOMRIE

1.3.1 Gnralits

Lexamen de la formule de laldhyde 1.3 laisse prvoir a priori lexistence de six tautomres. Nous avons dj rencontr les pyranoses 1.1 et 1.2, qui rsultent de lattaque par loxygne 0-5 de lune ou de lautre des faces de laldhyde pro- chiral 1.3. Mais nous navons pas de raison dexclure la possibilit dattaque par loxygne 0-4, avec formation de deux tautomres comportant un cycle cinq lments, 1.16 et 1.17. La stabilit dun cycle cinq lments nest pas trs diff- rente de celle dun cycle six lments. A ce stade, nous allons terminer lexplication des termes introduits dogmatiquement au dbut du chapitre. Les sucres cycle oxane (ttrahydropyrane) sappellent des pyranoses, ceux cycle oxolane (ttrahydrofurane) sappellent des furanoses. Le symbole a est dfini par rfrence au carbone pnultime. Une explication simple de cette convention repose sur la considration de lhydrate du carbonyle, tel celui 1.18 correspondant au D-glucose. Sur le papier, on le transforme en furanose ou pyranose en remplaant lun des hydroxyles ports par C( 1) par loxygne dune fonction alcool porte par C(4) ou C(5). Si lhydroxyle qui reste est formellement cis par rapport loxygne du carbone pnultime, lanomre est dit a. On voit que 1.16 et 1.17 sont respectivement la- et le fi-D-furanose. Le cas des sucres plus de six carbones est trait au paragraphe 4.2.6.

I1 y a aussi lieu denvisager la prsence de laldhyde libre dans le milieu et de son hydrate 1.18. car on sait que les hydrates des aldhydes a-hydroxyls sont relativement stables.

En fait, tous ces tautomres existent dans les solutions aqueuses, mais le plus souvent, certains dentre eux sont prsents des concentrations trop faibles pour tre visibles sans techniques sophistiques. Par exemple, dans le cas du D-glucose, les tautomres autres que les a - et P-D-pyranoses ne sont prsents quen quantit insignifiante. Le problme de la composition tautomrique lquilibre des solutions de sucres, gnralement aqueuses, a suscit beaucoup dintrtL3].

CH,OH

OH

1.16

H I

I CH,OH HO - C- OH

WC-OH

*&-OH

HO-C-H

WC-OH

*&-OH

HO-C-H

I OH W -OH

kH.OH

1.17 1.18

Tautornrie 11

Contrairement la tradition, qui donne aux mesures physiques la prsance sur lisolement, nous allons traiter dabord des mthodes sparatives, parce quelles font appel des techniques trs fondamentales de la chimie des sucres. Reconnaissons cependant quelles ne sont pas les plus puissantes dans le prsent contexte. Bien sr, il ne faut pas que lisolement dun tautomre modifie appr- ciablement lquilibre. On utilisera donc des solvants o la mutarotation est lente, des ractions basse temprature et des ractions de drivation aussi rapides que possible.

1.3.2 Chromatographie en phase vapeur

Les sucres cristalliss sont extrmement stabiliss dans les phases solides et liquides par un rseau de liaisons hydrogne, puisque chaque hydroxyle peut tre ventuellement donneur ou accepteur. La destruction totale du rseau nest pas possible des tempratures infrieures celle o samorce la dcomposition de la molcule. Les sucres sont indistillables. La substitution de tous les hydrognes acides par le groupement Si(CH,), supprime toute possibilit de liaison hydrogne. Laccumulation de groupements mthyle la priphrie - quinze dans le cas du glucose - donne la molcule la forme approximative dune boule limite par 45 atomes dhydrogne neutres, de cohsion minimale. Bien que considrable- ment alourdie, la molcule devient volatile. Ainsi le driv de la-D-glucopyranose o tous les OH sont remplacs par OSi(CH,), bout 107- 1 10C sous O, 1 mm de Hg. On peut alors sparer rapidement les drivs de sucres persilyls par chromatographie gazeuse. Dans un procd habituel de silylation, on dissout le sucre (10 mg) dans la pyridine (1 mL) et on ajoute de lhexamthyldisilazane, Me,SiNHSiMe3 (0,2 mL) et du chlorotrimthylsilane (O. 1 mL). Chaque hydroxyle est silyl selon lquation (1.2). La raction est normalement complte en S mn temprature ambiante

(1.2) 3 ROH + ClSiMe, + Me,SiNHSiMe, + 3 ROSiMe, + NH, C1 Pour suivre la mutarotation, le prlvement (5 pL) est rapidement dissous dans

la N, N-dimthylformamide et la solution refroidie dans lazote liquide. On ajoute le mlange silylant, on laisse rchauffer et on injecte dans la colonne. Celle-ci, utilise 1S0-2OO0C, contient un remplissage dun liquide point dbullition lev, adsorb sur une phase solide pulvrulente. Avec cette mthode, on peut observer autant de pics sur le chromatogramme quil y a de tautomres en quantit apprciable en solution. I1 y a un problme didentification des pics, qui ncessite lisolement des fractions en quantit apprciable.

1.3.3 Chromatographie liquide sous haute pression (HPLC)

Lexamen chromatographique direct des sucres libres, ou presque libres, en solution aqueuse, est une technique dont lutilisation est en croissance rapide en chimie des 0ligosaccharides~~1. Ladsorbant est sous forme de particules mono-


Figure 1.3 Sparation danomres par HPLC 4C, luant : eau-actonitrile (20:80 v/v). Ordonnes : absorption 280 nm. Pour les autres

D-glucose

P-P

fi D-galactose

I I I I conditions, voir le texte. Adapt daprs 50 40 30 20 10 0 S. Honda, S. Suzuki et K. Kakehi, Minutes J. ChrornatogE, 291 (1984) 317-325.

disperses, dont la dimension varie de 3 15 p, dans des colonnes cylindriques analytiques de 10 15 cm. On utilise aussi des colonnes prparatives de dimensions 2,5 x 30 cm. Lcoulement nest possible que sous des pressions variant de une 300 atmosphres, et la dure de lopration est de lordre de lheure. On dose les sucres dans leffluant par mesure des variations de conductance, dindi- ce de rfraction ou dabsorption ultra-violette. Ceci impose une extrme stabilit de toutes les conditions opratoires, si bien que la colonne est entoure dlments de rgulation particulirement dispendieux.

Entre autres phases stationnaires adaptes ces sparations, on a dcrit lem- ploi de polystyrne-divinylbenzne sulfon en sphres de diamtre strictement contrl (6 p), qui remplissent une colonne de dimensions 6 x 150 mm. Cette rsi- ne changeur de cations est employe sous la forme Ca++. Le dbit est 0,s mL/mn. Dans ces e~priences[~], les auteurs ont dos les sucres dans leffluant par conver- sion en un driv absorbant 280 nm, mais cela ne serait sans doute pas ncessaire avec un matriel plus moderne. La figure 1.3 donne les enregistrements obtenus avec le D-glucose, le D-galactose et le D-mann~se[~] .

Les furanoses a et fi squilibrent trop rapidement pour quon puisse les sparer 0-4C, mais on a pu raliser cette sparation entre -25 et -4S0, avec des solvants spciaux, sur le D-galactose et le fucose.

1.3.4 Dichrosme circulaire

On a fait appel aux mesures de dichrosme circulaire pour

Tautomrie 13

Sucre I 03 A& 2 (nm) Configuration du carbone alpha

D-ribose - 0,469 285 D-galactose - 0,170 287 D-glucose - 0,0222 285 D-mannose + 0,0535 292 5,6-di--mthyl- D-glucose (1.19) - 9,57 289 D-fructose + 6,72 273 1-deoxy-D-fructose (1.20) + 138 274

R R R S

R S S

Tableau 1.1 Dichrosme circulaire de sucres en solution aqueuse 20C. Daprs L.D. Hayward et P.J. Angyal, Carbohydl: Res., 53 (1977) 13-20 (publi avec laimable autorisation dElsevier Science).

dun dichrosme circulaire dans cette rgion, cest--dire dune diffrence dex- tinction eG - eP = A& entre les lumires polarises circulairement droite et gauche. Ceci vient de la prsence dun carbone asymtrique contigu au carbonyle. Nous donnons une slection de rsultats dans le tableau l . l

Le tableau 1.1 montre dabord que de est positif quand la configuration du centre adjacent chiral est S, et ngatif quand cette configuration est R. Cest une rgle gnrale, vrifie sur 33 exemples. On remarquera ensuite la diffrence considrable dordre de grandeur entre les sucres aldhydiques non substitus et les sucres ctoniques, ce qui suggre que la concentration du tautomre carbony- l est beaucoup plus leve avec ces derniers. On observe aussi une valeur leve avec le 5,6-di-O-mthyl-D-glucose 1.19. Ce driv ne peut pas exister sous forme pyranose, il est essentiellement en solution sous la forme furanose, mais laugmentation trs considrable de de montre que la diffrence denthalpie libre entre aldhyde et furanose est plus faible quentre aldhyde et pyranose. Le dsoxy sucre 1.20 donne pour le moment le record absolu de ces mesures. Probablement, la stabilit naturelle plus grande de la fonction ctone est renforce par la sup- pression de leffet inducteur de la fonction alcool. On ne peut pas utiliser ces mesures pour doser exactement les tautomres carbonyles parce quon na pas accs la valeur de A& pour les composs purs. En prenant lunit comme valeur approximative plausible, on obtient par le calcul des concentrations du mme ordre que par les autres mthodes.

1.3.5 Rsonance magntique nuclaire

On peut tendre tous les aldoses ce que nous avons dit sur le glucose. Les signaux des protons H-1 des diffrents tautomres en solution dans loxyde de deutrium apparaissent, champs faibles, bien spars des autres. La technique de

14

2 3

Configuration des monosaccharides

6

4 5

Figure 1.4 Spectre de RMN de I3C du [ I - 3C]-D-glucose dans leau 37C. En abscis- se : dplacements en ppm partir de Me,Si. En ordonne : intensits qualitatives. Attribution des signaux : 1. aldhyde ; 2. P-D-gluco-furanose ; 3. a-D-glucofuranose ; 4. P-D-glucopyranose ; 5. a-D-glucopyranose ; 6. gem-diol. Daprs S. R. Maple et A. Allerhand, J. Am. Chem. Soc., 109 (1987) 3168-3169 (publi avec laimable autorisation de I American Chemical Society).

RMN du proton, telle quelle est utilise en routine dans les laboratoires de synthse ne rvle que les signaux de la- et du D- pyranose dans les solutions de D-glucose et D-mannose, tandis que dans les solutions de D-galactose, deux autres pics, trs peu intenses, rvlent la prsence des deux furanoses. On peut voir le signal du carbonyle sur le spectre de RMN de I3C dune solution 4M de

Pour aller au-del on utilise la RMN de 13C avec les sucres marqus par un procd synthtique sur C( l), ce qui multiplie par 100 lintensit du signal. Avec des procds daccumulation particuliers, et prolongs, on peut voir les six tautomres du D-glucose 37C. (Fig. 1.4). La disproportion des concentrations ne permet pas de les reprsenter de faon quantitativement valable, et le lecteur devra se rap- porter au tableau 1.2.

Lutilisation de sucres marqus sur C( I ) prsente un autre avantage galement trs important : on peut observer les couplages avec C(1) des 13C prsents en faible abondance aux autres positions du sucre, ce qui dans le cas gnral nest visible que pour les couplages J . On a donc ici un outil pour faciliter linterpr- tation du s p e ~ t r e [ ~ * ~ I . Une simplification supplmentaire est ralise avec la technique INADEQUATE, qui nenregistre que les signaux dus aux carbones coupls C( 1). On peut adapter les paramtres de faon ne retenir que les signaux des carbones spars de C( I ) par soit une, soit deux, soit trois liaisons, etc. Cette technique efface les signaux des carbones non coupls C( I) .

1.3.6 Rsultats et discussion

Le tableau 1.2 donne la composition tautomrique de pentoses et dhexoses en solution aqueuse ainsi que du 1-doxy-fructose, 1.20, et fructofuranose 1,6-

Cintique de la mutarotation 15

Sucre t Pyranose Furanose Ald- Ald- (OC) P a fl hyde hydro1

D-Glucose D-Mannose D-Galactose D-Ribose 2-Doxy -D-rythro-pentose Fructose Fructofuranose- 1,6-diphosphate (1.21) 1 -Doxy-fructose (1.20)

27 21 31 31 30 31

6 37

38,8 60,9 0,14 0,15 0,0024* 0,0045 68,O 32,O 30 64 2,s 3,s 0,02 213 58,5 6,s 13,s 0,05 40 35 13 12 2,s 65 6,s 25 0,8

13 86 0,9 4 75 6 9 6**

Tableau 1.2 Composition tautomrique de sucres dans D,O. Daprs S.J. Angyal, Adv. Curbohydr: Chern. Biochem., 42 (1984) 15-68 ; 49 (1991) 19-35. (publi avec laimable autorisation dAcademic Press). (* : 37C ; ** : tautomre ctonique.)

diphosphate, 1.21. On observera la prdominance des pyranoses. Les galactofura- noses 1.22 ont une stabilit relative plus grande que celle des glucofuranoses 1.23. Ceci est peut-tre d la disposition trans de lhydroxyle en C(3) et de la chane latrale dans les premiers. On observe aussi quil y a dix fois plus de P que da- pyranose dans les solutions de fructose. Nous allons ici anticiper sur le chapitre 2 consacr aux problmes de conformation. On peut dessiner le P-D-fructopyrano- se sous une conformation 1.24 o lon ne retrouve quune interaction dfavorable, entre H-3 et OH-5. Lchange des substituants sur C(2) donne une conformation minemment dfavorable, qui bascule pour aboutir 1.25, le moindre mal, mais o subsistent encore de fortes interactions 1,3-diaxiales.

1.4 CINTIQUE DE LA MUTAROTATION

Dans le cas du D-glucose, il ny a pratiquement que des pyranoses en solution. On peut formuler leur interconversion comme une raction rversible du premier ordre (1.3), Ca et Cp tant les concentrations (activits) de chaque anomre. La vitesse de disparition est alors donne par la relation (1.4), qui sintgre de la faon habituelle. I1 est commode de convertir les variations de concentration en variations de pouvoir rotatoire une longueur donde dtermine, ce qui donne la relation (1 3, o ro et r_ reprsentent les rotations mesures pour t = O et t = m.

(1.3) a-D-glucopyranose -- D-D-glucopyranose kl k2


CH, I

I

CO FHO

F

I+-C-OH

HO- C-H I I

HO- C-H

F -OH

W -OH

H- -OH

W -OCH,

CH20CH, F fH20H 1.19 1.20 1.21

OH

&H,OH

1.22 1.23

PH

b H OH

1 . 2 5

(1.5)

1.24

1.26 R = O H , R ' = H

1 . 2 7 R = H , R = O H

Cette relation est vrifie dans un grand nombre de cas@l La vitesse est multiplie par un facteur voisin de 2,5 pour une lvation de temprature de 10C, ce qui correspond une nergie d'activation voisine de 17 kcal mol-'. Parfois, comme dans le cas du D-galactose, on observe un cart apprciable, et mme, avec le D-ribose, une variation qui n'est plus du tout monotone. Ces anomalies

Cintique de la mutarotation 17

sexpliquent aisment par la prsence de plus de deux tautomres en interconversion dans la solution. La mutarotation est catalyse par les acides et les bases, et la plus lente entre les pH 3,O et 7,O. On la reprsente par une fonction de [H+] et [OH-], du type A + B [H+] + C [OH-], ce qui donne par exemple lquation (1.6) pour le glucose 20C.

(1.6) k, + k2 = 0,0060 + 0,18 [H+] + 16,000 [OH-] Lobservation de la mutarotation ne permet de connatre que la somme k , + k,.

Nimporte comment, k , et k2 sont des constantes composites. On a de trs fortes raisons de penser que lquilibre anomrique passe par lintermdiaire carbonyl (Fig. 1.5). Entre autres indications, loxygne port par le carbone anomrique ne schange pas avec leau pendant lopration.

Figure 1.5 Equilibre tautornrique en solution

Chacun des quilibres partiels de la figure 1.5, reprsent par une quation du type (1.7) fait intervenir deux constantes de vitesse lmentaires, k, et kf correspondant respectivement louverture et la fermeture du cycle. Leur rapport K = kf/ko est la constante dquilibre, mesurable sur les spectres de RMN si lon peut observer avec assez de prcision le signal du carbonyle.

(1.7) tautomre cyclique tautomre carbonyl k,

kf On a pu mesurer k, et kf dans un certain nombre de cad6]. Lorsque les

constantes de vitesse sont de lordre de 10-200 s-l, la mthode de mesure de llargissement des raies sur le spectre de RMN, selon Gutowsky et Holm, est applicable. Pour les valeurs plus faibles, de 0,05 10 s-l, on a fait appel une autre mthode, applicable aussi bien en RMN du proton quen RMN de I3C, le transfert de saturation entre deux sites. On irradie saturation la frquence du tautomre acyclique. Le bouclage de lhmiactal change son environnement, il devient le carbone hmiactalique, mais ne contribue pas lintensit du signal de ce carbone. Exprimentalement, on observe quen prolongeant lirradiation la frquence de rsonance du carbonyle, on provoque une baisse de lintensit de la rsonance hmiactalique. Celle-ci se stabilise un niveau final qui dpend de la relaxation au site hmiactalique et de la vitesse douverture du cycle. Une formule permet den extraire la vitesse douverture, et la mthode est utilisable dans

1s Configuration des monosaccharides

la zone 0,05 - 10 s-. A titre dexemple, on a reproduit sur la figure 1.6 les variations avec le pH de k, pour les deux anomres 1.26 et 1.27 dun mtabolite trs important, le D-ribose 5-phosphate, obtenu avec la molcule marque D-[ 1-13C] ribose 5-phosphate. Le lecteur observera lordre de grandeur de k,. On peut dailleurs observer des valeurs beaucoup plus leves avec dautres sucres, mme pH 7,5. Quant la constante k,, elle est videmment beaucoup plus leve, puisque K est en gnral trs suprieur 1.

2

Figure 1.6 Variation en fonction du pH de la constante douverture des furanoses 1.26 (a) et 1.27 (p), en solution 0.3 M dans 2H,0 15 5% 24C. Extrait de R. Barker et A. S. Serianni, Acc. Chern. Res., 19 (1986) 307-313 (publi avec laimable autorisation de ]American Chemical Society ; O 1986 American Chemical Society).

1

1.5 CONSIDRATIONS GNRALES SUR CES MESURES

Le lecteur peut tre tent de penser que les raffinements exprimentaux dcrits dans les paragraphes prcdents, qui utilisent des techniques difficiles, relvent de proccupations essentiellement acadmiques. En fait, dans le domaine de la chimie organique, nombre de ractions des sucres sexpliquent le plus facilement en admettant que le tautomre carbonyl est en quilibre rapide avec les cycles domi- nants. On observe des ractions typiques de carbonyle. De plus la mesure, mme approximative, de la concentration en aldhyde ou ctone, permet, par application de la relation de Gibbs, dapprcier lordre de grandeur de son excs denthalpie libre par rapport aux formes cycliques, soit environ 6 kcal mol- pour le glucose.

Du point de vue de lconomie des cellules vivantes, la configuration anomrique des sucres libres nest probablement pas indiffrente, puisque la Nature a prvu une enzyme, la mutarotase (Aldose 1-pimrase), trs rpandue dans les tissus animaux et les bactries, qui catalyse la mutarotation. Lenzyme de Escherichia coli a un maximum dactivit au voisinage de la neutralit. Lnergie dactivation AG#= 11,9 kcal mol- est fortement abaisse, comme dhabitude, par rapport celle de la raction catalyse non enzymatiquement, voisine de 17 kcal mol-. Elle admet comme substrat le D-glucose, le D-galactose et le D-fucose, mais non le D-manno~e[~] .

Rfrences 19

+

Le tableau 1.2 montre que la forme carbonyle, ici ctonique, est beaucoup plus importante avec le D-fructose et son diphosphate 1.21. Lun comme lautre, en forme acylique, prsentent une fonction mixte caractristique, la fonction carbonyle 0-hydroxyl (aldol ou ctol). Une des proprits de cette fonction est sa rupture, selon une raction rversible en prsence de catalyseurs purement chimiques. La raction du diphosphate 1.21 scrit selon lquation (1.8). Elle est catalyse par lenzyme aldolase, et cest une voie majeure de cration de liaisons carbone-carbone dans les cellules.

RFRENCES

[ 11 G. M. Brown et H. A. Levy, Acta Crysrullogr:, B35 (1979) 656-659. [2] S. S. C. Chu et G. A. Jeffrey, Acta Crysrullogr:, B24 (1968) 830-838. [3] S. J. Angyal, Adv. Curbohydr: Chern Biochern., 42 (1984) 15-68 ; 49 (1991) 19-35. [4] K. B. Hicks, Adv. Curbohydr: Chern. Biochem., 46 (1988) 17-72. [5] S. Honda, S. Suzuki et K. Kakehi, J. Chrornutogr, 291 (1984) 317-325. 161 R. Barker et A. S. Serianni, Acc. Chern. Res., 19 (1986) 307-313. [7] M. J. King-Morris et A. S. Serianni, J. Am. Chern. Soc., 109 (1987) 3501-3508. [8] H. S. Isbell et W. Pigman,Adv. Curbohydr. Chern., 23 (1968) 11-57 ; 24 (1969) 13-65. [9] E Hucho et K. Wallenfels, Eux J . Biochern., 23 (1971) 489-496.

CHAPITRE 2

Conformation des monosaccharides et de leurs drivs

2.1 SYMBOLES DE CONFORMATION : PYRANOSES

Les conformations remarquables du cycle oxane (ttrahydropyranne) des pyranoses sont les mmes que celles du cyclohexane. On numrote les carbones partir du carbone hmiactalique, dit anornrique. Cette convention nest pas conforme la rgle de numrotation des htrocycles, qui attribue le numro 1 lhtroatome (ici, loxygne). Reprsentons loxane avec les carbones 1, 3 et 5 dans un plan horizontal, les carbones 1 et 4 dans le plan du papier cens vertical, et loxygne cyclique en arrire du plan du papier. Lobservateur situ au-dessus du cycle voit les numros dfiler dans le sens des aiguilles dune montre. Dans un pyranose, tous les carbones, ou presque tous, sont substitus, mais pour la com- modit de lexpos, il suffira dintroduire un substituant R un site arbitraire. Lquation (2.1) reprsente alors lextension la chimie des pyranoses de lquilibre classique de conformation du cyclohexane.

Le symbole 4C1 de la conformation 2.1 indique que dans la reprsentation conventionnelle, les carbones 1 et 4 sont respectivement au-dessous et au-dessus du plan moyen de la molcule. Le symbole de la conformation 2.2 est alors lC4. De mme, lnantiomre 2.3 du pyranose 2.1 donne lieu un quilibre conformationnel (2 .2) , symtrique du prcdent, auquel correspondent, selon notre convention, les symboles IC4 et 4C1.

On voit quon aboutit un rsultat choquant : la convention attribue le mme symbole 4C1 aux conformations 2.1 et 2.4, ni superposables ni symtriques. Les symboles ;Cj nont un sens que si on connat la srie D ou L du pyranose, quil faut introduire pour lever lambigut. Si le sucre schmatique 2.1 appartient la srie D, les symboles corrects des conformations 2.1,2.2,2.3 et 2.4 sont alors respectivement D 4 C , , D-C4, L-C4 et L 4 C , . Remarquez que lnantiomre dune molcule en conformation D-4C1 est une molcule en conformation L-C4, alors que ces deux molcules se comportent identiquement dans tout environnement achiral.

Les pyranoses contenant une double liaison cyclique ou un cycle oxirane fondu, qui sont dimportants intermdiaires de synthse, existent en conformation demi-chaise. On donnera leur description symbolique au moment de les traiter.

Conformations ltat solide 21

(2.1) R*, 1 = 4 @

R 3

2 . 1 CC,) 2 . 2 (IC4)

R

2 . 3 (IC4) 2 . 4 (Cl)

Enfin, il existe des conformations intermdiaires entre chaise et conformation croise. On donnera leur description symbolique propos de lexemple le plus important, celui de lacide L- iduronique (voir le paragraphe 2.8).

2.2 CONFORMATIONS LTAT SOLIDE

Llucidation de la structure dun sucre cristallin donne videmment la fois sa configuration absolue et sa conformation. Les progrs techniques considrables raliss dans la construction des diffractomtres rendent la dtermination de structure par les rayons X de plus en plus rapide et de plus en plus facilement acces- sible au non-spcialiste. Plus rarement, on a associ au spectre de rayons X le spectre de diffraction de neutrons (spectres X, N) qui donnent les grandeurs gomtriques avec plus de prcision, permettent de localiser les hydrognes et, en principe, de connatre la rpartition de la densit lectronique dans les couches de valence. Les mthodes par diffraction sont les plus prcises des techniques actuelles : elles donnent les longueurs, les angles didres et les angles de valence. Toutefois, elles observent des molcules maintenues rigidement dans le rseau cristallin. On connat un grand nombre de structures de sucres ltat solide, qui sont dsormais recenses rgulirement dans la collection priodique Advances in Carbohydrate Chemistry and Biochemistry. Le lecteur y trouvera un examen critique des rsultats du point de vue dun cristallographe[].

Toutefois, la prparation dun cristal adquat peut savrer une affaire plus difficile que la spectroscopie elle-mme. Bien sr, les sucres sont typiquement une famille

22 Conformation de monosaccharides et de leurs drivs

Ce driv fluorure de 2,3,4-ttra--acetyl-~D-xylopyranosyle adopte la conformation ttraquatoriale 2.5 dans le cristal, mais en solution, il donne lieu un quilibre conformationnel o la conformation ttraaxiale 2.6 est trs fortement prdominante (80-90 % ) c 2 ] . La conformation ttraquatoriale 2.5 a donc un excs dnergie sur 2.6, que lon peut calculer, au moyen de la relation de Gibbs, comme au moins gal 0,8 kcal mol-. Ce lger excs est donc compens lors de llaboration du cristal, qui slectionne la conformation ttraquatoriale en solution et dplace lquilibre totalement vers la gauche. Peut-tre la plus grande planit de la conformation 2.5 favorise-t-elle un empilement compact.

Ceci dit, lorsque la conformation en solution dune molcule apparat unique en solution, avec nos mthodes actuelles dobservation, dans la vaste majorit des cas, cest celle-ci que lon retrouve dans le cristal.

(2.3) Ac-F Ac0 e HF Ac Ac OAc

2 . 5 2 . 6

2.3 CONFORMATION EN SOLUTION : RSONANCE MAGNETIQUE NUCLEAIRE DU PROTON

On a dj mentionn au chapitre premier lutilisation de la rsonance magntique nuclaire ltude des quilibres anomriques, par analyse de la partie du spectre relative aux protons anomriques. En gnral, lanalyse du spectre 250 MHz dun monosaccharide ne prsente aucune difficult. Le couplage vicinal entre protons axiaux est de lordre de 8- I l Hz, le couplage entre protons gauches de lordre de 1-3 Hz. Le couplage quatorial-axial est plus lev que le couplage quatorial-quatorial, souvent nul. Lorsque la configuration dun driv pyrano- sique est connue, on peut en gnral trouver un couple de protons vicinaux trans. Si on peut mesurer leur couplage sur le spectre, la conformation est dtermine sans ambigut si ce couplage est proche dune des valeurs extrmes donnes ci- dessus. I1 est futile de calculer les angles didres avec une grande prcision par les relations de Karplus, et de tels renseignements ne sont pas ncessaires pour pr- dire des proprits de ractivit, par exemple.

Quelques exemples montreront les particularits visibles sur des spectres de monosaccharides reproduits sur les figures 2.1, 2.2 et 2.3. Le mthyl 0-D-galactopyranoside 2.7 est reprsentatif du rsidu galactose intrieur des chanes de glycolipides. Le mthyl a-L-fucopyranoside 2.8, en conformation L- C4 est reprsentatif dune branche de lpitope (voir le chapitre 16) des antignes des groupes sanguins principaux. Lacide sialique 2.9 en conformation D-C, joue un rle

Conformation en solution : rsonance magntique nuclaire du proton 23

h d I I I I I I I I I I I I I I

I I

4,8 4,6 434 492 4,o 398 3,6 3,4

Figure 2.1 Spectre de RMN du proton 250 MHz du mthyl fi-D-galactopyranoside dans D,O.

2 . 1

OCH,

4

H H 2

2 . 8

2 . 9


5:O 4:8 4:6 i,4 4:2 4:O ' 318 ' 3:6 ' 3:4 ' 3:2 ' 3:o ' 218 ' 2:6 ' 2:4 ' 2'2 ' 210 ' 118 ' 1)6 ' 1:4 ' 112 ' 1:o ' 0:8

Figure 2.2 Spectre de RMN du proton 250 MHz du mthyl a-L-fucopyranoside dans D,O.

I ~ l ~ , ~ l ~ l ' , . l . l ~ , ~ , ~ , . , . , . , I

0.2 4.0 3.8 3.6 3.4 3.2 3.0 2.8 2.6 2,4 2.2 2.0 1.8 1.6 PPM

Figure 2.3 Spectre de RMN du proton 250 MHz de l'acide N-actylneuraminique.

Conformation en solution : rsonance magntique nuclaire du proton 25

Protons 2.7 * 2.8 ** 2.9 *

H- 1

H-2

H-3ax

H-3eq

H-4

H-5

H-6

H-7

H-8

H-9

H-9

N-actyl

O-mthyl

3,90 (1)

vers 3,75 (4,9) (7,4)***

3,75 (-12) ***

335

4,60 (1)

3,71

3,71

3.65

3,38

Tableau 2.1 Donnes de RMN pour les sucres 2.7, 2.8, 2.9. Au-dessous de 6 (en p.p.m partir de Me$), on donne les couplage2J, J,, (* Solvant D20, pic HOD 4,80 p.p.m ; ** solvant CD,OD, pic HOD 4,85 p.p.m ; *** valeurs calcules daprs D. Welti, J . Chern. Res. (M), (1977) 3566-3587.)

+,, dans cet ordre, entre parenthses.

important dans les phnomnes de reconnaissance. Les valeurs numriques des dplacements chimiques et des couplages sont regroupes dans le tableau 2.1.

Dans certains cas, on observe des valeurs intermdiaires des couplages, dori- gines diverses :

a) La conformation sloigne notablement dune chaise classique. Cest ce que lon observe sur le bis ctal2.10,


2 .10

Dans CDCl,, les couplages sont 5,O ; J2,, 2,4 ; J 3,4, 8,O et J4,5 1,4 Hz. Le lecteur pourra sassurer que ces couplages sont incompatibles avec une conformation D-4C,. On a propos une conformation intermdiaire entre croise et bateau[3]. La fusion de deux cycles pentagonaux sur loxane est la cause de cette distorsion. Ceci est un cas extrme, on observe aussi des conformations chaises moins radicalement dformes.

b) I1 y a un quilibre entre plusieurs conformations. Ce que lon mesure est alors une moyenne pondre. Ceci sera dvelopp longuement au paragraphe 2.6.

Nous navons parl ici que de lapplication de la RMN aux monosaccharides ; le dveloppement de la chimie des oligosaccharides a d faire appel des techniques plus compliques, qui seront esquisses au chapitre 9.

2.4 GNRALITS SUR LES FACTEURS DE CONFORMATION DES MONOSACCHARIDES

Comme le montre lexemple 2.10 de la section prcdente, les contraintes mcaniques introduites par la fusion de loxane avec dautres cycles ont une influence prpondrante sur sa conformation. On traitera les cas analogues au fur et mesure de leur apparition dans la suite de louvrage. Dans le reste de ce chapitre, il ne sagira que de composs monocycliques.

Dans lquilibre des deux conformations chaises dun cyclohexane substitu, lexcs denthalpie libre de la conformation la moins stable est calcul comme la diffrence entre deux sommes de termes, qui reprsentent respectivement les interactions diaxiales 1,3 et les interactions gauches 1,2 de chaque conformre. On admet donc une loi dadditivit des compressions striques. Ce traitement semi-quantitatif perd une partie de son sens avec les pyranoses. Tous les carbones sont fonctionnels, ce qui doit faciliter la propagation des interactions dun bout lautre de la molcule, et diminue la plausibilit de lapproche par addition de contributions indpendantes. De plus, avec les sucres non ramifis, essentielle-

Effet de coplanarit 27

ment ceux auxquels nous aurons affaire, les substituants sont le plus souvent des groupements hydroxyle, actoxy et benzoyloxy. Lencombrement de lhydroxyle varie suivant son degr de solvatation. Lacylation diminue son volume de faon imprvisible en dplaant de la densit lectronique vers le carbonyle. Enfin, presque chaque position a, dans une certaine mesure, un statut particulier. Les anomalies sont trs marques pour la position 1 de tous les pyranoses et pour la position 5 des hexopyranoses. On les discutera longuement dans les paragraphes 2.5 et 2.6. Restent les positions 2 ,3 ,4 . Dans le 4-actoxyoxane 2.11, le substituant axial subit la compression strique traditionnelle due aux deux liaisons C - H axiales en 2 et 6. Par contre, dans le 3-actoxyoxane 2.12 (et dans le 5-actoxy), le substituant est oppos un seul C - H axial, lautre position tant occu- pe par loxygne cyclique. Le compos 2.12 donne lieu un quilibre conformationnel o il y a presque la mme quantit des conformations 2.12 et 2.13. Lnergie conformationnelle est pratiquement nulle cette position.

Ac-

OAc H

2.11 2 .12 2 . 1 3

En fait, la conformation des pyranoses est domine par deux effets qui nexistent pas dans le cyclohexane, et qui se manifestent aux positions 2 et 6 de loxane. Lun deux est particulier aux hexopyranoses et je propose de lappeler > pour ne pas impliquer de structure particulire restrictive dans le nom dun effet dj prsent dans le mthoxythane. Lautre effet, prsent dans tous les pyranoses, est leffet anomrique : le nom de cet effet, tir du vocabulai- re des sucres parce que cest dans cette famille quon la reconnu la premire fois, en dissimule en fait le caractre trs gnral puisquil est dj prsent dans le mthyl chloromthyl-ther. Les consquences de ces effets peuvent tre modules par des interactions de type cyclohexane, mais pas au point de ncessiter plus quune discussion qualitative.

2.5 EFFET DE COPLANARIT

I1 est bien connu que le butane a deux conformations prfrentielles, reprsentes selon une projection de Newman perpendiculaire la liaison 2-3 par 2.14 (anti) et 2.15 (gauche).

La figure 2.4 I indique en b la variation dnergie de la molcule en fonction de langle didre M e c - CMe et, en a, la population des conformations corres-


y/: \#/y hH Aifie Me H Me

2.14 2.15 2.16 2.17

M m

Me 2.18 2 .19 2.20

pondantes donne par des calculs ab initid4]. La figure 2.4 II indique les variations correspondantes pour le mtho~ythane[~, pour lequel, par analogie, on pr- voit deux conformations privilgies, 2.16 et 2.17. Ce quil y a dimportant reconnatre dans les courbes de la figure 2.4, cest que lexcs dnergie de la forme gauche sur la forme anti, qui est de 0,70 kcal mol- dans le butane, slve 1,96 kcal mol- dans le mthoxythane. En consquence, la population de cette conformation est extrmement faible. On a ici lexemple le plus simple possible de la stabilisation considrable de la conformation anti due la prsence de loxy-

28

21

14

7

O

9

6

3

0 60 120 180 240 300 360

I II

Figure 2.4 Donnes quantitatives thoriques sur lquilibre conformationnel du butane (I) et du mthoxythane (II). Abscisses : angles didres Mec-CMe ou Mec-OMe ; ordonnes : a) IO3 fractions molaires par degr dangle, b) kcal mol-. Daprs W. L. Jorgensen, R. C. Binning, Jr. et B. Bigot, J. Am. Chem. Soc., 103 (1981) 4393-4399 et W. L. Jorgensen et M. Ibrahim, J. Am. Chem. Soc., 103 (1981) 3976-3985 (publi avec laimable autorisation de 1American Chemical Society).

Effet de coplanarit 29

Substituant - A G /kcai moi-

2 - CH3 2 - CH20H 3 - CH, 4 - CH3

2,86 2,89

1,43 I 0,04 1,95 ? 0,05

Tableau 2.2 Energies libres conformationnelles doxanes substitus*. (* Dans lintervalle 163-183 K, dans des solvants chlors). Daprs E. L. Eliel, K. D. Hargrave, K. M. Pietrusiewicz et M. Manoharan, J. Am. Chem. Soc., 104 (1982) 3635-3643 (publi avec laimable autorisation de IAmerican Chemical Society).

gne. Le nom > donn ce phnomne rappelle Iexagra- tion de la tendance de la liaison CMe rester dans le plan C-O-C.

Passons maintenant au cas de loxane[6], qui donne trois types de drivs monomthyls, 2.18, 2.19 et 2.20.

Pour un oxane monosubstitu, lexcs denthalpie libre de la conformation substituant axial sur la conformation substituant quatorial est, comme on le sait, par dfinition, lenthalpie libre conformationnelle (ELC) du substituant dans loxane, cette position. Ces valeurs, mesures ventuellement indirectement en utilisant des composs relais intermdiaires, sont consignes dans le tableau 2.2. Les conformations quatoriales correspondent aux conformations anti du butane et du mthoxythane et les conformations axiales (non reprsentes), aux conformations gauche. On observe que lenvironnement du driv 2.20 est le plus voisin de celui du cyclohexane et que 1ELC est du mme ordre. Par contre, la prsence de loxygne cyclique diminue notablement 1ELC du drive 2.19. Le point important est laugmentation notable de IELC du compos 2.18, o le mthyle est proximit de loxygne cyclique, et possde sur un ct un environnement semblable celui du mthoxythane. Considrons lquilibre (2.4) du driv dimthyl 2.21.

Me Me 2.21a 2 .21b

Ce compos adopte presque exclusivement la conformation 2.21b. On trouve :

k = [221b1- ~- 86,O [ 2.2 1 a]

correspondant - AG O = 1,62 kcal mol-. Si on admet que - AG O est la diffrence des nergies conformationnelles des mthyles en position 2 et 4, on trouve


pour IELG du mthyle en 2 1,62 + 1,43 = 3,05 kcal mol-. La valeur du tableau 2.2, rvise la baisse, rsulte dun calcul indirect, faisant intervenir des quilibres plus mesurables, car ici la valeur de k est trs grande, et la prcision sur la concentration de 2.21a sen ressent. On a calcul de mme IELG dune chane latrale CH,OH en 2, disposition habituelle chez les hexopyranoses.

Leffet de coplanarit na pas soulev autant dexcitation chez les thoriciens que leffet anomrique et sa cause nest pas connue avec certitude. Lexplication la plus simple est que linteraction 1,3-diaxiale dun mthyle en 2 de loxane avec la liaison CH en 6 est augmente, parce que ces deux substituants sont plus rap- prochs que sils taient spars par -CH,- au lieu de -O-. Le calcul pour l a -D- glucopyranose solide avec des liaisons carbone-oxygne de 1,439 et 1,427 , faisant entre elles un angle de 113,7, donne pour la distance C,-C, 2,400 A, alors que la valeur correspondante pour le cyclohexane est au moins gale 2,5 . I1 est connu que la compression strique crot rapidement avec le rapprochement.

2.6 EFFET ANOMRIQUE

2.6.1 Donnes exprimentales

Leffet anomrique se manifeste ltat pur sur une molcule trs simple, le mthyl chloromthyl ther, CH,0CH2C1. reprsente en projection le long de la liaison O-CH2C1 sur la formule 2.22.

La conformation connue est celle de la molcule ltat gazeux, donc isole, dtermine par diffraction le~tronique[~1. Au lieu dadopter la position anti favorise dans le butane, la liaison carbone-chlore construit avec la liaison OMe un didre de 75. Elle est presque coplanaire laxe de lorbitale de la paire libre 2p de loxygne, lcart (15 en projection) tant probablement d une interaction non lie entre mthyle et hydrogne. La liaison carbone-chlore (1,s 13 A) est plus longue que dans les chloroalkanes, la liaison O-CH,Cl (1,368 ) est plus courte que dans les thers aliphatiques et que la liaison CH,-O (1,414 A). Enfin, on observe sur le mthyl chloromthyl ther ltat solide une frquence de rsonance quadripolaire de ,,Cl exceptionnellement basse (29,s 17 MHz) compare celle du 1-chloropropane (32,968 MHz), ce qui indique une augmentation de la population orbitale 3p dans la direction de la liaison ou, en termes moins prcis, une augmentation de lionicit du chlore.

On retrouve le mme effet conformationnel dans les 2-halognooxanes (2.23, X = C1, Br, I). Ces composs nexistent que sous la conformation halogne axial 2.23a qui correspond la conformation gauche du mthyl chloromthyl ther, dont ils sont les analogues cycliques, compte tenu des contraintes exerces par le cycle, selon lquation (2.5).

Nous avons t habitus jusqu prsent lide quun substituant volumineux impose un cycle six lments la conformation o il est quatorial. La tendance est donc oppose en a dun oxygne thr. On observe le phnomne avec les

Effet anornrique 31

2 .22

x 2.23a 2.2313

drivs de sucres prsentant un halogne ou, ce qui est le cas gnral, un atome doxygne sur C(1). On essaye dvaluer leffet anomrique partir dun quilibre tel que (2.5) relatif, cette fois, un pyranose le plus gnral.

Si A, est lnergie libre conformationnelle de X, on pose :

Effet anomrique = AG, + A, Malheureusement, A, a la position 2 dun oxane nest pas mesurable pour un

substituant effet anomrique, car on ne peut dissocier exprimentalement la rpulsion strique de leffet anomrique. On prend 1ELC dans le cyclohexane. Lexemple du mthyle, dpourvu deffet anomrique (voir le paragraphe 2.5) fait supposer que la rpulsion est plus grande cette position. On obtient des valeurs par dfaut. I1 y a dautres dfinitions, aucune nchappe la critique.

Leffet anomrique des halognes est trop puissant pour quon puisse observer une autre conformation que 2.23a sur les 2-halognooxanes. Lestimation ne repose pas sur un quilibre conformationnel, mais sur une raction chimique quilibre (2.6) dinversion de configuration sur C( 1) des cis (2.24 c) et trans (2.24 t) 2-halo-4-mthyloxanes, catalyse par HCI[].

On observe toujours un mlange 97:3 o prdomine le driv trans, 2.24 t (X = Ci), chlore axial (-AG O = 2,15 kcal mol-). Lexpression numrique de leffet anomrique sobtient en ajoutant IELC du chlore (03 kcal mol-), ce qui donne finalement 2,65 kcal mol- pour le liquide pur. De mme, on a estim la valeur de leffet anomrique partir dquilibres de glyco~idation[~]. Quelques

x 2 . 2 4 ~ 2.24t


Substituant kcal mol - I

Hydroxy 0,9 - 1,35 Methoxy 1,3

Fluor ? Chlore 2,7 Brome 3 2 Iode 3,l Nitro* 3,4

Acetox y 1,4

Tableau 2.3 Evaluation numrique de leffet anomrique. (Daprs B. Aebischer, R. Hollenstein et A. Vasella, Helv. Chim. Acta, 66 (1983) 1748-1754.)

sont rassembls dans le tableau 2.3. Lordre donn par ces chiffres a sans doute une vritable signification.

2.6.2 Origine de leffet anornrique

On observe sur les composs du chlore, du brome et de liode, une ou plusieurs raies dabsorption dans le domaine hertzien dont la frquence est caractristique de ltat de liaison de lhalogne. Cela vient du fait que les noyaux des atomes, 35Cl par exemple, possdent un moment quadripolaire qui peut exister sous plusieurs niveaux dnergie dans un gradient de champs lectrique. La relation de Townes et Dailey relie directement cette frquence de rsonance aux paramtres de description de la liaison par les orbitales molculaires, la population a de lorbitale p , de lhalogne implique dans la liaison carbone-halogne et la moyenne b des populations des orbitales p x et p , perpendiculaires, approxime ici par 2. Pour le noyau CI, cette relation scrit :

v / M H z = 5 5 ( 2 - a ) La frquence de rsonance est dautant plus basse que la population 3p , dans

la direction de la liaison est plus grande et sannule pour un compos ionique (a = 2) . Dans un langage plus flou, plus la liaison est ionique, plus basse est la rsonance.

On a interprt la rsonance exceptionnellement basse du mthyl chloromthyl ther comme une consquence de la dlocalisation de lorbitale 2p2 de la paire libre haute nergie de loxygne dans lorbitale antiliante O&, de la liaison carbone-chlore 12] (Fig. 2.5).

Ceci implique un quasi-paralllisme entre les axes de ces deux orbitales. On observe un angle 19 = 15, cos = 0,97. Dans la conformation anti, les deux orbitales seraient orthogonales et leur interaction nulle. Lintroduction dlectrons

Effet anomrique 33

Figure 2.5 Dlocalisation orbitalaire dans le mthyl chloromthyl ther.

fournis par loxygne dans cette orbitale augmente la population 3p, et abaisse donc la frquence de rsonance, mais comme il sagit dlectrons antiliants la liaison carbone-chlore est affaiblie et sallonge. Par contre, la liaison carbone-oxygne, laquelle participent deux orbitales p daxes parallles, prend un certain caractre TC, ce qui la raccourcit. Lhypothse de la dlocalisation explique de faon satisfaisante toutes les particularits du mthyl chloromthyl ther.

Les tudes ultrieures sont plus directement lies aux sucres pyranosiques. On connat une famille importante de drivs, les halognures de pyranosyle, o les hydroxyles alcooliques sont acyls (gnralement actyls) et lhydroxyle hmiactalique remplac par du fluor, du chlore ou du brome, dont les formules 2.25 et 2.26 donnent les prototypes, en srie D-glucn.

A partir de pentoses et dhexoses de configurations varies, on peut prparer deux collections de chlorures de pyranosyle, chlore axial ou quatorial, respectivement analogues de 2.25 et 2.26. Comme avec le 2-chlorooxane, lorientation axiale du chlore selon 2.25 correspond la conformation stable du mthyl chloromthyl ther. La comparaison des donnes gomtriques ltat solide, lors- quelles sont disponibles, montre que la liaison carbone-chlore axiale est invariablement plus longue que la liaison carbone-chlore quatoriale. Enfin la figure 2.6 montre que, du point de vue de la rsonance quadripolaire, ces composs se rpartissent en deux groupes.

Ac&\ Ac0 Ac+ Ac0 CI

CI 2 .25 2.26


A

35

34

, a-rhamno

Figure 2.6 Frquence de rsonance quadripolaire de chlorures dhexopyranosyle practyls, ayant les configurations indi- ques.

-@-arabina

- a-manna r- La frquence de rsonance du chlore axial est invariablement plus basse que

celle du chlore q~atorial[~]. La figure 2.6 est aussi suggestive un autre point de vue : la dispersion des rsonances quatoriales, voisine de 0,5 Hz, est de lordre de grandeur de ce que les spcialistes appellent les

Effet anornrique 35

orbitales. I1 na pas t mesur mais il est incontestable. I1 impose 85 % de conformation ttraaxiale au driv 2.6 en solution. La comparaison des structures solides 2.5 et 2.27 est suggestive. La longueur de la liaison C-F axiale est 1,386 A, celle de la liaison C-F quatoriale, 1,367 A. Les longueurs des liaisons C( I)-O sont respectivement de 1,406 et 1,339 dans les drivs 2.5 et 2.27. Un calcul[14] conduit un effet anomrique de 1,85 kcal mol-, effectivement infrieur celui du chlore.

Pour les sucres substitus par de loxygne sur C( l), la dlocalisation est plus difficile prouver, puisquon ne peut pas faire de spectre de rsonance quadripolaire. La polarisabilit atomique de loxygne, 0,802, le classe entre le fluor et le chlore, aussi semble-t-il peu probable que son effet anomrique relve dun mca- nisme radicalement diffrent. Le dimthoxymthane, MeOCH20Me, a en phase gazeuse[151 une conformation gauche 2.28 (projection le long de CH,-O) qui correspond celle des mthyl a-hexopyranosides, o le groupement mthoxy est axial. Toutefois, il faut remarquer que les deux oxygnes jouent le mme rle. La dlocalisation peut se produire dans les deux directions avec une gomtrie ad- quate. On y a vu lorigine de leffet exo-anomrique. Comme cet effet est princi- palement intressant en chimie des oligosaccharides, il sera trait au chapitre 9.

F I

I OBz

2 . 2 1

%OMe I H

2 .28

Notons seulement quil stabilise les anomres quatoriaux, donc diminue Ief- fet anomrique des substituants oxygns. Cependant il y a dautres indications physiques de dlocalisation prfrentielle de loxygne cyclique vers loxygne exocyclique, fournies par la mesure de la constante de couplage direct JCH entre le carbone anomre et lhydrogne. La comparaison des valeurs ]JCH, mesures sur une vingtaine de couples danomres de configuration et de substitution varies, montre que lon observe pour chaque couple :

Jeq- J,, 10 Hz Or IJCH, mesur par spectroscopie de RMN de I3C, est reli au pourcentage de

caractre s de la liaison, soit p, par la relation JCH = 500 p

Donc le proton quatorial, prsent dans lanomre oxygne axial, a un caractre s plus lev que le proton axial, ce qui est conforme lide que la liaison C-O cyclique est plus voisine dune double liaison dans lanomre axial que dans lanomre quatorial (Fig. 2.5).


La dlocalisation de lorbitale 2p, de loxygne dans lantiliante axiale C-X est incontestable, mais ceci ne rsoud pas pour autant la question de la

Conformation des pentopyranoses 37

AE*

Figure 2.8 Niveaux dnergie et interactions dans le 2-chlorooxane chlore axial.

Linteraction O&, l p , (O) domine parce que ce sont les deux orbitales les plus proches en nergie. Le calcul complet donne pour leffet anomrique du chlore :

A E = - 4h* il& (AE*)3

h * tant calculable sur un modle. Cette formule, qui conduit un rsultat rai- sonnable, 3,3 kcal mol-, a aussi le mrite de souligner que leffet anomrique nest observable que parce quil y a une diffrence dnergie E entre les deux paires libres de loxygne.

2.7 CONFORMATION DES PENTOPYRANOSES

En raison de labsence de chane latrale en C(5), il y a frquemment mobilit conformationnelle. Le spectre de RMN du proton peut donner lillusion dun compos conformation homogne, alors quen fait, ce que lon observe est une moyenne temporelle, parce que linterconversion est rapide lchelle de temps de la RMN. Alternativement, le spectre du conformre minoritaire peut tre prsent, mais chapper la dtection.

Ainsi la valeur intermdiaire du couplage JI,* (4,X Hz dans lactone deutre) du ttra-O-actyl-fi-D-ribopyranose suggre quil y a un quilibre entre les conformations 2.29 et 2.30, C, et ,C,. Au refroidissement, le signal examin sous 200 MHz slargit brusquement vers -60C, puis se rsout en deux signaux : un singulet troit champ plus faible, caractristique dun proton H-1 quatorial, et


PAC H

2 .29 2 .30

un doublet large, champ plus fort, caractristique dun proton H-1 axial. A basse temprature, lquilibre correspond un excs (2:l) de la forme triaxiale. La mesure de la temprature de coalescence permet de calculer la constante de vitesse pour linversion : elle est voisine de 117 s-l 2 -6OC, et correspond une nergie dactivation A@ = 10,3 * 0,3 kcal mol- dans le sens 4C, -+ IC4. Pour la raction en sens inverse, les chiffres correspondant sont 57 s- et 10,6 f 0,3 kcal mol-, respectivement. Ces valeurs sont voisines de celles quon observe sur le cyclohexane ou loxane. 11 est remarquable que la substitution ne cause pas de gne linversion.

Cette exprience permet de mesurer les valeurs > des constantes de couplages J I , ? pour les deux conformations. Si, une autre temprature, les fractions molaires des conformres sont Ne et Na, une rgle de mlange donne :

Jobs = Ne e N o a La mesure de J permet de calculer k = Na / Ne et la diffrence denthalpie,

AG O = -RTlnk. Ainsi on trouve qu temprature ambiante, il y a 55 % de conformre 2.29.

Ce gel conformationnel est exceptionnel. Le seul autre exemple parmi les pentopyranoses ttraactyls est le driv O-D-lyxo. Le calcul des constantes dquilibre partir des spectres moyens ncessite certaines extrapolations. On nobserve pas deffet rgulier de la nature et de la polarit du solvant. On va maintenant examiner les diffrents types de drivs.

Le cas le plus simple est celui des halognures per-acyls. La conformation est domine par leffet anomrique puissant dun halogne et on nobserve que des conformations halogne axial, sauf avec la configuration 0-D-xylo, qui donne lieu un quilibre (Equilibre (2.7) ; Tableau 2.4). Nanmoins, ce tableau montre que les conformations ttraaxiales sont toujours dominantes et parfois presque exclusives.

Conformation des hexopyranoses et de leurs drivs 39

R* X * k = 4C ,/IC

Ac Bz Ac Bz Ac Bz

c1 c1 F F

OAc OBz

0,26 0,19 0,17 0,os 2,60 0,98

Tableau 2.4 Equilibre conformationnel des drivs PD-xylo dans CD,COCD,. (* Voir lquation (2.7)).

Si on remplace maintenant lhalogne anomrique par un actoxy, la position dquilibre est renverse, leffet anomrique faible ntant pas capable, la temprature ambiante, de compenser deux interactions diaxiales. Cependant, le dri- v per-O-benzoyl donne lieu un quilibre 1:l. On reconnat ici les limites de ces analyses qui ne prennent en compte que la partie oxane. Avec les substituants benzoate,


stituants de volume norme. Nous avons soulign dans la section prcdente que les rgles applicables aux drivs simples des cycles six lments nont aucune raison dtre gnralisables ces cas extrmes.

Dune faon plus gnrale, on peut prvoir quatre orientations autour de loxygne cyclique dun D-pyranose : I et III pour les drivs trans, II et IV pour les cis (Fig. 2.9). A lexception de lidose (et peut-tre de laltrose), tous les drivs trans, ici les a -D-hexopyranoses monocycliques et leurs drivs, existent sous la seule conformation observable D-4C,, qui correspond la conformation locale I, doublement stabilise par leffet anomrique et leffet de coplanarit.

I II III IV

Figure 2.9 Orientations possibles des substituants autour de loxygne cyclique dun pyranose.

L a-D-idopyranose, 2.31, est le seul pyranose prsentant deux interactions 1,3-diaxiales en conformation D-,C,. Cest ici le moment dintroduire de nouvelles conformations et leurs symboles. La conformation croise (skew, s), 2.32, est dcrite en prenant comme plan de rfrence celui des quatre atomes copla- naires (non conscutifs). On complte le symbole en indiquant les numros des atomes situs au-dessus et au-dessous du plan de rfrence et, naturellement, le symbole de la srie, ce qui donne ici D-S,. La -D-idopyranose en conformation D-OS,, 2.33, ne prsente plus dinteractions diaxiales prohibitives, et satisfait nanmoins aux critres de stabilisation locale autour de loxygne cyclique, au moins partiellement. Le spectre de RMN du proton de la-D-idopyranose en solution aqueuse est celui dun mlange en quilibre des conformations 2.31 et 2.33.

La configuration ido est prsente, de faon isole au milieu dautres rsidus monosaccharides dans les chanes polycondenses, dites

Furanoses 41

2.31 2 .32

HO & O SO,H AR' OR' b S 0 , H

2.34 2.35

6 H 2.33

6 R '

2.36

oligosaccharidiques. I1 est possible que l'introduction de rsidus ido conformation flexible en certains sites cre la souplesse indispensable certaines fonctions.

Dans 1' a-D-idopyranose peractyl, la compression strique des oxygnes axiaux est diminue par l'actylation, et l'effet anomrique est augment. Cet ester existe exclusivement en conformation D-4C, ttraaxiale 2.37[1].

2.37

2.9 FURANOSES

L'oxolane est aussi flexible que le cyclopentane, sur lequel on raisonnera d'abord. I1 est commode de mettre des noms sur certaines conformations, par exemple conformation croise (twist) 3T2 2.38, enveloppe 3E 2.39, croise 3T4 2.40, dont les symboles sont calqus sur ceux du cyclohexane (Equilibre (2.8)).

2.38 ('T2) 2.39 ( ' E ) 2.40 ( 'T4)


Ce ne sont que des repres gomtriques. Les conformations 2.38, 2.39 et 2.40 sont trois tapes d'une dformation continue qui ne sont pas spares par des bar- rires apprciables. On peut construire une succession de conformations E et T alternes qui nous ramne de faon continue la case dpart. Par exemple, par- tant d'une enveloppe 3E, on passera par les enveloppes 5E, =E, 4E, ' E pour reve- nir 3E : du point de vue de sa forme gomtrique, chaque enveloppe se dduit de la prcdente par rotation de 144", mais ce n'est pas la molcule qui tourne, seulement sa forme. On appelle ceci pseudo-rotation.

Dans une conformation gele du cyclopentane, il y a 5 angles didres, O,,.. . O,, qui sont fixes (Fig. 2.10 a). Au cours de la pseudo-rotation, l'un d'eux, soit O,,, varie entre deux valeurs extrmes, (Po et - (Po, par exemple, en passant par les valeurs ,, (Po, O, - (Po, O, O,. D'o l'ide d'approximer cette fonction priodique par une srie de Fourier rduite un seul terme, en crivant , = 0, cos P. L'angle P varie de 360" lorsque la molcule subit le circuit complet de pseudo-rotation. (Notez qu'alors, une conformation particulire a fait deux fois le tour de la molcule, 2 x 360".)

L'angle didre ,, a sa valeur maximum dans la conformation 3T2. On a alors 0, = O,, donc P = O". Pour les tapes suivantes 3E, 3T4 de la pseudo-rotation, on a P = 18" et 36". De mme l'itinraire =TI --+ =E + =T3 correspond P = 144", 162", 180". Dans la conformation =T3, le didre est de sens oppos celui de la conformation 3T2, et l'on a O,, = 13, cos (180") = - ,. I1 existe bien sur une valeur de P pour chacune des conformations repre, mais la nouveaut apporte par l'introduction du paramtre continu P est la possibilit de caractriser les conformations intermdiaires entre T et E, qui sont celles que l'on rencontre rellement.

A partir de 0, et P on calcule les autres angles didres par la formule : e j= ,cos (P+ j6 ) j = O , l ... 4 6=144"

On tend ces considrations aux furanoses en remplaant le sommet 5 par l'oxygne (Fig. 2.10 b). Les angles didres sont nots z,,, 2, . . . 7,. En dpit de la flexibilit du systme furanosique, il y a une conformation (ou deux) plus basse nergie, dtermine par l'emplacement et l'orientation des substituants et, en phase solide, par les forces d'empilement dans le cristal. En gnral, elle ne con- cide pas avec une des conformations E ou T. Altona et Sundaralingam['sl propo-

a

7 4 O 70

7 3 ( S l 7 2

h

Figure 2.10 Convention de reprsentation des angles didres du cyclopentane (a ) et de l'oxolane (b).

Polyols non cycliques 43

I 2.41 (,T2) 2.42 ('T,)

2.43 2.44

sent de la dcrire avec les paramtres O,, et P. Cette description s'est impose dans la littrature cristallographique''1.

On expliquera cette notation sur un exemple tir de la chimie des nuclosides- nuclotides. C'est de trs loin la famille la plus importante de furanosides (voir le paragraphe 3.4). Les nuclosides sont des combinaisons glycosidiques d'une base htrocyclique et d'un rsidu p-D-ribofuranosyle ou 2-doxy-0 -D-qthro-pento- fiiranosyle. L'exemple choisi est le nucloside artificiel 5-iodoridine. On observe deux conformations diffrentes de cette molcule dans le mme cristal, voisines respectivement de 3T2 2.41 et 2T3 2.42. L'angle didre maximum est entre 2' et 3'. Pour que P soit voisin de O, on choisira donc z2 = O,, (Fig. 2.10) et, par suite, pour O , . . . O,, les valeurs z3, z,, zo, z,, respectivement. La connaissance de deux angles didres permet de calculer z,, et P. L'angle P a le caractre d'une phase et z,, est une mesure de l'applatissement du cycle. La conformation 2.41, P = 9", est mi-chemin entre 3T2 et 'E . On a z, = 36" et l'angle didre maximum 35" entre 2' et 3'. La conformation 2.42, P = 175", est assez voisine de 2T3. L'angle didre maximum est encore entre 2' et 3', - 41". Le fait qu'une mme molcule puisse se trouver sous deux conformations diffrentes dans le mme cristal est en soi rv- lateur de leur faible diffrence d'nergie. C'est tout de mme inhabituel et les nuclosides-nuclotides se rpartissent galement entre 0 < P < 36" et 144 < P < 180" avec peu d'exceptions.

2.10 POLYOLS NON CYCLIQUES

Prenons comme exemple le galactitol l'tat solide, 2.43. La molcule a la forme d'un zigzag plan. C'est la disposition favorite en solution, sauf si elle conduit des interactions clipses 1,3 des hydroxyles. Dans ce dernier cas, la molcule se tord en forme de faucille. Cette conformation drive du zigzag plan par rotation de 120" autour d'une liaison C-C interne. On observe la conformation faucille sur le dithyl dithioactal du D-ribose peractyl 2.44.


RFRENCES

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104 (1982) 3635-3643.

[IO] P. L. Durette et D.

Chimie Moleculaire Et Supramoleculaire Des Sucres

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